礦渣粉在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

張 雷 李建新 馬 旭

（1 湛江寶鋼新型建材科技有限公司；2 廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

0 前言

鋼鐵作為社會(huì)建設(shè)的基礎(chǔ)材料，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，產(chǎn)量得到快速的增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2015年我國(guó)生鐵全年產(chǎn)量6.91 億噸；2016 年全年產(chǎn)量7.01億噸，同比增長(zhǎng)0.7%；2017 年全年產(chǎn)量7.11 億噸，同比增長(zhǎng)1.8%；2018 年全年產(chǎn)量7.71 億噸，同比增長(zhǎng)3.0%，創(chuàng)歷史新高；2019 年1～9 月，我國(guó)生鐵累計(jì)產(chǎn)量6.12 億噸，同比增長(zhǎng)6.3%，產(chǎn)量保持穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。高爐礦渣的產(chǎn)量與高爐煉鐵的生鐵產(chǎn)量存在直接聯(lián)系，一般認(rèn)為每生產(chǎn)一噸生鐵，將產(chǎn)出0.25～0.35 噸的高爐礦渣[2]。隨著生鐵產(chǎn)量的持續(xù)增長(zhǎng)，可供應(yīng)市場(chǎng)的礦渣粉產(chǎn)量也在持續(xù)增長(zhǎng)。

另一方面，環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展逐漸成為了人類(lèi)發(fā)展的核心問(wèn)題，國(guó)家及地方政府也針對(duì)鋼鐵、化工、建材等傳統(tǒng)領(lǐng)域提出了節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的號(hào)召和要求。2005 年國(guó)務(wù)院下達(dá)了國(guó)發(fā)[2005]22 號(hào)文中關(guān)于加快循環(huán)經(jīng)濟(jì)的若干意見(jiàn)中提出：重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一是加強(qiáng)各類(lèi)廢物的循環(huán)利用，推進(jìn)企業(yè)“零排放”；國(guó)家發(fā)改委2006 年發(fā)布的“鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策”中提出：提高環(huán)境保護(hù)和資源綜合利用水平，最大限度地提高廢物的綜合利用水平，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“零排放”，其中，關(guān)于《資源綜合利用專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》意見(jiàn)通知中指出：2010 年冶煉渣綜合利用達(dá)到86%以上。鑒于此，礦渣作為高爐煉鐵的副產(chǎn)物，其合理應(yīng)用顯得尤為重要。

目前，礦渣粉在我國(guó)主要應(yīng)用于水泥廠作為混合材料以及混凝土攪拌站作為摻合料。但是，由于地域性供需不平衡、礦渣摻假、鑒別技術(shù)不完善等問(wèn)題的存在，礦渣粉在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題值得引起重視。

1 礦渣粉應(yīng)用歷史及現(xiàn)狀

當(dāng)今世界主流的煉鋼方法主要分成兩種：一種是高爐、轉(zhuǎn)爐煉鋼法，另一種是電弧爐煉鋼法。目前在世界范圍內(nèi)，高爐、轉(zhuǎn)爐法生產(chǎn)的生鋼產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的71%，電弧爐煉鋼法的產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的29%。電弧爐煉鋼法產(chǎn)生鋼渣，高爐、轉(zhuǎn)爐煉鋼法產(chǎn)生高爐礦渣和鋼渣。高爐礦渣是以硅酸鹽與硅鋁酸鹽為主要成分的熔融物，是一種具有潛在水硬性的材料，以大量的玻璃體形式存在。高爐礦渣按冷卻方式不同，可產(chǎn)生氣冷礦渣、水淬礦渣、造粒礦渣等。氣冷礦渣可用作礦渣骨料，造粒礦渣可用作水泥混合材或輕骨料。水淬礦渣是指高爐礦渣經(jīng)冷水急速冷卻后形成的5mm 以下粒徑的顆粒，以水淬礦渣為主要原料，經(jīng)干燥、粉磨處理后制成的粉末材料即為磨細(xì)高爐礦渣粉。礦渣粉在我國(guó)的應(yīng)用已十分普遍，已廣泛應(yīng)用于水泥產(chǎn)業(yè)、預(yù)拌混凝土以及預(yù)制混凝土產(chǎn)業(yè)。礦渣粉具有潛在的水硬性和較強(qiáng)的混凝土活性，是水泥和混凝土的優(yōu)質(zhì)摻和料，水泥的替代率可達(dá)30%～50%，且具有改善水泥混凝土泌水性和流動(dòng)性，降低水化熱等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1.1 礦渣粉應(yīng)用歷史

礦渣粉作為混凝土摻合料始于20 世紀(jì)，1958 年南非將細(xì)度為350m2/Kg 的礦渣粉用于新拌混凝土摻合料，隨后，主要發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)建成了年產(chǎn)萬(wàn)噸磨細(xì)高爐礦渣粉加工廠及配套水泥廠，并陸續(xù)制訂了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[4]。歐洲有著長(zhǎng)期將磨細(xì)礦渣當(dāng)作一種與硅酸鹽水泥混合的輔助膠凝材料的傳統(tǒng)，比例高達(dá)80%[7]。在荷蘭，礦渣摻量為65%～70%的礦渣硅酸鹽水泥已經(jīng)占到水泥銷(xiāo)售總量的60%，應(yīng)用已相當(dāng)普遍[8]。在北美，磨細(xì)礦渣甚至已作為一種單獨(dú)的輔助膠凝材料出售，由在水泥廠與硅酸鹽水泥混合改為了可由混凝土攪拌站直接加到混凝土中拌和[9]。1992 年建成通車(chē)的澳大利亞悉尼港海底隧道，設(shè)計(jì)使用壽命為100 年，為保證耐久性，采用了摻量為60%的磨細(xì)礦渣混凝土。1997 年建成通車(chē)的香港青馬大橋，設(shè)計(jì)使用壽命為120 年，其主塔橋采用了摻量為64%的磨細(xì)礦渣混凝土。荷蘭的東謝爾德巨型海浪擋潮閘，處于北海風(fēng)暴潮區(qū)域，設(shè)計(jì)使用壽命為250 年，采用了礦渣摻量為65%的礦渣硅酸鹽水泥。礦渣粉已逐步應(yīng)用于各項(xiàng)大型工程。

我國(guó)對(duì)礦渣粉的研究始于20 世紀(jì)90 年代初期，針對(duì)礦渣粉的技術(shù)指標(biāo)、性能指標(biāo)以及對(duì)水泥和混凝土性能的影響等，科研院所相繼開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究工作[5-6]。1998～1999 年，南京水利科學(xué)研究院開(kāi)展了“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目——“磨細(xì)礦渣高性能混凝土研究”。2000 年，上海寶鋼率先從日本引進(jìn)年產(chǎn)60 萬(wàn)噸的礦渣粉立磨生產(chǎn)線(xiàn)，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)的大規(guī)模礦渣粉生產(chǎn)逐步展開(kāi)，隨后幾年武鋼、首鋼、鞍鋼、唐鋼等大型立磨礦渣粉生產(chǎn)線(xiàn)也相繼投產(chǎn)[4]。隨后，礦渣粉在我國(guó)逐漸廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)建設(shè)工程。

1.2 礦渣粉應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)華神智能數(shù)據(jù)中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2013 年我國(guó)礦渣粉全年產(chǎn)量1.26 億噸，是近些年我國(guó)礦渣粉產(chǎn)量的歷史高峰；2015 年我國(guó)礦渣粉全年產(chǎn)量跌破1 億噸，是近些年我國(guó)礦渣粉產(chǎn)量的最低值；2016 年至2018 年我國(guó)礦渣粉全年產(chǎn)量小幅度增長(zhǎng)，2018 年我國(guó)礦渣粉全年產(chǎn)量1.02 億噸，相比2017 年小幅增長(zhǎng)0.63%[1]。

《廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2017 年廣東省生鐵產(chǎn)量2024 萬(wàn)噸，鋼產(chǎn)量4213 萬(wàn)噸，每年約產(chǎn)生高爐水淬渣（粒化高爐礦渣）1500 萬(wàn)噸。同時(shí)，《廣東省統(tǒng)計(jì)年鑒》與中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)混凝土分會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2017 年廣東省生產(chǎn)水泥1.5 億噸，混凝土1.6 億立方（不含交通、水利、能源三大系統(tǒng)），以每噸水泥平均消耗4%粒化高爐礦渣，每立方混凝土消耗粒化高爐礦渣粉80kg 計(jì)，廣東省2017 年消耗粒化高爐礦渣1880 萬(wàn)噸。加上交通、水泥、能源三大系統(tǒng)的建設(shè)工程中使用的粒化高爐礦渣粉，以及預(yù)拌砂漿中使用的粒化高爐礦渣粉，廣東省2017 年的粒化高爐礦渣粉的消耗量估計(jì)在2500 萬(wàn)噸左右。

目前，礦渣粉在我國(guó)主要應(yīng)用于水泥廠作為混合材料以及混凝土攪拌站作為摻合料，以廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)建設(shè)工程，但礦渣粉的質(zhì)量卻存在著參差不齊的現(xiàn)象。

2 現(xiàn)有執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)指標(biāo)

2.1《用于水泥中的粒化高爐礦渣》GB/T 203－2008

適用于作水泥活性混合材料的粒化高爐礦渣，礦渣的性能要求如表1 所示。

表1 礦渣的性能要求

2.2《水泥制品用礦渣粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JC/T 2238－2014

適用于礦渣粉在鋼筋混凝土排水管、預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、環(huán)形混凝土電桿、先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等水泥制品生產(chǎn)中使用的技術(shù)規(guī)定。礦渣粉在其他水泥制品生產(chǎn)中使用時(shí)也可參照?qǐng)?zhí)行。礦渣粉技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

2.3《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T 18046－2017

適用于作水泥混合材、砂漿、混凝土摻合料的粒化高爐礦渣粉。礦渣粉的技術(shù)要求如表3 所示。

3 目前存在的問(wèn)題

⑴礦渣粉需求量逐年增長(zhǎng)，存在巨大需求缺口。

以廣東省礦渣粉行業(yè)現(xiàn)狀為例，2017 年廣東省礦渣粉需求面臨著1000 萬(wàn)噸左右的缺口，其中大約6 成左右的礦渣粉可由上海、湖北等地購(gòu)入，而余下近400萬(wàn)噸的礦渣粉仍需要有效的購(gòu)入途徑。

表2 礦渣粉的技術(shù)指標(biāo)

表3 礦渣粉的技術(shù)要求

⑵存在“假礦渣粉”現(xiàn)象。

礦渣粉的原材料是由大型鋼鐵企業(yè)供應(yīng)，不法商人從鋼鐵企業(yè)購(gòu)入礦渣粉后，在其中加入10%～30%價(jià)格低廉的石粉、陶瓷拋光粉等低活性、無(wú)活性的原材料與礦渣一起粉磨，獲取價(jià)格低廉的“假礦渣粉”。由于1 噸礦渣粉可以產(chǎn)出1.1～1.3 噸的“假礦渣粉”，從而使得價(jià)格低廉的“假礦渣粉”在建材市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，我國(guó)礦渣粉行業(yè)存在的“摻假”現(xiàn)象主要有以下4 個(gè)方面：①混摻石粉。在礦渣粉中摻加石灰石粉，導(dǎo)致產(chǎn)品不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，施工時(shí)需水量增大。②以次充好。大量使用低活性水渣（如“重礦渣”等）或高能耗的小球磨機(jī)生產(chǎn)細(xì)度不夠的礦渣粉，如性能指標(biāo)僅為S75 級(jí)的礦渣粉，冒充大企業(yè)立式磨機(jī)生產(chǎn)的S95 級(jí)。③混摻劣質(zhì)粉煤灰。在礦渣粉中摻加活性差、需水量大的劣質(zhì)粉煤灰，大量摻入劣質(zhì)粉煤灰將影響混凝土的耐久性和強(qiáng)度。④混摻陶瓷拋光粉。陶瓷拋光粉是一種與礦渣粉在形態(tài)和顏色上類(lèi)似但卻對(duì)混凝土傷害很大的粉體，摻入混凝土中會(huì)導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性變差、后期強(qiáng)度變?nèi)酢⒙入x子含量超標(biāo)等，影響工程建筑質(zhì)量。⑤混摻鋼渣粉。在礦渣粉中摻加鋼渣粉形成鋼鐵渣粉，但以礦渣粉的名義出售。鋼鐵渣粉和礦渣粉是性能完全不同的兩個(gè)產(chǎn)品，鋼渣粉摻入量過(guò)大會(huì)引起安定性不良等問(wèn)題。

⑶“劣幣驅(qū)逐良幣”效應(yīng)。

由于“假礦渣粉”摻入的原材料基本不具備活性，因此用它生產(chǎn)的混凝土或者其他建材產(chǎn)品的力學(xué)性能、耐久性能均難以保障。價(jià)格低廉的“假礦渣粉”不斷沖擊市場(chǎng)，長(zhǎng)此以往，則可能出現(xiàn)“劣幣驅(qū)逐良幣”的效應(yīng)，不但會(huì)引起行業(yè)混亂發(fā)展，更會(huì)危害建筑的質(zhì)量安全。

⑷缺少有效辨別“假礦渣粉”的技術(shù)手段。

由于石粉、陶瓷粉、礦渣粉的顏色基本接近，從外觀上很難分辨出真假礦渣粉，從而造成監(jiān)管困難。現(xiàn)有的對(duì)礦渣粉的監(jiān)督抽檢，主要是針對(duì)礦渣粉的安定性、活性指數(shù)等指標(biāo)。然而，為避免假礦渣粉的“活性指數(shù)”達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，部分商人會(huì)在粉磨時(shí)加入早強(qiáng)劑，以此在抽樣檢驗(yàn)中蒙混過(guò)關(guān)。針對(duì)有效辨別“假礦渣粉”的技術(shù)手段，目前還比較缺乏。

4 結(jié)語(yǔ)

礦渣粉是高爐煉鐵的副產(chǎn)物，已廣泛應(yīng)用于我國(guó)的建設(shè)工程。質(zhì)量合格的礦渣粉，具有改善水泥混凝土泌水性、流動(dòng)性，降低水化熱，提高耐久性等優(yōu)點(diǎn)。然而，“假礦渣粉”現(xiàn)象、“劣幣驅(qū)逐良幣”效應(yīng)對(duì)行業(yè)健康發(fā)展的沖擊等問(wèn)題的存在，都在警醒對(duì)礦渣粉市場(chǎng)的加強(qiáng)監(jiān)管及規(guī)范化的必要性。因此，結(jié)合地方實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)編制、有效辨別“假礦渣粉”的技術(shù)手段的完善等都是現(xiàn)階段亟待解決的問(wèn)題。