浅析钢渣在国内水泥行业中的应用研究现状

廖双双 蒙福亨 蓝旅玲 白少军

【摘 要】文章综述了钢渣在水泥行业中应用研究的现状，并针对钢渣难磨、钢渣中的游离氧化钙、氧化镁容易造成水泥和混凝土安定性不良及钢渣改性等影响，对提高钢渣消纳利用量的问题进行了详细分析，希望能给同行解决该类问题提供参考。

【关键词】钢渣;水泥;混合材;混凝土;熟料

【中图分类号】TU528 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）09-0214-03

0 引言

钢渣是炼钢工业的废渣，其排放量为粗钢产量的15%～20%，大量排放的废弃钢渣会造成资源浪费、占用土地及污染环境等问题[1，2]。随着钢铁工业的发展，钢渣排放量会越来越大，消纳处理钢渣速度相比排放速度慢，导致其储量不断增大。2017年我国每年钢渣排放量约8 000万t，2018年中国钢产量约11亿t，钢渣产量约1.7亿t，但其利用率却只有22%，不足30%[3，4]。在资源日益紧缺的今天，如何有效、快速地处理及利用这些钢渣成为大家关注的热点。为了寻找行之有效的综合利用方法，国内许多研究人员就钢渣的综合利用做了很多的研究工作。

近几年来，随着钢渣综合利用技术的发展，钢渣已经变成一种资源，在多个行业得到推广应用，一系列钢渣产品标准的发布，为钢渣的综合利用提供了技术支撑。在水泥行业中，钢渣可用作混合材生产水泥，也可作为混凝土的掺合料，还可以作为原材料用于煅烧水泥熟料等。本文论述了钢渣在水泥行业中的应用成果及存在的问题，并提出了一些建议。

1 钢渣在水泥生产中用作混合材

因钢渣中含有一定的活性组分如C3S、C2S、C3A及铁铝酸盐等矿物，钢渣可作为水泥混合材进行综合利用[5]。钢渣经超细粉磨可得到比表面积大于400 m2/kg的超细粉，在水化过程中，物料的晶体结构及颗粒表面状况发生变化，表面增大，有利于发挥胶凝性，可作为水泥混合材用于生产水泥[6]。用钢渣作混合材生产的水泥具有耐磨、抗蚀、低水化热、微膨胀及长期强度等优点，常用于特殊工程中，如道路工程、地下工程、防水工程和大体积工程等[7]。

钢渣作为水泥混合材会影响水泥净浆的凝结时间、沸煮安定性和压蒸安定性、膨胀度、水泥强度[8]。研究发现，掺入少量钢渣对水泥性能影响不大，当掺入量为30%时，水泥早期强度明显降低;当钢渣掺入量一定时，随着钢渣比表面积的增大，其强度也在提高，但会增加需水量[9]。

钢渣和粉煤灰复合掺加有利于水泥强度发展，钢渣最佳掺量为20%，其中复合掺加20%的钢渣、10%的粉煤灰时，28 d抗折、抗压强度分别达到了8.3 MPa、48.9 MPa;钢渣能显著降低水化热，可用于制备中热、低热水泥。一定掺量混合材料能有效降低浆体孔隙率，改善孔径分布，提高浆体致密度[10]。钢渣和其他混合材复合掺入时，可以获得一些不错的性能，单掺15%的钢渣的水泥达到了52.5强度等级水泥标准;复合掺加20%的钢渣、10%的粉煤灰时，达到42.5强度等级水泥标准;掺加25%的钢渣、25%的粉煤灰时，接近42.5强度等级水泥标准;钢渣水泥浆体线膨胀率很小，无收缩，体积稳定性良好[11]。

陈书弟等人采用钢渣细度分级和混合材结构优化两种方法进行了试验研究，其中细度分级后3 d和28 d的活性均比45μm筛上粗粉高6%左右，而通过混合材搭配，用部分粉煤灰替代钢渣，水泥抗压强度可提高1 MPa以上，至少可减少1%的熟料掺量[12]。石洪志等人掺入适量的不锈钢钢渣，可以配制出符合国家标准要求的复合水泥;掺量为32%时，可以生产32.5复合水泥;掺量为25%时，可以生产42.5复合水泥[13]。

综上所述，钢渣作为水泥混合材，使用更多的是采用复合掺加的模式，鲜有作为单一的混合材使用，在保證水泥质量的前提下，若将钢渣作为单一混合材使用，可大量提升钢渣的综合利用量。

2 钢渣在混凝土生产中的应用

众多研究和应用结果表明，用钢渣粉和钢渣为细集料配置的混凝土能够满足施工要求，是消纳钢渣的重要手段之一。但由于钢渣特有的化学和物理特性引起的不安定性和活性较低等问题，限制了其在混凝土中的大量利用[14]。

钢渣中含有一定数量的水泥熟料的主要矿物，存在一定的水硬胶凝性，有利于提高胶结充填体强度[15]。钢渣粉作为掺合料能够在一定程度上提高混凝土的强度、耐久性。但随着细钢渣掺量的增加，混凝土拌和物工作性能下降，硬化混凝土的力学性能呈现先上升后下降的趋势[16]。掺25%的钢渣细骨料和100%的钢渣粗骨料的混凝土抗压强度较普通碎石混凝土提高20%～30%[17]。

在对钢渣混凝土抗拉强度的研究中发现，钢渣替代掺合料替代率在30%附近的混凝土抗压强度提高最显著，30%～50%的替代率可以得到较高的抗拉强度[14，18]。目前，利用钢渣作为骨料制备的混凝土在排水结构物、钢渣桩地基处理等简单构造工程中的应用前景可观，甚至可以100%替代普通碎石骨料[17]。

安定性问题是阻碍钢渣在混凝土中应用的一个重要因素，对钢渣混凝土安定性的影响机理和影响程度需进一步研究。钢渣细度在混凝土中的应用是一项重要的技术指标，如何改进钢渣的磨细技术有待进一步突破。国内学者已对钢渣混凝土的基本性能进行了相关研究，但对钢渣混凝土构件和结构相关的试验和理论研究得较少，此方面可能会成为以后研究的重点。

3 钢渣在水泥熟料煅烧中的应用

国内的许多研究者研究了钢渣可以作为原料用于水泥熟料的煅烧。主要作为原料（替代部分生料）、原渣直接窑尾外加煅烧成水泥熟料，掺钢渣煅烧水泥熟料，有利于水泥熟料的煅烧，能降低烧成温度，减少CO2的排放，提高产量和质量。

刘二南等人[19]将转炉钢渣作为铁质校正原料应用于水泥熟料烧成，并与硫酸渣作为铁质原料进行对比，研究结果表明掺入钢渣后对生料易烧性的改善效果比硫酸渣好，当钢渣掺量为5%时，生料的易烧性最好。采用钢渣会轻微降低熟料28 d的抗压强度，钢渣对熟料28 d的抗折强度影响不大，且熟料的安定性合格。李明绪等人用钢渣代替铁矿石作铁质原料煅烧熟料，研究结果表明，利用钢渣配制的生料与铁矿石配制的生料相比，CaCO3在相同温度下的分解更完全，钢渣具有“晶种”的作用，有利于熟料煅烧，煅烧的熟料强度更高，并可降低煤耗[20]。

张笛等人[21]提出了一种钢渣分相熟料烧成技术，并进行了工业化试验，钢渣掺量稳定在8%，该技术介绍了烧成工艺突破钢渣易磨性、安定性的瓶颈，为水泥工业消纳钢渣提供了技术途径。吴春丽[22]分析并研究钢渣粒径和掺量对水泥熟料烧成及性能的影响，结果指出：大颗粒钢渣（500～600μm）不影响水泥生料的易烧性及水泥矿物的形成，与不掺加钢渣煅烧的熟料对比，呈现较好的熟料岩相特征;钢渣粒径和掺量对熟料的强度有显著影响，但适当的掺量和粒径不会降低熟料的强度。

李晃的研究表明，粗颗粒钢渣的掺入能替代部分水泥生料，降低CO2的排放，同时碳酸钙的分解温度下降，有利于降低煅烧过程中的能耗和气体排放。当钢渣的掺量低于20%时，钢渣熟料易磨性较好。钢渣的掺入会引起水化速率和放热量下降，早期强度呈现一定程度的下降，后期强度显著增加，增长率较快。在生产应用中，以10%粗颗粒钢渣替代部分水泥生料能够烧制出游离氧化钙较低、强度较高、矿物分布均匀、结构致密的优质硅酸盐水泥熟料[23]。

综上所述，钢渣在水泥熟料煅烧中的应用目前主要集中在实验研究阶段，在实际生产中的应用研究或者试验还较少，如何将实验研究的结论在工业生产中进行应用与推广试验是下一步研究工作的主要方向。

4 结论

本文综述了钢渣在水泥行业中应用研究的一些现状，从这些现状中发现了一些问题：如何突破钢渣难磨的技术，如何解决钢渣中的游离氧化钙和氧化镁引起水泥及混凝土安定性不良，以及如何改善鋼渣的性能等问题，这些问题是影响提高钢渣消纳利用量的主要技术原因。此外，应用钢渣的利润空间低也是影响钢渣在水泥行业应用的另一主要原因，如何提升企业综合利用钢渣后的利润空间是钢渣推广利用的一大瓶颈，是否可以出台一些优惠政策推进钢渣综合利用量是今后相关部门需要考虑的方向。

有众多研究者更多地将研究的重点集中在实验室或试验阶段，但是如何将这些研究应用到生产实际，这些研究结果是否适用于生产实际，本文认为这些问题是研究工作的重点，此外如何快速搭建起企业生产与科研机构之间的“产、研”桥梁是实现科研结果落地的重要手段。

参 考 文 献

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