鋼渣用于空心砌塊生產(chǎn)的技術(shù)探討

毛偉，高小龍，徐敏人，周書兵，徐月龍

（1 CMCU·中聯(lián)建筑，重慶400039；2四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065；3重慶海豐環(huán)境科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，重慶400084；4重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045）

鋼渣用于空心砌塊生產(chǎn)的技術(shù)探討

毛偉1,2，高小龍3，徐敏人4，周書兵1，徐月龍1

（1 CMCU·中聯(lián)建筑，重慶400039；2四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都610065；3重慶海豐環(huán)境科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，重慶400084；4重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045）

0 前言

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，自然資源逐漸枯竭，人類面臨著嚴(yán)重的資源短缺和能源匱乏。人們逐漸意識(shí)到鋼鐵廠排放的鋼渣、礦渣、鐵渣等不再僅僅是種廢棄物，而是寶貴的二次資源。在此條件下，鋼渣的綜合利用逐漸引起人們的重視。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家鋼渣的綜合利用率較高，在德國(guó)和美國(guó)，絕大部分鋼渣已得到充分利用；在英國(guó)和法國(guó)，鋼渣利用率也達(dá)到了60%；日本鋼渣利用率也達(dá)到了50%；而我國(guó)僅為10%左右[1]，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的鋼渣利用力度明顯不足。

我國(guó)是世界產(chǎn)鋼大國(guó)，鋼渣資源豐富。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2012年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為7.17億t，鋼渣排放量達(dá)7000萬t（鋼渣排放量按粗鋼產(chǎn)量的8%～12%來計(jì)算[2]）。然而，由于利用率低下，大量的鋼渣堆積存放，不僅占用了大量土地，而且隨著時(shí)間的推移，鋼渣逐漸被風(fēng)化成堿性粉塵，直接污染大氣環(huán)境，同時(shí)還對(duì)水體、土壤造成危害。近年來，鋼渣資源化和高價(jià)值綜合利用研究已成為鋼渣處理的重要研究方向之一，且鋼渣綜合利用的途徑廣泛，涵蓋冶金、建筑材料、農(nóng)業(yè)利用、工程應(yīng)用等領(lǐng)域[3-4]。

鋼渣含有FeO、CaO、SiO2等化合物，可作為生產(chǎn)磚、砌塊等建材的原料，我國(guó)在這方面也早有研究，如“武鋼”利用水淬鋼渣研制的鋼渣磚所建的三層樓房已使用25年之久[5]。隨著建筑節(jié)能材料的發(fā)展，鋼渣空心砌塊因其良好的保溫性能、力學(xué)性能、隔聲性能、抗凍性能等優(yōu)勢(shì)而逐步得到重視。然而，鋼渣中各種化學(xué)成分含量因煉鋼爐型、鋼種類型等的不同，差異較大?？梢哉f鋼渣物化性能差異較大是目前我國(guó)鋼渣未得到大規(guī)模化利用的重要原因之一。

1 鋼渣的基本性質(zhì)

1.1 鋼渣化學(xué)成分及礦物組成

鋼渣密度較大，一般在1700 kg/m3～2000kg/m3范圍內(nèi)波動(dòng)。鋼渣各成分與含量見表1，可以看出，鋼渣主要化學(xué)成分有CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、M gO、M nO、P2O5、f-CaO，此外，某些鋼渣還含有V2O5、TiO2等。我國(guó)的鋼渣大部分是轉(zhuǎn)爐渣，外觀形態(tài)因化學(xué)成分及冷卻方式的不同差異很大。

表1 鋼渣的化學(xué)成分[6]

鋼渣的化學(xué)成分決定其礦物組成，且還與其堿度密切相關(guān)。通過對(duì)鋼渣進(jìn)行X-射線衍射分析[6-7]可知，除明顯存在鐵礦物外，鋼渣中的硅鈣相產(chǎn)物以C2S為主。鋼渣的主要礦物組成有硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、RO(即FeO、M gO、M nO形成的固熔體)、游離石灰(f-CaO)等。其中，C2S、C3S的總量在50%以上，因此鋼渣也被稱為過燒硅酸鹽熟料[8]，該特性為鋼渣在建筑材料方向利用提供了可能性。

1.2 鋼渣的膠凝性

鋼渣作為一種過燒硅酸鹽熟料具有一定膠凝活性，這也正是鋼渣應(yīng)用于建材領(lǐng)域的價(jià)值所在。鋼渣的膠凝活性來源于其含有的硅酸鹽、鋁酸鹽及鐵鋁酸鹽等礦物，與硅酸鹽水泥熟料化學(xué)組成相似，同樣可以發(fā)生水化反應(yīng)。鋼渣中含量較高的C2S、C3S是主要的活性物質(zhì)，其含量與廢渣的堿度有關(guān)。當(dāng)鋼渣堿度大于1.8時(shí)，C2S和C3S總量可達(dá)60%～80%，隨著堿度的增大，C3S含量進(jìn)一步增多；當(dāng)堿度達(dá)到2.5時(shí)，鋼渣的主要礦物為C3S[9-10]。同C2S相比，C3S活性更高，即高堿度鋼渣是鋼渣空心砌塊生產(chǎn)的最佳原料。需說明的是，高堿度鋼渣中有含量較高的游離氧化鈣(f-CaO)在砌塊制品成型應(yīng)用后可能會(huì)引起體積膨脹，致使砌塊體積安定性不良。鋼渣中的C2S、C3S水化反應(yīng)見式（1）和式（2）。

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3Ca(OH)2+3CaO·2SiO2·3H2O（1）

2(2CaO·SiO2)+4H2O=Ca(OH)2+3CaO·2SiO2·3H2O（2）

1.3 鋼渣的粉磨性

鋼渣充當(dāng)膠凝材料用于生產(chǎn)空心砌塊時(shí)，必須具有一定的細(xì)度。為了提高鋼渣活性，需進(jìn)行粉磨處理，這也是鋼渣綜合利用的重要環(huán)節(jié)。

鋼渣粉磨的難易程度與其礦物組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)[11]。一般來講，鋼渣是易磨物質(zhì)，其難以磨碎的原因在于鋼渣中含有幾乎不能被磨細(xì)的金屬鐵，而不是鋼渣本身的原因[12]。隨著冶金行業(yè)鋼渣分離技術(shù)的優(yōu)化與完善，除鐵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，除鐵后鋼渣的粉磨性將得到顯著改善[13]。

2 鋼渣空心砌塊概述

鋼渣空心砌塊主要以鋼渣、集料、水泥為原料，與水、化學(xué)添加劑按一定的比例混合、成型、養(yǎng)護(hù)而成。鋼渣中的水硬性礦物在激發(fā)劑和水化介質(zhì)的作用下進(jìn)行反應(yīng)，能夠生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等新的硬化體，從而保證制品具有一定的初級(jí)強(qiáng)度。此外，生產(chǎn)過程中，還可加入一定量的粉煤灰，以達(dá)到固體廢棄物利用最大化。該產(chǎn)品具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、能耗低、性能好、生產(chǎn)周期短、投產(chǎn)快等優(yōu)點(diǎn)。

近年來，我國(guó)在鋼渣空心砌塊方面取得較大進(jìn)展。張明等人[7]利用電爐鋼渣硬度較大的特性充當(dāng)骨料，制備出鋼渣空心砌塊。劉玉等人[8]采用鋼渣、尾礦砂、人工砂、粉煤灰等廢棄物研制生產(chǎn)出強(qiáng)度等級(jí)為MU10.0且性能優(yōu)良的混凝土小型空心砌塊。李有光等人[14]利用粉煤灰和鋼渣為主要原料，在石灰、石膏和少量水泥作激發(fā)劑的基礎(chǔ)上，摻入2%的早強(qiáng)劑SJ-Ⅱ，大幅度提高粉煤灰鋼渣砌塊的早期強(qiáng)度，并使后期強(qiáng)度有所提高，研制出抗壓強(qiáng)度約6.9MPa的空心砌塊。周建成等人[15]利用鋼渣、砂石、粉煤灰等為主要原料，加入一定的外加劑，通過攪拌成型，在鋼渣比例為50%、空心率為35%的條件下生產(chǎn)出的砌塊抗壓強(qiáng)度可達(dá)20MPa。

由此可知，鋼渣空心砌塊具有較高的抗壓強(qiáng)度，完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，能夠大規(guī)模推廣。此外需注意的是，加入的添加劑不同，產(chǎn)品性能也有差異。

3 技術(shù)難點(diǎn)及研究進(jìn)展

雖然我國(guó)鋼渣貯存量大且有廣泛的用途，但目前其利用率較低，主要原因有以下幾個(gè)方面：（1）不同的鋼廠其鋼渣形成過程也不一樣，造成鋼渣的化學(xué)成分和礦物組成差異較大；（2）鋼渣往往含有大量的鐵及其化合物難以磨至理想的細(xì)度；（3）鋼渣水化速度較慢、早期強(qiáng)度較低；（4）鋼渣含有部分f-CaO、M gO，這些物質(zhì)在砌塊中水化速度較慢，會(huì)使砌塊制品后期出現(xiàn)體積膨脹形成缺陷。

概言之，鋼渣在空心砌塊中的應(yīng)用難點(diǎn)主要是鋼渣活性的激發(fā)和鋼渣制品體積穩(wěn)定性的控制。

3.1 鋼渣的活性激發(fā)方法

常用的活性激發(fā)手段有機(jī)械、化學(xué)、熱力等，其中機(jī)械和化學(xué)激發(fā)應(yīng)用最為廣泛。通過研究鋼渣的礦物組成發(fā)現(xiàn)，鋼渣含有硅酸鹽、鋁酸鹽及鐵鋁酸鹽等礦物，在經(jīng)歷了高溫和急冷過程之后，礦物結(jié)晶完好、晶粒粗大，并溶入較多的FeO、M gO等雜質(zhì)，并形成了大量的玻璃體，導(dǎo)致鋼渣水化速度慢。因此，必須使玻璃體和礦物晶粒破碎才能發(fā)掘出鋼渣潛在活性。

3.1.1 化學(xué)激發(fā)

石膏、石灰是工業(yè)上常用的化學(xué)激發(fā)劑，此外還有堿金屬的硅酸鹽、碳酸鹽或氫氧化物等。從機(jī)理來看，堿性水溶液是激發(fā)活性的首要條件，其次是硫酸鹽激發(fā)[16]。鋼渣中玻璃體的主要化學(xué)鍵是Si-O鍵和Al-O鍵，它們分別以[SiO4]四面體和[AIO4]四面體或[A lO6]配位多面體的形式存在。[SiO4]四面體中的Si-O鍵在鋼渣的粉磨過程中會(huì)發(fā)生斷鍵，在激發(fā)劑形成的堿性環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)，如圖1所示。

圖1 Si-O鍵斷鍵后在堿性環(huán)境中的反應(yīng)

玻璃體中的[AlO4]四面體可認(rèn)為是Al3+取代Si4+的結(jié)果。在OH-的作用下玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開始解聚生成H3SiO4-、H3A-lO42-，而H3SiO4-、H3AlO42-與Ca2+、Na+反應(yīng)生成沸石類水化產(chǎn)物。沸石類水化產(chǎn)物的生成消耗了解聚生成的H3SiO4-、H3A-lO42-，使玻璃體的網(wǎng)絡(luò)形成鍵Si-O鍵、Al-O鍵不斷被破壞，最終使玻璃體徹底解聚。沸石類水化產(chǎn)物發(fā)生交織連生，使鋼渣水泥的結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，其宏觀表現(xiàn)是強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng)[17]。因此，化學(xué)激發(fā)的關(guān)鍵是營(yíng)造一個(gè)促使鋼渣中玻璃體發(fā)生裂解的環(huán)境。譚克鋒等人[18]比較了石灰、石膏、芒硝對(duì)鋼渣的活性激發(fā)效果，結(jié)果表明芒硝激發(fā)效果要優(yōu)于石灰和石膏。一般情況下，復(fù)合激發(fā)的效果優(yōu)于單獨(dú)激發(fā)，實(shí)際應(yīng)用中，常采取兩種或多種化學(xué)激發(fā)劑的激活方法[19]。

3.1.2 物理激發(fā)

物理激發(fā)，即機(jī)械激發(fā)，通過研磨可提高鋼渣的細(xì)度，提高比表面積，改善鋼渣活性。其原理是鋼渣通過研磨后，造成玻璃體破裂，加速水化過程。在研磨過程中，鋼渣礦物晶格產(chǎn)生錯(cuò)位、缺陷，宏觀表現(xiàn)為鋼渣粒度減小，表面積增大，水化速度加快，鋼渣活性提高。陳益民等人的研究表明，鋼渣顆粒越細(xì)活性越高，當(dāng)比表面積達(dá)800m2/kg時(shí)，鋼渣的7d活性指數(shù)明顯比28d活性指數(shù)高[20]。但是，鋼渣顆粒的細(xì)度也有一定的限值，并不是越細(xì)越好，這是因?yàn)殡S著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣比表面積增大，比表面積能量顯著增加，由于晶格內(nèi)能的作用，易發(fā)生鋼渣顆粒的重結(jié)晶過程。另外，粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，也會(huì)增加成本。因此，鋼渣粒度的控制必須符合實(shí)際應(yīng)用的需要，不能一味追求細(xì)度。

3.2 影響鋼渣空心砌塊體積穩(wěn)定性的因素和改善途徑

鋼渣空心砌塊體積穩(wěn)定性不良勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致砌塊存在裂紋、破碎等缺陷，從而影響房屋安全。目前有關(guān)鋼渣空心砌塊的研究也主要集中于此。

3.2.1 游離氧化鈣(f-CaO)對(duì)鋼渣空心砌塊穩(wěn)定性的影響

絕大多數(shù)鋼渣中都含有一定量的游離氧化鈣(f-CaO)等堿性氧化物，此類物質(zhì)水化后，體積膨脹1倍以上，這是導(dǎo)致鋼渣安定性不良的主要原因。f-CaO的來源主要有3種：（1）未吸收的原生CaO；（2）部分吸收的彌散狀CaO；（3）在液渣中析晶的次生CaO。不論哪種方式生成的f-CaO都經(jīng)歷了1600℃左右的高溫鍛燒，其礦物結(jié)晶完好、晶粒粗大，并固溶有一定量的FeO、M gO和MnO，水化速率緩慢，被稱為“死燒”CaO。鋼渣中f-CaO含量一般為1%～7%，其含量與原料、鋼渣處理工藝密切相關(guān)。

3.2.2 改善鋼渣空心砌塊穩(wěn)定性的方法

鋼渣的穩(wěn)定性是阻礙鋼渣應(yīng)用的重要因素，根據(jù)以上分析結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)可行性，主要方法有以下兩種。

（1）控制水化液相堿度。f-CaO的水化很大程度上受液相堿度的影響。當(dāng)熟料摻量較高時(shí)，水化液相堿度也較高，抑制了f-CaO的水化。當(dāng)熟料摻量過低時(shí)，水化液相堿度較低，鋼渣的潛在活性未得到有效激發(fā)，造成制品強(qiáng)度較低，不足以抵抗f-CaO水化過程中產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致鋼渣空心砌塊的穩(wěn)定性不良。因此，合理的控制水化液相堿度，既能充分激發(fā)鋼渣的潛在活性，又能消解鋼渣中f-CaO，是提高砌塊穩(wěn)定性的重要途徑之一。

（2）鋼渣陳化。提高鋼渣穩(wěn)定性的方法還有改進(jìn)煉鋼工藝、煅燒、機(jī)械研磨等方法，此類方法都是通過降低鋼渣中f-CaO的含量和提高鋼渣中的f-CaO分散度來消除f-CaO的不利影響。工業(yè)實(shí)踐表明，鋼渣在使用前經(jīng)過陳化處理，在自然條件下風(fēng)吹雨淋，自然風(fēng)化膨脹，消除f-CaO的不利影響?！皩氫摗变撛姆€(wěn)定試驗(yàn)[21]表明：鋼渣經(jīng)濕水或一段時(shí)間的自然存放后，f-CaO含量可降低至3%以內(nèi)。與其他方法相比，該法簡(jiǎn)單有效。此外，如鋼渣摻入礦渣、粉煤灰等硅質(zhì)原料，也能提高穩(wěn)定性，其原因[22]在于：加入的硅質(zhì)原料，可增加水化硬硅鈣石的生成量，提高制品的強(qiáng)度，從而能夠抵擋f-CaO水化過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，提高制品穩(wěn)定性。

綜上分析可知，要得到高質(zhì)量鋼渣空心砌塊，必須有合理的配比、化學(xué)激發(fā)方法、物理激發(fā)方法，以及高效的改善鋼渣穩(wěn)定性的方法。

4 結(jié)語

鋼渣空心砌塊作為一種新型綠色環(huán)保墻材，不僅具有保溫、輕質(zhì)、環(huán)保等特點(diǎn)，還具有很高的強(qiáng)度，應(yīng)用范圍廣泛，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景和發(fā)展空間。在工業(yè)廢渣堆積為患的情況下，開發(fā)鋼渣空心砌塊，既符合市場(chǎng)需要，又可以節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，完全符合國(guó)家的節(jié)能環(huán)保政策，具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。

[1]陳盛建，高宏亮.鋼渣綜合利用技術(shù)及展望[J].南方金屬，2004(05):1-4.

[2]孟華棟，劉瀏.鋼渣穩(wěn)定化處理技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].煉鋼，2009(06):74-78.

[3]鄭鐵柱.工業(yè)廢料——鋼渣的合理利用[J].國(guó)外公路，2000(03):33-35.

[4]單志峰.國(guó)內(nèi)外鋼渣處理技術(shù)與綜合利用技術(shù)的發(fā)展分析[J].工業(yè)安全與防塵，2000(02):27-32.

[5]王琳，孫本良，李成威.鋼渣處理與綜合利用[J].冶金能源，2007(04):54-57.

[6]劉玉，宋少民.鋼渣混凝土小型空心砌塊研究[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(01):6-10.

[7]張明，曹明禮，陳吉春，等.摻膨脹珍珠巖電爐鋼渣制小型空心砌塊[J].非金屬礦.，2004(04):21-22.

[8]朱桂林，孫樹杉.從國(guó)內(nèi)外鋼鐵渣利用的歷史評(píng)價(jià)“凝石”技術(shù)[J].中國(guó)廢鋼鐵，2005(06):1-5.

[9]李彬，江景輝，隋智通.鋼渣組成與膠凝性能的研究[J].房材與應(yīng)用，1997(04):4-5.

[10]錢光人，徐光亮，李和玉，等.低堿度鋼渣的礦物組成、巖相特征與膨脹研究[J].西南工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997(01):37-41.

[11]歐陽東.轉(zhuǎn)爐鋼渣粉磨性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].水泥工程，1997(02):36-38.

[12]楊鐵燕，熊焰來，余智軍，等.鋼渣水泥粉磨[J].中國(guó)水泥，2004(08):37-39.

[13]趙三銀，李偉升,林永權(quán)，等.轉(zhuǎn)爐鋼渣粉磨動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究[J].水泥工程，2006(02):5-8.

[14]龔七一，李有光.粉煤灰鋼渣砌塊的工藝研究[J].建筑砌塊與砌塊建筑，1995(02):23-25.

[15]周建成，何勁波.利用鋼渣生產(chǎn)高強(qiáng)空心砌塊[J].中國(guó)資源綜合利用，2004(12):19-20.

[16]徐彬.固態(tài)堿組分堿礦渣水泥的研制及其水化機(jī)理和性能的研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，1996(05):64.

[17]胡曙光，韋江雄，丁慶軍.水玻璃對(duì)鋼渣水泥激發(fā)機(jī)理的研究[J].水泥工程，2001(05):4-6.

[18]譚克鋒，劉來寶，陳德玉，等.利用鋼渣生產(chǎn)混凝土空心砌塊的研究[J].新型建筑材料，2006(02):50-51.

[19]許遠(yuǎn)輝，陸文雄，王秀娟，等.鋼渣活性激發(fā)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004(01):91-95.

[20]陳益民，張洪滔，郭隨華，等.磨細(xì)鋼渣粉作水泥高活性混合材料的研究[J].水泥，2001(05):1-4.

[21]高建平.鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法——鋼渣用于建材領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008(06):25-29.

[22]肖琪仲.鋼渣的膨脹破壞與抑制[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，1996(06):29-34.

Discussion on Steel Slag for Hollow Block Production

鋼渣是鋼鐵工業(yè)排放量較大的一種工業(yè)廢渣，其化學(xué)和礦物組成與水泥熟料類似，因此鋼渣可以利用在空心砌塊制備生產(chǎn)中。該文介紹了鋼渣的基本性質(zhì)和鋼渣在制備空心砌塊方向的應(yīng)用研究情況；通過分析指出鋼渣應(yīng)用存在的技術(shù)困難和制品的體積穩(wěn)定性不良問題，對(duì)鋼渣活性的激發(fā)和提高制品的體積穩(wěn)定性方法進(jìn)行了總結(jié)。

鋼渣砌塊；活性激發(fā)；體積安定性；轉(zhuǎn)爐渣；X-射線衍射分析；過燒硅酸鹽熟料；水硬性礦物

Steelslag isa kind of industrialwaste produced in iron and steel industry,whose chemicalandmineral composition is similar to cementclinker,so it can be used in hollow block production.The basic properties and the study situation of steel slag in hollow block production are introduced. Based on the analysis,the existing technologicaldifficulties in steelslag application and the problem of poor volume stability are pointed out.Themethodsof improving activity and volume stability of steel slag are summarized.

steel slag block;activation;volume stability;converterslag;X-ray diffraction analysis;overburntsilicate clinker;hydraulicm ineral

TU 50

A

1671-9107（2013）11-0078-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.11.078

2013-06-24

毛偉（1986-），男，甘肅會(huì)寧人，博士研究生，工程師，研究方向?yàn)榫G色建筑理論與技術(shù)。