浅谈钢渣在混凝土和砂浆中的应用情况及体积稳定性不良问题

宋笑，赵林林

（1. 北京砼享未来工程技术研究院，北京 100024；2. 沈阳建筑大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168）

1 钢渣现状

钢渣是炼钢过程中的一种副产品。它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与熔剂反应生成的盐类所组成。钢渣产生率为粗钢产量的15% 左右，中国的钢渣产生量随着钢铁工业的快速发展而迅速递增，2012年中国钢产量约6.6亿吨，钢渣产量约1亿吨，2018年中国钢产量约11亿吨，钢渣产量约1.7亿吨。钢渣存储量逐年增加，再生利用却微乎其微。因此，钢铁企业废渣的处理和资源化利用问题也越来越受到重视。

国家“十一五”发展规划中指出，钢渣的综合利用率应达86% 以上，基本实现“零排放”。然而，中国综合利用的现状与该规划相差甚远，尤其是素有“劣质水泥熟料”之称的转炉钢渣的利用率仅为10%～20%。国内钢铁企业产生的钢渣不能及时处理，致使大量钢渣占用土地，污染环境。

2 钢渣成分及对混凝土体积稳定性的影响

钢渣含丰富的钙硅，主要成分有：CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、f-CaO（游离氧化钙）、f-MgO（游离氧化镁）等。

钢渣实际上算是一种熟料，钢渣的矿物组成以 C3S为主，其次是 C2S、RO 相（FeO、MgO、MnO 形成的固熔体）、C2Fe（铁酸二钙）、f-CaO 等。分电炉钢渣、平炉钢渣、转炉钢渣三种。

钢渣的矿物组成与化学成分有关，特别取决于钢渣的碱度（CaO/[SiO2+P2O5] 质量比），低碱度钢渣中，主要成分为氧化铁，并固溶有氧化锰、氧化钙。高碱度钢渣中，主要成分为氧化镁、氧化亚铁、氧化锰组成的固溶体。在低碱度钢渣中，氧化镁以蔷薇辉石矿物存在；在高碱度钢渣中，大部分氧化镁存在于二价金属离子氧化物中，小部分氧化镁可能以游离态（f-MgO）存在。但在不同碱度钢渣中，均有 f-CaO 存在。f-CaO、f-MgO 会导致钢渣的体积稳定性不良，对混凝土和砂浆的体积稳定性造成致命伤害。

3 钢渣与矿渣的区别

两者都是钢铁工业的副产品，矿渣是一种非常成熟的、几乎没有副作用的混凝土掺合料，而钢渣却因副作用很大，资源化综合利用率很低。高炉炉渣（简称矿渣）是冶炼生铁时从高炉中排出的熔融硅酸盐类物质。高炉冶炼时，从炉顶加入铁矿石、燃料（焦煤）及熔剂（石灰石、白云石）等，当炉内温度达1400～1500℃时，物料熔化变为液相，在液相中浮在铁水上的熔渣，通过排放就是高炉炉渣。高炉炉渣有三种处理方式：自然冷却变为坚硬的干渣；用水淬将高温液态炉渣击碎，变为松散的水渣；用蒸汽或压缩空气将高温液态炉渣击散，变为蓬松的渣棉。我们常用的矿渣掺合料就是由水渣磨细制成。

4 钢渣处理方式及对钢渣体积稳定性影响的比较[1]

目前国内钢渣主要处理工艺有：热泼法、风淬法、滚筒法、粒化轮法、热闷法。其中热泼法、滚筒法、热闷法最为常用，其工作原理和优缺点如下：

4.1 热泼法

4.1.1 渣线热泼法

将钢渣倾翻，喷水冷却3～4天后使钢渣大部分自解破碎，运至磁选线处理。此工艺的优点在于对渣的物理状态无特殊要求、操作简单、处理量大。

其缺点为占地面积大、浇水时间长、耗水量大，处理后渣铁分离不好、回收的渣钢含铁品位低、污染环境、钢渣稳定性不好、不利于尾渣的综合利用。

4.1.2 渣跨内箱式热泼法

该工艺的翻渣场地为三面砌筑并镶有钢坯的储渣槽，钢渣罐直接从炼钢车间吊运至渣跨内，翻入槽式箱中，然后浇水冷却。此工艺的优点在于占地面积比渣线热泼法小、对渣的物理状态无特殊要求、处理量大、操作简单、建设费用比热闷法装置少。

其缺点为浇水时间24h 以上、耗水量大，污染渣跨和炼钢作业区、厂房内蒸汽大，影响作业安全，钢渣稳定性不好，不利于尾渣综合利用。

4.2 滚筒法

高温液态钢渣从溜槽流淌下降时，被高压空气击碎，喷至周围的钢挡板后落入下面水池中。此工艺的优点在于流程短、设备体积小、占地少、钢渣稳定性较好、渣呈颗粒状、渣铁分离好、渣中 f-CaO 含量小于4%（质量分数，下同），便于尾渣在粗放建材行业的应用。

本研究显示术后平均住院日两组差异有统计学意义，但差异只有2 d，是可以接受的。本研究只是单纯的以年龄划分，无差异化的研究分析了ERAS方案对老年患者的安全性及可行性，存在一定的局限性。接下来的研究中，会对老年患者存在的合并症、一般并发症等进行分层统计分析，以便明确是否需要个体化实施。本研究的另一客观局限性是选择年龄70岁的临界值；由于对老年患者的定义尚未确定，本研究参考世界卫生组织[23]和大肠癌协作组[24]的数据，定义老年为70岁及以上者。在现有的文献中，1/3的研究临界值为70岁，其余的研究年龄临界值选择75岁或80岁[25]。

其缺点为对渣的流动性要求较高、必须是液态稀渣、渣处理率较低、仍有大量的干渣排放、处理时操作不当易产生爆炸现象。

4.3 热闷法

待熔渣温度自然冷却至300～800℃ 时，将热态钢渣倾翻至热闷罐中，盖上罐盖密封，待其均热半小时后对钢渣进行间歇式喷水。急冷产生的热应力使钢渣龟裂破碎，同时大量的饱和蒸汽渗入渣中与 f-CaO、f-MgO发生水化反应使钢渣局部体积增大从而令其自解粉化。

此工艺的优点在于渣平均温度大于300℃ 均适用，处理时间短（10～12h），粉化率高（粒径20mm 以下者达85%），渣铁分离好，渣性能稳定，f-CaO、f-MgO 含量小于2%，理论上可用于建材和道路基层材料。

其缺点是需要建固定的封闭式内嵌钢坯的热闷箱及天车厂房，建设投入大、操作程序要求较严格、冬季厂房内会产生部分蒸汽。

4.4 三大工艺处理的钢渣稳定性比较

三大工艺处理的钢渣，最适合用于混凝土、砂浆中的钢渣是经过热闷法处理的钢渣，这种钢渣的体积稳定性相对其他几种处理方式要好，但也一样含有2% 左右的 f-CaO、f-MgO，其中 f-CaO 含量仍然大于 GB/T21372—2008《硅酸盐水泥熟料》对 f-CaO 含量≤1.5%的限定要求，况且还有 f-MgO 存在（GB/T21372—2008只限定 MgO 含量≤5%，若安定性合格，MgO 含量可放宽到≤6%，没提 f-MgO）。所以，如果不经过稳定性处理，直接用于混凝土和砂浆，没有一种钢渣是完全安全的。

最常见的稳定性处理方式是用煤矸石或粉煤灰作改性剂[2]，在高温800℃ 条件下，通过煤矸石或粉煤灰中的 SiO2、Al2O3，将钢渣中的 f-CaO、f-MgO 吸收反应掉，但是吸收反应完全程度存在争议，有待进一步探索。

5 影响钢渣安定性的因素[3]

5.1 f-C a O 对钢渣安定性的影响

钢渣中绝大多数 CaO 都参与反应生成了硅酸盐、铝酸盐及铁铝酸盐等活性矿物，以此类化合态形式存在的 CaO 不影响钢渣安定性。只有少量的 CaO 以游离态形式存在，f-CaO 水化生成 Ca(OH)2，体积增大1.98倍，国内外一致认为这是导致钢渣安定性不良的主要原因。钢渣中的 f-CaO 经历了1600℃ 高温煅烧，其矿物结晶完好、晶粒粗大，并固溶有一定量的 FeO、MgO、MnO，被称为“死烧”的 CaO，水化速率缓慢，往往在混凝土硬化数月乃至数年后进行缓慢水化反应，将混凝土胀裂。钢渣中 f-CaO 含量在1%～7%。

5.2 RO 相与方镁石晶体（Mg O）、F e O 对钢渣安定性的影响

根据 MgO/FeO 的比值，可将含 Mg 的 RO 相分为贫 Mg 方铁石、富 Mg 方铁石、铁方镁石、方镁石四类。压蒸试验证明，四类 RO 相安定性不同。不含 FeO的 RO 相（方镁石）在2MPa 下压蒸3h，MgO 转变为Mg(OH)2，硬化浆体有可见裂缝，安定性严重不良；贫Mg 方铁石即使在5MPa 下压蒸72h，仍未水化反应，安定性良好；富 Mg 方铁石和铁方镁石在压蒸条件下会发生水化反应，产生的微膨胀对钢渣制品安定性影响不大。可见含 Mg 的 RO 相安定性受 MgO/FeO 比值影响，比值越小，RO 相安定性越好。

试验研究证明，RO 相不是绝对惰性，当钢渣中MgO 含量超过某一临界值，在压蒸条件下会与水反应产生膨胀，使钢渣安定性不良。

5.3 F e S、Mn S 对钢渣安定性的影响

钢渣中 FeS、MnS 一般含量较少，当钢渣中硫含量大于3% 时，钢渣中的硫化亚铁、硫化亚锰水化生成Fe(OH)2、Mn(OH)2，体积分别增大1.4倍、1.3倍。所以，当钢渣中 S 含量大于3% 时，一般就会出现钢渣安定性不良。

5.4 铁粒对钢渣安定性的影响

在钢渣破碎磁选过程中可以除去大部分金属铁，但仍有少量铁存在，钢渣水泥标准 YB/T022—2018《用于水泥中的钢渣》规定，用于生产钢渣水泥的钢渣，其金属铁含量必须低于2.0%（YB/T022—1992版规定低于1.0%）。研究发现，当钢渣微粉中金属铁粒含量在2.2% 以上时，压蒸试验安定性不合格。

6 钢渣在混凝土和砂浆中的应用情况和应用方式

一直以来，由于钢渣的安定性问题，钢渣在混凝土和砂浆中的应用很零散，不成规模，应用也很不规范，甚至概念模糊：如以前对凡用了钢渣的都统称为钢渣混凝土/砂浆。一般地按钢渣的使用方式分四种类型比较合适：钢渣水泥混凝土/砂浆；钢渣复合料混凝土/砂浆；钢渣掺合料混凝土/砂浆；钢渣骨料混凝土/砂浆。

6.1 钢渣水泥混凝土/砂浆

是指将钢渣磨细当混合材加入水泥中，配制成钢渣硅酸盐水泥（GB13590—2006），用钢渣水泥配制的混凝土/砂浆。将钢渣制成水泥使用，钢渣的体积稳定性不良对混凝土和砂浆的安定性影响最低，但钢渣的易磨性较差、钢渣和外加剂的适应性较差。

6.2 钢渣复合料混凝土/砂浆[4]

是指由钢渣复合料配制成的混凝土/砂浆。钢渣复合料（GB/T28294—2012）由钢渣与复合剂组成，钢渣指转炉钢渣经稳定处理后，通过4.75mm 方孔筛的尾渣。复合剂由矿渣、二水石膏、硅酸盐水泥熟料按一定比例磨细制成的粉体材料。钢渣复合料适用于道路混凝土、普通砂浆、自承重结构混凝土。这种混凝土/砂浆的胶凝材料和细骨料为钢渣复合料，一般不再添加其他胶凝材料（包括水泥）和细骨料。钢渣作为细骨料有级配要求，类同于国标 GB/T14684—2011《建设用砂》的 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 区要求。钢渣复合料实际上就是一种加入了钢渣细骨料的胶凝材料，分四个强度等级：SC32.5、SC42.5、SC52.5、SC62.5。

钢渣复合料到目前还没有被搅拌站接受，没有用于预拌混凝土，也没有应用到承重结构混凝土，但有少量应用于道路混凝土，少量干混砂浆厂在小范围使用。

6.3 钢渣掺合料混凝土/砂浆

是指由符合 YB/T022—2018标准规定的转炉或电炉钢渣（简称钢渣），经磁选除铁处理后粉磨达到一定细度的产品，一般称钢渣粉（GB/T20491—2017）。用钢渣粉取代部分水泥或粉煤灰、矿粉配制的混凝土/砂浆。

细磨加工不仅使渣粉颗粒减小，增大其比表面积，使渣粉中的大部分 f-CaO、f-MgO 能与水泥同步水化以提高钢渣粉稳定性，还伴随着钢渣晶格结构及表面物化性能变化，使粉磨能量转化为渣粉的内能和表面能，提升钢渣活性。但钢渣掺合料中的 f-CaO、f-MgO 并不能全部保证与水泥同步水化，还有小部分要延迟水化，延迟水化时间可能长达数月甚至数年，给混凝土/砂浆体积安定性埋下隐患。

6.4 钢渣骨料混凝土/砂浆

就是利用沉年钢渣做为重骨料，根据容重要求，合理级配，由胶凝材料加钢渣或部分岩石骨料配制成的混合物，一般用于房心配重回填，水位较高地区用于抗浮配重，一般不用于结构混凝土。但近来因为普通砂石骨料的紧缺，有人用钢渣代替砂石骨料生产普通混凝土和砂浆，因钢渣中存在 f-CaO、f-MgO、FeS、MnS 及金属铁粒等体积稳定性不良的组分，这些不良组分经过高温煅烧呈“死烧”状态，水化非常缓慢，在混凝土或砂浆硬化数月甚至数年后，在混凝土或砂浆碱性环境中，当温湿度满足要求时，它们会进行水化反应产生体积膨胀，对混凝土和砂浆结构产生破坏，出现爆点、开裂、剥离、脱落等质量事故，造成重大损失。

7 钢渣混凝土/砂浆体积稳定性不良的典型案例

钢渣体积稳定性不良造成的混凝土后期胀裂、剥离、脱落，砂浆后期鼓包、爆裂、脱落等质量事故，近几年呈上升趋势。究其原因，主要是近两年来，砂石骨料供应特别紧张且价格居高不下，每当遇到环保督查严格时砂石往往现金难求，市面上凡具有砂颗粒形状的物质都被当作砂在用，导致近几年“杂烩砂”一直盛行。通过热闷法处理的钢渣粉化率高（粒径20mm 以下者达85%），这种钢渣看起来就是一种具有较好粒径、级配和一定强度的“钢渣砂”，这种钢渣砂都不用筛分就可以直接用于混凝土，适当破碎、筛分就可以用于砂浆。这种钢渣砂相对于正品机制砂有价格优势，一部分是搅拌站和干混砂浆厂自己采购的，一部分以混合砂（与其他砂搭配一起出售）的形式出现在市面上。

去年以来，笔者参与过十多起这样的质量事故调查分析处理，下面就混凝土和砂浆爆裂事故谈一些典型案例，供同行借鉴。

7.1 钢渣掺合料混凝土开裂案例

LF 小区三期 * 号栋，地下2层、地上33层。混凝土由 J 搅拌站供应，2017年 J 搅拌站由于环保改造需要搬迁重建，混凝土由 S 搅拌站代理生产。8～9月浇筑7～10层楼板混凝土（C25）时，由于粉煤灰供应紧张，搅拌站以钢渣磨细粉作掺合料替代粉煤灰生产混凝土，钢渣粉掺量60kg/m3。11月陆续发现7～10层楼板开裂，回弹抽芯检测强度基本满足设计要求，经专家会议论证同意上层继续施工，同时定期观察裂缝发展，至2018年夏季，裂缝还在扩展，大多数已发展成贯穿裂缝，裂缝宽的可以塞进手指头。通过各方论证采取的加固方案为7～10层楼板基本上全部凿除置换重浇，搅拌站直接损失1000余万元。

7.2 钢渣细骨料混凝土爆裂案例

长沙某高层，层高34层，2018年6月施工的34、35、36层 C25混凝土楼板，2019年7月发现楼板出现大量爆裂点，爆裂点中心发现黑褐色细骨料，疑是钢渣颗粒。

娄底某项目 C35楼板，2017年施工，已粉刷。约2年后，部分楼板出现混凝土表层点状爆开现象，爆点直径约10mm，爆点中心有一颗约2mm 褐色骨料颗粒，爆裂现象在炎热天气发生。

这两个事故都是误用了掺了钢渣砂的混合砂造成的，无从追溯，只能搅拌站自己承受损失。

7.3 钢渣细骨料干混砂浆爆灰案例

JHC 三期4栋高层，其中2栋整栋2栋部分楼层因干混砂浆安定性问题，内墙砂浆于2018年5月开始出现不同程度的爆灰现象，4栋建筑砂浆施工日期为2017年7～11月。据 SD 干混砂浆厂反映，由于2017年4月环保督查，全省河砂禁采，机制砂刚起步，砂石价格暴涨，砂的来源和价格不能满足生产需求，干混砂浆厂从某钢厂进了一批钢渣，通过粉碎、筛分加工制成钢渣砂用于生产干混砂浆，由于钢渣安定性不良，导致这批使用了钢渣砂的干混砂浆施工抹面后，约10个月发现不断出现大面积爆灰现象，期间一度爆点如雨后春笋般生长。根据现场检测：部分已批刮腻子或已完成面漆的内墙发现砂浆鼓包情况，鼓包基本呈倒圆锥型，爆点直径为10～50mm、深度约4～7mm，爆点中心发现棕褐色或白色颗粒状物质镶嵌在砂浆基体中，且以棕褐色颗粒为主。经观测至2019年7月将近2年爆裂情况基本稳定，通过专家评审确定以抗裂砂浆修补加固施工方案。在此次质量事故中干混砂浆厂直接损失300余万元。

8 结束语

钢渣作为一种存量很大、增长很快、再生利用较差的废渣，引发的环保问题日益受到重视，变废为宝，实现可持续发展，是人类追求的梦想。钢渣安定性不良问题应引起掺合料、混凝土和砂浆行业的高度重视，现阶段钢渣在混凝土和砂浆中的应用应该慎重，尤其是将钢渣当骨料使用更应引起高度重视。加大对钢渣改性和应用的研发投入，彻底解决钢渣体积稳定性不良问题，才是钢渣在建材领域快速大量消纳的根本出路，我们期待变钢渣为宝的日子指日可待。