抑制鋼渣膨脹性的研究現(xiàn)狀與展望

孔祥文

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

1 前言

鋼渣作為鋼鐵工業(yè)發(fā)展的副產(chǎn)物，數(shù)量約為鋼產(chǎn)量的15%～20%。近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展，鋼渣的排放量也在快速增長(zhǎng)。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，2018年我國(guó)產(chǎn)生了約1.21×109t鋼渣。從上世紀(jì)90年代初到2018年末，我國(guó)鋼渣尾渣累計(jì)堆存量超過(guò)1.8×1010t，占地20多萬(wàn)畝。大量鋼渣的堆積、填埋，不僅占用了大面積土地資源，而且會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題。因此，有效利用鋼渣是經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

2 鋼渣的特性

鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣。是生鐵在熔煉過(guò)程中所含雜質(zhì)被氧化而成的各種鹽類組成。由于熔煉過(guò)程不同，其產(chǎn)生的鋼渣在顏色、外觀形態(tài)上有很大區(qū)別。通常情況下，灰色的鋼渣一般堿度較低，堿度較高的鋼渣呈褐灰色、灰白色。堆放在自然環(huán)境中的鋼渣在長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化下會(huì)膨脹變成土塊狀和粉狀。

鋼渣的主要成分為二氧化硅（SiO2）、氧化鈣（CaO）、方鐵礦（FeO）、赤鐵礦（Fe2O3）和氧化鎂（MgO），占成分的85 %。次要元素包括錳（Mn）、鐵（Fe）、鋁（Al）和硫（S）化合物以及一些其他微量元素。

煉鋼工藝的不同決定了鋼渣性能的多樣化，大多數(shù)鋼渣的含水率為3%～8%。鋼渣中鐵粒和含鐵固溶體含量較高，密度一般為3.10～3.69g/cm3，因此，鋼渣在硬度、強(qiáng)度、耐磨性和耐沖擊性方面要優(yōu)于普通碎石。

鋼渣中含有的礦物成分與硅酸鹽水泥熟料相似，使鋼渣具有一定的水硬活性。此外，鋼渣或其混合料在抗腐蝕性方面有一定優(yōu)勢(shì)，在海水或鹽水中浸泡后，也不會(huì)發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象。

3 鋼渣膨脹原理

學(xué)者普遍認(rèn)為，鋼渣膨脹性的原因主要是由于鋼渣中存在游離氧化鈣（f-CaO）和游離氧化鎂（f-MgO），f-CaO水化后形成Ca（OH）2，其體積會(huì)增長(zhǎng)91.7%，而f-MgO水化后固相體積會(huì)增長(zhǎng)119.6%。

Alexander等將鋼渣破碎成4.75～6.35mm的鋼渣顆粒，放入壓蒸釜中，在一定條件下放置3h后，發(fā)現(xiàn)處理后的鋼渣試件體積比之前的體積增長(zhǎng)了8.7%～8.8%。根據(jù)同步熱分析儀（TGA）顯示，鋼渣試件中Ca（OH）2、Mg（OH）2、CaCO3含量明顯增加，證明了鋼渣中的f-CaO和f-MgO水化后造成鋼渣體積膨脹。George Wang通過(guò)當(dāng)前硅酸晶體研究現(xiàn)狀，建立了f-CaO的分子模型，推算出f-CaO是鋼渣不穩(wěn)定的主要因素，指出當(dāng)f-CaO含量增大1%時(shí)，其水化后鋼渣膨脹率可達(dá)1.15%。鋼渣的膨脹特性與鋼渣顆粒大小、鋼渣密實(shí)程度、f-CaO的數(shù)量都有密切聯(lián)系。馮濤等人研究發(fā)現(xiàn)，不僅f-CaO的水化可以引起鋼渣體積的不穩(wěn)定，其水化后形成的Ca（OH）2同樣影響鋼渣體積不穩(wěn)定性。在水化反應(yīng)初期，形成的Ca（OH）2多為無(wú)定型或小晶體。隨著無(wú)定型或小晶體的Ca（OH）2再結(jié)晶，使Ca（OH）2晶體體積再次增長(zhǎng)，最終造成鋼渣的體積不穩(wěn)定。

鋼渣中的游離氧化鈣（f-CaO）能夠引起鋼渣體積膨脹的觀點(diǎn)得到了一致認(rèn)可，但對(duì)于鋼渣中的RO相（二價(jià)金屬氧化物MgO、MnO、FeO固溶相的總稱）能否對(duì)鋼渣膨脹性造成影響持有不同觀點(diǎn)。唐明述等人認(rèn)為RO相不會(huì)造成鋼渣的體積不穩(wěn)定，其性質(zhì)在高溫高壓條件下也極為穩(wěn)定；葉貢欣認(rèn)為RO相中的方鎂石固溶體會(huì)引起鋼渣膨脹。

4 抑制鋼渣膨脹性的措施

對(duì)于鋼渣膨脹性最常用的方法就是堆積在渣場(chǎng)，自然陳化2～3年再加以利用。但此方法易形成較大的渣山，占用大量的土地資源，還會(huì)引起地下水污染等環(huán)境問(wèn)題。為了找到一種經(jīng)濟(jì)綠色的處理方法，業(yè)內(nèi)展開了大量研究，提出了許多可行措施。

4.1 浸水處理

吳旻利用對(duì)比試驗(yàn)，比較原狀鋼渣在露天和浸水兩種不同條件下放置28d后鋼渣的浸水膨脹率和f-CaO的含量。試驗(yàn)結(jié)果表明，原狀鋼渣在露天下放置28d后，鋼渣中f-CaO含量為3.41%，浸水膨脹率為4.08%；浸水處理28d后的鋼渣中f-CaO含量為2.55%，膨脹率為3.18%。對(duì)比浸水與露天兩種方式處理的鋼渣中f-CaO含量和膨脹率，發(fā)現(xiàn)兩項(xiàng)指標(biāo)均顯著減小。可知常溫浸水處理可抑制鋼渣膨脹，降低游離氧化鈣含量。

4.2 摻加礦物材料

國(guó)內(nèi)學(xué)者肖琪仲率先開展了對(duì)鋼渣膨脹性的研究，并提出了抑制鋼渣膨脹性的處理方法。通過(guò)對(duì)不同類型鋼渣進(jìn)行水熱處理，發(fā)現(xiàn)鋼渣經(jīng)水熱處理后均有膨脹現(xiàn)象，但強(qiáng)度不高。將硅質(zhì)材料加入鋼渣中，鋼渣中硅與鈣比例增大，會(huì)使硬硅鈣石含量增加，提高鋼渣抗壓強(qiáng)度。在高溫高壓水熱條件下，鋼渣中的SiO2和MgO生成穩(wěn)定的含鎂水化物，會(huì)抑制方鎂石的水化。此外，向鋼渣中摻入細(xì)砂可以對(duì)鋼渣水熱過(guò)程中的膨脹起抑制效果。

周云等人提出，在對(duì)鋼渣進(jìn)行風(fēng)碎工藝預(yù)處理的基礎(chǔ)上，將粉煤灰加入鋼渣中，可使鋼渣中形成穩(wěn)定化合物，抑制鋼渣膨脹性。林宗濤通過(guò)前期預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，找出最佳預(yù)處理料的生產(chǎn)條件為：鋼渣與粉煤灰的比例為3∶2，加入礦化劑的量為3%，煅燒溫度為850℃，煅燒時(shí)間為85min。X射線衍射表明，鋼渣中f-CaO衍射峰基本消失。倫云霞提出向鋼渣中加入高爐水渣微粉可降低f-CaO的水化反應(yīng)，同時(shí)，在鋼渣表面自由能下降部位，高爐水渣微粉粒子會(huì)析出CSH凝膠，提高鋼渣的體積穩(wěn)定性。

朱光源研究了向鋼渣中摻入不同礦物材料后鋼渣的膨脹性變化。在摻量5%的條件下，單摻硅灰對(duì)鋼渣混合料的膨脹性抑制效果最好，浸水膨脹率降低了90%。當(dāng)兩種礦物材料兩兩復(fù)合摻入時(shí)，摻有硅灰試驗(yàn)組的浸水膨脹率要小于其他未摻入硅灰試驗(yàn)組的浸水膨脹率。X射線衍射表明，向鋼渣中摻入礦物材料降低了f-CaO含量，生成了對(duì)鋼渣混合料強(qiáng)度有增強(qiáng)作用的硅酸鹽類。2019年，朱光源等人在原有研究基礎(chǔ)上，得出礦物細(xì)摻料能抑制鋼渣集料膨脹性的主要原因是礦物細(xì)摻料具有火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，并進(jìn)一步分析了礦物細(xì)摻料的比重。從抑制鋼渣集料膨脹性的效果及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，認(rèn)為摻加10%的礦渣微粉、粉煤灰、硅灰三元復(fù)合細(xì)摻料，其中三者質(zhì)量比為為1∶1∶2，可以更好地抑制鋼渣膨脹性。

4.3 改善鋼渣處理工藝

改進(jìn)鋼渣處理工藝可以加快鋼渣膨脹抑制效率。1966年，德國(guó)研究出一種新的鋼渣處理工藝應(yīng)用到煉鐵生產(chǎn)線，通過(guò)向高溫液態(tài)鋼渣中加入氧氣和砂，使f-CaO熔解并發(fā)生化學(xué)結(jié)晶，結(jié)果f-CaO含量降到1%以下。日本采用常壓冷渣陳化法和有壓冷渣陳化法來(lái)處理鋼渣。常壓冷渣陳化法是在常壓蒸汽下蒸養(yǎng)48h，處理周期約1周，1t鋼渣消耗蒸汽140～250 kg，處理后的鋼渣浸水膨脹率可控制在1.5%以內(nèi)。有壓冷渣陳化法是在0.3～0.5 MPa的壓力下蒸養(yǎng)2h，處理周期1周，1t鋼渣消耗蒸汽85kg，處理后鋼渣浸水膨脹率也可控制在1.5%以內(nèi)。日本采用該方法處理后的鋼渣，主要用于鋪路建設(shè)。

吳淑文將粉煤灰與鋼渣按照一定比例混合進(jìn)行改質(zhì)，然后用風(fēng)淬法、滾筒法和風(fēng)淬熱悶法三種預(yù)處理方式分別處理改質(zhì)后鋼渣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)鋼渣進(jìn)行預(yù)處理能提高其穩(wěn)定性。三種預(yù)處理方式中，風(fēng)淬熱悶法對(duì)鋼渣的穩(wěn)定性提高最多，風(fēng)淬熱悶后鋼渣中f-Ca0含量為1.32%；風(fēng)淬法對(duì)鋼渣穩(wěn)定性改善效果次之，預(yù)處理后鋼渣中f-Ca0含量為1.60%；滾筒法對(duì)鋼渣的膨脹性抑制效果最差，處理后鋼渣中f-Ca0含量為6.03%。風(fēng)淬熱悶渣的穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于風(fēng)淬鋼渣和滾筒渣。

許博等通過(guò)向鋼渣中添加乙酸溶液和微硅粉來(lái)預(yù)處理鋼渣，進(jìn)而降低鋼渣的膨脹率。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種方法均能有效降低鋼渣的體積膨脹率，其改善效果與試劑摻量呈正相關(guān)關(guān)系；在乙酸浸泡組中，浸泡3h就能完全發(fā)揮作用，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組降低幅度均在76.1%以上；在加微硅粉的試驗(yàn)組中，膨脹率降低幅度隨摻量的不同有明顯差異。當(dāng)微硅粉摻入量超過(guò)2.4%時(shí)，膨脹率值會(huì)降低至2%以下，而當(dāng)摻入量為4.8%時(shí)，膨脹率值為0.4%，降低幅度高達(dá)87.1%。

4.4 摻加激發(fā)劑

鄧侃研究了向鋼渣和礦渣復(fù)合膠凝材料中分別添加玻纖、礦纖后，材料的體積穩(wěn)定性的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻玻纖和礦纖均對(duì)鋼渣的壓蒸膨脹率有減小作用，但摻加礦纖的效果優(yōu)于摻加玻纖的效果；使用掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在水化后期，纖維表面生長(zhǎng)的氫氧化鈣晶體使纖維和晶體緊密粘結(jié)。肖文斌等人通過(guò)物理和化學(xué)復(fù)合激發(fā)的方法，探索得出多聚磷酸鹽、Na2CO3、Na2CO3+NaOH、Na2CO3+NaAlO2、NaHCO3+NaOH、Na2SiO3·9H2O+NaOH等較優(yōu)的激發(fā)劑，用量均在1%～2%之間，最優(yōu)激發(fā)劑為多聚磷酸鹽，用量為1%，可以解決鋼渣應(yīng)用過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題。

4.5 鋼渣碳酸化

董曉丹利用CO2與CaO反應(yīng)生成CaCO3的原理，對(duì)鋼渣進(jìn)行碳酸化處理。試驗(yàn)研究表明，鋼渣碳酸化的最佳條件為：反應(yīng)溫度700°C，反應(yīng)時(shí)間30～60min，最佳粒徑0.18mm，CO2體積分?jǐn)?shù)80%，水蒸汽體積分?jǐn)?shù)10%～20%。以上條件下，游離CaO的反應(yīng)率為90%。

姚恒山等采用壓蒸法對(duì)碳酸化后硬化鋼渣試塊的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，塊體的空隙率會(huì)隨著鋼渣坯體的碳酸化過(guò)程變小。將粉磨8h的鋼渣碳酸化，7d后發(fā)現(xiàn)鋼渣總空隙率僅為16.67%，空隙率降低了10.17%。對(duì)其進(jìn)行壓蒸試驗(yàn)后，鋼渣保持良好的體積穩(wěn)定性，并未出現(xiàn)裂紋和損壞。同時(shí)，鋼渣中易被碳化的礦物有C2S、C3S、Ca（OH）2、f-CaO、MgO，而Ca2（Al,Fe）2O5、FeO礦物難以被碳化。分析指出，碳酸化鋼渣體積穩(wěn)定性良好的根本原因在于鋼渣坯體中足夠的空隙以及CaCO3在非原地空隙中的生長(zhǎng)機(jī)制。

4.6 鋼渣表面改性工藝

用一定的方式來(lái)改變鋼渣的表面特性，以此來(lái)抑制鋼渣膨脹性，這就是鋼渣的表面改性。吳少鵬等采用物理手段，使用自制的硅樹脂覆蓋在鋼渣表面，通過(guò)形成隔膜阻止鋼渣與水的接觸反應(yīng)。同時(shí)，處理后的鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性也有所提高。王川采用兩種不同的改性材料對(duì)鋼渣表面改性，試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種方法改性后的鋼渣都具有良好的力學(xué)性能。

5 展望

鋼渣是一種具有應(yīng)用前景的冶金固體廢棄物，目前，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼渣綜合利用率已接近100%。相比之下，我國(guó)的鋼渣利用率偏低，只有22%左右。雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者作了大量研究，也提出了許多有效措施，但這些方法都存在各自的限制，難以大規(guī)模推廣使用。如何找到一種既方便有效又經(jīng)濟(jì)環(huán)保的鋼渣膨脹性處理方法，仍需要我們不斷探索。