鋼渣摻合料用于混凝土的研究進(jìn)展及應(yīng)用

摘要：鋼渣是鋼鐵行業(yè)在煉鋼中產(chǎn)生的固體廢棄物，由于其活化程度低、易磨性差、游離氧化鈣（游離氧化鎂）含量較多，目前仍未得到有效應(yīng)用。本文研究了鋼渣的基本理化性能，通過對(duì)鋼渣礦物組成及化學(xué)成分的分析，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部含有結(jié)晶程度較好的C3S和C2S，這使得鋼渣具備作為混凝土摻合料的應(yīng)用潛力，并詳細(xì)論述了鋼渣對(duì)混凝土性能的影響，包括增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能、改善工作性能、耐久性等，指出了鋼渣作為摻合料在混凝土中的優(yōu)勢(shì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值。最后，提出了未來鋼渣摻合料在混凝土中的研究方向，以期為我國(guó)鋼渣的綜合利用提供一個(gè)新的思路。

關(guān)鍵詞：鋼渣；摻合料；混凝土；固廢利用

中圖分類號(hào)：TU528 """"""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A """""""""""文章編號(hào)：

Research Progress and Application of Steel Slag Admixture in Concrete

DING Rui 1， LI Wenfu 1*， LI Bo 2

（1：School of Materials Science and Engineering，Jilin Jianzhu University ，Changchun Jilin 130118，China;2： Heilongjiang Longjian Road and Bridge Second Engineering Co.， Ltd.，Harbin Heilongjiang 150028，China）

Abstract：Steel slag is a solid waste produced by the iron and steel industry in steelmaking， which is still not effectively applied due to its low activation degree， poor abrasiveness and high content of free calcium oxide （free magnesium oxide）.In this paper， the basic physical and chemical properties of steel slag are investigated， and through the analysis of the mineral composition and chemical composition of steel slag， it is found that it contains C3S and C2S with good crystallization degree， which makes the steel slag has the potential to be applied as concrete admixture，and the effects of steel slag on concrete properties are discussed in detail， including the enhancement of the mechanical properties of concrete， improvement of the workability and durability， and the advantages and potential advantages of steel slag as an admixture in concrete are indicated，and the advantages and potential application value of steel slag as an admixture in concrete are pointed out. Finally， the future research direction of steel slag admixture in concrete is proposed，in order to provide a new idea for the comprehensive utilization of steel slag in China.

Keywords： steel slag; admixture; concrete; solid waste utilization

0 引言

當(dāng)前，全球變暖和環(huán)境污染所引起的問題日益嚴(yán)峻。2020年9月，我國(guó)基于氣候變暖問題制定了“雙碳政策”，即CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，建筑行業(yè)的碳排放量約占整個(gè)工業(yè)碳排放量的20%左右，其中硅酸鹽水泥作為一種重要的建筑材料，其產(chǎn)量隨著城市化的建設(shè)穩(wěn)步增長(zhǎng)，生產(chǎn)1 t硅酸鹽水泥，約排放0.9 t的CO2，可見CO2排放量巨大[1]。硅酸鹽水泥作為建材的中間產(chǎn)物，其產(chǎn)品的最終體現(xiàn)一般為混凝土及其制品。因此，建筑行業(yè)的減排應(yīng)以低熟料水泥的制備及綠色低碳混凝土發(fā)展為主要方向，其中低碳混凝土方向應(yīng)為重點(diǎn)的研發(fā)方向，其通常是指在混凝土的制備和使用整個(gè)全周期過程中，不僅具備與工程相適應(yīng)的流變性能、承載能力、穩(wěn)定性和耐久性，而且還具有資源和能源節(jié)約能力、環(huán)境和生態(tài)保護(hù)能力的建筑材料[2]。然而，傳統(tǒng)混凝土制備過程中排放的CO2，90%以上來自水泥，骨料生產(chǎn)、混凝土攪拌和混凝土運(yùn)輸產(chǎn)生的C02排放量不足10%。因此，從混凝土原材料碳排放控制的角度來看，減少水泥的使用是最直接有效的方法。

與此同時(shí)，我國(guó)大宗固廢種類繁多且存量逐年增長(zhǎng)，占用了大量的土地資源并嚴(yán)重污染環(huán)境。以鋼鐵企業(yè)在煉鋼過程中產(chǎn)生廢棄物鋼渣為例，其含有的成分主要有C2S，C3A，C4AF及少量的C3S，具有潛在的膠凝活性，可作為摻合料用于混凝土制備過程，實(shí)現(xiàn)固廢利用的同時(shí)降低了碳排放，目前全國(guó)尚未得到充分利用的鋼渣儲(chǔ)量高達(dá)10億t，但由于其早期活性低、易磨性差，安定性不良等原因，綜合利用率僅在20%左右，遠(yuǎn)低于許多國(guó)家超過90%的利用率[3]。可以看出，要想在國(guó)內(nèi)大規(guī)模資源化利用鋼渣還存在一定的難題，因此以鋼渣等典型工業(yè)固廢為處置對(duì)象，開展礦物摻合料大摻量技術(shù)制備低碳混凝土研究，是實(shí)現(xiàn)建材行業(yè)低碳排放的關(guān)鍵技術(shù)途徑。

1 鋼渣的基本組成與性能

1.1 鋼渣的化學(xué)成分

鋼鐵廠的鋼渣是煉鋼過程中生鐵中雜質(zhì)氧化的副產(chǎn)品[4]，其主要由煉鋼過程中添加的石灰石、白云石等冶煉熔劑所產(chǎn)生。黃華等[5]對(duì)鋼渣組成進(jìn)行了化學(xué)分析，認(rèn)為鋼渣的主要成分為CaO（41.34%）、Fe2O3（24.86%）、SiO2（0.23%）、MgO（9.27%），相對(duì)于普通硅酸鹽水泥，鋼渣中的Fe，Mg含量相對(duì)較高，而Si，Ca含量相對(duì)較低。鋼渣的化學(xué)成分會(huì)因所用材料、所用爐型、鋼的種類和預(yù)處理方法的不同而有所變化。吉林省通化鋼鐵廠鋼渣的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 鋼渣的礦物組成

鋼渣中的主要礦物相包括橄欖石，輝橄欖巖，C3S，C2S，C4AF，C2F[6]。此外，一部分鋼渣還會(huì)含有一些游離氧化鈣和游離氧化鎂，以及還含有微量的氧化鐵（FeO）和氧化錳（MnO）[7]，研究表明，鋼渣具有與水泥熟料相似的成分，例如C3S，C2S主要礦物等具有潛在活性，經(jīng)過工藝加工可作為水泥混合材和混凝土的摻合料[8]，另一方面，與傳統(tǒng)骨料相比，因其質(zhì)地堅(jiān)硬，耐磨性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到工程回填材料、鐵路、堤壩與道路工程當(dāng)中。

但鋼渣作為粗骨料，使用經(jīng)濟(jì)附加值較低，結(jié)合運(yùn)輸因素，導(dǎo)致成本增高，市場(chǎng)接受程度較低。考慮到鋼渣具有的潛在水硬性，作為摻合料應(yīng)用于混凝土中具有更高的應(yīng)用潛力，但作為摻合料使用時(shí)應(yīng)考慮到鋼渣的體積穩(wěn)定性、易磨性、早期活性等問題，隨著鋼渣處理工藝的改進(jìn)（滾筒法、熱悶法、風(fēng)淬法、熱潑法等）[9]，經(jīng)過長(zhǎng)期陳化、浸泡、酸洗處理后的鋼渣協(xié)同其他活性摻合料復(fù)合使用后，穩(wěn)定性也可以滿足混凝土對(duì)于摻合料應(yīng)用的要求。

2 鋼渣用于混凝土摻合料研究進(jìn)展

2.1 鋼渣摻合料對(duì)混凝土工作性能的影響

黃曉軍等[10]選取了比表面積為470 m2/kg的鋼渣粉，通過控制混凝土中鋼渣粉的摻量發(fā)現(xiàn)：在鋼渣粉含量逐漸增多的情況下，混凝土坍落度也會(huì)逐漸增大。用水量一定時(shí)，混凝土拌合物的流動(dòng)性會(huì)因?yàn)殇撛鄣膿饺攵玫礁纳疲以谙嗤鲃?dòng)度的情況下，可以降低用水量，具有一定的減水效果。王強(qiáng)等[11]通過試驗(yàn)研究得出：水灰比較高或較低時(shí)，摻入鋼渣都可以改善混凝土的工作性能，但都需要保持在一定范圍之內(nèi)，當(dāng)鋼渣摻量超過一定程度時(shí)，混凝土的抗離析能力反而下降。王迎春等[12]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼渣摻入能使水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量減小、延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間、降低水泥的水化熱；摻比量≤35%時(shí)，對(duì)混凝土的坍落度和工作性能影響不大。鋼渣的摻入成功地降低了鋼渣對(duì)強(qiáng)度的負(fù)面影響。Wang等[13]認(rèn)為鋼渣等是一種非常有效的礦物摻合料，可以用于延遲凝結(jié)時(shí)間，增加混凝土流動(dòng)性，降低水化熱。Pan等[14]用10%的鋼渣粉代替水泥配制自密實(shí)混凝土，提高了混凝土的填充能力和通過能力，降低了自密實(shí)混凝土的抗離析能力。Roslan等[15]發(fā)現(xiàn)由于鋼渣表面很粗糙，和易性也會(huì)隨著鋼渣的使用而降低，從而影響混凝土的工作性能。

2.2 鋼渣摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

Gencel等[16]通過研究發(fā)現(xiàn)鋼渣可以取代波特蘭水泥，并且取代率可以高達(dá)45%，具有顯著的抗壓強(qiáng)度。另外鋼渣也可以100%的比例再次取代天然骨料，并具有高抗壓強(qiáng)度值。Wang等[17]探究了鋼渣對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果顯示，在W/B不變的條件下，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)受到鋼渣摻量的影響，摻量越大強(qiáng)度越低，尤其是在早期階段。當(dāng)水膠比較小時(shí)，鋼渣對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響越小。此外，在保持28 d抗壓強(qiáng)度不變的條件下，摻入鋼渣的混凝土在早期階段的強(qiáng)度低于純水泥混凝土，但在后期階段的強(qiáng)度高于純水泥混凝土。柴天紅等[18]針對(duì)比表面積為450 m2/kg的鋼渣粉，對(duì)C30混凝土配比進(jìn)行了試驗(yàn)，得出結(jié)論：鋼渣粉摻量的界限為30%，摻量≤30%時(shí)，有助于提高混凝土的強(qiáng)度；而摻量≥30%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度則會(huì)降低，而且隨著鋼渣的摻量逐漸增多，降低趨勢(shì)越明顯。朱建華等[19]開展了相關(guān)試驗(yàn)：通過減少10%～30%的水泥用量來制備混凝土試塊，減少的水泥量用鋼渣粉來替代，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，最終得出結(jié)論：隨著鋼渣粉摻量的逐漸增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及相對(duì)動(dòng)彈性模量分別呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，研究表明適量的鋼渣粉替代水泥有助于提高混凝土的力學(xué)性能，而最佳鋼渣粉摻量為10%。

2.3 鋼渣摻合料對(duì)混凝土耐久性能的影響

韓均[20]研究了不同鋼渣摻量在兩種不同水灰比條件下對(duì)混凝土耐久性的影響，在保持水灰比不變時(shí)，鋼渣摻量較低時(shí)對(duì)混凝土的抗碳化性能影響較小，鋼渣摻量較多時(shí)一般會(huì)明顯削弱混凝土的抗碳化性能；特別是在W/B較低或初始標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期較長(zhǎng)時(shí)，鋼渣對(duì)混凝土抗碳化性能的影響更低。丁天庭等[21]進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)，探究了碳化和抗凍對(duì)于鋼渣混凝土的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)鋼渣摻量＞10%時(shí)，混凝土的抗凍能力隨著鋼渣摻量的增加呈下降趨勢(shì)，且凍融循環(huán)天數(shù)越多，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量下降越明顯。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至56 d時(shí)，摻30%鋼渣混凝土的碳化深度已達(dá)12.5 mm；試驗(yàn)180 d時(shí)，摻30%鋼渣混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量降至88.7%。Hu[22]用鋼渣替代30%的水泥，延長(zhǎng)了休眠水化發(fā)展時(shí)間。與波特蘭水泥混凝土相比，鋼渣摻量為30%的混凝土在720 d內(nèi)的碳化深度要好得多。Wang等[17]研究了鋼渣對(duì)混凝土耐久性能的影響，研究顯示：在水膠比不變的條件下，增加鋼渣摻量會(huì)使混凝土的抗?jié)B能力降低，同時(shí)也會(huì)使混凝土的抗碳化能力降低；并且隨著水膠比越小，鋼渣對(duì)混凝土抗?jié)B性和抗碳化性的負(fù)面影響也會(huì)隨之變小；高水膠比時(shí)，鋼渣對(duì)混凝土早期干縮有促進(jìn)作用，但對(duì)90 d極限干縮影響不大；反之低水膠比時(shí)，鋼渣對(duì)混凝土的干燥收縮影響不大；另外，在28 d抗壓強(qiáng)度不變的條件下，摻鋼渣混凝土的抗?jié)B性、干縮性和抗碳化性能與純水泥混凝土相當(dāng)。

3 鋼渣摻合料在混凝土工程中的應(yīng)用

當(dāng)前我國(guó)鋼渣的利用率實(shí)際只有40%左右，而國(guó)外鋼渣的利用率接近100%，尤其美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將鋼渣廣泛應(yīng)用于建筑、公路、鐵路工程和鋼鐵、農(nóng)業(yè)等方面，但其在水泥混凝土生產(chǎn)中的利用率還比較低。現(xiàn)如今，我國(guó)鋼渣年產(chǎn)量及堆存量逐年增多，因此提高鋼渣的利用率，推動(dòng)鋼渣的大規(guī)模利用是值得研究的一個(gè)重要方向，而且鋼渣的化學(xué)成分與硅酸鹽水泥較為相似，具有潛在的膠凝活性，可以作為礦物摻合料取代水泥用于混凝土中，也更容易被工程領(lǐng)域所接納。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些相關(guān)研究，任新濤等[23]將鋼渣微粉用于道路混凝土工程中，并開展了相關(guān)試驗(yàn)，研究顯示，當(dāng)鋼渣微粉與水泥比例為3：7時(shí)，鋼渣的增加會(huì)導(dǎo)致拌合物的標(biāo)準(zhǔn)稠度和砂漿強(qiáng)度先下降然后趨于穩(wěn)定，而凝結(jié)時(shí)間和砂漿流動(dòng)度先上升后趨于穩(wěn)定，由此可以發(fā)現(xiàn)，鋼渣微粉用于路面工程中可以改善混凝土的耐磨性，抗凍性和體積穩(wěn)定性。婁躍恒等[24]將鋼渣粉用于泡沫混凝土的制備，研究其對(duì)混凝土性能的影響，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著鋼渣摻合料摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度和收縮率下降，但干密度值升高，從而改善了泡沫混凝土的體積穩(wěn)定性，提高了混凝土的耐久性能。鄭永超等[25]通過使用鋼渣粉代替礦粉制備C30混凝土，發(fā)現(xiàn)鋼渣的加入可以降低膠凝材料整體產(chǎn)生的水化熱，但會(huì)對(duì)外加劑的飽和摻量點(diǎn)和長(zhǎng)期損失率產(chǎn)生較大影響。此外，隨著鋼渣粉摻量的增加，混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較差，但后期發(fā)展較好并顯示出較大的增長(zhǎng)潛力。Han等[26]通過試驗(yàn)測(cè)定5年齡含鋼渣粉的混凝土的性能。結(jié)果表明，與硅酸鹽水泥混凝土相比，水膠比不變的情況下，鋼渣粉混凝土在5年后仍具有較低的抗壓強(qiáng)度、較高的孔隙率和較低的抗氯離子滲透性；而鋼渣粉含量較高的混凝土在5年時(shí)具有較高的抗壓強(qiáng)度、較低的孔隙率和非常低的滲透性。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的一種以硅酸鹽礦物為主要成分的固體廢棄物，同時(shí)鋼渣也作為冶金行業(yè)的副產(chǎn)品，具有潛在的再利用價(jià)值，可以在建筑、道路、水泥生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，例如骨料、水泥、摻合料、填料等。這種再利用不僅能夠減少?gòu)U棄物的排放，降低環(huán)境污染，還能夠節(jié)約原材料資源和能源消耗，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，未來的研究和實(shí)踐應(yīng)該進(jìn)一步深化對(duì)鋼渣的認(rèn)識(shí)，首先，進(jìn)一步優(yōu)化鋼渣的活化方法，提高其活性成分的利用率。其次，研究鋼渣摻合料與其他摻合料（如粉煤灰和硅灰等）的協(xié)同效應(yīng)，以進(jìn)一步提高混凝土性能。此外，對(duì)于鋼渣摻合料在特殊環(huán)境條件下的性能研究也具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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編輯：楊 洋