高炉渣的利用与发展

2 国外普通高炉渣的利用与发展
高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。

每生产一吨生铁时，高炉矿渣的排放量依矿石的品位和冶炼方法不同而变化。

就世界范围来看，排渣量占生铁产量的20%~25％，若按23％计算，全世界每年排出的高炉渣一亿一千万吨左右。

国外高炉渣的大规模利用是从二十世纪中期开始发展起来的。

美国在1915年就颁布了ICC条例，禁止把高炉渣作为废料装运，鼓励钢铁企业把高炉渣运到渣处理公司进行加工；进入二十世纪二十年代后，高炉渣在美国的各种建筑现场的施工中得到了广泛使用，主要用于地基垫层及道路基层材料；到二十世纪五十年代，美国高炉渣的利用就已达到了排用平衡，历史积存的渣堆得到了逐步消除。

日本和美国在二十世纪八十年代以前，高炉渣主要用于路基材料，在趋于饱和之后，才逐渐把高炉渣作硅酸盐水泥的掺和料和混凝土骨料。

到二十纪末，美、日及欧洲等主要工业化国家都基本实现了高炉渣的当年排渣，当年用完，全部实现了高炉渣资源化。

3 我国普通高炉渣利用现状及发展趋势
二十世纪五十年代以前，我国高炉产生的炉渣作为铁厂的废弃物之一，均堆存于渣场。

中国环境公报统计1995年固体工业废渣累计堆积达66.41亿吨，占地5.5万公顷，每年我国固体工业废渣的排放量达6亿吨以上，其中，排在前五位的分别是尾矿、煤矸石、粉煤灰、炉渣、冶金废渣。

我国普通高炉渣利用途径与国外基本一致。

除重矿渣的利用外，水淬高炉渣的利用获得长足发展，成为高炉渣利用的主要渠道。

水淬高炉渣属于硅酸盐质材料，经研磨后有胶凝性，是一种潜在的活性水硬性物质。

基于高炉渣的这一特性，我国从二十世纪七十年代初，就把高炉水淬渣列为统配资
源，作为矿渣硅酸盐水泥的重要原料，正式纳入产品销售计划，并制订了《用于水泥中的粒化高炉矿渣》的国家标准。

目前，我国产生的重矿渣已经没有几家了，基本上都生产水淬渣。

二、研究过程
本项目的研究内容为高炉重矿渣用作混凝土集料的可行性研究，包括混凝土配合比、混凝土力学性能试验、混凝土长期性和耐久性能试验。

在历时一年多的时间里，共进行各种混凝土试验8个批次，混凝土各种性能试验成型试块391组。

经过对大量数据的分类整理，以及对同类数据进行对比分析，证明了利用重矿渣作为粗骨料配制C45以下重矿渣砼的可能性。

2 重矿渣泵送混凝土配合比研究
2.1确定矿渣泵送混凝土配合比试验
本项目的研究目标是利用重矿渣为粗骨料，钢渣为细骨料配制重矿渣混凝土。

但是经检验钢渣砂的压蒸粉化率为11.6%，不符合YB/T4201-2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》标准中钢渣砂压蒸粉化率≤5.9%的技术要求，存在不安定性。

经讨论决定用重矿渣砂取代钢渣砂作为细骨料。

由于矿渣粒度过大，故需将矿渣经过粉碎、筛分、人工级配的过程才能应用。

首先依据JCJ55-2002《普通混凝土配合比设计规程》设计一组混凝土配合比，其技术参数：水泥190~460kg/m3，粉煤灰15~35%，砂率39~43%，水胶比0.33~0.58。

强度等级为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45。

在成型各强度等级矿渣泵送混凝土的同时也成型系列同等级的普通泵送混凝土作为对比，以使试验结果增加可对比性。

泵送剂采用凯捷搅拌站的液体泵送剂。

混凝土塌落度控制在160～180mm。

成型时发现水胶比偏高、
易离析，测定28d 抗压强度数据显示其强度等级混乱。

因此重新调整配合
比，增大砂率为40~45%。

再经试验
时混凝土拌合状态有所改善，混凝土的抗压强度和抗折强度均能够满足
设计要求。

通过28d 抗压强度和抗折强度的测试结果作图，见图1-1和图1-2。

图1-1显示矿渣泵送混凝土抗压强度比同一强度等级的普通泵送混凝土抗压强度偏低，图1-2则显示矿渣泵送混凝土抗折强度比同一强度等级普通泵送混凝土的抗折强度偏高，这种特性为以后研究矿渣混凝土提供了必要的参考数据。

从图1-3可直观看出，同强度等级的矿渣泵送混凝土的水胶比大大高于普通泵送混凝土，这是由于矿渣表面粗糙而且多孔所致。

矿渣泵送混凝土不仅水胶比偏大，和易性不佳，其保塌性也差。

30min 时的塌落度由初始180mm 降至60mm 。

从应用角度考虑，在一定时间内不能保持一定的塌落度就不能满足施工对泵送混凝土的要求。

根据这种情况分析，矿渣砂对矿渣泵送混凝土的保塌性影响较大。

因为矿渣颗粒本身粗糙且多孔，再破碎后小颗粒表面凹凸不平，虽经筛分级配但表观整体为细粉状。

这就导致矿
渣泵送混凝土拌合时吸水量增大，级配不合理，强度降低。

因此，为保证项目能够尽快继续进行，决定放弃矿渣混凝土的试验，采用重矿渣碎石为粗骨料，普通砂为细骨料配制矿渣碎石泵送混凝土。

2.2矿渣碎石泵送混凝土试验
本项目研究的矿渣碎石泵送混凝土均采用重矿渣碎石替代普通碎石。

通过调整混凝土配合比，作了3批矿渣碎石泵送混凝土与普通泵送混凝土的对比试验，其28d抗压强度和抗折强度在表2-1、表2-2、表2-3中分别列出。

表2-1
强度等级
抗压强度(MPa) 抗折强度(MPa) W/J
普通矿渣碎石普通矿渣碎石普通矿渣碎石
C20 27.1 26.3 2.9 3.4 0.62 0.62 C25 26.7 28.0 3.2 3.4 0.56 0.56 C30 32.7 31.4 3.3 4.0 0.49 0.47 C35 35.7 37.2 3.2 3.8 0.43 0.43 C40 41.9 44.0 3.5 3.9 0.39 0.39 C45 47.6 49.1 3.5 5.2 0.35 0.35
2-2、图
2-3。

分析图2-1和图2-2，从趋势上看每一批矿渣碎石泵送混凝土的抗压强度和抗折强度均相当于或稍高于普通泵送混凝土的强度。

按数据的数目统计，高于或相当的占27%，其偏高幅度在1~8%，平均约4%；偏低的占27%，其偏低幅度在3~10%，平均约6%。

分析图2-3，有60%矿渣碎石泵送混凝土的水胶比要大于普通泵送混凝土的水胶比，增加幅度约3~6%，而水胶比降低的只有5%，相等的占35%。

总体分析，无论是水胶比的变化还是抗压强度和抗折强度的变化，矿渣碎石泵送混凝土的稳定性存在一定的缺陷，主要原因来自于矿渣的不均匀性，这一点在配制矿渣碎石泵送混凝土时应当引起足够的重视。

2.3矿渣碎石泵送混凝土掺粉煤灰试验
为改善矿渣碎石泵送混凝土拌合物性能和力学性能，在矿渣碎石泵送混凝土配合比的基础上掺加粉煤灰。

从每个强度等级的配合比中减掉50kg 水泥，掺入65kg粉煤灰，同时调整砂率。

通过掺与不掺的对比，结果显示
掺入粉煤灰的矿渣碎石泵送混凝土性能有所提高。

表3-1和表3-2为2批矿渣碎石泵送混凝土抗压强度和抗折强度的检测数据，作图为图3-1和图3-2。

很明显，抗压强度和抗折强度均有提高。

抗压强度的提高幅度在10~30%，抗折强度提高幅度在10~60%。

图3-3为同强度矿渣碎石泵送混凝土的水胶比对比，掺粉煤灰的水胶比要小于未掺粉煤灰的水胶比，降低幅度在10~20%左右。

由于水胶比的降低改善了矿渣碎石泵送混凝土的拌合物性能，并且有效地提高了矿渣碎石泵送混凝土的力学性能。

2.4选择泵送剂
各种外加剂对改善混凝土制品性能能够起到重要的作用。

但是在应用外加剂过程中，一定要掌握外加剂的性能以及对各种原材料的适应性。

在本项目研究过程中采用了两种泵送剂，一种为液体，一种为
固体。

对同强度混凝土掺同剂
量泵送剂的方法，分别应用两种泵送剂配制矿渣碎石泵送混凝土与普通泵送混凝土。

其抗压强度对比由图4-1表示，抗折强度对比由图4-2表示。

可以看出，应用固体泵送剂的矿渣碎石泵送混凝土，其抗压强度
和抗折强度均高于应用液体泵送剂的矿渣碎石泵送混凝土强度。

虽然从图4-3中看到应用固体泵送剂的W/J 要高于应用液体泵送剂的W/J ，但是应用固体泵送剂大大改善了矿渣碎石泵送混凝土拌合物的和易性，减少了塌落度的损失，使矿渣碎石泵送混凝土的塌落度在60min 时还能保持在120mm ，而且提高了矿渣碎石泵送混凝土的力学性能。

因此，在后期混凝土的力学性能和耐久性能的实验中都采用固体泵送剂。

2.5矿渣碎石泵送混凝土水胶比
水胶比在配制混凝土时是一个重要的技术参数。

JGJ55《普通混凝土配合比设计规程》中对泵送混凝土配合比的计算有一定的要求，用水量与水泥和矿物掺合料的总量之比不宜大于0.60。

在保证坍落度的前提下，水胶比减少有利于提高混凝土强度。

矿渣碎石不同于普通碎石，由于表面粗糙且多孔，饱和吸水率要高于普通碎石。

经检测矿渣碎石的吸水率在1.5~3.5%。

因此配制矿渣混凝土需要提高用水量。

下列3个表是各种泵送混凝土不同强度等级水胶比的统计数据。

表5-1列出普通泵送混凝土与矿渣碎石泵送混凝土水胶比的对比，矿渣碎石泵送混凝土的水胶比增加0.01~0.07。

表5-2列出矿渣碎石泵送混凝土与掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土水胶比的对比，掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土的水胶比减少0.02~0.07。

表5-3列出掺粉煤灰普通泵送混凝土与掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土水胶比的对比，掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土的水胶比增加0.01~0.05。

各种泵送混凝土水胶比统计
表5-1
表5-2
表5-3
2.6矿渣泵送混凝土的7d强度
本项目在研究过程中，对矿渣碎石泵送混凝土、掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土的7d抗压强度分别与普通泵送混凝土的7d抗压强度作了对比测试。

结果见表6-1、表6-2。

未掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土表6-1
掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土表6-2
无论是矿渣碎石泵送混凝土还是掺粉煤灰的矿渣碎石泵送混凝土，其7d 抗压强度均能达到设计强度的70%以上，而且与普通泵送混凝土的抗压强度相当。

值得注意的是，掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土的7d 抗压强度要高于未掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土的7d 抗压强度，这表明在混凝土工程中掺用粉煤灰的必要性。

从图6-2中观察，28d 矿渣碎石泵送混凝土抗压强度达到设计强度的百分比是随着设计标号的增加而递减，这一现象值得进一步探讨。

3 矿渣碎石泵送混凝土力学性能试验
经过大量的矿渣碎石泵送混凝土抗压强度、抗折强度与普通泵送混凝土的对比试验之后，确定矿渣碎石泵送混凝土配合比参数：水泥250~480kg/m 3，粉煤灰12~20%，砂率40~45%，水胶比0.31~0.53，粗骨料中矿渣碎石15-50%（根据用途不同，改变其掺入量的多少，来调整其放射性水平）。

进行C20、C25、C30、C35、C40、C45六个强度等级的普通泵送混凝土、矿渣碎石泵送混凝土、掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土分别成型抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度试验试块。

共成型72组，执行GB/T50081-2002
《普通混凝土
力学性能试验方法标准》。

测试结果见《重矿渣碎石泵送混凝土力学性能汇总表》。

重矿渣碎石泵送混凝土力学性能汇总表
检测结果表明，重矿渣碎石泵送混凝土抗压强度均能达到设计强度要求，其他各项力学性能普遍高于或相当于普通泵送混凝土。

4 矿渣碎石泵送混凝土长期性能和耐久性能试验
在进行重矿渣碎石泵送混凝土力学性能试验工作的同时，对
C20、C30、C40三个常用的混凝土强度等级的普通泵送混凝土、矿渣碎石泵送混凝土、掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土进行抗冻性能、抗渗性能、收缩、碳化的性能试验。

共成型33组，执行GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》标准。

测试结果见《重矿渣碎石泵送混凝土长期性能汇总表》。

检测结果表明，重矿渣碎石泵送混凝土性能均达到甚至优于普通泵送混凝土。

重矿渣碎石泵送混凝土长期性能汇总表
5 混凝土拌合物性能试验
对C20、C30、C40各强度等级的普通泵送混凝土、矿渣碎石泵送混凝土、掺粉煤灰矿渣碎石泵送混凝土进行了塌落度、凝结时间、泌水、表观密度、含气量的测试。

执行GB/T50080-2002《普通混凝
土拌合物性能试验方法标准》。

测试结果见《重矿渣碎石泵送混凝土拌合物性能汇总表》。

检测结果表明，重矿渣碎石泵送混凝土拌合物性能经过调整水胶比能够达到应用要求。

重矿渣碎石泵送混凝土拌合物性能汇总表
6重矿渣放射性
关于重矿渣放射性是利用包钢重矿渣不可回避的问题。

在本项目的研究过程中，重矿渣碎石是采自冶金渣公司供渣场，供渣场的重矿渣为一号道固定线的新渣破碎而成的，用环境辐射仪测量其放射性计量范围为400-700nGy/h之间，从冶金渣公司供渣场分别采取了放射性辐射剂量为低剂量（400~500 nGy/h）、中剂量（500~600 nGy/h）、高剂量（600~700 nGy/h）三种矿渣样品，再根据混凝土配比分别掺入30%、35%、40%、45%、50% 的矿渣碎石取代普通碎石，送放射
性检测中心进行检测，结果见表6-1。

矿渣碎石混凝土的内、外照射指数表6-1
表6-2列出的数据为GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》标准中对建造各类建筑物所使用的建筑材料中放射性核素限量的规定。

将表6-1中的数据与表6-2中的指标对比，可以看出：
根据GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》规定，高炉重矿渣做建筑主体材料，外照射指数超标，做主体材料不合格，但用做建筑物的外饰面及室外其它用途，比照标准中3.2.3C类装修材料的要求，外照射指数小于2.8的高炉重矿渣混凝土，用辐射剂量为低、中剂量
的高炉重矿渣碎石（砂子用河砂）可以掺至50%以下使用，而高剂量的高炉重矿渣碎石可以掺至45%以下，用于室外应该不受限制。

图6-1 矿渣掺量与Ir的关系
用于建筑主体材料中，根据图6-1可知，其矿渣掺量与外照射指数基本上呈线型关系，据此根据直线回归曲线，当外照射指数为1.0时，当矿渣辐射剂量在400~500 nGy/h时，可以计算出矿渣最大掺量约为26% 。

当矿渣辐射剂量在500~600 nGy/h时，矿渣最大掺量约为22%
当矿渣辐射剂量在600~700 nGy/h时，矿渣掺量15%。

GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》标准要求和处于报审稿的《利用工业废渣放射性核素限制标准》的要求有以下区别：前者适用于建筑材料，其中建筑材料包括建筑主体材料和装饰材料。

建筑主体材料是用于建造建筑物主体工程所使用的建筑材料。

包括水泥与水泥制品、砖、瓦、混凝土、混凝土预制构件、砌块、墙体保温材料、工业废渣、掺工业废渣的建筑材料及各种新型墙体材料等。

装饰材料是用于建筑物室内、外饰面的建筑材料等。

包括花岗岩、建筑陶瓷、石膏制品、吊顶材料、粉刷材料及其他新型饰面材料等。

而后者适用于工厂、矿山以及建筑材料生产企业在利用工业废渣过程中遵循的放射性核素限制基本要求。

即规定了根据GB6566-2001
《建筑材料放射性核素限量》标准要求检测的镭-226、钍-232、钾-40的放射性比活度值来计算工业废渣的最大掺入量。

根据目前处于审定状态的《利用工业废渣放射性核素限制标准》中规定的对工业废渣放射性核素限制要求，分为无限制使用、限制使用和禁止使用。

如下表6-3。

《利用工业废渣放射性核素限制标准》中规定的对工业废渣放射性核素限制要求
表6-3。