鋼鐵冶煉渣在水泥及混凝土生產中的應用

付 驍，蔡金文，沈 飛，馬愛元

（六盤水師范學院化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004）

鋼渣是煉鋼過程中的一種熔渣，我國鋼渣的總產量約為粗鋼總產量的12%，2020 年全國粗鋼產量超過9 億，鋼渣累積總量近10 億t，但其綜合利用率僅為10%。隨著時代的發展，鋼渣的堆積量也越來越多，并且鋼渣綜合利用率較低，堆存或掩埋鋼渣不僅僅浪費資源，而且占用了有限的土地，造成土壤以及地下管線、管道堵塞以及自來水、河水污染等諸多問題。目前國內資源緊缺，如何高效解決鋼渣綜合利用問題已成為一個熱門的研究主題，為找到合理的綜合利用方法，諸多的研究者進行了大量關于鋼渣處理的研究工作。在混凝土行業中，鋼渣可用于大體積混凝土，改善原有的混凝土的性能，使其在原有的基礎上有所提高，并且可以廣泛的應用于混凝土摻合料建材中，改變對混凝土滲透性的影響。在硅酸材料行業中，鋼渣可作為混合材料生產水泥，替代部分原料來煅燒水泥熟料。鋼渣碎石的細小顆粒形狀、硬度和耐磨性都比較適合企業發展道路工程材料的要求，因此鋼鐵冶煉渣在建材行業中的應用價值不斷凸顯。

1 鋼鐵冶煉渣在水泥生產中的應用

在我國的水泥行業中，鋼鐵冶煉渣可以作為一種混合材料來制備水泥，鋼渣作為原材料用于煅燒水泥熟料等將鋼渣制做成水泥，能夠解決鋼渣堆積情況，實現“變廢為寶”，資源循環再利用。有實驗研究表明，在鋼渣中加入10% 石膏所制備的鋼渣沒有熟料水泥，并且其強度并不是很理想，而且存在于一些不定性的問題。有研究顯示加入礦渣產出的鋼渣礦渣無熟料水泥能增強才材料的滲透性及耐腐蝕性[1]。范明川[2]通過水泥工業的應用研究發現水泥的成分對水泥的強度起到很大的影響，鋼鐵冶煉渣與水泥中的礦物組成部分比較相似，并可將鋼渣作為鐵質的校正原料和混合材料的綜合利用。

蔡振雷[3]等通過實驗設計與研究運用高溫的方式將粉煤灰和鋼鐵冶煉渣熔融得到不同性質的鋼渣，然后對在水泥中摻加改性后鋼渣進行一系列的性能研究與分析，研究表明添加改性鋼渣水泥能夠有效的降低改性鋼渣水泥中的CaO 的含量，雖其強度比添加普通鋼渣水泥抗壓強度要低一點，但其可作為水泥中的混合材料。根據實驗結論得出，改性鋼渣水泥的各項指標與普通鋼渣水泥標準指標相差不大，可以滿足于制備鋼渣水泥的條件。雖然改性鋼渣水泥的初期強度基本都低于普通的鋼渣水泥的抗壓強度，但是均能滿足于水泥的抗壓強度需求。隨著時間的增長，改性鋼渣中的粉煤灰的活性會逐漸的被激活，則其末期的抗壓強度也不斷的增強。在現如今資源潰泛與環境污染的問題上，改性鋼渣作為水泥的混合材料，可以更好的綜合利用廢棄物、節約資源，從而很好的降低廢棄物對環境污染的影響。

2 鋼鐵冶煉渣在水泥熟料煅燒中的應用

劉晶晶[4]等在實驗研究表明，鋼鐵冶煉渣的摻入量會影響水泥熟料的性能，鋼渣在水泥熟料煅燒中，不同的鋼渣摻入量會影響煅燒后水泥熟料的外觀形狀，當鋼渣的攝入量越高則水泥熟料的收縮量會變大、強度也越來越強，同時，水泥熟料的塊體和硬度也會增大。經過諸多實驗研究得出溫度的高低和鋼渣的摻入量是煅燒水泥熟料的重要因素，由此可以得出鋼渣的摻入量有一定的限制范圍，當鋼渣的摻入量過多則會使煅燒后的塊體間隔增大，水泥熟料的熔點也有所降低，水泥熟料的強度也會越來越明顯。在燒結過程中，若水泥熟料的煅燒溫度過高，會導致鋼渣中的金屬元素融化在一起出現燒結的現象，使得煅燒過后水泥熟料的強度變高。另一方面，由于受溫度的影響，冷卻過程中會出現少量新晶體物質，大部分來不及冷卻析晶以玻璃態的形式存在，產生大量的玻璃相[5，6]。鋼鐵冶煉渣在水泥熟料煅燒后冷卻條件的不同會對水泥熟料制作成混凝土有很大的影響，水泥熟料的冷卻過程起到決定性的作用，采用空冷方式和爐冷方式進行一系列的研究，研究顯示空冷方式優于爐冷的方式，在空冷方式中煅燒過后的水泥熟料硬化基本沒有開裂現象；在溫度為1300℃、鋼渣摻入量為15% 中水泥熟料進行煅燒，保溫2h，在500℃的空冷方式中能夠得到性能最好的水泥熟料，并且該水泥熟料水化后硬化沒有發生分裂，提高水泥熟料的硬度以及優質的產量，實現物質高標準的運用。

廖雙雙等[7]進行了諸多的研究得出，鋼渣中含有一定量的水泥熟料礦物，礦物中含有一些水硬膠凝性，有利于提高膠結充填體強度。混凝土中摻雜部分的鋼鐵渣粉可形成微膨脹現象，具有顯著的抗凍性。鋼渣粉末可用于混凝土外加劑，從而減少在混凝土系統放熱的水合速率，提高混凝土的流動性，利用溫度和強度受混凝土摻和量的影響，使得鋼渣在混凝土中快速的高溫收縮，縮短了鋼鐵渣粉在混凝土摻合料中的收縮時間，并且增強了混凝土的抗壓強度以及防止混凝土內部收縮的開裂。

3 鋼鐵冶煉渣在混凝土生產中的應用

林東[8]等采用鋼鐵冶煉渣作為骨料來制備不同水膠比的混凝土，并指出其可用于混凝土的可行性，表明鋼渣骨料混凝土與普通混凝土的性能差異。具體實驗研究表明，鋼渣骨料可以改變混凝土的工作性能，并且有效的提高混凝土的抗壓強度。在探究鋼渣混凝土與普通混凝土的強度性能時，得出前者混凝土與后者混凝土的水膠比越低則其前者的抗壓強度更強，而在相同的水膠比下，鋼渣骨料混凝土抗壓強度更強。目前，我國的道路建設技術在世界上是領先的，并且在大量的使用工業上的鋼渣進行道路的建設，而我國在使用鋼渣作為道路建設上有豐富的經驗，大大的減少了鋼材的資源且使得廢渣得以重用，實現資源的綜合利用，防止環境的污染。鋼渣碎石的細小顆粒形狀、硬度和耐磨性都比較研究適合企業發展道路工程材料的要求，因此我們可以用于道路的建設一個社會基層、面層及墊層，用于鋼渣瀝青混凝土路面，使得有更好的路面環境。

郝迎軍[9]通過Mehta 整體論模型研究顯示，鋼鐵渣復合粉在混凝土中具有諸多的作用，比如：在混凝土添加鋼鐵渣可以改善混凝土粒度分布，通過優化混凝土的孔結構，可以減少大孔數量，增加小孔數量，降低混凝土結構的平均孔徑，進一步縮小水泥化合物之間的空隙，從而達到降低混凝土拌合用水量的作用；基于鋼鐵渣復合粉是細微球狀體的結構特性，從而改善混凝土攪拌混合過程的摩擦阻力，具有一定的潤滑作用；由于鋼渣中含有大量的活性二氧化硅，從而很好的與水泥中的Ca（OH）2進行水化反應生成硅酸凝膠，從而能夠增加混凝土抗壓強度的作用。

李洪偉[10]等通過鋼鐵渣粉作摻和料配制混凝土性能得出實驗結果分析，摻鋼鐵渣粉會使混凝土的凝結時間增長，塌落度損失度很小，并且容易在氣候好的季節開展工作。摻入一定量的鋼渣粉會使得混凝土的初期強度下落明顯，但是會使其末期的強度上升顯著，并且抗壓折斷的強度也有著明顯的改變。當進行分析實驗研究鋼鐵渣粉混凝土的最佳方式摻入量時，可以通過凈漿安定性實驗結果得出，鋼鐵渣粉混凝土的最佳的摻入量為35%，其工作性能、力學系統性能是最好的。另外摻入一定量的鋼鐵渣粉可以很好的提高混凝土的持久耐磨性，也可以得出其與普通的混凝土的抗滲性有一定的相似之處。最后通過該實驗配制的鋼鐵渣粉混凝土測試，鋼鐵渣粉混凝土不但在各項指標上都比較符合普通混凝土的標準要求，而且在很多指標上都優于普通混凝土。

4 結語

我國的資源環境面臨的主要問題是地區的過度開發以及工業上的廢水廢渣沒得以更好的利用，使得工業上的廢水廢渣等有害物質的隨意堆放，所以低碳排放和節約資源是我國每個企業、公民該有的任務，目前各大鋼鐵廠的首要任務就是要提倡安全生產、節能環保。鋼渣的化學結構成分能夠在水泥行業中起到很好的決定性作用，在水泥中添加改性的鋼渣能夠有效的降低水泥中的CaO 的含量，并且可以作為混合材料生產水泥。鋼鐵渣粉作摻合料來配制混凝土的性能，從而可以增強原有混凝土的強度以及硬度，并且改善普通混凝土的工作性能、力學性能，使得資源充分利用且環保高效的途徑。我國各大鋼鐵廠發展鋼渣的資源進行充分利用和保護主義生態系統環境為目標，在鋼渣現有企業利用途徑的技術上，將鋼鐵廠固體廢物鋼渣合理有效的利用起來，來改善鋼渣的資源管理利用和社會市場經濟效益，走向環保之路，發展中國綠色建筑材料，保護生態文化環境，造福人民服務社會，營造幸福生活，創造美好家園。