钢渣混凝土研究现状分析

杨 波 史 林

（1、内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051 2、中辽国际工程监理有限责任公司，辽宁 沈阳 110015）

钢渣是炼钢工业的废渣，主要由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等多种氧化物组成，主要矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量的游离氧化钙及金属铁等。但是，钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种和每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异，导致钢渣的成分波动较大，一直未能实际应用。

调查表明，炉渣排放量约为钢产量的15%-20%左右，造成了严重的环境污染，占用了大量的土地，破坏了生态环境。为了有效地利用钢渣、减少污染，将钢渣作为混凝土集料制备钢渣混凝土，能够提高混凝土的性能，具有强度高、耐磨性和耐久性好、维修费用低等优点。钢渣混凝土还可以作为导电混凝土用于电工、电磁干扰屏蔽、工业防静电、电力设备接地工程以及土木工程基础设施内部应力和健康状况自诊断和检测等工程中。

1 钢渣混凝土的研究意义

目前，我国钢铁行业正在飞速发展，我国不仅是钢铁生产大国也是消费大国，而钢渣作为钢铁行业主要废渣之一，每年的排放量也越来越大。据统计，我国每年的钢渣排放量在2000万吨以上，但这些钢渣的整体利用水平不高，大量废弃钢渣的排放不仅造成资源浪费，而且占用土地，污染环境。现在，各产钢国都已投入大量人力、物力、财力进行钢渣利用问题的研究。日本、美国的钢渣利用几乎达到100%[1，2]，欧洲65%的钢渣已得到高效率的利用[3]，与发达国家相比，我国钢渣的利用率却很低，仅为10%左右[4]。研究表明，钢渣中含有一定数量的水泥熟料的主要矿物C2S、C3S等，具备可用作水泥混合材和混凝土掺合料的条件[5]。无论将钢渣作为粗集料或是采用钢渣粉配制的钢渣混凝土，与普通混凝土相比，钢渣混凝土的各项力学性能均较好，而且钢渣混凝土具有良好的耐磨性和耐久性[6，7]。钢渣中还含有具有半导体的性质的FeO，因此可以作为导电组分制备导电混凝土，其成本远低于碳纤维、石墨等导电混凝土[8]。将工业废渣钢渣应用于混凝土中制备成导电混凝土，不仅“变害为利，变废为宝”为废弃物资源化提供了很好的范例，而且保护了环境，满足可持续发展的需要。

2 钢渣混凝土的研究现状

钢渣在发达国家利用率相对较高，尤其是在日本和美国，基本做到排用平衡，得到了充分的利用。

据统计，日本2004年钢渣总量13，410，000吨，其中26%用于回炉烧结料，其余74%钢渣中有32%用于土木工程，26%用于道路工程。钢渣中含有FeO，CaO和SiO2等化学成分，使钢渣可以作为水泥掺合料；钢渣具有较高的抗压强度和耐久性使钢渣可以作为路基材料用于道路工程中；钢渣具有高强度和耐磨性，使钢渣可以作为沥青混凝土集料；加入钢渣的混合料有较大的内摩擦角，使得钢渣可以应用于土木工程中；钢渣还可制成岩块应用于海堤工程中。此外，日本还将钢渣当作肥料来改良土壤性质[1，9]。

在美国，钢渣主要有以下用途：钢渣作为集料配制混凝土用于道路或桥梁工程中；钢渣作为水泥混合材；钢渣用于改良土壤性质；钢渣作冶金炉料等[2]。与普通混凝土相比，钢渣混凝土的抗压和抗弯强度略高于普通混凝土，钢渣混凝土还具有较高劈拉强度和弹性模量，但钢渣混凝土干缩性能低于普通混凝土[10]。经试验验证，钢渣混凝土具有较好的力学性能，在道路工程中应用能达到预期效果[11]。

调查显示，钢渣在其他国家也得到了广泛的利用。欧洲将钢渣用于以下四个方面进行深入的研究，分别为：水硬性胶凝剂，公路建设材料，肥料和公共设施。正是因为钢渣有了诸多利用途径，使得钢渣得到了充分有效的利用[12]。在英国，钢渣已经成为一种副产品。在南非，钢渣用于铺设高速公路。在新西兰，钢渣不仅用于筑路和沥青混凝土中，还可用于改善水质。在维多利亚，钢渣可以作为水泥掺合料配制混凝土，作为集料配制沥青混凝土，还可以作为筑路材料[13]。在伊朗，钢渣混凝土被作为铺路材料使用[14]。希腊用钢渣混凝土修筑海堤和海岸护坡[15]。

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在我国，近几年来钢渣的综合利用受到了人们的重视。以下是我国关于钢渣混凝土的研究。

混凝土外加剂和掺合料的发展是以现代水泥混合材的发展为基础的，表1是我国有关钢渣水泥的研究历史概况[16]。

钢渣不仅可以直接作为掺合料添加到混凝土中，将钢渣磨细后形成的钢渣粉也可作为混凝土掺合料，目前，钢渣粉的研究还处于起步阶段，并没有在工程中大规模应用。仲晓林[17]等于上世纪90年代初，将磨细钢渣作为泵送混凝土掺合料进行研究和应用，试验发现掺入磨细钢渣后混凝土的强度及耐久性等均有一定程度的提高，与水泥有很好的适应性，这是我国首次将钢渣粉作为混凝土掺合料的研究。通过不断研究发现，钢渣细度提高可以显著激发钢渣的潜在活性。研究人员进一步研究了磨细钢渣对混凝土力学性能、安定性及耐久性的影响并配制出了C60强度等级高性能钢渣混凝土[5]。研究结果表明钢渣粉掺量在20%以内时，钢渣混凝土与素混凝土强度相差不大；当掺量大于20%后，随钢渣掺量的增加，钢渣混凝土的各项强度均有不同程度的降低，磨细钢渣粉在混凝土中使用无安定性问题[18]。孙家瑛[7]试验得出了钢渣粉最优掺量，即钢渣微粉掺量为10%，此时混凝土28d抗压强度最高而且耐久能力最佳。研究人员通过研究还发现添加了矿渣的钢渣混凝土具有较好的力学性能。张爱平、李永鑫（2006年）[19]通过试验得出当钢渣：矿渣为3：7时力学性能最好的结论。唐卫军,任中兴等（2006年）[20]研究证实钢渣-矿渣混凝土的工作性能良好。

近几年，钱觉时，李长太等（2004年）[21]人在 D.D.L.Chung[22]和 Feldman,R.F.[23]研究的基础上，进行了钢渣混凝土导电性能的研究，分析了硅灰、粉煤灰对钢渣混凝土导电性能的影响。随后，唐祖全（2006年）等[24]研究了钢渣掺量和钢渣细度对混凝土导电性的影响，通过研究发现混凝土的电阻率随着钢渣掺量的增大和钢渣粉磨细时间增长而降低，钢渣混凝土的造价比碳纤维、石墨混凝土低而且力学强度相对较高。贾兴文，钱觉时等[8]进一步研究了钢渣混凝土的压敏性，通过试验得到了最优钢渣掺量，即钢渣：混凝土为1-4，此时钢渣混凝土的导电性能及力学性能均良好，钢渣混凝土的压敏性随钢渣掺量的增加而增强，而钢渣细度对钢渣混凝土压敏性无显著影响。这一系列研究成果表明，利用钢渣制备的导电混凝土可以用于混凝土结构的应力诊断与自监控、电力设备接地等诸多方面，为合理利用钢渣开辟了新的途径。

钢渣混凝土不仅可以作为导电混凝土使用，经试验验证，在道路工程中使用也有较好的效果。用于筑路的钢渣混凝土性能优良而且节省了大量水泥，减少了水泥生产所带来的环境污染。张亮亮，卢忠飞等[25]用风淬粒化钢渣代替天然砂配制道路混凝土，试验结果表明加入风淬粒化钢渣的混凝土具有良好的性能，减少了混凝土用水量。近几年来，研究人员通过添加外加剂和掺合料的方法不断改良钢渣混凝土性能。刘军[26]将粉煤灰添加进钢渣混凝土中，通过试验测出最优配比的混凝土，即粉煤灰代20%的水泥，钢渣代15%的砂子，并将该最优配比的粉煤灰-钢渣混凝土应用于209国道柳长路，经柳州市建设工程质量检测中心检测其抗折和抗压强度均满足要求。

此外，钢渣混凝土还应用于海堤工程中。徐忠琨[27]将钢渣混凝土制作成护面块体用于海堤工程中，并在东海圈围工程和芦潮港临港工程中实际应用，经验证，钢渣混凝土均能满足施工要求，并且取得了较好的经济和社会效益。

3 钢渣混凝土研究中应着重解决的问题

3.1 复合掺合料中配合比及掺量问题

将钢渣单独粉磨后作为掺合料掺入水泥混凝土中有时可能不满足工程要求，这就要求添加其它掺合料，如矿渣、硅灰和粉煤灰等。矿渣、硅灰和粉煤灰等掺合料掺入钢渣混凝土后，对其导电性能和力学性能的影响各不相同，所以它们的掺量和配合比问题应成为今后钢渣混凝土研究中的重点问题，进行深入研究。

解决这一问题的关键在于通过试验测得矿渣、硅灰和粉煤灰等掺合料对钢渣混凝土的影响，在实验数据和理论知识的基础上进一步分析矿渣、硅灰和粉煤灰等掺合料的影响机理，最后通过大量试验测出复合掺合料的最优配比及掺量。

3.2 钢渣钝化问题

由于钢渣中含有铁，在水泥的碱性环境中，表面会产生氧化钝化层，使混凝土电阻率增大，导电性降低，这样将钢渣混凝土作为导电混凝土应用于实际工程中会受到很大影响。目前，关于钢渣导电混凝土电阻率、压敏性的文献比较丰富，但是关于钢渣钝化问题及解决方法的文献却很少，所以如何解决钢渣钝化问题尚需进一步研究。

钢渣钝化的主要原因是其中含有铁，在钢渣加工中通过磁选将金属铁含量控制在一定范围内是防止钢渣钝化最直接的方法。还可以将钢渣磨细提高钢渣的活性，因为钢渣颗粒变小，其细微颗粒的填充作用可以得到充分发挥；另外，细度增加有助于提高导电颗粒分散的均匀性，加大导电成分接触的几率，使导电性增强。以上只是理论上解决钢渣钝化的方法，是否可行有待试验进一步验证。

3.3 安定性不良问题

钢渣中含有较大量的游离氧化钙、游离氧化镁等成分，特别是游离氧化钙f-CaO水化后易产生体积膨胀，控制不当易造成安定性不良的后果。由于钢渣的稳定性不良，在有些使用钢渣的工程中造成道路开裂、隆起，以至影响了钢渣的推广应用。

目前消除游离氧化钙f-CaO的方法有很多种，例如：温水养护处理法、钢渣陈放法、热焖渣处理法等。其中温水养护法、钢渣陈放法需要占用大量土地，容易造成污染；而将钢渣进行闷渣和超细粉磨活化处理对环境和设备要求较高。所以如何控制钢渣安定性问题成为目前钢渣混凝土研究中值得注意的问题。

3.4 钢渣的细度问题

钢渣经过粉磨后形成的钢渣微粉可以显著改善混凝土的工作性能，还可以激发其较高的潜在活性。但是钢渣硬度较大，易磨性和易碎性均较差，而且钢渣中含有部分铁粒，导致钢渣粉磨到一定程度后很难被进一步磨细。

如果采用直接粉磨的方法，不仅粉磨效率低，电耗较高，而且粉磨效果也不理想。现在钢渣的粉磨多采用预粉磨，然后采用磁选技术，把钢渣中的铁粉分离出来，但是钢渣细度难以控制，而且该方法正处于起步阶段，还未大规模使用。

除了上述问题，钢渣成分的不确定性、钢渣在混凝土中分布的均匀性、钢渣质量控制、钢渣混凝土加工工艺、技术要求等问题都应该引起足够的重视。此外，当前钢渣混凝土的研究多数是在实验室中，在实际工程应用时，应该考虑实际工程条件并采用合理的施工方法和施工工艺，保证钢渣混凝土的质量。

结语

钢渣混凝土不仅为钢渣的综合利用开辟了一条新的途径，符合我国可持续发展要求，而且钢渣混凝土作为一种新型材料是当前混凝土结构理论研究的一个热门课题。虽然对于钢渣混凝土的研究已取得一定的进展，但是离大范围推广使用还存在一段距离。今后钢渣混凝土的研究应以工程推广应用为主要出发点，针对不同用途的钢渣混凝土进行深入研究，不断开发高性能的钢渣混凝土，提高钢渣的利用率。

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