楊 波 史 林

（1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051 2、中遼國際工程監(jiān)理有限責任公司，遼寧 沈陽 110015）

鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，主要由鈣、鐵、硅、鎂和少量鋁、錳、磷等多種氧化物組成，主要礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣以及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體，還含有少量的游離氧化鈣及金屬鐵等。但是，鋼渣中各種成分的含量因煉鋼爐型、鋼種和每爐鋼冶煉階段的不同，有較大的差異，導致鋼渣的成分波動較大，一直未能實際應用。

調(diào)查表明，爐渣排放量約為鋼產(chǎn)量的15%-20%左右，造成了嚴重的環(huán)境污染，占用了大量的土地，破壞了生態(tài)環(huán)境。為了有效地利用鋼渣、減少污染，將鋼渣作為混凝土集料制備鋼渣混凝土，能夠提高混凝土的性能，具有強度高、耐磨性和耐久性好、維修費用低等優(yōu)點。鋼渣混凝土還可以作為導電混凝土用于電工、電磁干擾屏蔽、工業(yè)防靜電、電力設備接地工程以及土木工程基礎設施內(nèi)部應力和健康狀況自診斷和檢測等工程中。

1 鋼渣混凝土的研究意義

目前，我國鋼鐵行業(yè)正在飛速發(fā)展，我國不僅是鋼鐵生產(chǎn)大國也是消費大國，而鋼渣作為鋼鐵行業(yè)主要廢渣之一，每年的排放量也越來越大。據(jù)統(tǒng)計，我國每年的鋼渣排放量在2000萬噸以上，但這些鋼渣的整體利用水平不高，大量廢棄鋼渣的排放不僅造成資源浪費，而且占用土地，污染環(huán)境?，F(xiàn)在，各產(chǎn)鋼國都已投入大量人力、物力、財力進行鋼渣利用問題的研究。日本、美國的鋼渣利用幾乎達到100%[1，2]，歐洲65%的鋼渣已得到高效率的利用[3]，與發(fā)達國家相比，我國鋼渣的利用率卻很低，僅為10%左右[4]。研究表明，鋼渣中含有一定數(shù)量的水泥熟料的主要礦物C2S、C3S等，具備可用作水泥混合材和混凝土摻合料的條件[5]。無論將鋼渣作為粗集料或是采用鋼渣粉配制的鋼渣混凝土，與普通混凝土相比，鋼渣混凝土的各項力學性能均較好，而且鋼渣混凝土具有良好的耐磨性和耐久性[6，7]。鋼渣中還含有具有半導體的性質(zhì)的FeO，因此可以作為導電組分制備導電混凝土，其成本遠低于碳纖維、石墨等導電混凝土[8]。將工業(yè)廢渣鋼渣應用于混凝土中制備成導電混凝土，不僅“變害為利，變廢為寶”為廢棄物資源化提供了很好的范例，而且保護了環(huán)境，滿足可持續(xù)發(fā)展的需要。

2 鋼渣混凝土的研究現(xiàn)狀

鋼渣在發(fā)達國家利用率相對較高，尤其是在日本和美國，基本做到排用平衡，得到了充分的利用。

據(jù)統(tǒng)計，日本2004年鋼渣總量13，410，000噸，其中26%用于回爐燒結料，其余74%鋼渣中有32%用于土木工程，26%用于道路工程。鋼渣中含有FeO，CaO和SiO2等化學成分，使鋼渣可以作為水泥摻合料；鋼渣具有較高的抗壓強度和耐久性使鋼渣可以作為路基材料用于道路工程中；鋼渣具有高強度和耐磨性，使鋼渣可以作為瀝青混凝土集料；加入鋼渣的混合料有較大的內(nèi)摩擦角，使得鋼渣可以應用于土木工程中；鋼渣還可制成巖塊應用于海堤工程中。此外，日本還將鋼渣當作肥料來改良土壤性質(zhì)[1，9]。

在美國，鋼渣主要有以下用途：鋼渣作為集料配制混凝土用于道路或橋梁工程中；鋼渣作為水泥混合材；鋼渣用于改良土壤性質(zhì)；鋼渣作冶金爐料等[2]。與普通混凝土相比，鋼渣混凝土的抗壓和抗彎強度略高于普通混凝土，鋼渣混凝土還具有較高劈拉強度和彈性模量，但鋼渣混凝土干縮性能低于普通混凝土[10]。經(jīng)試驗驗證，鋼渣混凝土具有較好的力學性能，在道路工程中應用能達到預期效果[11]。

調(diào)查顯示，鋼渣在其他國家也得到了廣泛的利用。歐洲將鋼渣用于以下四個方面進行深入的研究，分別為：水硬性膠凝劑，公路建設材料，肥料和公共設施。正是因為鋼渣有了諸多利用途徑，使得鋼渣得到了充分有效的利用[12]。在英國，鋼渣已經(jīng)成為一種副產(chǎn)品。在南非，鋼渣用于鋪設高速公路。在新西蘭，鋼渣不僅用于筑路和瀝青混凝土中，還可用于改善水質(zhì)。在維多利亞，鋼渣可以作為水泥摻合料配制混凝土，作為集料配制瀝青混凝土，還可以作為筑路材料[13]。在伊朗，鋼渣混凝土被作為鋪路材料使用[14]。希臘用鋼渣混凝土修筑海堤和海岸護坡[15]。

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在我國，近幾年來鋼渣的綜合利用受到了人們的重視。以下是我國關于鋼渣混凝土的研究。

混凝土外加劑和摻合料的發(fā)展是以現(xiàn)代水泥混合材的發(fā)展為基礎的，表1是我國有關鋼渣水泥的研究歷史概況[16]。

鋼渣不僅可以直接作為摻合料添加到混凝土中，將鋼渣磨細后形成的鋼渣粉也可作為混凝土摻合料，目前，鋼渣粉的研究還處于起步階段，并沒有在工程中大規(guī)模應用。仲曉林[17]等于上世紀90年代初，將磨細鋼渣作為泵送混凝土摻合料進行研究和應用，試驗發(fā)現(xiàn)摻入磨細鋼渣后混凝土的強度及耐久性等均有一定程度的提高，與水泥有很好的適應性，這是我國首次將鋼渣粉作為混凝土摻合料的研究。通過不斷研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣細度提高可以顯著激發(fā)鋼渣的潛在活性。研究人員進一步研究了磨細鋼渣對混凝土力學性能、安定性及耐久性的影響并配制出了C60強度等級高性能鋼渣混凝土[5]。研究結果表明鋼渣粉摻量在20%以內(nèi)時，鋼渣混凝土與素混凝土強度相差不大；當摻量大于20%后，隨鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土的各項強度均有不同程度的降低，磨細鋼渣粉在混凝土中使用無安定性問題[18]。孫家瑛[7]試驗得出了鋼渣粉最優(yōu)摻量，即鋼渣微粉摻量為10%，此時混凝土28d抗壓強度最高而且耐久能力最佳。研究人員通過研究還發(fā)現(xiàn)添加了礦渣的鋼渣混凝土具有較好的力學性能。張愛平、李永鑫（2006年）[19]通過試驗得出當鋼渣：礦渣為3：7時力學性能最好的結論。唐衛(wèi)軍,任中興等（2006年）[20]研究證實鋼渣-礦渣混凝土的工作性能良好。

近幾年，錢覺時，李長太等（2004年）[21]人在 D.D.L.Chung[22]和 Feldman,R.F.[23]研究的基礎上，進行了鋼渣混凝土導電性能的研究，分析了硅灰、粉煤灰對鋼渣混凝土導電性能的影響。隨后，唐祖全（2006年）等[24]研究了鋼渣摻量和鋼渣細度對混凝土導電性的影響，通過研究發(fā)現(xiàn)混凝土的電阻率隨著鋼渣摻量的增大和鋼渣粉磨細時間增長而降低，鋼渣混凝土的造價比碳纖維、石墨混凝土低而且力學強度相對較高。賈興文，錢覺時等[8]進一步研究了鋼渣混凝土的壓敏性，通過試驗得到了最優(yōu)鋼渣摻量，即鋼渣：混凝土為1-4，此時鋼渣混凝土的導電性能及力學性能均良好，鋼渣混凝土的壓敏性隨鋼渣摻量的增加而增強，而鋼渣細度對鋼渣混凝土壓敏性無顯著影響。這一系列研究成果表明，利用鋼渣制備的導電混凝土可以用于混凝土結構的應力診斷與自監(jiān)控、電力設備接地等諸多方面，為合理利用鋼渣開辟了新的途徑。

鋼渣混凝土不僅可以作為導電混凝土使用，經(jīng)試驗驗證，在道路工程中使用也有較好的效果。用于筑路的鋼渣混凝土性能優(yōu)良而且節(jié)省了大量水泥，減少了水泥生產(chǎn)所帶來的環(huán)境污染。張亮亮，盧忠飛等[25]用風淬?；撛嫣烊簧芭渲频缆坊炷?，試驗結果表明加入風淬?；撛幕炷辆哂辛己玫男阅埽瑴p少了混凝土用水量。近幾年來，研究人員通過添加外加劑和摻合料的方法不斷改良鋼渣混凝土性能。劉軍[26]將粉煤灰添加進鋼渣混凝土中，通過試驗測出最優(yōu)配比的混凝土，即粉煤灰代20%的水泥，鋼渣代15%的砂子，并將該最優(yōu)配比的粉煤灰-鋼渣混凝土應用于209國道柳長路，經(jīng)柳州市建設工程質(zhì)量檢測中心檢測其抗折和抗壓強度均滿足要求。

此外，鋼渣混凝土還應用于海堤工程中。徐忠琨[27]將鋼渣混凝土制作成護面塊體用于海堤工程中，并在東海圈圍工程和蘆潮港臨港工程中實際應用，經(jīng)驗證，鋼渣混凝土均能滿足施工要求，并且取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。

3 鋼渣混凝土研究中應著重解決的問題

3.1 復合摻合料中配合比及摻量問題

將鋼渣單獨粉磨后作為摻合料摻入水泥混凝土中有時可能不滿足工程要求，這就要求添加其它摻合料，如礦渣、硅灰和粉煤灰等。礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料摻入鋼渣混凝土后，對其導電性能和力學性能的影響各不相同，所以它們的摻量和配合比問題應成為今后鋼渣混凝土研究中的重點問題，進行深入研究。

解決這一問題的關鍵在于通過試驗測得礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料對鋼渣混凝土的影響，在實驗數(shù)據(jù)和理論知識的基礎上進一步分析礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料的影響機理，最后通過大量試驗測出復合摻合料的最優(yōu)配比及摻量。

3.2 鋼渣鈍化問題

由于鋼渣中含有鐵，在水泥的堿性環(huán)境中，表面會產(chǎn)生氧化鈍化層，使混凝土電阻率增大，導電性降低，這樣將鋼渣混凝土作為導電混凝土應用于實際工程中會受到很大影響。目前，關于鋼渣導電混凝土電阻率、壓敏性的文獻比較豐富，但是關于鋼渣鈍化問題及解決方法的文獻卻很少，所以如何解決鋼渣鈍化問題尚需進一步研究。

鋼渣鈍化的主要原因是其中含有鐵，在鋼渣加工中通過磁選將金屬鐵含量控制在一定范圍內(nèi)是防止鋼渣鈍化最直接的方法。還可以將鋼渣磨細提高鋼渣的活性，因為鋼渣顆粒變小，其細微顆粒的填充作用可以得到充分發(fā)揮；另外，細度增加有助于提高導電顆粒分散的均勻性，加大導電成分接觸的幾率，使導電性增強。以上只是理論上解決鋼渣鈍化的方法，是否可行有待試驗進一步驗證。

3.3 安定性不良問題

鋼渣中含有較大量的游離氧化鈣、游離氧化鎂等成分，特別是游離氧化鈣f-CaO水化后易產(chǎn)生體積膨脹，控制不當易造成安定性不良的后果。由于鋼渣的穩(wěn)定性不良，在有些使用鋼渣的工程中造成道路開裂、隆起，以至影響了鋼渣的推廣應用。

目前消除游離氧化鈣f-CaO的方法有很多種，例如：溫水養(yǎng)護處理法、鋼渣陳放法、熱燜渣處理法等。其中溫水養(yǎng)護法、鋼渣陳放法需要占用大量土地，容易造成污染；而將鋼渣進行悶渣和超細粉磨活化處理對環(huán)境和設備要求較高。所以如何控制鋼渣安定性問題成為目前鋼渣混凝土研究中值得注意的問題。

3.4 鋼渣的細度問題

鋼渣經(jīng)過粉磨后形成的鋼渣微粉可以顯著改善混凝土的工作性能，還可以激發(fā)其較高的潛在活性。但是鋼渣硬度較大，易磨性和易碎性均較差，而且鋼渣中含有部分鐵粒，導致鋼渣粉磨到一定程度后很難被進一步磨細。

如果采用直接粉磨的方法，不僅粉磨效率低，電耗較高，而且粉磨效果也不理想?，F(xiàn)在鋼渣的粉磨多采用預粉磨，然后采用磁選技術，把鋼渣中的鐵粉分離出來，但是鋼渣細度難以控制，而且該方法正處于起步階段，還未大規(guī)模使用。

除了上述問題，鋼渣成分的不確定性、鋼渣在混凝土中分布的均勻性、鋼渣質(zhì)量控制、鋼渣混凝土加工工藝、技術要求等問題都應該引起足夠的重視。此外，當前鋼渣混凝土的研究多數(shù)是在實驗室中，在實際工程應用時，應該考慮實際工程條件并采用合理的施工方法和施工工藝，保證鋼渣混凝土的質(zhì)量。

結語

鋼渣混凝土不僅為鋼渣的綜合利用開辟了一條新的途徑，符合我國可持續(xù)發(fā)展要求，而且鋼渣混凝土作為一種新型材料是當前混凝土結構理論研究的一個熱門課題。雖然對于鋼渣混凝土的研究已取得一定的進展，但是離大范圍推廣使用還存在一段距離。今后鋼渣混凝土的研究應以工程推廣應用為主要出發(fā)點，針對不同用途的鋼渣混凝土進行深入研究，不斷開發(fā)高性能的鋼渣混凝土，提高鋼渣的利用率。

[1]李光強,彭其春,章奉山.日本鋼鐵廠的少渣冶煉工藝和鋼渣再利用.2003年冶金能源環(huán)保生產(chǎn)技術會議論文集.2003:252-257.

[2]石 青.美國鋼鐵渣工業(yè)的發(fā)展概況-鋼鐵渣綜合利用考察報告.硅酸鹽建筑制品,1980,4:31-35.

[3]MOTZ H,GEISELER J.Products of steel slag an opportunity to save natural resources.Waste Management,2001,21(3):285-293.

[4]朱桂林.中國鋼鐵工業(yè)固體廢物綜合利用的現(xiàn)狀和發(fā)展.2002年中國國際鋼鐵大會,2002:189-197.

[5]呂林女,何永佳,丁慶軍.利用磨細鋼渣礦粉配制C60高性能混凝土的研究.混凝土,2004,6:51-53.

[6]白敏,尚建麗,張松榆.鋼渣替代粗集料配制混凝土的試驗研究.混凝土,2005,7:63-64.

[7]孫家瑛.鋼渣微粉對混凝土抗壓強度和耐久性的影響.建筑材料學報,2005,2(8):63-66.

[8]賈興文,錢覺時,唐祖全.鋼渣混凝土的壓敏性研究.材料導報,2008,22(11):122-124.

[9]The Slag Sector in the Steel Industry.The Japan Iron and Steel Federation Nippon Slag Association,2006,7:1-32.

[10]Abdulaziz I.Al-Negheimish,Faisal H.Al-Sugair and Rajeh Z.Al-Zaid.Utilization of Local Steelmaking Slag in Concrete.J.King Saud Univ.Eng.Sci,1997,9(1):39-55.

[11]Julian Mills-Beale and Zhanping You.Measuring the Specific Gravity and Absorption of Steel Slag and Crushed Concrete Coarse Aggregates:A Preliminary Study.Airfield and Highway Pavement,2008:111-121.

[12]A Short Report on the 4th European Slag Conference.Held in Oulu,Finland,2005,7.

[13]ASA Connections.2007,12.

[14]Hassan Ziari,Mohammad M.Khabiri.Preventive Maintenance of Flexible Pavement and Mechanical Properties of Steel Slag Asphalt.Journal of Environmental Engineering and Landscape Management,2007,3:188b-192b.

[15]I.Papayianni,E.Anastasiou.Cost-Effective Mixture for Concrete Pavaments.Airfield and Highway Pavaments,2006:1008-1017.

[16]張德成,謝英,丁鑄.鋼渣礦渣水泥的發(fā)展與現(xiàn)狀.山東建材,1998,2:12-15.

[17]仲曉林，宮武倫,梁富智.磨細鋼渣作泵送混凝土摻合料的性能和應用.工業(yè)建筑,1993,7:44-45.

[18]孫家瑛.磨細鋼渣對混凝土力學性能及安定性影響研究.粉煤灰,2003,5:7-9.

[19]張愛萍,李永鑫.鋼渣復合摻合料配置混凝土的工作性能與力學性能研究.混凝土,2006,6:38-41.

[20]唐衛(wèi)軍,任中興,朱建輝.鋼渣礦渣微粉復合摻合料在混凝土中的應用.中國廢鋼鐵,2006,3(6):32-34.

[21]錢覺時,李長太,唐祖全.摻合料對鋼渣混凝土電阻率的作用.粉煤灰綜合利用,2004,4:7-9.

[22]X. Li, D.D.L.Chung. Improving Silica Fume For Concrete by Surface Treatment.Cement and Concrete Research,1998,28(2):493-498.

[23]Feldman,R.F.Significance of Porosity Measurements on Blended Cement Performance.American Concrete Institrte,Farmington Hills,Mich.1983:415-433.

[24]唐祖全,錢覺時,王智.鋼渣混凝土的導電性研究.混凝土,2006,6:12-14.

[25]張亮亮,盧忠飛,閭文.使用風淬?；撛嫣烊簧芭渲频缆坊炷?商品混凝土,2008,5:17-20.

[26]劉軍.粉煤灰鋼渣混凝土在道路路面中的運用.公路,1998,10:41-45.

[27]徐忠琨.鋼渣混凝土在海堤工程中的應用研究.水運工程,2008,10(10):239-244.