抑制钢渣膨胀性的研究现状与展望

孔祥文

（河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038）

1 前言

钢渣作为钢铁工业发展的副产物，数量约为钢产量的15%～20%。近年来，随着我国钢铁工业的飞速发展，钢渣的排放量也在快速增长。有关数据表明，2018年我国产生了约1.21×109t钢渣。从上世纪90年代初到2018年末，我国钢渣尾渣累计堆存量超过1.8×1010t，占地20多万亩。大量钢渣的堆积、填埋，不仅占用了大面积土地资源，而且会产生环境污染问题。因此，有效利用钢渣是经济可持续发展的必然要求。

2 钢渣的特性

钢渣是冶金工业中产生的废渣。是生铁在熔炼过程中所含杂质被氧化而成的各种盐类组成。由于熔炼过程不同，其产生的钢渣在颜色、外观形态上有很大区别。通常情况下，灰色的钢渣一般碱度较低，碱度较高的钢渣呈褐灰色、灰白色。堆放在自然环境中的钢渣在长时间风化下会膨胀变成土块状和粉状。

钢渣的主要成分为二氧化硅（SiO2）、氧化钙（CaO）、方铁矿（FeO）、赤铁矿（Fe2O3）和氧化镁（MgO），占成分的85 %。次要元素包括锰（Mn）、铁（Fe）、铝（Al）和硫（S）化合物以及一些其他微量元素。

炼钢工艺的不同决定了钢渣性能的多样化，大多数钢渣的含水率为3%～8%。钢渣中铁粒和含铁固溶体含量较高，密度一般为3.10～3.69g/cm3，因此，钢渣在硬度、强度、耐磨性和耐冲击性方面要优于普通碎石。

钢渣中含有的矿物成分与硅酸盐水泥熟料相似，使钢渣具有一定的水硬活性。此外，钢渣或其混合料在抗腐蚀性方面有一定优势，在海水或盐水中浸泡后，也不会发生明显的腐蚀现象。

3 钢渣膨胀原理

学者普遍认为，钢渣膨胀性的原因主要是由于钢渣中存在游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO），f-CaO水化后形成Ca（OH）2，其体积会增长91.7%，而f-MgO水化后固相体积会增长119.6%。

Alexander等将钢渣破碎成4.75～6.35mm的钢渣颗粒，放入压蒸釜中，在一定条件下放置3h后，发现处理后的钢渣试件体积比之前的体积增长了8.7%～8.8%。根据同步热分析仪（TGA）显示，钢渣试件中Ca（OH）2、Mg（OH）2、CaCO3含量明显增加，证明了钢渣中的f-CaO和f-MgO水化后造成钢渣体积膨胀。George Wang通过当前硅酸晶体研究现状，建立了f-CaO的分子模型，推算出f-CaO是钢渣不稳定的主要因素，指出当f-CaO含量增大1%时，其水化后钢渣膨胀率可达1.15%。钢渣的膨胀特性与钢渣颗粒大小、钢渣密实程度、f-CaO的数量都有密切联系。冯涛等人研究发现，不仅f-CaO的水化可以引起钢渣体积的不稳定，其水化后形成的Ca（OH）2同样影响钢渣体积不稳定性。在水化反应初期，形成的Ca（OH）2多为无定型或小晶体。随着无定型或小晶体的Ca（OH）2再结晶，使Ca（OH）2晶体体积再次增长，最终造成钢渣的体积不稳定。

钢渣中的游离氧化钙（f-CaO）能够引起钢渣体积膨胀的观点得到了一致认可，但对于钢渣中的RO相（二价金属氧化物MgO、MnO、FeO固溶相的总称）能否对钢渣膨胀性造成影响持有不同观点。唐明述等人认为RO相不会造成钢渣的体积不稳定，其性质在高温高压条件下也极为稳定；叶贡欣认为RO相中的方镁石固溶体会引起钢渣膨胀。

4 抑制钢渣膨胀性的措施

对于钢渣膨胀性最常用的方法就是堆积在渣场，自然陈化2～3年再加以利用。但此方法易形成较大的渣山，占用大量的土地资源，还会引起地下水污染等环境问题。为了找到一种经济绿色的处理方法，业内展开了大量研究，提出了许多可行措施。

4.1 浸水处理

吴旻利用对比试验，比较原状钢渣在露天和浸水两种不同条件下放置28d后钢渣的浸水膨胀率和f-CaO的含量。试验结果表明，原状钢渣在露天下放置28d后，钢渣中f-CaO含量为3.41%，浸水膨胀率为4.08%；浸水处理28d后的钢渣中f-CaO含量为2.55%，膨胀率为3.18%。对比浸水与露天两种方式处理的钢渣中f-CaO含量和膨胀率，发现两项指标均显著减小。可知常温浸水处理可抑制钢渣膨胀，降低游离氧化钙含量。

4.2 掺加矿物材料

国内学者肖琪仲率先开展了对钢渣膨胀性的研究，并提出了抑制钢渣膨胀性的处理方法。通过对不同类型钢渣进行水热处理，发现钢渣经水热处理后均有膨胀现象，但强度不高。将硅质材料加入钢渣中，钢渣中硅与钙比例增大，会使硬硅钙石含量增加，提高钢渣抗压强度。在高温高压水热条件下，钢渣中的SiO2和MgO生成稳定的含镁水化物，会抑制方镁石的水化。此外，向钢渣中掺入细砂可以对钢渣水热过程中的膨胀起抑制效果。

周云等人提出，在对钢渣进行风碎工艺预处理的基础上，将粉煤灰加入钢渣中，可使钢渣中形成稳定化合物，抑制钢渣膨胀性。林宗涛通过前期预处理实验，找出最佳预处理料的生产条件为：钢渣与粉煤灰的比例为3∶2，加入矿化剂的量为3%，煅烧温度为850℃，煅烧时间为85min。X射线衍射表明，钢渣中f-CaO衍射峰基本消失。伦云霞提出向钢渣中加入高炉水渣微粉可降低f-CaO的水化反应，同时，在钢渣表面自由能下降部位，高炉水渣微粉粒子会析出CSH凝胶，提高钢渣的体积稳定性。

朱光源研究了向钢渣中掺入不同矿物材料后钢渣的膨胀性变化。在掺量5%的条件下，单掺硅灰对钢渣混合料的膨胀性抑制效果最好，浸水膨胀率降低了90%。当两种矿物材料两两复合掺入时，掺有硅灰试验组的浸水膨胀率要小于其他未掺入硅灰试验组的浸水膨胀率。X射线衍射表明，向钢渣中掺入矿物材料降低了f-CaO含量，生成了对钢渣混合料强度有增强作用的硅酸盐类。2019年，朱光源等人在原有研究基础上，得出矿物细掺料能抑制钢渣集料膨胀性的主要原因是矿物细掺料具有火山灰效应和微集料效应，并进一步分析了矿物细掺料的比重。从抑制钢渣集料膨胀性的效果及经济性等方面综合考虑，认为掺加10%的矿渣微粉、粉煤灰、硅灰三元复合细掺料，其中三者质量比为为1∶1∶2，可以更好地抑制钢渣膨胀性。

4.3 改善钢渣处理工艺

改进钢渣处理工艺可以加快钢渣膨胀抑制效率。1966年，德国研究出一种新的钢渣处理工艺应用到炼铁生产线，通过向高温液态钢渣中加入氧气和砂，使f-CaO熔解并发生化学结晶，结果f-CaO含量降到1%以下。日本采用常压冷渣陈化法和有压冷渣陈化法来处理钢渣。常压冷渣陈化法是在常压蒸汽下蒸养48h，处理周期约1周，1t钢渣消耗蒸汽140～250 kg，处理后的钢渣浸水膨胀率可控制在1.5%以内。有压冷渣陈化法是在0.3～0.5 MPa的压力下蒸养2h，处理周期1周，1t钢渣消耗蒸汽85kg，处理后钢渣浸水膨胀率也可控制在1.5%以内。日本采用该方法处理后的钢渣，主要用于铺路建设。

吴淑文将粉煤灰与钢渣按照一定比例混合进行改质，然后用风淬法、滚筒法和风淬热闷法三种预处理方式分别处理改质后钢渣。实验结果表明，对钢渣进行预处理能提高其稳定性。三种预处理方式中，风淬热闷法对钢渣的稳定性提高最多，风淬热闷后钢渣中f-Ca0含量为1.32%；风淬法对钢渣稳定性改善效果次之，预处理后钢渣中f-Ca0含量为1.60%；滚筒法对钢渣的膨胀性抑制效果最差，处理后钢渣中f-Ca0含量为6.03%。风淬热闷渣的稳定性要明显优于风淬钢渣和滚筒渣。

许博等通过向钢渣中添加乙酸溶液和微硅粉来预处理钢渣，进而降低钢渣的膨胀率。试验结果表明，两种方法均能有效降低钢渣的体积膨胀率，其改善效果与试剂掺量呈正相关关系；在乙酸浸泡组中，浸泡3h就能完全发挥作用，每个实验组降低幅度均在76.1%以上；在加微硅粉的试验组中，膨胀率降低幅度随掺量的不同有明显差异。当微硅粉掺入量超过2.4%时，膨胀率值会降低至2%以下，而当掺入量为4.8%时，膨胀率值为0.4%，降低幅度高达87.1%。

4.4 掺加激发剂

邓侃研究了向钢渣和矿渣复合胶凝材料中分别添加玻纤、矿纤后，材料的体积稳定性的变化。实验结果表明，掺玻纤和矿纤均对钢渣的压蒸膨胀率有减小作用，但掺加矿纤的效果优于掺加玻纤的效果；使用扫描电子显微镜观察发现，在水化后期，纤维表面生长的氢氧化钙晶体使纤维和晶体紧密粘结。肖文斌等人通过物理和化学复合激发的方法，探索得出多聚磷酸盐、Na2CO3、Na2CO3+NaOH、Na2CO3+NaAlO2、NaHCO3+NaOH、Na2SiO3·9H2O+NaOH等较优的激发剂，用量均在1%～2%之间，最优激发剂为多聚磷酸盐，用量为1%，可以解决钢渣应用过程中的稳定性问题。

4.5 钢渣碳酸化

董晓丹利用CO2与CaO反应生成CaCO3的原理，对钢渣进行碳酸化处理。试验研究表明，钢渣碳酸化的最佳条件为：反应温度700°C，反应时间30～60min，最佳粒径0.18mm，CO2体积分数80%，水蒸汽体积分数10%～20%。以上条件下，游离CaO的反应率为90%。

姚恒山等采用压蒸法对碳酸化后硬化钢渣试块的稳定性进行了测试。研究发现，块体的空隙率会随着钢渣坯体的碳酸化过程变小。将粉磨8h的钢渣碳酸化，7d后发现钢渣总空隙率仅为16.67%，空隙率降低了10.17%。对其进行压蒸试验后，钢渣保持良好的体积稳定性，并未出现裂纹和损坏。同时，钢渣中易被碳化的矿物有C2S、C3S、Ca（OH）2、f-CaO、MgO，而Ca2（Al,Fe）2O5、FeO矿物难以被碳化。分析指出，碳酸化钢渣体积稳定性良好的根本原因在于钢渣坯体中足够的空隙以及CaCO3在非原地空隙中的生长机制。

4.6 钢渣表面改性工艺

用一定的方式来改变钢渣的表面特性，以此来抑制钢渣膨胀性，这就是钢渣的表面改性。吴少鹏等采用物理手段，使用自制的硅树脂覆盖在钢渣表面，通过形成隔膜阻止钢渣与水的接触反应。同时，处理后的钢渣沥青混合料的水稳定性也有所提高。王川采用两种不同的改性材料对钢渣表面改性，试验结果表明，两种方法改性后的钢渣都具有良好的力学性能。

5 展望

钢渣是一种具有应用前景的冶金固体废弃物，目前，美国、日本、德国等发达国家的钢渣综合利用率已接近100%。相比之下，我国的钢渣利用率偏低，只有22%左右。虽然国内学者作了大量研究，也提出了许多有效措施，但这些方法都存在各自的限制，难以大规模推广使用。如何找到一种既方便有效又经济环保的钢渣膨胀性处理方法，仍需要我们不断探索。