萬江凱,張朝暉,劉佰龍,劉世鋒

(西安建筑科技大學冶金工程學院,西安 710055)

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鋼渣在混凝土中的應用

萬江凱,張朝暉,劉佰龍,劉世鋒

(西安建筑科技大學冶金工程學院,西安 710055)

鋼渣處理和利用可以降低煉鋼成本，又利于環(huán)境保護，鋼渣應用于混凝土已成為其綜合利用的熱點研究方向之一。簡要介紹了鋼渣的復雜礦相、難于磨粉、安定性問題，重點針對引發(fā)鋼渣安定性不良問題的原因及其當前存在的爭議進行了詳細闡述。分析了鋼渣對混凝土材料工作性能、力學性能及耐久性能的影響及其作用機理。針對鋼渣在混凝土應用中存在的主要問題,從理論研究和技術創(chuàng)新兩個層面提出了相應地改進措施，并預測今后鋼渣在混凝土中的應用前景廣闊。

鋼渣； 混凝土； 存在問題； 改進措施； 應用前景

1 引 言

2 鋼渣的基本性質(zhì)

2.1 鋼渣化學成分

按冶煉方法的不同，可將鋼渣分為轉(zhuǎn)爐鋼渣和電爐鋼渣；按熔渣性質(zhì)的不同，可將鋼渣分為堿性渣和酸性渣。目前我國排放的鋼渣70%是轉(zhuǎn)爐鋼渣。鋼渣的主要化學成分有CaO、SiO2、FeO、Al2O3、MgO等，其化學成分含量可見表1[6-8]。

表1 鋼渣主要化學成分含量

CaO為硅酸鈣中的主要組分，可影響鋼渣的活性。CaO與SiO2含量的比值對鋼渣中硅酸二鈣和硅酸三鈣的含量有影響。當SiO2的含量為定值時，較高的CaO含量決定了較高的硅酸二鈣含量，反之硅酸三鈣的含量高。Al2O3為活性礦物鋁酸鈣的主要組分，對鋼渣活性也存在一定的影響。

2.2 鋼渣礦相組成

鋼渣的礦物組成相對復雜，目前國內(nèi)外的研究表明鋼渣的礦物相組成主要有，硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)、鐵酸二鈣(C2F) 、鈣鎂橄欖石(CMS)、鈣鎂薔薇輝石(C3MS2)、RO相(MgO、FeO和MnO的固熔體)及少量的游離氧化鈣(f-CaO)和Ca(OH)2等，其成分含量見表2[9-12]。

表2 鋼渣的礦物組成

根據(jù)堿度的不同可將鋼渣分為，低堿度鋼渣、中堿度鋼渣以及高堿度鋼渣。通常在低堿度的鋼渣中，礦物相的主要存在形式為薔薇輝石(C3MS2)和橄欖石(CMS)；在中堿度的鋼渣中，礦物相的主要存在形式為硅酸二鈣(C2S)和硅酸三鈣(C3S)；在高堿度的鋼渣中，礦物相的主要存在形式為硅酸三鈣(C3S)，含量關系可見表3[13]。其中硅酸二鈣(C2S)和硅酸三鈣(C3S)為活性礦物，具有水硬凝膠性。鋼渣的堿度也決定了MgO的晶核形態(tài)，在低堿度鋼渣中，MgO的化合形態(tài)為鈣鎂橄欖石；在高堿度鋼渣中，MgO的化合形態(tài)為MgO、FeO和MnO的固熔體。

表3 鋼渣堿度與其礦物組成的關系

雖然鋼渣的礦物組成與水泥相似，但與水泥相比其膠凝性能遠低于水泥。對其原因可進行總結:首先，鋼渣形成于高溫環(huán)境中，導致鋼渣中的活性物質(zhì)硅酸三鈣結構緊密，晶狀完整，影響了其水化速度，而且鋼渣的冷卻過程較為緩慢不同于水泥的極冷過程，活性物質(zhì)硅酸二鈣的晶型發(fā)生改變，由介穩(wěn)態(tài)的β晶型轉(zhuǎn)變?yōu)棣镁?，降低了活性[14]。其次，鋼渣中含有少量的P2O5，其提前可以和CaO與SiO2發(fā)生反應，進一步降低了活性。最后，由于鋼渣中鋁酸三鈣的含量極低，導致鋼渣的早期水化速度緩慢。

2.3 鋼渣物理特性

由于系統(tǒng)處理的是射頻信號，故需要注意布線時的阻抗問題，本設計采用T-G-G-B(頂層-地-地-底層)的層疊結構，通過調(diào)整線寬及層間距達到阻抗匹配。對于高速信號走線，由于趨膚效應造成走線周圍具有電磁場，容易造成相鄰線材的耦合干擾。為使走線間耦合干擾達到可以忽略，布線時需要滿足3W原則(走線中心間隔滿足3倍線寬)。

從煉鋼爐排出的鋼渣一般都需進行預處理，熱潑法、熱燜法和滾筒法是目前國內(nèi)外的主要預處理工藝[11]。經(jīng)預處理后的鋼渣顆粒粒徑一般在300 mm以下，表面粗糙、多孔、多棱角。實驗測得經(jīng)熱燜法和滾筒法預處理的鋼渣顆粒粒徑在15 mm以下[15]。其顆粒分布具有分形特征，分形維數(shù)在2.2～2.5之間，該值越大表明鋼渣顆粒越細，分布越不均勻[16]。鋼渣在應用于混凝土方面的主要物理性能指標列于表4[15,17-18]。

表4 鋼渣的主要物理性能指標

由于鋼渣的含鐵量較高，且有鐵酸鈣、RO相等物相，導致其結構緊密、密度大、硬度高、難于磨粉。在作為混凝土摻合料時，為充分發(fā)揮鋼渣中活性礦物硅酸二鈣和硅酸三鈣的水硬膠凝性，需耗費大量能源來磨制鋼渣微粉，從而提高了成本。針對鋼渣磨粉困難的問題，國內(nèi)外做了大量技術研究，目前磨粉技術已經(jīng)由傳統(tǒng)的磨粉機、輥壓機簡單磨粉技術發(fā)展到現(xiàn)在的立式磨與臥輥磨的“面接觸式”磨粉工藝、球磨機與輥壓機的聯(lián)合磨粉工藝，未來磨粉工藝將向臥輥磨與聯(lián)合磨粉的工藝發(fā)展[17]。

2.4 鋼渣安定性分析

鋼渣存在安定性不良的問題，影響了其在混凝土中的進一步應用。由于鋼渣成分、物相的復雜及煉鋼方法的不同，引起鋼渣安定性不良的原因可大致歸結為游離氧化鈣(f-CaO)、和FeS、MnS的水解作用[18]。

f-CaO水化形成Ca(OH)2也是導致體積膨脹的主要原因[19]。游離態(tài)氧化鈣的形成，一方面是由于在煉鋼過程中加入石灰調(diào)節(jié)鋼液的堿度，在高溫下加入的CaO與SiO2反應生成了難熔的硅酸二鈣，其覆蓋在CaO 的表面從而形成了游離態(tài)氧化鈣；另一方面是在鋼渣冷卻的過程中，穩(wěn)定相態(tài)的硅酸三鈣由于急冷會少部分發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變生成亞穩(wěn)定態(tài)的硅酸二鈣和游離態(tài)氧化鈣。鋼渣中的活性氧化鈣具有結晶粗大、結構致密的特點，在鋼渣與水發(fā)生水化時，活性氧化鈣的水化速率相比鋼渣中的鋁酸鈣、硅酸鈣等礦物較慢，若活性氧化鈣在硬化漿體中繼續(xù)發(fā)生水化反應，會引起漿體內(nèi)局部的結構膨脹，從而造成水泥石開裂，降低鋼渣混凝土安定性[20-21]。

在硫含量大于1%或FeS、MnS含量大于3%時鋼渣中的Fe、Mn會發(fā)生分解，其反應式如下:

FeS+2H2O→Fe(OH)2+ H2S

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

MnS+2H2O→Mn(OH)2+ H2S

Fe(OH)3和Mn(OH)2的生成致使在鋼渣中產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，導致體積發(fā)生膨脹[22]。

RO相(MgO、FeO)對鋼渣安定性可能也存在一定影響，目前該問題還存在一定的爭議。有一種觀點認為鋼渣的安定性與RO相的組成無關，唐明述[23]的研究表明，RO相的組成不會對鋼渣安定性造成影響，在高溫高壓的情況下也不會發(fā)生水化反應。還有一種觀點認為鋼渣的安定性與RO相的組成有關。侯新凱[24]研究了RO相中FeO與MgO、MnO與MgO的不同摩爾比值對鋼渣安定性的影響情況，當摩爾值分別為1∶1、0.5∶1時，RO相對鋼渣安定性無影響。葉貢欣[25]從水化活性因子Km= MgO/(MnO+FeO)出發(fā)進行研究，結果表明只有在Km大于1時才會對安定性造成影響。

3 鋼渣在混凝土中的應用

3.1 鋼渣對混凝土工作性能方面的影響

混凝土的工作性能主要表現(xiàn)為流動性和坍落度，是混凝土的一項重要綜合性能指標。 鋼渣作為活性礦物質(zhì)加入到混凝土中，對混凝土工作性能有改善作用。信玉良[26]的實驗研究表明，當鋼渣以磨細微粉摻入到混凝土時，其相對于基準混凝土，保水性和黏滯性有較大改善，混凝土的流動性增強，坍落度經(jīng)時損失減小。

鋼渣具有一定的活性，可減少達到混凝土可塑性所需的用水量，在相同的用水量下用鋼渣替代水泥可促進漿體的流動，同時鋼渣與水泥的成分不同，水化機理也就不同，鋼渣的水化速度較慢，從而使水化基體的孔道大小與分布發(fā)生了變化，這些空隙可以儲存部分水，在混凝土的凝固初期可減少流動性的損失，同時鋼渣吸水量的減少也可抑制混凝土的坍落度經(jīng)時損失[22,26]。鋼渣加入量以及粒度大小對混凝土工作性能的改善有較大影響。加入鋼渣的粒度并非越細越好，當鋼渣粒度較細時，其表面積增大，需水量相應增大，鋼渣內(nèi)部礦物與水的接觸面積也增大，加快了水化反應的速度，對改善混凝土流動性和降低坍落度經(jīng)時損失的效果將減弱。

3.2 鋼渣對混凝土力學性能方面的影響

抗壓強度和抗折強度為混凝土的力學性能指標，其中抗壓強度為主要指標。適宜的鋼渣摻入量可提高混凝土的抗壓強度。石東升[27]研究表明鋼渣混凝土相較于普通碎石混凝土，早期抗壓強度的增長率基本相同，而長期抗壓強度的增長率則鋼渣混凝土較大。鋼渣較天然石材具有表面粗糙、多孔、吸水率大的特點，在混凝土中加入鋼渣后，其可吸收一定水分，降低了鋼渣表面的實際水灰比，增強了水泥石與鋼渣砂界面過渡區(qū)的界面粘結力，同時鋼渣具有一定活性，其活性物質(zhì)在發(fā)生水化反應的同時生成了Ca(OH)2、CaSiO3等密實的水化產(chǎn)物層，水、細顆粒水泥可滲入多孔的鋼渣表面形成“錨固”作用，對水泥石與鋼渣砂界面結構起到改善作用，從而增強了混凝土的力學性能[28-29]。適宜的水膠比(W/B)對鋼渣混凝土力學性能有較大影響。王強[30]的研究表明,在水膠比(W/B)為0.35時鋼渣混凝土的后期抗壓強度更接近于純水泥混凝土, 而較低的水膠比(W/B)可降低鋼渣對混凝土強度的負面影響。

3.3 鋼渣對混凝土耐久性能方面的影響

鋼渣對混凝土耐久性能方面的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)抗凍性?；炷恋目箖鲂员憩F(xiàn)為其在反復凍融循環(huán)環(huán)境中的承受能力，通常與孔隙率和孔隙結構有關。田爾布[31]的實驗研究表明，鋼渣的最佳摻入量為20%，過高或過低的加入量均不利于混凝土抗凍性能的改善。當鋼渣與硅粉混合復摻時，趙飛[32]測得15%的鋼渣與5%的硅粉為最佳摻入配比。(2)抗碳化性?；炷恋目固蓟员憩F(xiàn)為其抵抗環(huán)境中二氧化碳碳化的能力，是耐久性能的重要指標。有研究認為在加入鋼渣后，減少了水泥的用量，鋼渣混凝土漿體中水化產(chǎn)物氫氧化鈣的含量略有降低，堿度降低，對二氧化碳的吸收能力減弱，從而抗碳化性能降低；也有研究顯示，在碳化后期，鋼渣活性漸漸激發(fā)，水化反應持續(xù)進行，反應產(chǎn)物的填充效應凸顯，漿體孔結構得到改善，抗氣體滲透率提高，從而增強了抗碳化性能[33-34]。(3)抗氯離子滲透性。混凝土的孔結構、形狀、孔隙率對混凝土抗氯離子滲透性有重要影響。研究表明鋼渣對混凝土抗氯離子滲透性能有一定的改善作用。一方面由于鋼渣的加入使得混凝土孔隙結構發(fā)生變化，孔隙率降低，毛細孔隙得到細化，密實度提高，降低了氯離子的擴散系數(shù)；另一方面由于鋼渣自身具有一定活性，發(fā)生水化時對混凝土體系膠凝材料水化產(chǎn)物有一定的改善作用，同時鋼渣的加入減少了水泥的用量間接增大了水灰比，使水泥的水化環(huán)境得到優(yōu)化，吸附氯離子的能力增強，從而提高了混凝土的抗氯離子滲透性[33,35]。

4 問題與展望

鋼渣應用于混凝土對混凝土的各方面性能都有一定的改善作用，當前的研究已經(jīng)取得了一定的進展，但仍有很大的發(fā)展空間，對于現(xiàn)實中的應用問題需不斷解決，從而實現(xiàn)鋼渣于混凝土中的大范圍利用。目前鋼渣應用于混凝土中存在的主要問題有：(1) 安定性不良。鋼渣中的堿性物質(zhì)易發(fā)生水解，致使混凝土漿體內(nèi)部結構發(fā)生膨脹，水泥開裂，從而降低了鋼渣混凝土的安定性。(2)鋼渣磨粉困難。由于鋼渣復雜的物相組成和物理特性，導致鋼渣難于磨制微粉，限制了其在混凝土中的應用。(3) 鋼渣成分復雜且不穩(wěn)定。由于冶煉方法不同，導致鋼渣種類多、來源廣，同時也受冶煉過程的影響，導致鋼渣的成分不穩(wěn)定。(4) 缺乏對機理的深入研究。當前對鋼渣應用于混凝土后其對混凝土各方面影響的機理研究不夠深入，主要是從鋼渣混凝土的微觀形貌出發(fā)，對其改善混凝土密實度方面進行的研究，而對鋼渣水化過程、機理及界面過渡區(qū)的研究較少。

對于上述鋼渣應用于混凝土存在的一些問題，結合當前國內(nèi)外應用經(jīng)驗，提出以下幾點展望：(1)開發(fā)新型鋼渣磨粉技術。未來磨粉工藝可向臥輥磨粉與聯(lián)合磨粉工藝發(fā)展。(2)研究鋼渣安定性影響因素及其作用機理。重點研究RO相對鋼渣安定性影響機理。(3) 探索提高鋼渣穩(wěn)定性的新方法。鋼渣成分、體積的不穩(wěn)定，對其應用造成了一定困難，提高鋼渣穩(wěn)定性新方法的研究有助于進一步擴展鋼渣在混凝土中的應用。(4) 加強鋼渣對混凝土性能影響機理研究。當前鋼渣對混凝土各方面性能反應機理仍不明確，后期可針對鋼渣的水化過程、機理以及漿體界面過渡區(qū)進行深入研究。(5) 探索鋼渣與其他工業(yè)廢棄物的混合復摻?？舍槍︿撛m合混合復摻的工業(yè)廢棄物種類，摻入量，復摻效果等進行嘗試探索。

當前鋼渣在混凝土應用中存在一定的問題，但其在混凝土中的應用為大規(guī)模利用鋼渣開拓了新方式，隨著未來在理論研究和技術創(chuàng)新兩個層面的探索研究，預測今后鋼渣在混凝土中的應用前景廣闊。

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Application of Steel Slag in Concrete

WANJiang-kai,ZHANGZhao-hui,LIUBai-long,LIUShi-feng

(School of Metallurgical Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

Steel slag treatment and reuse can not only reduce the cost of steel making, but also benefit to the environmental protection. The application of steel slag in concrete has become one of the hot research directions in the comprehensive utilization of steel slag. Briefly introduces the complex ore slag phase and difficult grinding problem, mainly elaborates the reasons for the cause of slag soundness problems and the current controversy was. The influence of steel slag on the working performance, mechanical properties and durability of concrete materials and its mechanism were analyzed. For main problems of steel slag in concrete applications, from two aspects: theoretical research and technological innovation put forward the corresponding improvement measures, and forecasts the future application of steel slag in concrete is steadily increasing.

steel slag;concrete;existing problem;improvement measure;application prospect

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項目(15JF022);西安市工業(yè)應用技術研發(fā)項目(CXY1521(2));陜西省工業(yè)科技攻關項目(2016GY-020)

萬江凱(1991-)，男，碩士研究生.主要從事冶金資源綜合利用方面的研究.

劉佰龍，講師.

X756

A

1001-1625(2016)12-4020-05