钢渣混凝土在海堤护面块体中的应用

杨一琛，仇冬冬，黄东海，王林

（1.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120；2.宝武集团环境资源科技有限公司，上海 201900；3.上海宝钢新型建材科技有限公司，上海 201999）

0 引言

钢渣是钢厂冶炼钢铁时产生的废渣，主要来自冶炼钢时加入的白云石等冶炼熔剂和为调整钢材性质而加入的造渣材料在高温下分离出来的杂质等，排放量是粗钢产量的10%～15%。2013 年，我国钢铁行业冶炼废渣产生量约4.16 亿t，综合利用率为67%，其中钢渣1.01 亿t，综合利用率30%[1]。《工业绿色发展规划（2016—2020 年）》中指出，到2020 年我国钢铁冶炼渣利用率要提高到95%。由此可见，研究探索钢渣的多样化利用途径是非常必要的。

我国作为世界发展最快的国家之一，在大规模经济基础设施建设的过程中，混凝土的需求量是相当大的。2018 年，我国除港澳台外的商品混凝土的生产量多达25.47 亿m3。随着砂石材料价格的不断上涨，越来越多的学者开展了钢渣性能及利用其代替混凝土骨料的研究。早期钢渣处理工艺落后，f-CaO 含量较高，直接利用其制备的钢渣混凝土存在安定性问题[2-3]，通常将其破碎、磨细后再行利用[4-6]。随着钢渣处理工艺的发展，一些学者发现以钢渣作为骨料的混凝土的许多性能优于砂石骨料混凝土[7-9]。目前已有钢渣混凝土在护岸工程[10]、道路地坪工程[11]、路面砖[12]及隔离墩[13]制品中成功应用的工程案例。

本文在对钢渣的特性、合理的配合比进行研究的基础上，将钢渣部分替代砂石骨料来制作海堤护面块体，用于海堤工程，探索钢渣规模化资源化利用的新途径。

1 钢渣特性分析

本次研究采用宝钢滚筒钢渣进行试验应用。宝钢滚筒渣处理技术是将高温熔态冶金渣在一个转动的密闭容器中进行处理，在工艺介质和冷却水的共同作用下，高温熔渣被急速冷却和破碎，并被排出，经过该工艺处理后的钢渣颗粒均匀、f-CaO 低、硬度高、耐磨，可直接利用。

根据取样分析，宝钢滚筒钢渣表观密度约3.29~3.39 kg/m3，堆积密度约2.0 kg/m3。粒径范围主要在0.15~20 mm，其中5 mm 以上粗骨料占比44.66%，5 mm 以下细骨料占比55.34%，颗粒级配曲线见图1。钢渣中CaO 和铁氧化物含量较高，二者合计占60%以上，SiO2含量约占13%，其化学组成见表1。不良物质游离氧化钙含量约1.30%~3.00%，金属铁含量约0.83%~0.98%。

图1 钢渣颗粒级配Fig.1 Gradation of steel slag

表1 钢渣的化学组成Table 1 Chemical composition of steel slag %

对钢渣进行六价铬含量及钡、铜、铬、砷等12 种重金属的浸出试验，试验结果均满足GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》的要求。

2 钢渣混凝土试验研究

根据钢渣自身级配，以5 mm 以上钢渣颗粒代替天然粗骨料，5 mm 以下钢渣颗粒代替天然细骨料配制钢渣混凝土。本次试验基准混凝土等级C40，在其他条件（水、水泥、粉煤灰、矿粉、外加剂）相同的情况下，分别采用30%、40%、50%的钢渣集料替代率进行试验研究，具体配合比见表2。试验采用的原材料主要如下：

表2 试验混凝土配合比Table 2 Mix proportion of test concrete

1）水泥：P.O 42.5 普通硅酸盐水泥。

2）粉煤灰：F 类Ⅱ级。

3） 矿粉：S95。

4）外加剂：减水剂（减水率25%）。

5）骨料：黄砂（中砂）、碎石（5~25 mm）及滚筒钢渣。

对配制的混凝土试件进行坍落度、表观密度、抗压强度、抗渗等级、耐磨度、电通量及扩散系数等性能测试，结果见表3。

由表3 可见：

表3 试验混凝土性能测试Table 3 Property of test concrete

1）钢渣对混凝土的流动性有一定不利影响，随着钢渣的掺入，混凝土需水量增大，和易性降低，坍落度减小。

2）随着钢渣掺量的增大，混凝土表观密度逐渐增大。

3）钢渣的掺入对混凝土的力学性能有积极影响，钢渣混凝土的7 d、28 d 抗压强度均优于普通混凝土，且随着钢渣掺入量的提高，抗压强度增长越大。

4）钢渣混凝土的抗渗等级优于普通混凝土。

5）随着钢渣掺量的增大，钢渣混凝土的耐磨度有一定增长，耐磨性能增强。

6）随着钢渣掺量的增大，钢渣混凝土的电通量和扩散系数略有增大，抗氯离子侵蚀能力略有降低，但仍满足相关规范对混凝土质量的控制要求。

综上所述，钢渣的掺入对混凝土的流动性有一定不利影响；钢渣混凝土的抗压强度、抗渗性能、耐磨性能均优于普通混凝土，重度较普通混凝土更大，抗波浪稳定性更好。存在的主要问题是钢渣中含有一定的金属铁和游离氧化钙，金属铁的存在增强了钢渣混凝土的导电性，使其抗氯离子侵蚀的能力有所降低，游离氧化钙则会与水发生水化反应引起体积膨胀，增加混凝土开裂的风险，故工程应用需严格控制两者的含量。

3 工程应用分析

3.1 工程概况

2019 年6 月，依托上海市金山区某项目海堤工程进行钢渣混凝土试点工程应用。该项目海堤工程总长度4.82 km，设计波高H13%为3.5~4.0 m。海堤断面采用袋装砂多级棱体斜坡堤结构，堤顶宽度9.5 m，外侧钢筋混凝土防浪墙顶高程11.0 m。上坡为 1∶3 栅栏板护坡，下坡为 1∶3 翼形块体护坡。外坡6.0 m 高程处设6 m 宽埋石混凝土消浪平台，外坡2.7~3.0 m 高程处设镇压平台，外侧设扭王字块体护面，扭王字块体混凝土标号C30。

3.2 钢渣混凝土施工

本次主要选择部分预制扭王字块体进行钢渣混凝土应用试验。钢渣采用宝钢滚筒钢渣，其游离氧化钙含量<3%，金属铁含量约<1%。集料替代率取为50%，混凝土设计强度等级C30，具体配合比见表4。块体在预制厂预制完成后由码头出运，经水路运输至施工现场，采用吊机船水上安放。施工效果主要如下：

表4 钢渣扭王字块体配合比Table 4 Mix proportion of steel slag accropode

1）钢渣扭王字块体浇筑过程中，在振捣过程中每点需要比普通混凝土多振约4~5 s 才能达到表面不再沉陷，泛浮浆且无气泡的停振标准。

2）块体浇筑完成后施工单位随机选取4 块进行强度回弹检测，7 d 回弹强度达到设计强度75%以上（25.5~27.8 MPa），28 d 回弹强度达到设计强度100%以上（30.4~31.8 MPa）。

3）对比钢渣混凝土与普通混凝土扭王字块体的表观质量，两者并无明显差别。

3.3 钢渣混凝土经济性分析

根据试点工程施工当月的《上海水利工程造价信息》，天然砂的到场价格为180 元/t，碎石骨料的到场价格为151 元/t。经与钢厂询价，钢渣出厂价格为30 元/t。工程所在地普通混凝土所采用砂石料价格相对固定，而钢渣材料价格由钢渣出厂价格和运输价格组成，当工程距离钢厂越远，随着运距的增加，钢渣混凝土的单价也逐步增加。以本次试点工程为例，按陆运单价1.5 元/（t·km）或水运单价0.65 元/（t·km）（综合运费与装卸船费）进行费用测算，钢渣陆运距离在64 km 以内或水运距离在148 km 以内时，钢渣扭王字块体较普通扭王字块体更经济。

除造价更为经济外，根据国家税收优惠政策，销售自产的生产原料中掺兑钢渣比例不低于30%的特定建材产品，可免征增值税，效益很可观。

4 跟踪检测分析

工程完工1 a 后，对本次钢渣混凝土扭王字块体护面工程跟踪检测，检测内容包括块体的外观、强度、碳化深度、氯离子含量，结果如下：

1）钢渣混凝土扭王字块体无裂纹，与普通扭王字块体相比表面有明显的钢渣锈迹、更干燥、整体颜色发白且表面附着物较少。

2）选取7 件钢渣混凝土扭王字块体采用钻芯法检测强度。结果显示工程完工后钢渣混凝土扭王字块体强度仍有缓慢增长，达到35.7~49.5 MPa。

3）选取7 件钢渣混凝土扭王字块体采用钻孔酚酞滴定法进行碳化深度检测。结果显示，位于浪溅区的钢渣混凝土扭王字块体正常使用1 a 后碳化深度在0.5~1.5 mm。

4）选取7 件钢渣混凝土扭王字块体采用钻芯后磨粉进行氯离子含量检测。结果显示，位于浪溅区的钢渣混凝土扭王字块体正常使用1 a 后，氯离子含量（以砂浆重量的百分比计）表层1~2 cm在0.1%左右，深度13~15 cm 在0.01%左右。

5 结语

1）钢渣对混凝土的流动性有一定不利影响，随着钢渣的掺入，混凝土需水量增大，和易性降低，坍落度减小。

2）钢渣的掺入对混凝土的力学性能有积极的影响，钢渣混凝土的7 d、28 d 抗压强度均优于普通混凝土，且随着钢渣掺入量的提高，抗压强度增长越大。

3）钢渣混凝土的抗渗等级优于普通混凝土。

4）随着钢渣掺量的增大，钢渣混凝土的耐磨度有一定增长，耐磨性能增强。

5）随钢渣掺量增大，钢渣混凝土电通量和扩散系数略有增大，抗氯离子侵蚀能力略有降低，但仍满足相关规范对混凝土质量的控制要求。

6）实际工程应用中，钢渣混凝土构件表观质量与普通混凝土无异，结构强度达到设计要求。

7）在钢厂一定距离范围内应用钢渣混凝土建材产品，较普通商品混凝土更为经济。

8）钢渣混凝土构件在近海环境下，使用期外观会与普通混凝土构件产生一定差异，但构件性能无明显区别。

综上所述，采用宝钢滚筒钢渣替代混凝土骨料是可行的。推广钢渣作为混凝土的掺合料可使钢渣消纳达到资源化、无害化，提高了钢渣的附加值，具有较好的经济效益、社会效益和环境效益，符合国家大力发展循环经济，走可持续发展道路的政策方针。