淺談鋼渣在混凝土和砂漿中的應(yīng)用情況及體積穩(wěn)定性不良問題

宋笑，趙林林

（1. 北京砼享未來工程技術(shù)研究院，北京 100024；2. 沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

1 鋼渣現(xiàn)狀

鋼渣是煉鋼過程中的一種副產(chǎn)品。它由生鐵中的硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)在熔煉過程中氧化而成的各種氧化物以及這些氧化物與熔劑反應(yīng)生成的鹽類所組成。鋼渣產(chǎn)生率為粗鋼產(chǎn)量的15% 左右，中國的鋼渣產(chǎn)生量隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展而迅速遞增，2012年中國鋼產(chǎn)量約6.6億噸，鋼渣產(chǎn)量約1億噸，2018年中國鋼產(chǎn)量約11億噸，鋼渣產(chǎn)量約1.7億噸。鋼渣存儲量逐年增加，再生利用卻微乎其微。因此，鋼鐵企業(yè)廢渣的處理和資源化利用問題也越來越受到重視。

國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃中指出，鋼渣的綜合利用率應(yīng)達86% 以上，基本實現(xiàn)“零排放”。然而，中國綜合利用的現(xiàn)狀與該規(guī)劃相差甚遠，尤其是素有“劣質(zhì)水泥熟料”之稱的轉(zhuǎn)爐鋼渣的利用率僅為10%～20%。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的鋼渣不能及時處理，致使大量鋼渣占用土地，污染環(huán)境。

2 鋼渣成分及對混凝土體積穩(wěn)定性的影響

鋼渣含豐富的鈣硅，主要成分有：CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、f-CaO（游離氧化鈣）、f-MgO（游離氧化鎂）等。

鋼渣實際上算是一種熟料，鋼渣的礦物組成以 C3S為主，其次是 C2S、RO 相（FeO、MgO、MnO 形成的固熔體）、C2Fe（鐵酸二鈣）、f-CaO 等。分電爐鋼渣、平爐鋼渣、轉(zhuǎn)爐鋼渣三種。

鋼渣的礦物組成與化學(xué)成分有關(guān)，特別取決于鋼渣的堿度（CaO/[SiO2+P2O5] 質(zhì)量比），低堿度鋼渣中，主要成分為氧化鐵，并固溶有氧化錳、氧化鈣。高堿度鋼渣中，主要成分為氧化鎂、氧化亞鐵、氧化錳組成的固溶體。在低堿度鋼渣中，氧化鎂以薔薇輝石礦物存在；在高堿度鋼渣中，大部分氧化鎂存在于二價金屬離子氧化物中，小部分氧化鎂可能以游離態(tài)（f-MgO）存在。但在不同堿度鋼渣中，均有 f-CaO 存在。f-CaO、f-MgO 會導(dǎo)致鋼渣的體積穩(wěn)定性不良，對混凝土和砂漿的體積穩(wěn)定性造成致命傷害。

3 鋼渣與礦渣的區(qū)別

兩者都是鋼鐵工業(yè)的副產(chǎn)品，礦渣是一種非常成熟的、幾乎沒有副作用的混凝土摻合料，而鋼渣卻因副作用很大，資源化綜合利用率很低。高爐爐渣（簡稱礦渣）是冶煉生鐵時從高爐中排出的熔融硅酸鹽類物質(zhì)。高爐冶煉時，從爐頂加入鐵礦石、燃料（焦煤）及熔劑（石灰石、白云石）等，當爐內(nèi)溫度達1400～1500℃時，物料熔化變?yōu)橐合啵谝合嘀懈≡阼F水上的熔渣，通過排放就是高爐爐渣。高爐爐渣有三種處理方式：自然冷卻變?yōu)閳杂驳母稍?；用水淬將高溫液態(tài)爐渣擊碎，變?yōu)樗缮⒌乃挥谜羝驂嚎s空氣將高溫液態(tài)爐渣擊散，變?yōu)榕钏傻脑?。我們常用的礦渣摻合料就是由水渣磨細制成。

4 鋼渣處理方式及對鋼渣體積穩(wěn)定性影響的比較[1]

目前國內(nèi)鋼渣主要處理工藝有：熱潑法、風淬法、滾筒法、?；喎?、熱悶法。其中熱潑法、滾筒法、熱悶法最為常用，其工作原理和優(yōu)缺點如下：

4.1 熱潑法

4.1.1 渣線熱潑法

將鋼渣傾翻，噴水冷卻3～4天后使鋼渣大部分自解破碎，運至磁選線處理。此工藝的優(yōu)點在于對渣的物理狀態(tài)無特殊要求、操作簡單、處理量大。

其缺點為占地面積大、澆水時間長、耗水量大，處理后渣鐵分離不好、回收的渣鋼含鐵品位低、污染環(huán)境、鋼渣穩(wěn)定性不好、不利于尾渣的綜合利用。

4.1.2 渣跨內(nèi)箱式熱潑法

該工藝的翻渣場地為三面砌筑并鑲有鋼坯的儲渣槽，鋼渣罐直接從煉鋼車間吊運至渣跨內(nèi)，翻入槽式箱中，然后澆水冷卻。此工藝的優(yōu)點在于占地面積比渣線熱潑法小、對渣的物理狀態(tài)無特殊要求、處理量大、操作簡單、建設(shè)費用比熱悶法裝置少。

其缺點為澆水時間24h 以上、耗水量大，污染渣跨和煉鋼作業(yè)區(qū)、廠房內(nèi)蒸汽大，影響作業(yè)安全，鋼渣穩(wěn)定性不好，不利于尾渣綜合利用。

4.2 滾筒法

高溫液態(tài)鋼渣從溜槽流淌下降時，被高壓空氣擊碎，噴至周圍的鋼擋板后落入下面水池中。此工藝的優(yōu)點在于流程短、設(shè)備體積小、占地少、鋼渣穩(wěn)定性較好、渣呈顆粒狀、渣鐵分離好、渣中 f-CaO 含量小于4%（質(zhì)量分數(shù)，下同），便于尾渣在粗放建材行業(yè)的應(yīng)用。

本研究顯示術(shù)后平均住院日兩組差異有統(tǒng)計學(xué)意義，但差異只有2 d，是可以接受的。本研究只是單純的以年齡劃分，無差異化的研究分析了ERAS方案對老年患者的安全性及可行性，存在一定的局限性。接下來的研究中，會對老年患者存在的合并癥、一般并發(fā)癥等進行分層統(tǒng)計分析，以便明確是否需要個體化實施。本研究的另一客觀局限性是選擇年齡70歲的臨界值；由于對老年患者的定義尚未確定，本研究參考世界衛(wèi)生組織[23]和大腸癌協(xié)作組[24]的數(shù)據(jù)，定義老年為70歲及以上者。在現(xiàn)有的文獻中，1/3的研究臨界值為70歲，其余的研究年齡臨界值選擇75歲或80歲[25]。

其缺點為對渣的流動性要求較高、必須是液態(tài)稀渣、渣處理率較低、仍有大量的干渣排放、處理時操作不當易產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。

4.3 熱悶法

待熔渣溫度自然冷卻至300～800℃ 時，將熱態(tài)鋼渣傾翻至熱悶罐中，蓋上罐蓋密封，待其均熱半小時后對鋼渣進行間歇式噴水。急冷產(chǎn)生的熱應(yīng)力使鋼渣龜裂破碎，同時大量的飽和蒸汽滲入渣中與 f-CaO、f-MgO發(fā)生水化反應(yīng)使鋼渣局部體積增大從而令其自解粉化。

此工藝的優(yōu)點在于渣平均溫度大于300℃ 均適用，處理時間短（10～12h），粉化率高（粒徑20mm 以下者達85%），渣鐵分離好，渣性能穩(wěn)定，f-CaO、f-MgO 含量小于2%，理論上可用于建材和道路基層材料。

其缺點是需要建固定的封閉式內(nèi)嵌鋼坯的熱悶箱及天車廠房，建設(shè)投入大、操作程序要求較嚴格、冬季廠房內(nèi)會產(chǎn)生部分蒸汽。

4.4 三大工藝處理的鋼渣穩(wěn)定性比較

三大工藝處理的鋼渣，最適合用于混凝土、砂漿中的鋼渣是經(jīng)過熱悶法處理的鋼渣，這種鋼渣的體積穩(wěn)定性相對其他幾種處理方式要好，但也一樣含有2% 左右的 f-CaO、f-MgO，其中 f-CaO 含量仍然大于 GB/T21372—2008《硅酸鹽水泥熟料》對 f-CaO 含量≤1.5%的限定要求，況且還有 f-MgO 存在（GB/T21372—2008只限定 MgO 含量≤5%，若安定性合格，MgO 含量可放寬到≤6%，沒提 f-MgO）。所以，如果不經(jīng)過穩(wěn)定性處理，直接用于混凝土和砂漿，沒有一種鋼渣是完全安全的。

最常見的穩(wěn)定性處理方式是用煤矸石或粉煤灰作改性劑[2]，在高溫800℃ 條件下，通過煤矸石或粉煤灰中的 SiO2、Al2O3，將鋼渣中的 f-CaO、f-MgO 吸收反應(yīng)掉，但是吸收反應(yīng)完全程度存在爭議，有待進一步探索。

5 影響鋼渣安定性的因素[3]

5.1 f-C a O 對鋼渣安定性的影響

鋼渣中絕大多數(shù) CaO 都參與反應(yīng)生成了硅酸鹽、鋁酸鹽及鐵鋁酸鹽等活性礦物，以此類化合態(tài)形式存在的 CaO 不影響鋼渣安定性。只有少量的 CaO 以游離態(tài)形式存在，f-CaO 水化生成 Ca(OH)2，體積增大1.98倍，國內(nèi)外一致認為這是導(dǎo)致鋼渣安定性不良的主要原因。鋼渣中的 f-CaO 經(jīng)歷了1600℃ 高溫煅燒，其礦物結(jié)晶完好、晶粒粗大，并固溶有一定量的 FeO、MgO、MnO，被稱為“死燒”的 CaO，水化速率緩慢，往往在混凝土硬化數(shù)月乃至數(shù)年后進行緩慢水化反應(yīng)，將混凝土脹裂。鋼渣中 f-CaO 含量在1%～7%。

5.2 RO 相與方鎂石晶體（Mg O）、F e O 對鋼渣安定性的影響

根據(jù) MgO/FeO 的比值，可將含 Mg 的 RO 相分為貧 Mg 方鐵石、富 Mg 方鐵石、鐵方鎂石、方鎂石四類。壓蒸試驗證明，四類 RO 相安定性不同。不含 FeO的 RO 相（方鎂石）在2MPa 下壓蒸3h，MgO 轉(zhuǎn)變?yōu)镸g(OH)2，硬化漿體有可見裂縫，安定性嚴重不良；貧Mg 方鐵石即使在5MPa 下壓蒸72h，仍未水化反應(yīng)，安定性良好；富 Mg 方鐵石和鐵方鎂石在壓蒸條件下會發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生的微膨脹對鋼渣制品安定性影響不大?？梢姾?Mg 的 RO 相安定性受 MgO/FeO 比值影響，比值越小，RO 相安定性越好。

試驗研究證明，RO 相不是絕對惰性，當鋼渣中MgO 含量超過某一臨界值，在壓蒸條件下會與水反應(yīng)產(chǎn)生膨脹，使鋼渣安定性不良。

5.3 F e S、Mn S 對鋼渣安定性的影響

鋼渣中 FeS、MnS 一般含量較少，當鋼渣中硫含量大于3% 時，鋼渣中的硫化亞鐵、硫化亞錳水化生成Fe(OH)2、Mn(OH)2，體積分別增大1.4倍、1.3倍。所以，當鋼渣中 S 含量大于3% 時，一般就會出現(xiàn)鋼渣安定性不良。

5.4 鐵粒對鋼渣安定性的影響

在鋼渣破碎磁選過程中可以除去大部分金屬鐵，但仍有少量鐵存在，鋼渣水泥標準 YB/T022—2018《用于水泥中的鋼渣》規(guī)定，用于生產(chǎn)鋼渣水泥的鋼渣，其金屬鐵含量必須低于2.0%（YB/T022—1992版規(guī)定低于1.0%）。研究發(fā)現(xiàn)，當鋼渣微粉中金屬鐵粒含量在2.2% 以上時，壓蒸試驗安定性不合格。

6 鋼渣在混凝土和砂漿中的應(yīng)用情況和應(yīng)用方式

一直以來，由于鋼渣的安定性問題，鋼渣在混凝土和砂漿中的應(yīng)用很零散，不成規(guī)模，應(yīng)用也很不規(guī)范，甚至概念模糊：如以前對凡用了鋼渣的都統(tǒng)稱為鋼渣混凝土/砂漿。一般地按鋼渣的使用方式分四種類型比較合適：鋼渣水泥混凝土/砂漿；鋼渣復(fù)合料混凝土/砂漿；鋼渣摻合料混凝土/砂漿；鋼渣骨料混凝土/砂漿。

6.1 鋼渣水泥混凝土/砂漿

是指將鋼渣磨細當混合材加入水泥中，配制成鋼渣硅酸鹽水泥（GB13590—2006），用鋼渣水泥配制的混凝土/砂漿。將鋼渣制成水泥使用，鋼渣的體積穩(wěn)定性不良對混凝土和砂漿的安定性影響最低，但鋼渣的易磨性較差、鋼渣和外加劑的適應(yīng)性較差。

6.2 鋼渣復(fù)合料混凝土/砂漿[4]

是指由鋼渣復(fù)合料配制成的混凝土/砂漿。鋼渣復(fù)合料（GB/T28294—2012）由鋼渣與復(fù)合劑組成，鋼渣指轉(zhuǎn)爐鋼渣經(jīng)穩(wěn)定處理后，通過4.75mm 方孔篩的尾渣。復(fù)合劑由礦渣、二水石膏、硅酸鹽水泥熟料按一定比例磨細制成的粉體材料。鋼渣復(fù)合料適用于道路混凝土、普通砂漿、自承重結(jié)構(gòu)混凝土。這種混凝土/砂漿的膠凝材料和細骨料為鋼渣復(fù)合料，一般不再添加其他膠凝材料（包括水泥）和細骨料。鋼渣作為細骨料有級配要求，類同于國標 GB/T14684—2011《建設(shè)用砂》的 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 區(qū)要求。鋼渣復(fù)合料實際上就是一種加入了鋼渣細骨料的膠凝材料，分四個強度等級：SC32.5、SC42.5、SC52.5、SC62.5。

鋼渣復(fù)合料到目前還沒有被攪拌站接受，沒有用于預(yù)拌混凝土，也沒有應(yīng)用到承重結(jié)構(gòu)混凝土，但有少量應(yīng)用于道路混凝土，少量干混砂漿廠在小范圍使用。

6.3 鋼渣摻合料混凝土/砂漿

是指由符合 YB/T022—2018標準規(guī)定的轉(zhuǎn)爐或電爐鋼渣（簡稱鋼渣），經(jīng)磁選除鐵處理后粉磨達到一定細度的產(chǎn)品，一般稱鋼渣粉（GB/T20491—2017）。用鋼渣粉取代部分水泥或粉煤灰、礦粉配制的混凝土/砂漿。

細磨加工不僅使渣粉顆粒減小，增大其比表面積，使渣粉中的大部分 f-CaO、f-MgO 能與水泥同步水化以提高鋼渣粉穩(wěn)定性，還伴隨著鋼渣晶格結(jié)構(gòu)及表面物化性能變化，使粉磨能量轉(zhuǎn)化為渣粉的內(nèi)能和表面能，提升鋼渣活性。但鋼渣摻合料中的 f-CaO、f-MgO 并不能全部保證與水泥同步水化，還有小部分要延遲水化，延遲水化時間可能長達數(shù)月甚至數(shù)年，給混凝土/砂漿體積安定性埋下隱患。

6.4 鋼渣骨料混凝土/砂漿

就是利用沉年鋼渣做為重骨料，根據(jù)容重要求，合理級配，由膠凝材料加鋼渣或部分巖石骨料配制成的混合物，一般用于房心配重回填，水位較高地區(qū)用于抗浮配重，一般不用于結(jié)構(gòu)混凝土。但近來因為普通砂石骨料的緊缺，有人用鋼渣代替砂石骨料生產(chǎn)普通混凝土和砂漿，因鋼渣中存在 f-CaO、f-MgO、FeS、MnS 及金屬鐵粒等體積穩(wěn)定性不良的組分，這些不良組分經(jīng)過高溫煅燒呈“死燒”狀態(tài)，水化非常緩慢，在混凝土或砂漿硬化數(shù)月甚至數(shù)年后，在混凝土或砂漿堿性環(huán)境中，當溫濕度滿足要求時，它們會進行水化反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹，對混凝土和砂漿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)爆點、開裂、剝離、脫落等質(zhì)量事故，造成重大損失。

7 鋼渣混凝土/砂漿體積穩(wěn)定性不良的典型案例

鋼渣體積穩(wěn)定性不良造成的混凝土后期脹裂、剝離、脫落，砂漿后期鼓包、爆裂、脫落等質(zhì)量事故，近幾年呈上升趨勢。究其原因，主要是近兩年來，砂石骨料供應(yīng)特別緊張且價格居高不下，每當遇到環(huán)保督查嚴格時砂石往往現(xiàn)金難求，市面上凡具有砂顆粒形狀的物質(zhì)都被當作砂在用，導(dǎo)致近幾年“雜燴砂”一直盛行。通過熱悶法處理的鋼渣粉化率高（粒徑20mm 以下者達85%），這種鋼渣看起來就是一種具有較好粒徑、級配和一定強度的“鋼渣砂”，這種鋼渣砂都不用篩分就可以直接用于混凝土，適當破碎、篩分就可以用于砂漿。這種鋼渣砂相對于正品機制砂有價格優(yōu)勢，一部分是攪拌站和干混砂漿廠自己采購的，一部分以混合砂（與其他砂搭配一起出售）的形式出現(xiàn)在市面上。

去年以來，筆者參與過十多起這樣的質(zhì)量事故調(diào)查分析處理，下面就混凝土和砂漿爆裂事故談一些典型案例，供同行借鑒。

7.1 鋼渣摻合料混凝土開裂案例

LF 小區(qū)三期 * 號棟，地下2層、地上33層?；炷劣?J 攪拌站供應(yīng)，2017年 J 攪拌站由于環(huán)保改造需要搬遷重建，混凝土由 S 攪拌站代理生產(chǎn)。8～9月澆筑7～10層樓板混凝土（C25）時，由于粉煤灰供應(yīng)緊張，攪拌站以鋼渣磨細粉作摻合料替代粉煤灰生產(chǎn)混凝土，鋼渣粉摻量60kg/m3。11月陸續(xù)發(fā)現(xiàn)7～10層樓板開裂，回彈抽芯檢測強度基本滿足設(shè)計要求，經(jīng)專家會議論證同意上層繼續(xù)施工，同時定期觀察裂縫發(fā)展，至2018年夏季，裂縫還在擴展，大多數(shù)已發(fā)展成貫穿裂縫，裂縫寬的可以塞進手指頭。通過各方論證采取的加固方案為7～10層樓板基本上全部鑿除置換重澆，攪拌站直接損失1000余萬元。

7.2 鋼渣細骨料混凝土爆裂案例

長沙某高層，層高34層，2018年6月施工的34、35、36層 C25混凝土樓板，2019年7月發(fā)現(xiàn)樓板出現(xiàn)大量爆裂點，爆裂點中心發(fā)現(xiàn)黑褐色細骨料，疑是鋼渣顆粒。

婁底某項目 C35樓板，2017年施工，已粉刷。約2年后，部分樓板出現(xiàn)混凝土表層點狀爆開現(xiàn)象，爆點直徑約10mm，爆點中心有一顆約2mm 褐色骨料顆粒，爆裂現(xiàn)象在炎熱天氣發(fā)生。

這兩個事故都是誤用了摻了鋼渣砂的混合砂造成的，無從追溯，只能攪拌站自己承受損失。

7.3 鋼渣細骨料干混砂漿爆灰案例

JHC 三期4棟高層，其中2棟整棟2棟部分樓層因干混砂漿安定性問題，內(nèi)墻砂漿于2018年5月開始出現(xiàn)不同程度的爆灰現(xiàn)象，4棟建筑砂漿施工日期為2017年7～11月。據(jù) SD 干混砂漿廠反映，由于2017年4月環(huán)保督查，全省河砂禁采，機制砂剛起步，砂石價格暴漲，砂的來源和價格不能滿足生產(chǎn)需求，干混砂漿廠從某鋼廠進了一批鋼渣，通過粉碎、篩分加工制成鋼渣砂用于生產(chǎn)干混砂漿，由于鋼渣安定性不良，導(dǎo)致這批使用了鋼渣砂的干混砂漿施工抹面后，約10個月發(fā)現(xiàn)不斷出現(xiàn)大面積爆灰現(xiàn)象，期間一度爆點如雨后春筍般生長。根據(jù)現(xiàn)場檢測：部分已批刮膩子或已完成面漆的內(nèi)墻發(fā)現(xiàn)砂漿鼓包情況，鼓包基本呈倒圓錐型，爆點直徑為10～50mm、深度約4～7mm，爆點中心發(fā)現(xiàn)棕褐色或白色顆粒狀物質(zhì)鑲嵌在砂漿基體中，且以棕褐色顆粒為主。經(jīng)觀測至2019年7月將近2年爆裂情況基本穩(wěn)定，通過專家評審確定以抗裂砂漿修補加固施工方案。在此次質(zhì)量事故中干混砂漿廠直接損失300余萬元。

8 結(jié)束語

鋼渣作為一種存量很大、增長很快、再生利用較差的廢渣，引發(fā)的環(huán)保問題日益受到重視，變廢為寶，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是人類追求的夢想。鋼渣安定性不良問題應(yīng)引起摻合料、混凝土和砂漿行業(yè)的高度重視，現(xiàn)階段鋼渣在混凝土和砂漿中的應(yīng)用應(yīng)該慎重，尤其是將鋼渣當骨料使用更應(yīng)引起高度重視。加大對鋼渣改性和應(yīng)用的研發(fā)投入，徹底解決鋼渣體積穩(wěn)定性不良問題，才是鋼渣在建材領(lǐng)域快速大量消納的根本出路，我們期待變鋼渣為寶的日子指日可待。