钢渣在道路工程中的应用研究进展

段德峰 刘润喜 王晓川 周恒玉

摘 要：工业钢渣是工业炼钢生产过程中容易排出的固体残渣，是一种用于工业的固体废物，占工业生产中使用粗钢的15%～20%。钢渣具有碱性强、棱角丰富等特点，其主要金属矿物和有机化学成分与其他水泥料和熟料相似，具有潜在的有机水化学和反应活性。近年来，我国高速公路建设成就显著，其集料需求增大，使得常规的天然集料已经不能满足需求。钢渣集料是否能在高速道路上广泛应用发展是目前备受业界关注的一个热点。因此，本文总结大型钢渣的化学性质、活化特性、流动特性及稳定性的相关研究进展，并重点介绍了钢渣在城市道路交通工程设计中的实际应用情况。

关键词：钢渣利用;活性激发;道路工程

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）23-0129-04

Abstract： Industrial steel slag is generally used as a solid residue that is easily discharged during industrial steelmaking production. It is a solid waste for industrial use， accounting for 15%～20% of crude steel used in industrial production. Steel slag has the characteristics of strong alkalinity， rich edges and corners， and its main metal minerals and organic chemical composition are similar to other cement materials and clinker， and it has potential organic water chemistry and reactivity. In recent years， China’s highway construction has achieved remarkable results， so the demand for aggregates has increased. Conventional natural aggregates can no longer meet the demand. Whether steel slag aggregates can be widely used on highways has become a hot spot in the industry. This paper mainly summarizes the research progress of the chemical properties， activation characteristics， flow characteristics and stability of large-scale steel slag， and focuses on the practical application of steel slag in the design of urban road traffic engineering.

Keywords： steel slag utilization;active excitation;pavement engineering

目前，我國钢铁工业产量居世界第一，每年钢铁产生的钢渣量占世界钢铁工业产量的15%～20%，钢渣每年排放量近亿吨。钢渣是加热炼钢生铁过程中的一种重要副产品，由生铁中的硅、锰、磷、硫等金属杂质在加热熔炼生铁过程中受热氧化所生成的各种惰性氧化物以及这些各种氧化物与其有助于热熔的溶剂（如石灰粉）进行反应后所生成的各种盐类混合组成[1]。大量的废钢渣长期积累，不仅占据大量施工场地，而且严重污染现场环境。合理利用钢渣资源不仅有利于环境保护，还能为企业带来经济效益。目前，我国工业钢渣综合利用率为50%～60%，远低于世界其他生产大型钢渣产品的国家。

高磷钢渣很早之前就已经被一些西欧国家用来制备有机肥料。钢渣中含有许多对农作物有益的元素，如硅、镁、铁和铝等，因而可能成为植物吸收养分的重要来源。钢渣粉体比表面积较大时，晶体网格将产生严重缺陷，其表面自由能增高，可以用来处理重金属和负离子含量较多的工业废水。

钢渣的主要化学成分含量会因钢铁的生产工艺和生产原料不同而产生一定波动，但差别不大。借助X射线荧光光谱（X-Ray Fluorescence，XRF）仪器，测得不锈钢渣的主要化学成分，如表1所示[2]。钢渣的主要矿物成分有硅酸二钙、硅酸三钙和铁酸二钙，除此之外还有部分含氟磷灰石和一些游离氧化钙，所以钢渣可以作为我国水泥工业生产的主要混合材料，以达到综合利用的主要目的。钢渣样的碱值为2.2，同时，其具有棱角丰富和粘结硬度高的特点，作为凝集料可应用在水泥混凝土、沥青混合料以及半刚性建筑基层中。

1 钢渣活性激发的机理

钢渣中的矿物需要在1 600 ℃的高温环境下才能形成硅酸盐矿物，冷却时间较长，因此具有结晶完整、化学性质稳定等特点。它的化学结构规则，且其结构“空洞”中间还可固化，易溶大量酸性异离子，如P、MgO、FeO等杂质。这些独特的性能使得钢渣具有稳定的结构，从而造成这些矿物的水化反应速度慢，活性低，限制了钢渣的利用率。为了进一步推进钢渣在道路工程中的应用，可采用激发工艺来提高钢渣的活性。目前用于激发钢渣活性的主要方法包括机械激发、化学激发、热力学激发和钢渣复合重构。

1.1 机械激发

采用机械力可以调整钢渣的细度，从而增加钢渣中矿物与水的接触，加快水化速度，提高钢渣活性。如图1所示，与标准砂相比，随着比表面积的增大，熔炼渣、精炼渣的活化指数呈增大趋势，7 d和28 d的活性指数均符合规范要求，其中熔炼渣、精炼渣比表面积具体分别为338.4 m2/kg、296.0 m2/kg。

彭艳周等[1]采用灰色关联度分析了钢渣粉体比表面积对活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）强度的影响。研究结果显示，粒径小于30 μm的渣粉可以增强RPC的强度，反之，会弱化RPC的强度。其中，粒径介于5～10 μm的钢渣粉体改善RPC的性能最为优异，其次是小于5 μm的粒径。因此，建议在使用过程中应尽量调整钢渣粉体的级配，以获得性能优异的RPC。

1.2 化学激发

化学激发主要有酸性激发和碱性激发两种方式。总结相关研究发现，碱性激发方式应用较为广泛。碱性激发的原理是通过提高液相碱度加快钢渣中活性矿物的水化作用。目前，常用的激发剂有水玻璃、氢氧化钠、硅灰和硫酸钠等。李玉祥等[3]借助扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）和常规力学试验分析不同激发剂对钢渣活性的影响，结果表明，激发剂可以增加钢渣水化后的硅酸钙凝胶含量，进而破坏其稳定的网络结构，其中激发效果最好的激发剂为硅灰。

1.3 热力激发

常温条件下，如果钢渣的碱度过低，则钢渣粉体的水硬性极弱，因此以水热反应为原理的凝胶材料制备工艺显得十分重要。在热应力的作用下，钢渣玻璃体结构中的Si—O和Al—O键容易发生断裂，断裂后钢渣的水化反应速度加快。压力和温度相同时，橄榄石类钢渣的蒸压强度随反应时间的增加增强至最大值后降低。升高温度并增加压力，有利于减少达到最大强度所用的时间。

目前研究还存在一定不足，今后研究应集中在开发低费用、高效果的复合激发剂，并采用多种激发方式相结合的方法。具体来说，加入可以调整钢渣组分的材料，使其组分与水泥熟料相近，并通过研磨得到重构的优质钢渣，再综合采用多种激发方式，进一步提高重构钢渣的活性。

2 钢渣在道路中的应用

钢渣活性的提高进一步促进了其在道路工程中的应用。将钢渣替代碎石用于道路工程不仅可以减少钢渣对场地的占用，节约土地资源，还可以为道路工程提供廉价材料，有利于钢铁企业的可持续发展。

2.1 钢渣作为水泥生料

因为钢渣中含有类似硅酸盐水泥中的C2S、C3S等矿物成分，所以其具有与水泥相似的凝胶特性。目前，钢渣一般与水泥、混凝土复合使用，但這种使用方式存在明显不足。钢渣的掺量较少，其利用量不足排放量的3%;添加工艺不完善，导致熟料率值不易协调等问题，严重制约了钢渣在水泥中的应用。

马保国等[4]借助XRD试验分析了掺入钢渣后形成的熟料，对比未添加钢渣的空白组，加入钢渣样品中的C3S特征峰较高，表明钢渣的掺入改善了生料的易烧性，缩短了熟料形成所需的时间，且添加钢渣可以减少铁粉和石灰石的消耗量，减少二氧化碳的排放，显著提高了经济效益。掺入钢渣配料和铁粉的水泥所拌制的混凝土具有接近的和易性，且二者制备的混凝土的抗压强度、坍落度相仿。目前，采用钢渣替代铁粉制备的水泥熟料的工艺已经实现，但为了防止方镁石晶体的产生，需要限制钢渣中氧化镁的含量，以免影响水泥的安定性。煅烧时，钢渣中的微量元素和氧化镁可以起到矿化剂的作用，减少能耗，并提高产量。侯新凯等[5]通过将钢渣磨粉并借助重力、静电等手段分选出钢渣中的RO相，从而改善钢渣水泥的活性。

钢渣中的CaO含量与石灰石中的CaO含量相当，因此将钢渣掺入水泥生料中可以降低石灰石的消耗量。煅烧过程中，钢渣中的CaO活性较高，因此可以减少碳酸钙（CaCO3）分解时消耗的能量。CaCO3消耗量减少，煅烧过程中热量耗散随之减少，进而煤的使用量较少，碳排放量减少，符合节能减排理念[6]。钢渣与水泥中的矿物成分相似，但炼钢时所需温度较高，使得钢渣中的硅酸盐晶体具有较高的活性，因此可以用于非熟料晶种，形成“诱导结晶”。

2.2 钢渣作为水泥掺合料

钢渣是多种物质氧化以及炉衬侵蚀等形成的复合固溶体[7]，可以作为道路施工和回填工程材料。在建筑材料方面，钢渣主要用作水泥和混凝土中的外掺剂，但生成钢渣中水硬性凝胶矿物所需的温度较高，导致其活性较低，与水泥复掺后，削弱了原有混凝土的早期强度。

硅酸盐矿物是转炉钢渣的主要矿物成分。由于转炉钢渣碱性高、活性强且其产出量大，因此通常将转炉钢渣作为钢渣水泥的主要原料。高碱性钢渣中的硅酸二钙（2CaO·SiO2）和硅酸三钙（3CaO·SiO2）矿物成分含量与常用的硅酸盐水泥接近，且都具备水化反应能力，具体的化学反应方程式如下：

普通硅酸盐水泥的煅烧温度约为1 450 ℃，但钢渣的煅烧温度高于1 560 ℃，因此钢渣中的矿物晶体颗粒较大，结晶状态密实且程度高。但是，这一特点使得钢渣水化速率缓慢，需要借助碱激发手段改善钢渣的水化反应速率，从而充分发挥其潜在凝胶特性，最终反应得到强度较高的硬化体。

2.3 钢渣作为集料

有关钢渣集料应用方面的研究，国外起步较早。美国将约60%的钢渣用于道路工程领域，且已证明钢渣集料的抗压性能优于玄武岩、砾石等。AMERI等[8]通过一系列室内试验评价了采用钢渣替代常规集料的可行性，研究结果表明，钢渣的掺入可以提高沥青混合料的弹性模量和抗拉强度，并改善其水稳定性能和高温稳定性能。利用钢渣作为沥青混合料粗集料，还可以增强混合料的电导率，可以应用于高速公路和机场融雪道面等场景。

目前，针对钢渣集料的研究虽然取得了一定成果，但仍存在不足，具体体现在大多研究集中于将钢渣作为沥青混合料集料且大多用于低等级道路的修建。20世纪80年代，我国开始开展将钢渣作为沥青混合料集料方面的研究。具有良好安定性的钢渣在破碎后，具有比重大、硬度高、稳定耐磨以及耐腐蚀等特点，使得其与沥青拌和后不会发生膨胀，因此多用于公路、铁路等工程领域。

姜从盛等[9]为了改善沥青混合料中集料的耐磨性能，采用钢渣替代混合料中的部分细集料。研究结果表明，集料的耐磨性提高了35%，且混合料的抗折、抗压强度和耐久性均获得了一定改善。北京长安街工程采用钢渣代替混合料中的玄武岩，武黄高速公路工程采用各种类型的钢渣作为沥青玛碲脂碎石混合料（SMA）的集料，发现掺入钢渣的SMA沥青混合料具备良好的路用性能。

申爱琴等[10]通过制备4种不同钢渣掺量下的沥青混凝土，借助疲劳试验，研究了不同钢渣掺量及应变对沥青混凝土疲劳寿命的影响。研究结果表明：随着钢渣掺量的增多，SMA-13混合料疲劳寿命得到改善;当钢渣掺量大于临界值时，疲劳寿命反而减弱，由此得出钢渣的最优掺量为30%。XRF试验结果表明，钢渣中的二氧化硅低于辉绿岩，而氧化钙含量高于辉绿岩;SEM试验结果表明，钢渣的表面结构较辉绿岩复杂，因此与沥青的结合程度优于辉绿岩。

钢渣在水泥混凝土中所起的作用是将钢渣砂作为砂浆集料。在相同用水量下，掺入钢渣后砂浆的和易性优于未掺入钢渣的砂浆。因此，可以通过掺入钢渣来降低单方混凝土的用水量，减小水灰比，进而提高砂浆的抗压强度。熊付刚[11]将破碎后的钢渣以不同掺量替代细集料后对砂浆的强度和模量进行了评价。研究结果表明，掺入钢渣砂浆的稠度和密度随钢渣掺量的增大呈现先增大后减小的变化规律，且当钢渣的掺量为40%时抗压强度和弹性模量最高。HISHAM等[12]的研究结果表明，用钢渣代替混凝土中的细集料，会减小混凝土的和易性。白敏等[13]用钢渣完全替代石子配置混凝土的研究表明，相较于普通混凝土，掺入钢渣的混凝土各项力学性能较优异，耐久性均优于普通混凝土，且掺入钢渣后混凝土的体积随时间的延长而增大。

钢渣稳定碎石可以作为路面结构的基层，刘玉民等[14]对比了钢渣稳定碎石基层与水泥稳定碎石基层的差别。结果表明，钢渣稳定碎石基层21 d劈裂强度较水泥稳定碎石基层好，且其28 d回弹模量满足规范要求。徐方等[15]采用CBR试验研究了不同陈化龄期的钢渣对路面基层安定性能的影响，结果表明，钢渣中游离的CaO随钢渣陈化时间的增加而减少，且陈化时间越久，钢渣基层试件体积越稳定。

3 结语

本文主要总结了钢渣在道路工程中应用的研究进展，目前相关研究虽然取得了一定成果，但仍有部分亟待解决的问题。

一是因钢渣中的活性成分较多，所以当选用钢渣作为混凝土粗集料时，其在混凝土中的作用机理还需要进一步研究。

二是目前大多采用陈化钢渣或通过调整钢渣的细度来减少钢渣中的有害成分f-CaO、f-MgO产生的不利影响，但采用大粒径钢渣作为混凝土集料时所制备的混凝土在硬化后期容易发生膨胀甚至开裂，因此在不破坏钢渣结构的情况下采用有效的手段减少混凝土的开裂也是今后的研究重点之一。

三是钢渣中孔隙的存在会对混凝土的抗冻性和抗硫酸盐侵蚀等耐久性产生不利影响，如何有效减少这一问题的出现值得研究。

四是吸水后的钢渣可以补充水泥水化过程中需要的水分，但掺入钢渣后混凝土会发生膨胀甚至开裂，这一特点是否可以用来解决高强混凝土早期自收缩较大的问题仍需要进一步研究。

五是由于钢渣骨料安定性的离散性以及危害产生的长期性，要进一步对工程结构中钢渣骨料发生的危害进行科学评估。

参考文献：

[1]彭艳周，陈凯，胡曙光.钢渣粉颗粒特征对活性粉末混凝土强度的影响[J].建筑材料学报，2011（4）：541-550.

[2]史永林，仪桂兰，李慧斌.一种提高钢渣活性的方法：CN103539367A[P].2014-01-29.

[3]李玉祥，王振兴，冯敏，等.不同激发剂对钢渣活性影响的研究[J].硅酸盐通报，2012（2）：281-290.

[4]马保国，许蝉娟，赛守卫，等.钢渣在水泥熟料燒成中的作用及其机理[J].武汉理工大学学报，2005（9）：1-3.

[5]侯新凯，袁静舒，李虎森，等.一种提高钢渣水化活性的方法：CN103435278B[P].2015-05-20.

[6]梁晓杰，叶正茂，常钧.碳酸化钢渣复合胶凝材料早期水化活性[J].硅酸盐学报，2012（2）：226-231.

[7]IONESCU D， MEADOWCROFT T R.Early-age hydration kinetics of steel slags[J].Advances in Cement Research，2001（1）：21-30.

[8]AMERI M， BEHNOOD A.Laboratory studies to investigate the properties of CIR mixes containing steel slag as a substitute for virgin aggregates[J].Construction & Building Materials，2012（1）：475-480.

[9]姜从盛，李国栋.钢渣作耐磨集料的研究[J].武汉理工大学学报，2001（4）：14-17.

[10]申爱琴，喻沐阳，郭寅川，等.钢渣沥青混合料疲劳性能及改善机理[J].建筑材料学报，2018（2）：327-335.

[11]熊付刚.钢渣代砂对砂浆的强度和工作性能的影响[J].建材世界，2009（l）：19-22.

[12]QASRAWI H.The use of steel slag aggregate to enhance the mechanical properties of recycled aggregate concrete and retain the environment[J].Construction & Building Materials，2014（3）：298-304.

[13]白敏，尚建丽，张松榆，等.钢渣替代粗集料配制混凝土的试验研究[J].混凝土，2005（7）：62-64.

[14]刘玉民，王兰，王玉.钢渣混合料用作道路基层材料工程应用研究[J].中外公路，2018（5）：209-214.

[15]徐方，陈志超，朱婿，等.钢渣路面基层材料安定性试验研究[J].混凝土，2012（9）：59-63.