建筑鋼渣的性能改進及應用

李先一 王贊芝 周辰忱

1.廣西科技大學 廣西 柳州 545006 2.南昌交通學院 江西 南昌 330000

鋼渣是冶煉鋼鐵時產生的廢棄物，我國鋼渣利用率較低，鋼渣露天棄置是資源的浪費與污染周圍環境[1-2]。隨著鋼鐵生產量增多，鋼渣處理和綜合利用已成為必須解決的問題[3]。鋼渣的利用途徑因成分區別而存在差異，鋼渣的利用途徑包括鋼廠內循環和鋼廠外部循環。鋼渣的外循環為應用于建筑建材行業，鋼渣通常以鋼渣骨料和鋼渣粉兩種形式應用于建筑材料中，鋼渣含有水化活性成分，可替代部分水泥作為膠凝材料，提高鋼渣的附加利用值、保護環境和降低生產成本，能改善傳統水泥基材料的性能缺陷，增加使用壽命[4]。

鋼渣作為混凝土礦物摻合料，綜合利用率普遍較低，主要原因有(1)鋼渣冶煉工藝和處理工藝的不同，導致鋼渣種類多、差異大；(2)鋼渣中存有鐵和含鐵元素的化合物，研磨難度大；(3)鋼渣內部結構致密，水化速率慢、水化產物少；(4)鋼渣中含有的游離氧化鈣（f-CaO）與游離氧化鎂（f-MgO）水化反應速度慢，導致混凝土體積膨脹。盡管針對冶煉鋼渣的應用研究已經取得大量成果，距離大規模、多場景應用還有相當距離。本文通過對鋼渣的物理、化學性質進行分析，闡述影響鋼渣應用的因素，提出改善鋼渣性能、增加其利用率、拓展應用領域的方法。

1 鋼渣的化學組成、礦物組成及水化特性

鋼渣主要來源于氧化后的爐料、摻料中的雜質、被侵蝕的爐襯料和煉鋼時加入的外加料。煉鋼工藝、冷卻處理以及原材料成分的不同導致鋼渣化學、礦物成分含量差別較大，礦物結晶致密度不同，水化活性存在較大的差異。鋼渣主要化學組成為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO[5]，主要礦物組成為硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、游離氧化鈣(f-CaO)、鐵鋁酸鈣(C4AF)以及RO相以及高溫過燒生成f-CaO和f-MgO。

鋼渣中的活性物質可發生水化反應生成C-S-H凝膠和CH晶體等水化產物，因此鋼渣能部分應用于水泥基材料中。鋼渣中活性成分含量占比40~70%，高溫處理及自然冷卻使其內部晶體結構致密，前期水化速率慢，導致其早期強度低。王強[6]等使用溫差分量熱儀研究對比鋼渣粉和純硅酸鹽水泥的水化放熱速率，水泥水化第二放熱峰比鋼渣早12h左右出現；齊立倩[7]等發現鋼渣粉摻量越大，鋼渣水泥放熱速率越低，累計放熱量也在逐漸減小，早期強度低于水泥強度。

2 鋼渣應用面臨的困難

(1)鋼渣中含有高溫過燒形成的游離氧化鈣(f-CaO)、游離氧化鎂(f-MgO)，水化反應速度慢，混凝土凝結硬化后鋼渣仍持續不斷的發生水化反應，導致體積膨脹，影響建筑結構的使用安全。

(2)鋼渣具有和水泥相似的化學成分，但礦物成分含量差別大，硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣含量遠小于水泥中的含量，總水化產物量小。在高溫煅燒作用下，生成的鋼渣結構致密，水化反應速率低，早期水化反應產物少，膠凝性能差。

(3)鋼渣硬度高，易磨性差，當球磨到一定細度后，繼續降低細度需耗費大量成本。

2.1 體積安定性不良

（1）水泥中化合態形式的CaO、MgO在水泥漿體凝結硬化之前，能與水快速反應生成Ca(OH)2、Mg(OH)2，不會造成材料硬化后的膨脹破壞。鋼鐵生產過程中冶金石灰等溶劑的加入會在鋼渣成分中引入CaO、MgO等成分，高溫過燒生成晶體結構更加致密、水化速率低的f-CaO、f-MgO，以及形成RO相。鋼渣粉作為混凝土摻合料時，其含有的f-CaO、f-MgO在水泥漿體凝結硬化之前不能水化完全，在后期硬化后生成的Ca(OH)2、Mg(OH)2相對于f-CaO、f-MgO固體體積分別增加了98%、148%。f-CaO水化生成的Ca(OH)2晶體會發生再結晶作用形成體積更大的Ca(OH)2晶體，造成水泥基材料體積膨脹。f-CaO、f-MgO發生水化反應體積增加97.61%、120.05%，當鋼渣水泥混凝土中的f-CaO、f-MgO超過規定含量后，將會對建筑結構造成嚴重的膨脹破壞。

（2）由于固體的不規則形狀，固體與固體之間的空隙大小與固體顆粒的大小呈正相關變化，當f-CaO、f-MgO逐漸水化體積增大后，水泥基材料的原空隙會相應增大，形成除化學變化體積增大之外的物理體積增大。George Wang[8]簡化固體為球體建立模型，研究水化前后空隙體積變化，如圖1所示。

圖1 f-CaO、f-MgO粒子膨脹模型

在該模型中，f-CaO、f-MgO顆粒發生水化反應體積增大，由小球變為大球，固體體積增加的同時，空隙體積也在增加，如圖中陰影部分為空隙體積增大部分。

2.2 活性低

以鋼渣部分替代水泥作為膠凝材料時試件的抗折、抗壓強度均較低；隨著鋼渣替代量的增加試件強度逐漸減小，強度低成為制約鋼渣應用于水泥基材料中的關鍵性問題。本文從化學成分占比、水化反應速率、鋼渣粉粒徑三個方面闡述鋼渣粉水化生成物強度低的原因。

2.2.1 化學成分

以魚峰牌PII42.5硅酸鹽水泥及部分鋼鐵廠鋼渣粉主要化學成分為例，如表1所示。

表1 水泥及鋼渣粉化學成分

鋼鐵廠的鋼渣粉中主要氧化物含量低于水泥（Fe2O3除外），鋼渣中C3S和C2S的含量也遠低于水泥，發生水化反應時，四種主要礦物中C3A水化反應最快，C3S和C4AF次之，C2S最慢；C3S對水泥基材料早期強度起主要作用，C3S和C2S對水泥基材料后期強度起主要作用。由表可知鋼渣粉和水泥在化學組成上相似，但鋼渣中組成C3S和C2S的CaO、SiO2的含量低于水泥，是鋼渣強度低的主要原因。

2.2.2 水化反應速率

鋼渣中的C3S和C2S的水化過程與水泥水化過程相似，均生成有膠凝性能的C-H-S凝膠和CH晶體。但鋼渣微觀結構更加致密，水化反應速率、活性低于普通硅酸鹽水泥。試驗研究表明，單獨的鋼渣很難發生水化反應，在部分取代水泥作為膠凝材料時，水泥優先發生水化反應，形成堿性環境，鋼渣在堿激發下，水化反應速率得以提高。整體上延長了復合摻合料的水化反應時間，減緩了水化速率，水化產物少，強度較低。

2.2.3 鋼渣的易磨性及粒徑

鋼渣粉水化活性隨顆粒粒徑的減小而提高，經過破碎、磁選后鋼渣中仍然含有單質鐵和含鐵元素的化合物，增加了鋼渣的硬度，難以研磨得到理想細度的顆粒。若需要獲得更細的鋼渣顆粒，電耗比將會呈指數級增加。研究表明，當鋼渣粉末磨細至一定細度后，粒徑將不會隨球磨時間的增加而減小，很大程度的限制了鋼渣粉的應用。

3 鋼渣性能的改善

3.1 鋼渣安定性改善

3.1.1 鋼渣顆粒的安定性改善

（1）預浸水處理

在使用前進行預浸水處理，可以有效的減小試件的膨脹性。預浸水處理可以加速f-CaO、f-MgO的水化，大部分的f-CaO、f-MgO在浸水過程中參與反應，體積膨脹，此時鋼渣處于無約束狀態，不會產生破壞作用；f-CaO、f-MgO水化反應生成的Ca(OH)2、Mg(OH)2在空氣中CO2的作用下生成CaCO3、MgCO3能夠在其表面形成一層致密的保護層，阻隔外界水與內部的f-CaO、f-MgO水化反應，也可降低鋼渣中的f-CaO、f-MgO引起的膨脹。

（2）陳伏處理

陳伏處理與預浸水處理原理相同，相較于預浸水處理的短時間處理，陳伏處理是鋼渣使用前的長時間處理。由于f-CaO、f-MgO與水化慢反應時鋼渣處于無約束狀態，不會對結構產生破壞；Ca(OH)2、Mg(OH)2與CO2反應生成的CaCO3、MgCO3在鋼渣表面形成一層致密的保護層，阻止顆粒內部f-CaO、f-MgO的繼續水化，減小鋼渣顆粒的膨脹。

（3）摻加土料

鋼渣顆粒作為填充材料應用于路基工程時，可摻和一定量的土料，填充在鋼渣顆粒的空隙中，當鋼渣顆粒出現體積膨脹時，周圍的土料可以起到彈簧的作用，“騰空”出部分體積用于補償鋼渣顆粒的體積的增加，避免結構出現膨脹破壞。

3.1.2 鋼渣粉的安定性改善

（1）減小鋼渣粉細度

在高溫煅燒下，生成的鋼渣結構致密，但隨鋼渣粒徑的減小，結構致密程度對水化反應速率的影響也下降；當鋼渣粒徑達到一定細度時，水化反應接觸面增大，反應速率加快，鋼渣中大部分f-MgO、f-CaO在凝結硬化前完成水化反應。此時水泥漿體處于塑型狀態，水化反應導致的體積膨脹可以自動調節，對混凝土等材料的體積安定性造成的影響有限。

（2）摻入磷酸鹽

磷酸鎂水泥主要成分為氧化鎂和磷酸二氫銨，磷酸鎂水泥反應時，在水中磷酸二氫銨能電離出NH4+、H+、PO43-，f-MgO受到水和氫離子的作用后，溶解生成Mg2+，Mg2+與NH4+、PO43-結合生成無定形鎂-磷酸銨鹽絡合物水化凝膠析出的鳥糞石包裹內層的氧化鎂，阻止未水化的氧化鎂繼續反應。當鋼渣粉作為混凝土摻合料時可加入適量磷酸鹽，如磷酸二氫銨等，在水泥漿體凝結硬化前能與鋼渣粉中的f-MgO充分反應，降低對混凝土等材料的影響。

（3）摻入引氣劑

在水泥混凝土中摻入引氣劑可生成大量、封閉、均勻分布的微小氣泡，引氣劑分子定向排列在氣泡表面，使氣泡不易破裂。水泥混凝土凝結硬化之后鋼渣水化反應增加的固體體積形成的內應力壓破氣泡，增加的水化產物體積填充在原有氣泡處，減小體積增大從而避免試件膨脹破壞。

3.2 鋼渣粉水化活性改善

3.2.1 物理活性激發

物理激發也叫機械激發，主要通過機械研磨減小鋼渣粉的細度。在機械力作用下，鋼渣表面形成易溶于水的非晶態結構，水化速率加快，水化活性增加，鋼渣粉表面能增加，形成亞穩態；粉磨過程中鍵能較低的鋁氧鍵和硅氧鍵易斷裂，活性硅鋁基團的數量增加，鋼渣粉水化反應活性增強。

3.2.2 化學活性激發

在大量的激發劑試驗研究中，硫酸鹽激發和鈉鹽激發居多。SO42+的加入能使鋼渣中的Si-O、Al-O斷裂，生成硅酸根和鋁酸根陰離子團，能與鋼渣、石膏中的Ca2+結合生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣。當溶液中含有一定量的SO42+時，在漿體中溶出的Ca2+的作用下，可與氧化鋁反應生成鈣礬石，提高鋼渣的強度。

鋼渣粉單獨發生水化反應時，水化速率慢、水化產物量少，膠凝性能不足；但與磨細礦渣、硅灰、粉煤灰等礦物摻合料復摻時，由于礦物摻合料具有火山灰活性，能與一次水化產物Ca(OH)2反應生成膠凝性能更佳的水化硅酸鈣，增加整體膠凝性。

4 結語

（1）鋼渣粉內部結構致密、水化活性低、活性成分占比不高，水化產物膠凝活性低于硅酸鹽水泥，導致鋼渣粉凝結時間增長，前期強度不足。通過物理、化學等活性激發技術改善鋼渣粉水化活性，可提高水化速率、增加水化產物量。

（2）鋼渣粉部分取代水泥作為混凝土摻合料時會出現混凝土體積安定性不良。減小鋼渣粉粒徑、增大水化反應速率；加入磷酸鹽、引氣劑提供體積膨脹補償空間，均可降低鋼渣體積安定性不良導致的混凝土結構破壞。

（3）鋼渣顆粒應用于路基等工程，對鋼渣顆粒進行預浸水處理、陳伏處理，摻加土料提供鋼渣顆粒膨脹空間，當鋼渣顆粒水化出現體積膨脹時，周圍的土料可以起到彈簧的作用，避免結構出現膨脹破壞。

隨著鋼鐵行業的發展，鋼渣綜合治理及高附加值利用刻不容緩，可繼續進行以下方面的探索與研究：探尋激發鋼渣粉水化活性效果更加優良的活性激發劑，提高鋼渣粉水化反應速率、增加水化產物量，增強整體膠凝性能；探尋效果更優異的鋼渣助磨劑，減小鋼渣粉整體粒徑，提高水化速率；探尋改善安定性不良的外加劑并進行水泥混凝土結構設計，防止結構出現體積安定性不良，拓展鋼渣粉的應用范圍，擴大鋼渣應用規模。