盛隆冶金鋼渣在道路工程中應用的可行性研究

曹楊

摘要：鋼渣是煉鋼過程中產生的工業固體廢棄物，是一種沒有被充分利用的資源。提高鋼渣的綜合利用率，有助于保護環境。文章分析了影響鋼渣資源化利用的因素，通過對盛隆冶金鋼渣理化性能試驗及重金屬分析試驗，討論了鋼渣在道路工程中應用的可行性。試驗結果表明：鋼渣是一種物理力學性能良好的筑路材料，其穩定性檢驗指標用浸水膨脹率表征即可;鋼渣中重金屬含量滿足規范要求，是一種環境友好型材料，能夠提高鋼渣的資源化利用率。

關鍵詞：鋼渣;物理力學性能;穩定性;重金屬含量

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.013

文章編號：1673-4874（2019）10-0044-04

0引言

鋼渣是煉鋼生產過程中產生的工業固體廢棄物，鋼渣產生量約為粗鋼產量的10%-15%。據統計，2018年全國鋼渣年產生量約為1.21億t。我國研究人員已經開發出了近40種有關鋼渣綜合利用的方法，但目前尚未找到大規模資源化利用鋼渣的有效途徑。根據大量文獻資料及統計數據顯示，目前，全國鋼渣綜合利用率在30%左右，約70%的鋼渣處于天然堆存或拋棄狀態，存在巨大的資源化利用缺口。這與國家發改委和工信部聯合提出的“到2020年，鋼渣綜合利用率達到75%”的指標要求相去甚遠。在美、英、德、日等世界主要發達國家，鋼渣資源化利用率接近100%，且多用于公路工程建設方面。

目前，我區大部分企業產生的鋼渣除經過破碎篩分磁選等處理后，分選出不同粒級的渣鋼和磁選粉，渣鋼用于返回煉鋼，磁選粉用于返回燒結外，粒徑<5mm的部分鋼渣用于生產鋼渣微粉，其中大部分鋼渣尚未被利用。此外，被放置的鋼渣不僅浪費資源，還嚴重占用土地資源，引起環境污染等問題。因此，自2018-01-01起國家對鋼渣等工業固體廢棄物征收25元/t的環保稅。由此可知，對鋼渣的開發利用迫在眉睫。

1影響鋼渣在道路工程中資源化利用的因素

由于原材料、鋼種、處理技術及分選方法的不同，鋼渣的成分、物理化學性能波動較大，這些問題一直未得到有效的解決，極大地限制了鋼渣的利用途徑，制約著鋼渣的大規模應用。

一般來說，影響鋼渣在道路工程中資源化利用途徑的因素主要有以下三個：

（1）鋼渣的體積安定性不良。與碎石不同，鋼渣由于形成時間短，鋼渣中含有較高的f-CoO與f-MgO，其遇水后發生水化反應，生成Co（OH）和Mg（OH），體積分別膨脹98%和148%，且這種水化反應進程緩慢，往往幾年甚至十幾年才反應完畢。

（2）鋼渣密度比一般碎石大。鋼渣密度為3.1-3.6t/m，是天然石枓的1.1-1.4倍，這使得鋼渣用于道路工程建設中的能耗增加。

（3）鋼渣化學成分以及物理力學性能波動較大，制約其應用推廣。

2鋼渣理化性能試驗與結果分析

本試驗所用轉爐鋼渣均取樣于廣西防城港市盛隆冶金有限公司鋼鐵廠，以下為鋼渣各類試驗及試驗結果。

2.1鋼渣化學性質

采用XRF試驗對鋼渣進行半定量試驗，測定鋼渣的化學組成，試驗結果見表1;盛隆冶金鋼渣、安鋼鋼渣、水泥及玄武巖化學組成見表2。

表1反映了鋼渣的化學組成。由表1可知，鋼渣的主要化學成分有CoO、FeO、MgO、AlO、SiO等。同時，鋼渣中還存在微量的重金屬元素，如錳（Mn）、鉻（Cr）、鈷（Co）、銅（CU）、鋅（Zn）等，其中錳（Mn）、鉻（Cr）含量較高。

表2反映了不同鋼廠鋼渣化學組成，并與水泥及玄武巖化學組成形成對比。由表2可知，不同鋼廠鋼渣主要化學成分大體相同，化學成分在含量上不盡相同，存在一定的波動。盛隆冶金鋼渣與水泥主要化學成分相似，鋼渣具有一定的活性，素有“劣質水泥”之稱。鋼渣、水泥與普通石料（玄武巖）化學成分差別大，主要是因為鋼渣形成的溫度高、時間短，渣中含有游離氧化鈣和游離氧化鎂。

2.2 鋼渣物理力學性質

鋼渣物理力學性能的研究內容包括：密度、壓碎值、磨光性、針片狀含量、吸水率及與瀝青的粘附性等試驗。試驗根據《公路工程集料試驗規程》（JTGE42-2005）中相關試驗方法對鋼渣物理力學性能進行試驗。試驗結果見表3。

表3反映了鋼渣按照粗集料標準進行試驗的檢測結果，并與玄武巖形成對比。由表2及表3可以得出如下結論：

（1）鋼渣性能滿足施工規范中高級公路路用粗集料的技術要求，且其壓碎值、磨光值、堅固性等性能指標均優于玄武巖。

（2）相較于玄武巖0.22的堿度，鋼渣的堿度為2.58（R>2.5時為高堿度），與酸性瀝青材料的粘附性能優異（5級）。

（3）鋼渣吸水率超出了規范限值，并遠遠大于玄武巖。這是因為鋼渣表面粗糙，大量的開口空隙分布在鋼渣表面上，因此吸水率比表面層大。

（4）鋼渣中粉塵（<0.075mm顆粒）含量超出了規范限值，因此，鋼渣用于瀝青混凝土中需要重視鋼渣集料粉塵含量，避免影響鋼渣與瀝青的粘附性，造成鋼渣瀝青混凝土水穩定性不良，且增加瀝青用量。

2.3 鋼渣的穩定性

鋼渣利用率低的原因最主要是由于鋼渣穩定性差，將體積穩定性不良的鋼渣應用在道路、建材等行業中，極易產生開裂現象，從而影響了鋼渣在公路建設領域的正常使用。

在《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）中，“鋼渣活性及膨脹性試驗”方法不僅要求評價鋼渣作為基層和瀝青層材料時的活性及膨脹性，還要求附加測定鋼渣中游離氧化鈣和游離氧化鎂含量。目前，鋼渣中f-CoO含量可依據《鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法》（YB/T4328-2012）測定。而對于鋼渣中f-MgO的含量，國內方面沒有相關的測定標準。國內普遍采用測定鋼渣中全鎂（MgO）含量的方法來評價鋼渣的體積穩定性，這樣往往導致測定結果偏高而判定鋼渣體積穩定性不良。因此，在評價鋼渣體積穩定性時，應使用浸水膨脹率試驗方法，輔以測定鋼渣中游離氧化鈣的含量。

本研究分別對陳化時間為6個月、12個月熱潑工藝鋼渣進行游離氧化鈣含量和浸水膨脹率的測定，以評價鋼渣的穩定性。其測定結果見表4及表5。

表4、表5反映了鋼渣中游離氧化鈣含量、浸水膨脹率的測定結果，可以得出如下結論：

（1）隨著陳化時間延長，鋼渣浸水膨脹率也逐漸降低，這是由于鋼渣中游離氫化鈣和游離氧化鎂遇水分別生成氫氧化鈣和氫氧化鎂逐漸消解，鋼渣體積穩定性趨于良好。

（2）6個月鋼渣游離氧化鈣含量為2.43%，低于規范限值，而浸水膨脹率為2.57%，超過規范限值。因此，《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中要求鋼渣中游離氧化鈣含量≤3%，浸水膨脹率≤2%是合理的。

綜上所述，《工程回填用鋼渣》（YB/T801-2008）、《道路用鋼渣》（GB/T25824-2010）、《鋼渣應用技術要求》（GB/T32546-2016）等規范中要求鋼渣浸水膨脹率≤2%，而未對游離氧化鈣含量做出限定是合理的。

3 鋼渣重金屬浸出試驗結果與分析

雖然國內外的試驗研究和工程實踐表明鋼渣用于道路工程對周圍土壤和水體環境的影響較小，但鋼渣中含有微量的重金屬元素（包括Cr、Cd、Ni、As、Zn、Mn、Pb等），在道路工程應用時，遇水長期沖刷和浸泡，可能浸出而污染周邊土壤和水體。且不同產地和種類的鋼渣重金屬含量不同，重金屬的浸出量也不同。因此，鋼渣用于道路工程，應當充分考察其對周圍環境的影響。

有研究者對我國34家大型聯合鋼鐵企業的各類鋼渣樣品重金屬含量進行了分析測試，并對分析測試結果進行了統計分析。綜合含量、毒性大小等因素，鋼渣中應重點關注的重金屬元素首先應當是Cr，其次是Mn、V和Zn。

3.1鋼渣浸出試驗

本試驗現場取樣海水，對海水進行重金屬濃度檢測，將6個月、12個月鋼渣在純水及海水中浸泡，并對浸出液進行重金屬濃度檢測。檢測結果見表6。

表6反映了現場海水及不同陳化時間鋼渣的重金屬浸出檢測結果。由表6可以得出如下結論：

（1）海水中未檢測出含有重金屬，陳化時間6個月時鋼渣也未檢測出有重金屬浸出;陳化時間12個月時鋼渣無論是純水還是海水浸泡，均有重金屬浸出。究其原因：①在海水中，陳化時間6個月鋼渣浸出液中實際含有重金屬，但采用方法檢測限值過高，只有當浸出液重金屬濃度超過限值，檢測結果才有顯示;②陳化時間12個月鋼渣取樣不具有代表性。

（2）陳化時間12個月鋼渣浸出液重金屬（Cr）濃度超出了生活飲用水重金屬衛生標準值，但未超出污水綜合排放重金屬標準值。根據《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）中規定，鉻（Cr）濃度≤1.5mg/L時，無論何種受納水體均可排放。

3.2 鋼渣中鉻含量

本試驗委托國家水泥質量監督檢驗中心，按照《水泥中水溶性鉻（Ⅵ）的限量及測定方法》（GB31893-2015）及《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》（GB/T30760-2014）中相關的試驗方法及操作工程，對鋼渣中鉻、水溶性六價鉻含量進行測定。試驗結果如表7所示。

由試驗結果可知，鋼渣中鉻、水溶性六價鉻含量遠小于規范規定的限值，說明鋼渣是一種環境友好型的道路材料。

4 結語

（1）鋼渣化學成分與水泥相似，物理力學性能優異。相較于玄武巖等傳統材料，鋼渣是一種優質的筑路材料。

（2）鋼渣吸水率大，超出了規范要求值;鋼渣中粉塵含量大，這兩點是鋼渣應用在道路工程中需要注意的地方。

（3）鋼渣浸水膨脹率滿足規范要求時，其f-CoO含量一定滿足規范要求。因此，鋼渣應用在道路工程中的體積穩定性指標值考慮浸水膨脹率即可。

（4）通過鋼渣重金屬含量試驗與檢測，證明了盛隆冶金鋼渣是一種環境友好型材料。