钢渣在水泥混凝土领域中的应用现状及前景

钢渣在水泥混凝土领域中的应用现状及前景作者：吴昌鹏

来源：《中国房地产业·中旬》2017年第09期

摘要：本文从钢渣分类、化学成分及矿物组成入手，分析了钢渣在水泥混凝土行业的应用历史及使用前景。分析结果表明：钢渣可以用来生产钢渣水泥，以及代替部分水泥和粗细骨料用于混凝土。

关键词：钢渣；水泥；混凝土

钢渣是炼钢过程中产生的废弃物，大约占钢铁生产排放10%。2016年中国钢渣排放近八千万吨。我国的钢渣尚未被充分利用，大量钢渣在钢铁企业周围堆积成山，不仅占用大量土地，污染环境，而且危害人类的健康。在当前社会经济发展和资源短缺问题日益突出的情况下，钢渣资源的使用和高价值的研究尤为重要。

1、钢渣分类

用于炼钢的炉型包括转炉，平炉和电炉，根据炉型钢渣可分为转炉渣，平炉渣和电炉渣。转炉炼钢工艺多是一次排渣，炼钢周期低。当采用平炉炼钢工艺时，炼钢周期相对较长，包括氧化期，精炼期和出钢期，相应的出炉渣分别是氧化渣，精炼渣和钢渣。电炉炼钢循环周期也比较长。生产过程包括氧化期和还原期，相应的排放称为氧化炉渣和还原炉渣。根据碱度（M）的大小，炉渣可分为低碱度钢渣，中碱度钢渣和高碱度钢渣。

2、钢渣的化学成分及矿物组成

2.1钢渣的化学成分

钢渣的化学成分由炼钢原料和冶炼工艺决定，虽然不同钢厂钢渣化学成分有一定的波动，但主要化学成分基本相同。国内外研究表明，炉渣主要由CaO，SiO2，Al2O3，F2O3，MgO 和少量MnO，FeO，P2O5和金属Fe组成。

2.2钢渣的矿物组成

国内外转炉钢渣的主要矿物成分为硅酸二钙（C2S），硅酸三钙（C3S），RO相（MgO，FeO和MnO的固溶体）和少量游离氧化钙（f-CaO）和铁铝酸钙（C4AF）。随着炼钢过程中连续加入CaO，钢渣碱度增加，矿物组成逐渐变化，随着碱度的增加，钢渣中C3S 的含量逐渐增加，C2S含量逐渐降低，钢渣的早期水化活性增加。在冷却结晶的过程中，当温度降至低于500℃时，β-C2S转换为γ-C2S。

3、钢渣利用的研究历史及研究现状

钢渣在水泥混凝土中的应用研究开始于钢渣水泥。基于钢渣水泥的研究主要是碱-钢渣水泥和钢渣-石膏水泥两个方面，其中碱-钢渣水泥研究是前苏联首先开始的，而钢渣-石膏水泥则是我国率先研究的。在我国1965前后的研究中发现，虽然钢渣-石膏水泥具有一定的强度，但水化速度慢，早期强度低，凝结时间长，钢渣中的游离氧化钙可导致胶凝材料安定性差。上世纪70年代，研究人员在钢渣-石膏水泥的基础上加入矿渣，不仅解决了安定性问题，而且还提高了后期强度，但早期强度低，凝结时间慢的问题依然未能解决。70年代末，研究人员在钢渣-矿渣-石膏水泥的基础上加入了少量硅酸盐水泥熟料，改善了水泥的早期强度，整体凝结时间有了较好的改善，使得该品种水泥有了较大发展。80年代末，研究人员在碱性水泥材料的启发下引进各种激发成分，不仅减少了熟料的量，还大大提高了钢渣矿渣水泥的综合使用性能。从20世纪90年代到现在，由于激发剂技术的发展已经研究开发了少熟料或无熟料的钢渣矿渣水泥。

国内关于钢渣的主要研究成果：阎培渝研究认为水泥-钢渣复合胶凝材料的水化过程与水泥的水化过程相似，但复合胶凝材料的水化诱导期较长，而且钢渣的掺量越大，水化诱导期越长。随着钢渣掺量的增大，复合胶凝材料水化产物的化学结合水量降低；尤其是钢渣掺量较大时，复合胶凝材料水化产物早期的化学结合水量明显低于纯水泥。凃昆和徐家祥[2]认为掺钢渣的水泥胶砂试验中，当钢渣掺量超过10%后，钢渣水泥胶砂试样的3d和7d的强度低于水泥，当钢渣掺量超过30%后，钢渣水泥的28d强度低于水泥，当钢渣掺量低于40%时，满足国标技术要求中一级粉关于活性指数的规定。

国外对钢渣的性能进行了研究，在发达国家，钢渣综合利用率高达近100%，但发达国家水泥和混凝土产品的产能非常低。德国在炼钢中生产的钢渣，其利用率高，但主要用于混凝土集料，只有少量用于水泥制品的生产；美国仅使用1%的钢渣来制造水泥。目前国内外相关研究表明：

（1）钢渣可用作胶凝材料替代部分水泥：火山灰和粉煤灰是凝胶活性物质或火山灰活性物质，替代部分水泥在混凝土中的具体应用已得到认可，具有良好的经济和社会效益。由于钢渣具有水化活性，并且与水泥成分相似，可以代替混凝土生产中使用的部分水泥，但其用量受到限制，钢渣含量越少，混凝土的早期强度降低，后期强度变化不大，钢渣用量越大，无论早期还是后期强度均有不同程度下降。

（2）钢渣可用作生产水泥的原料：钢渣水泥的生产降低了水泥生产成本，促进了固体废物的再利用，减少了水泥生产过程中废气的排放。由于钢渣中含有橄榄石（CRS）和蔷薇辉石（C3RS），这些物质在硅酸盐水泥熟料中是不存在的，这就使得钢渣水泥具有很多优于纯水泥的特性，如具有快速冷凝，水化热第，膨胀率低，耐磨性好的优势，而且具有较高的耐碳酸化和耐硫酸盐侵蚀的能力。

（3）钢渣可用作骨料：目前，寻找合适的替代品来填补天然砂子的缺失具有重要意义。钢渣作为一种骨料，可以降低粉磨能量消耗。钢渣的处理可以使其作为路基工程和基础工程的回填，但其利用率较低。与破碎的石灰石骨料和传统石材相比，钢渣是天然骨料的替代品，具有较高的物理性能和高耐久性等机械性能。在许多国家，钢渣用作沥青混凝土骨料，得到有效利用。

4、钢渣在水泥混凝土行业使用前景

二十一世纪，中国的现代化，工业化和必将导致城市近几十年大规模建设，水泥混凝土的需求将会增加因此，行业发展需要符合可持续发展的战略，现代混凝土本身的发展，需要与大量性能良好的掺合料混合，这为钢渣材料的研究与利用提供了广阔的空间。另外钢渣也用作混凝土混合物有好几个方面好的前景。中国钢渣年产量已达1600万吨，其中70%由硅酸盐熟料组成，类似转炉钢渣。作为混凝土掺合料，钢渣不仅资源丰富，而且分散布料与矿渣一样广泛，作为混凝土掺合料的钢渣更容易设计。关于钢渣水泥的研究和应用，在我国已有近30年的历史，钢渣作为研究和应用领域的水泥混合材积累了丰富的经验，钢渣作为混凝土掺合料的研究和应用提供了宝贵的参考，也为钢渣作为水泥混凝土掺合料用户增添了信心。

参考文献：

[1]王强，阎培渝.钢渣的胶凝材料性能及在复合胶凝材料水化硬化过程中的作用[D].北京：清华大学，2013.13-18.