钢渣在水泥混凝土领域应用的研究进展

赵晓峰 刘书文 李春林 李锋锋

摘要：钢渣在水泥混凝土中的应用较为广泛，本文主要介绍了渣在建筑材料方面的应用研究进展，并就目前的掺杂钢渣的水泥基混凝土材料存在的问题提出了改善措施，最后对钢渣在水泥基材料的应用进行了展望。

关键字：钢渣，水泥，混凝土，改善措施

1 引言

炼钢行业除了生产钢铁，还产生副产品和废物，如炉渣、灰尘、污泥和气体。粗钢生产过程中产生的主要固体废物（重量超过90%）是钢渣。从钢水中除去杂质后残留下来的即为钢渣，主要由二氧化硅、氧化镁、氧化钙、铝和铁组成。通常，钢渣产生之后被运输到库存位置，经过处理和磁分离，以回收金属铁。再之后，钢渣储存在露天场地，过度堆积不仅造成经济损失还会造成环境污染。促进钢渣的再利用是减少钢渣储存的有效手段。本文将介绍渣在水泥混凝土应用的研究进展，并提出目前渣用作建筑材料中存在的问题以及改善措施，为未来固废转化为建筑材料的发展提供研究基础。

2 在建筑材料方面的应用研究进展

2.1 矿渣代替水泥作胶凝材料

一些矿物相的存在，如硅酸二钙和三钙（C2S和C3S）赋予了钢渣胶凝性能，这就表明了钢渣有可能作为辅助胶凝材料。适量的钢渣可以改善水泥基复合材料的和易性，降低水化热，填充内部微孔，增强界面过渡区（ITZ）。Wang等[1]利用普通钢渣、粉煤灰和水泥的结果，研究了机械磨成的超细钢渣的水泥性能。结果表明，与普通钢渣相比，超细钢渣在早期和中期表现出较高的活性，在晚期表现出较低的活性。将粉煤灰与水泥进行对比，发现超细钢渣对混凝土后期性能的提高没有贡献。Yang等人[2]报道了将钢渣粉加入到磷钾镁水泥（MKPC）膏体中可以显著提高试样的早期机械强度。当钢渣粉添加量为10%时，5 h和1 d的抗压强度分别比参比试样高17%和32%。同样，当钢渣粉添加量为20%时，5 h和1 d的抗压强度分别比基准膏体高出近5%和30%，60 d时高出8%。改善钢渣粉的粒径分布、填充效果和活性效果，降低MKPC浆体的水灰比，使其在相同流动性条件下降低孔隙率，提高硬化浆体的抗压强度。同时，钢渣粗粉颗粒中的RO相（以MgO、FeO为主要成分的二价金属氧化物连续固溶体）可作为淬硬MKPC试样的微集料，提高了MKPC试样的抗压强度。这些因素使含钢渣粉的MKPC试样的抗压强度提高。

2.2矿渣用作混凝土骨料

混凝土的基本性能，如耐久性、机械强度和适用性，与生产中使用的混合材料的质量和性能高度相关。骨料是混凝土最重要的组成部分之一。将天然资源中的石头破碎而获得的骨料与水泥浆粘合在一起形成混凝土。多年来，在混凝土生产中不加控制地使用自然资源已经带来了严重的环境问题。

近年来，以钢渣作为混凝土中的骨料目前已变得普遍。钢渣具有低无定形二氧化硅和高氧化铁含量，主要用途是作为骨料替代品。Pellegrino等[3]研究了钢渣在传统混凝土中代替天然骨料的适用性。研究人员测试了试样的抗压、抗拉强度、弹性模量和耐久性能（加速固化、冻融、干湿）。为此，他们制备了用钢渣和天然骨料生产的混凝土混合物，其坍落度值为 185 mm，水灰比为 0.52，增塑剂掺加率为 0.4%（水泥重量），引气剂率为0.016%（水泥重量）， 以及主要由引气剂引起的 5% 的空气量。从混凝土混合物中制备150 mm边立方试样，以确定7天、28天和74天的抗压强度，150 mm边立方试样和160 × 480 mm边圆柱形试样，以确定弹性模量。另外还采用不同的加速固化工艺来观察在一定条件下固化的混合物的耐久性。主要有四种固化条件类型，第一种固化条件是样品在70°C温水中保存32天。第二种是在温水中保存90天的外部天气条件。第三种条件是将样品置于25天的冻融循环中。第四种情况是对样品进行30天的干湿循环。在正常环境条件下，含钢渣混凝土试样的抗压强度值与传统混凝土试样的抗压强度值相当或更高，用钢渣制备的混合物的比容重大于用天然骨料制备的混合物的比容重。含钢渣骨料混凝土试样的抗拉劈裂强度高于含天然骨料混凝土试样的抗拉劈裂强度。当考虑耐久性时，样品在恶劣的环境条件下暴露在冻融循环后，抗压强度会降低。但是，少量的引气剂会使样品强度的降低幅度在可接受的范围内。

3钢渣用作建筑材料存在的问题

3.1 安定性不良

钢渣中含有游离的氧化镁和氧化钙以及RO相，在后期水化生成氢氧化钙和氢氧化镁。如果不进行适当的处理，钢渣的体积膨胀会导致建筑材料安定性不良，并对建筑材料的耐久性产生负面影响。钢渣中的这些物质经历高温煅烧后呈死烧状态，水化活性弱，在钢渣浆体硬化后，这类物质开始缓慢水化发生膨胀，破坏硬化后的浆体。若在大型建筑物中使用，该情况会在几年后显现，从而引发重大事故。钢渣须有足够的体积稳定性才能用作辅助胶凝材料或者骨料。

3.2 早期强度低

用钢渣代替天然骨料通常可以提高经过适当处理的钢渣混凝土混合料的强度。钢渣表面较尖的棱角、粗糙表面有助于增强骨料与大块水泥浆体的界面过渡区之间的相互作用，从而提高混凝土的强度。早期强度降低通常出现在强度试验的28天和90天。造成该负面结果的主要原因是钢渣中过量游离氧化钙和氧化镁及RO相的反应引起的体积膨胀和开裂，。此外，和易性降低引起的偏析或浇筑不良也可能导致钢渣混凝土强度降低[4]。

4 改善措施

钢渣需要进行处理以降低游离氧化钙含量并保持混凝土的体积稳定性，从而克服上述问题。目前的处理方法可分为预处理方法和后处理方法[5]。预处理是针对钢水渣，而后处理是针对使用前或使用过程中的固态钢渣。预处理方法包括炼钢过程中钢渣熔融淬火、分劈技术、破碎或用硅灰、粉煤灰改性[6]。

预处理后的钢渣不能直接用于混凝土，需要进一步处理以保证体积稳定性。后处理是指炼钢行业对经过冷却过程后的固态钢渣的二次加工。常见的后处理包括自然老化、二氧化硅改性、高壓灭菌、酸化和薄膜包装方法。这些方法通常需要物理激发或化学激发剂。

5 结论及展望

本文介绍了钢渣在水泥混凝土中可作辅助胶凝材料和骨料的应用进展，并提出了钢渣在应用中出现的问题，提出了改进措施。钢渣在工业中的应用已经很广泛。钢渣在硅酸盐水泥基材料中的应用面临的重大挑战仍然是潜在的体积膨胀和低反应活性，从而导致了安定性不良和早期强度较低。这需要研究人员进一步从更细致更微观的角度深入研究。

参考文献

[1] Wang Q， Yang Y， Yan P. Powder Technology， 2013， 245： 35-39.

[2] Yang J， Lu J， Wu Q， et al. Construction and Building Materials， 2018， 159： 137-146.

[3] Pellegrino C， Gaddo V. Cement and Concrete Composites， 2009， 31： 663-671.

[4] 翁一男. 北京化工大学， 2020.

[5] Dong Q， Wang G， Chen X， et al. Journal of Cleaner Production， 2021， 282： 124447.

[6] 支鹏飞， 马红梅， 何政文. 公路交通科技， 2021， 38（10）：30-38.