鋼渣在土木工程材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題綜述

王顯雙，儲(chǔ)鋼，秦鴻根

（1. 安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2. 東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189）

0 前言（目的與背景）

鋼渣特指在煉鋼過(guò)程時(shí)排出的熔渣，主要是指在吹煉過(guò)程中金屬爐料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蝕的爐襯料和補(bǔ)爐材料、金屬爐料帶入的雜質(zhì)和為調(diào)整鋼渣性質(zhì)而特意加入的造渣材料，如石灰石、白云石、鐵礦石、硅石等。

（1）鋼渣主要成分

鋼渣主要由鈣、鐵、硅、鎂和少量鋁、錳、磷等的氧化物組成。主要的礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣以及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體，還含有少量游離氧化鈣以及金屬鐵、氟磷灰石等。有的地區(qū)因礦石含鈦和釩，鋼渣中也稍含有這些成分。

（2）鋼渣的種類

根據(jù)冶煉工藝的不同所產(chǎn)生的鋼渣主要可分為轉(zhuǎn)爐渣、電爐渣、鑄余渣以及不銹鋼渣等。轉(zhuǎn)爐渣是在轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)所產(chǎn)生的廢渣，主要來(lái)源于金屬爐料帶入的雜質(zhì)，廢鋼與鐵水中所含元素氧化后形成的氧化物，加入脫硫產(chǎn)物、氧化劑、硅石、石灰石等造渣劑以及被侵蝕的爐襯材料等；電爐渣是在電爐煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的熔渣，主要來(lái)源于裝料時(shí)帶入的雜質(zhì)，加入硅石、石灰石等造渣材料，金屬爐料中鐵、硫、磷、硅、鋁等元素氧化反應(yīng)后形成的氧化物以及被侵蝕的爐襯材料等；鑄余渣則是鋼包內(nèi)的鋼水經(jīng)過(guò)鑄錠后或連鑄后剩余的渣與鋼水混合物；不銹鋼渣是在冶煉 200、400 系列不銹鋼過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣，其礦物組成與轉(zhuǎn)爐渣比較，鉻鎳鐵合金含量較高。

（3）鋼渣的處理與應(yīng)用

隨著國(guó)內(nèi)外煉鋼工藝、技術(shù)、鋼渣物化性能以及造渣制度的多樣化發(fā)展，鋼渣處理工藝也日漸呈現(xiàn)多樣化，主要包括了風(fēng)淬法、水淬法、熱潑法、熱悶法、滾筒法、空冷噴淋法等。在選擇鋼渣處理工藝時(shí)，通常從投資、環(huán)境與節(jié)能、鋼渣綜合利用途徑等多方面出發(fā)，在確保煉鋼工藝能夠順利開展的基礎(chǔ)上，綜合考慮鋼渣的流動(dòng)性與黏度，選取最佳處理工藝，充分分離渣鐵，并盡可能確保鋼渣活性，最大程度減小鋼渣的不穩(wěn)定性。

鋼渣產(chǎn)量一般為粗鋼產(chǎn)量的 15%～20%。按照粗鋼的產(chǎn)量換算，2020 年全世界排放鋼渣量約 2.82～3.76 億噸，我國(guó) 2019 年排放鋼渣約 1.49 億噸，2020 年鋼渣量增加到約 1.60 億噸，而且還有大量積存鋼渣尚未處理。

1 鋼渣綜合利用現(xiàn)狀

我國(guó)鋼渣的排放以轉(zhuǎn)爐渣為主，占整個(gè)鋼渣排放量的 70% 以上，研究的也最多。從上世紀(jì) 80 年代中期對(duì)老渣山進(jìn)行的技術(shù)開發(fā)以及對(duì)新老鋼渣多層綜合利用開始，我國(guó)已經(jīng)有了對(duì)鋼渣 30 多年的研究歷史，其中首鋼、太鋼、唐鋼、武鋼等多家鋼廠都對(duì)鋼渣進(jìn)行處理和綜合利用研究，但研究主要集中于工程回填、水泥燒結(jié)等方面的綜合利用[1]。我國(guó)在《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》（2016-2020 年）中提出，到 2020 年我國(guó)的鋼渣利用率提高到 95%，但當(dāng)前我國(guó)的鋼渣利用率仍然不高，鋼渣的綜合利用還需要進(jìn)一步研究。

我國(guó)利用鋼渣的途徑主要集中在以下幾個(gè)方面[2-5]：作道路材料、回填材料、燒結(jié)礦原料、鋼渣水泥、用于混凝土中的鋼渣粉、地面磚和建筑用墻體材料等。

（1）用作燒結(jié)礦原料和煉鐵、煉鋼配料

鋼渣中有超過(guò) 50% 的氧化鈣，可以部分取代石灰作燒結(jié)礦助熔劑。加入適量鋼渣于燒結(jié)礦中，能提高燒結(jié)礦的質(zhì)量，促進(jìn)轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和燒結(jié)率的提高，使風(fēng)化率降低，成品率增加，同時(shí)還對(duì)燒結(jié)造球和燒結(jié)速度的提高有利，生產(chǎn)成本也可以降低；作煉鐵、煉鋼熔劑，鋼渣返回高爐使用，主要是利用渣中的氧化鈣取代石灰石。還可以回收與利用鋼渣中的有益成分，降低熔劑消耗，提高高爐渣的流動(dòng)性，使煉鐵、煉鋼的產(chǎn)量增加。但是不能大量使用，因?yàn)殇撛械膹?qiáng)堿性物質(zhì)對(duì)高爐的使用壽命有影響。鋼渣中有近 25% 的金屬鐵，含廢鋼 10%～15%，通過(guò)手選和磁選，可以提取回收各個(gè)粒級(jí)的廢鋼鐵，其中有很大部分的鐵品位較高的渣可以作煉鋼、煉鐵的原料，可以減少對(duì)環(huán)境的污染和提高經(jīng)濟(jì)效益。

（2）道路材料

鋼渣作道路材料使用最重要的是要解決鋼渣的安定性不良問題，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：首先，對(duì)鋼渣進(jìn)行預(yù)處理，使游離氧化鈣盡快消解為 Ca(OH)2。比如采用噴水熱悶、余熱自解等工藝。然后，將石灰等活性材料摻入鋼渣中。石灰等活性材料的加入與鋼渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能加快鋼渣中 f-CaO 消解，并使其水化生成 Ca(OH)2，經(jīng)過(guò)處理的鋼渣吸水性很強(qiáng)，對(duì)于軟弱潮濕的路基、基底等有很好的改良作用，而且強(qiáng)度較高，對(duì)提高路基承載力也有很不錯(cuò)的效果。

（3）回填材料

鋼渣具有一定的水硬性、膠凝固結(jié)性等特征，利用這些特征，把鋼渣作為回填材料，能夠提高溝槽回填質(zhì)量，但是為了回填工程質(zhì)量的保證，必須制訂材料技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)以及拌制加工工藝。熱燜粉化鋼渣作為溝槽回填材料使用，可以滿足回填強(qiáng)度的要求，激發(fā)鋼渣的潛在活性，開發(fā)其工程應(yīng)用特性，對(duì)于減少鋼渣的環(huán)境污染、減低工程經(jīng)濟(jì)費(fèi)用、提高溝槽回填質(zhì)量、開創(chuàng)文明施工環(huán)境等多方面都具有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益。

（4）地面磚和建筑用墻體材料

經(jīng)過(guò)磨細(xì)的鋼渣，并加入適量的添加劑，可以降低 f-CaO 的不安定性，作地面磚與建筑用墻體材料使用。該材料性能穩(wěn)定，抗凍性能良好，后期強(qiáng)度仍不斷增加，可用做工業(yè)與民用建筑中的承重墻體材料。

（5）鋼渣水泥和用于混凝土中的鋼渣摻合料

鋼渣中含有硅酸三鈣、硅酸二鈣等膠凝物質(zhì)，具有一定的水硬膠凝性。此外，鋼渣中的 Fe2O3含量也較高，很適用于生產(chǎn)水泥的摻合料來(lái)替代鐵礦粉。鋼渣的粒度一般不大于 12mm，才可以用作水泥混合材，且摻量不超過(guò) 10%。鋼渣粉的加入有利于提高混凝土的致密度、抗?jié)B性和耐磨性等，同時(shí)有保護(hù)鋼筋的作用。鋼渣粉的液相堿度為 14.0 以上，在混凝土中摻加一定量的鋼渣粉還可以改變混凝土的液相堿度，提高混凝土的性能。

2 鋼渣應(yīng)用中的有關(guān)問題

2.1 鋼渣利用率低的原因

盡管鋼渣有許多利用價(jià)值及優(yōu)點(diǎn)，且研究領(lǐng)域廣泛，但是很多鋼鐵企業(yè)對(duì)于鋼渣的二次資源利用認(rèn)識(shí)不足，加上處理工藝的落后，不愿資金投入等，還有部分的鋼渣沒有得到利用，被作為廢棄物而丟棄，占用良田，污染環(huán)境。即使被利用部分的鋼渣其利用率也不高，尤其是將鋼渣工程化應(yīng)用明顯不足。影響鋼渣利用率有許多制約因素[6]，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）成分波動(dòng)很大。不同來(lái)源的鋼渣成分差別很大，甚至同一鋼廠產(chǎn)出的鋼渣成分也不相同。同種鋼渣不同粒徑組成的鋼渣顆粒的化學(xué)成分雖然變化較小，但這種變化足以改變鋼渣中的礦物組成，進(jìn)而影響其水化活性。這種品質(zhì)的波動(dòng)嚴(yán)重阻礙了鋼渣在水泥混凝土中的規(guī)?；茝V應(yīng)用。

（2）膠凝活性低。雖然鋼渣的化學(xué)組成、礦物組成和水泥熟料的相似，但鋼渣中活性相對(duì)較高的硅酸鹽礦物及鐵鋁酸鹽礦物含量較少，僅占到水泥熟料的 20%～60% 不等。鋼渣的形成溫度過(guò)高，其礦物晶體發(fā)育粗大，F(xiàn)e、Mg 和 Mn 等雜質(zhì)離子固溶進(jìn)硅酸鹽礦物及鐵鋁酸鹽礦物中，與硅酸鹽水泥熟料中的相同礦物相比，鋼渣中的礦物活性較低、水硬性差。雖然目前已有多種不同的預(yù)處理技術(shù)，可以對(duì)鋼渣進(jìn)行活化，提高膠凝活性，但由于受到鋼渣品質(zhì)波動(dòng)的影響，都無(wú)法從根本上消除成分波動(dòng)引起的影響。如機(jī)械活化，受到鋼渣中存在的單質(zhì)鐵的影響，其易磨性難得到本質(zhì)的改善；化學(xué)活化中使用的激發(fā)劑與鋼渣的化學(xué)和礦物組成直接相關(guān)，因而激發(fā)劑對(duì)不同化學(xué)組成的鋼渣的激發(fā)效果相差很大，嚴(yán)重制約了鋼渣在水泥等建材行業(yè)中的大量使用。

（3）體積穩(wěn)定性問題。雖然鋼渣的堿度越大、氧化鈣含量越高，越有利于鋼渣的活性，但隨著堿度的提高，RO 相對(duì)較少，f-CaO 的含量將增加，MgO 也更易以 f-MgO 的形式存在。而 f-CaO 和 f-MgO 的存在會(huì)引起鋼渣體積安定性不良。鋼渣的體積穩(wěn)定性與其堆放時(shí)間和處理方法有關(guān)。

2.2 鋼渣作骨料的應(yīng)用問題

2.2.1 鋼渣骨料對(duì)砂漿和混凝土體積穩(wěn)定性的影響

將工業(yè)廢渣應(yīng)用于土木工程中，是土木工程可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑。需要強(qiáng)調(diào)的是，工業(yè)廢渣綜合利用的前提是至少要確保土木工程質(zhì)量與安全。很遺憾的是，在沒有足夠的試驗(yàn)研究和按標(biāo)準(zhǔn)控制的情況下，濫用鋼渣做混凝土的骨料，在很多地區(qū)已發(fā)生了鋼渣骨料膨脹導(dǎo)致硬化混凝土或砂漿損傷的問題，有些問題非常嚴(yán)重[7-8]。經(jīng)調(diào)查，某些混凝土和砂漿生產(chǎn)企業(yè)考慮不周，為了減少原材料成本，摻入一定量的鋼渣集料代替部分碎石或河砂。經(jīng)檢測(cè)，與未爆裂處正常砂漿相比，紅褐色粉末中 Fe2O3、f-CaO、MgO 含量較高，證明是鋼渣顆粒。

將鋼渣用作骨料引起的混凝土和砂漿質(zhì)量問題，見圖 1。

圖1 鋼渣骨料引起混凝土和砂漿的質(zhì)量問題

2.2.2 鋼渣骨料應(yīng)用技術(shù)要求

GB/T 32546－2016《鋼渣應(yīng)用技術(shù)要求》，對(duì)鋼渣用作骨料提出了比較詳細(xì)的技術(shù)規(guī)定。鋼渣作細(xì)骨料，必須嚴(yán)格控制安定性、粒徑和金屬鐵含量。明確規(guī)定鋼渣用于砂漿、磚和砌塊時(shí)壓蒸膨脹值不大于 0.08%，堅(jiān)固性不大于 10%（磚和砌塊中的粗骨料不大于 12%）。

YB/T 4201—2009《普通預(yù)拌砂漿用鋼渣砂》規(guī)定：粒徑為 0.15～2.36mm，金屬鐵不大于 1.0%；壓蒸粉化率不大于 5.90%，放射性（內(nèi)外照射）均不大于 1.0。

GB/T 24764—2009《外墻外保溫抹面砂漿和粘結(jié)砂漿用鋼渣砂》規(guī)定：最大粒徑 2.36mm，金屬鐵小于 1.0%，壓蒸安定性（先沸煮 2h）試件表面無(wú)鼓包、無(wú)裂痕、無(wú)脫落、無(wú)粉化，且膨脹率不大于 0.8%。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼渣用作骨料只涉及砂漿（細(xì)骨料）、磚和砌塊及道路墊層、路基和回填料（粗、細(xì)骨料），所有標(biāo)準(zhǔn)均未涉及到用于工程結(jié)構(gòu)的水泥混凝土。

2.2.3 摻鋼渣骨料混凝土爆裂原因分析與技術(shù)措施

（1）鋼渣是鋼廠煉鋼中產(chǎn)生的廢渣，鋼渣中的 CaO、MgO 經(jīng)過(guò)高溫（1500℃ 左右）煅燒，結(jié)構(gòu)致密，其水化過(guò)程十分緩慢并伴隨著后期體積膨脹。有文獻(xiàn)指出[9]，CaO 與水反應(yīng)生成 Ca(OH)2時(shí)體積膨脹 97.9%，同樣 MgO 與水反應(yīng)生成 Mg(OH)2過(guò)程中，一般可以膨脹 2.2 倍。在混凝土拌合完成后乃至服役期內(nèi)，鋼渣中的 CaO、MgO 與混凝土內(nèi)的自由水或外界滲入的水分發(fā)生水化反應(yīng)，生成 Ca(OH)2和 Mg(OH)2，導(dǎo)致體積膨脹并以鋼渣為中心形成徑向輻射爆裂縫或細(xì)裂紋。

（2）對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可看出：1）鋼渣骨料原則上不得用于結(jié)構(gòu)混凝土中；2）用于砂漿、磚和砌塊的鋼渣骨料必須陳化一定時(shí)間，或經(jīng)過(guò)有效處理使其安定性合格；3）必須加強(qiáng)檢測(cè)和控制，用于砂漿中的鋼渣砂粒徑應(yīng)不大于 2.6mm；金屬鐵小于 1.0%；壓蒸安定性必須合格。

（3）鋼渣骨料因安定性引起的混凝土或砂漿質(zhì)量問題較難處理，要看其嚴(yán)重程度，如鋼渣顆粒細(xì)、摻量較小，爆裂點(diǎn)位于混凝土表層，可以局部鑿開混凝土或砂漿后，清除爆裂物，用聚合物水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，相對(duì)較易處理；如摻量較大，顆粒較大，造成全局性損害，處理就較困難。一些埋藏較深、水化更慢的鋼渣可能在較晚時(shí)期陸續(xù)發(fā)生爆裂，會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)的隱患，應(yīng)制定相應(yīng)的、專門的處理措施，工程中應(yīng)盡量避免此類事故。

2.3 鋼渣粉摻合料的應(yīng)用問題

GB/T 32546—2016《鋼渣應(yīng)用技術(shù)要求》，對(duì)鋼渣用作膠凝材料也提出了比較詳細(xì)的技術(shù)規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼渣用作膠凝材料時(shí)，安定性要滿足 GB/T 20491－2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》的規(guī)定，即沸煮法安定性合格，且當(dāng)鋼渣中 MgO 含量大于 13% 時(shí)壓蒸法安定性合格。

GB/T 20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》規(guī)定，鋼渣粉所用鋼渣應(yīng)符合 YB/T 022 技術(shù)要求的轉(zhuǎn)爐鋼渣或電爐鋼渣。主要技術(shù)指標(biāo)有比表面積、密度、含水率、流動(dòng)度比、氯離子含量、三氧化硫、游離氧化鈣、活性指數(shù)等均要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，安定性沸煮法合格，當(dāng)氧化鎂含量≥5% 時(shí)其 6h 壓蒸膨脹率應(yīng)≤0.50%。一般認(rèn)為，鋼渣作摻合料使用時(shí)，其中的 f-CaO 應(yīng)控制在 3%～5%，f-MgO 含量高于 13% 的鋼渣摻入水泥后應(yīng)作水泥的壓蒸安定性試驗(yàn)。

在 GB 25029—2010《鋼渣道路水泥》、GB 13590—2006《鋼渣硅酸鹽水泥》、GB/T 28293—2012《鋼鐵渣粉》、JC/T 1082—2008《低熱鋼渣硅酸鹽水泥》和 JC/T 1090—2008《鋼渣砌筑水泥》中，也對(duì)鋼渣的安定性做了類似的規(guī)定。

制備鋼渣膠凝材料，包括用作水泥混合材、砂漿與混凝土摻合料將是鋼渣在水泥基材料中的主要用途，比鋼渣骨料更安全。鋼渣粉細(xì)度越細(xì)，顆粒膨脹率越小，均化效果也越好，活性提高，其微膨脹作用還可減小混凝土收縮。但仍需控制其質(zhì)量和摻量。雖然鋼渣膠凝材料在應(yīng)用中已取得了顯著的成果，但其仍存在一些問題，比如活性較低，摻量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鋼渣類膠凝材料的安定性達(dá)不到要求等。

2.4 鋼渣粉的活性激發(fā)問題

2.4.1 鋼渣粉的膠凝活性

鋼渣的礦物組成主要取決于鋼渣的化學(xué)成分，同時(shí)鋼渣的礦物組成又決定了鋼渣粉的膠凝性能。鋼渣粉的膠凝性能主要來(lái)源于硅酸二鈣和硅酸三鈣的水化，兩者含量一般可以達(dá)到 50%，可以發(fā)生水化反應(yīng)生成 3CaO·2SiO2·3H2O。鋼渣的生成溫度一般在 1600℃ 以上，硅酸鹽水泥熟料的煅燒溫度僅為 1450℃，鋼渣常被認(rèn)為是“過(guò)燒硅酸鹽水泥熟料”，過(guò)高的溫度造成了鋼渣中的礦物相結(jié)晶致密、晶粒較大、凝膠性能較差、水化緩慢、早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢。WANG Qiang 等[10]對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣粉的水化特征做了研究，研究表明，轉(zhuǎn)爐鋼渣粉水化過(guò)程與水泥相似，也可以分為五個(gè)階段，但是水化緩慢，若是通過(guò)提高鋼渣粉細(xì)度，或是利用 NaOH 對(duì)鋼渣粉活性進(jìn)行激發(fā)，可以加速鋼渣水化；RO 相基本沒有活性，對(duì)整個(gè)體系的強(qiáng)度發(fā)展無(wú)任何促進(jìn)作用，相反，RO 相與水化產(chǎn)物 CSH 凝膠接觸部分易形成裂縫，降低整個(gè)體系的力學(xué)性能。

鋼渣粉的膠凝活性主要來(lái)自于其中的硅酸鹽及鐵鋁酸鹽礦相。這些礦物在鋼渣的形成過(guò)程中經(jīng)歷高溫，不僅結(jié)晶粗大、溶入較多的 FeO、MgO、MnO、P2O5等雜質(zhì)，而且伴隨出渣急冷，形成大量的玻璃體成份，從而使其水化活性大大降低。因而將其用作水泥基材料時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行活性激發(fā)，鋼渣粉活性激發(fā)的主要方式有三種：物理激發(fā)，熱力激發(fā)以及化學(xué)激發(fā)。

2.4.2 物理激發(fā)鋼渣粉膠凝活性

鋼渣粉活性物理激發(fā)又稱機(jī)械激發(fā)，主要是通過(guò)機(jī)械方法提高鋼渣的細(xì)度，從而達(dá)到激發(fā)鋼渣活性的目的。眾所周知，鋼渣的細(xì)度越大，鋼渣活性被激發(fā)出來(lái)的速度也就越快。物理激發(fā)的原理是[11]：粉磨過(guò)程不僅僅是顆粒減小的過(guò)程，同時(shí)伴隨有晶體結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化。由于物料比表面積增大，粉磨能量中的一部分轉(zhuǎn)為新生顆粒的內(nèi)能和表面能。晶體的鍵能也將發(fā)生變化，晶格能迅速減小，在損失晶格能的位置產(chǎn)生晶格錯(cuò)位、缺陷、重結(jié)晶，在表面形成易溶于水的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。晶格結(jié)構(gòu)的變化主要反映為晶格尺寸減小、晶格應(yīng)變?cè)龃?、結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。晶格尺寸減小，保證鋼渣中礦物與水接觸面積的增大；晶格應(yīng)變?cè)龃筇岣吡说V物與水的作用力；結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，結(jié)晶度下降使礦物晶體的結(jié)合鍵減小，水分子容易進(jìn)入礦物內(nèi)部，加速水化反應(yīng)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，機(jī)械活化實(shí)際上就是對(duì)鋼渣進(jìn)行超細(xì)粉磨，從而使物相的晶粒尺寸減小，晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而影響到其活性成分的水化速度。但是，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，物料比表面積增大，比表面積能力顯著增大；由于晶格內(nèi)能的作用，發(fā)生晶格應(yīng)變的恢復(fù)和重結(jié)晶過(guò)程。另外，物料顆粒間作用力的增大又發(fā)生物料顆粒團(tuán)聚的趨勢(shì)，從而增大表觀粒度，降低比表面積，降低粉磨效率[12]。

2.4.3 化學(xué)激發(fā)鋼渣粉膠凝活性

除了上述提到的物理激發(fā)和熱力激發(fā)之外，化學(xué)激發(fā)鋼渣粉膠凝活性也是一種重要方式。對(duì)比物理激發(fā)和熱力激發(fā)，其具有能耗低、成本小、對(duì)鋼渣早期強(qiáng)度提高明顯等優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)激發(fā)劑種類繁多，主要有堿激發(fā)、硫酸鹽激發(fā)、復(fù)合激發(fā)以及其他礦物激發(fā)等。

（1）堿激發(fā)早在 1940 年，美國(guó)人 Purdon 提出了堿激發(fā)鋁硅酸鹽礦渣的堿催化理論[13]，他認(rèn)為礦物摻合料中的鋁硅酸鹽玻璃體可以溶解于含 NaOH 液相中，與水泥水化時(shí)析出的 Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，NaOH 不斷在反應(yīng)過(guò)程中復(fù)生繼續(xù)與鋁硅酸鹽反應(yīng)，因而起到催化劑的作用。

徐彬等[14]將 Glukhovsky 的理論運(yùn)用到鋼渣活性激發(fā)中，認(rèn)為：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 [AlO4] 四面體或 [AlO6] 配位多面體的形式存在。在 OH-的作用下，玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開始解聚生成 H3SiO4-、H3AlO42-，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)物發(fā)生交織連生，使水泥石的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸形成和增強(qiáng)。因此，堿性激發(fā)的關(guān)鍵是創(chuàng)造一個(gè)能使鋼渣中玻璃體充分解聚并水化的堿性環(huán)境。

（2）硫酸鹽激發(fā)。羅珣等人[15]研究結(jié)果表明，硫酸鹽類激發(fā)機(jī)理為：硫酸鹽溶于水后生成一定數(shù)量的 CaSO4·2H2O，然后與 C3A 發(fā)生反應(yīng)，生成一定數(shù)量的水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），使水泥石更加致密，強(qiáng)度增加。

張高勤和秦鴻根等人[16]研究發(fā)現(xiàn)，Na2SO4摻量為 0.5% 時(shí)對(duì)鋼渣的早強(qiáng)具有較好的激發(fā)效果，摻鋼渣微粉的砂漿 7d 強(qiáng)度可提高 21%，28d 強(qiáng)度可提高 17%；同時(shí)，在有 Na2SO4存在的條件下，石膏的激發(fā)作用更好，說(shuō)明除石膏外，還需其他早強(qiáng)激發(fā)劑的共同作用，才能更好地激發(fā)鋼渣微粉的活性。不同強(qiáng)度等級(jí)的砂漿應(yīng)根據(jù)膠凝材料的實(shí)際用量來(lái)確定早強(qiáng)激發(fā)劑的最佳摻量。

（3）復(fù)合激發(fā)。復(fù)合激發(fā)在使用單一的激發(fā)劑過(guò)程中，往往不能得到很好的激發(fā)效果。所謂的復(fù)合激發(fā)就是用 2 種或 2 種以上的化學(xué)激發(fā)劑對(duì)鋼渣進(jìn)行激發(fā)。一般而言，復(fù)摻的激發(fā)效果優(yōu)于單摻激發(fā)效果。李東旭提出了鈉鈣硫復(fù)合活化的方法[17]，其機(jī)理是在鋼渣水泥水化的早期，激發(fā)劑可生成 NaOH，提高水化環(huán)境的堿度，既促進(jìn)鋼渣本身的水化又利于鋼渣水泥中礦渣的解體；礦渣在 Ca(OH)2和 NaOH 形成的強(qiáng)堿性環(huán)境中解體，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，后者在 SO42-存在的條件下進(jìn)一步反應(yīng)生成鈣礬石，稱之為鈉、鈣、硫混合激發(fā)過(guò)程。激發(fā)劑在鋼渣水泥水化中生成的強(qiáng)堿 NaOH 不利于水化產(chǎn)物的聚合，且當(dāng)體系中 Na+含量過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，為此在激發(fā)劑中又引入一定量的 Al2(SO4)3，可增加水化鋁酸鈣及鈣礬石的數(shù)量，使硬化水泥石結(jié)構(gòu)更密實(shí)。王秉綱[18]等用硫酸鹽、硅酸鹽、鋁酸鹽的混合激發(fā)劑研制出一種由鋼渣和礦渣為主料免燒高抗折高強(qiáng)鋼渣水泥。

（4）其他礦物激發(fā)。張作順等人[19]通過(guò)機(jī)械激發(fā)對(duì)鋼渣、礦渣進(jìn)行活性激發(fā)，可以明顯地提高鋼渣礦渣的活性，當(dāng)鋼渣在復(fù)合微粉中的比例為 20%～30%，復(fù)合微粉細(xì)度約為 450m2/kg 時(shí)，復(fù)合微粉活性可達(dá)到或接近 S95 級(jí)粉活性要求，鋼渣在復(fù)合粉中的比例為 20%，替代水泥量為 50% 時(shí)，28d 強(qiáng)度已超過(guò)基準(zhǔn)樣。對(duì)復(fù)合微粉水化產(chǎn)物形貌分析可發(fā)現(xiàn)，鋼渣粉的摻入可產(chǎn)生“微集料效應(yīng)”，水化反應(yīng)生成的 Ca(OH)2可與礦渣發(fā)生二次水化反應(yīng)，共同提高水泥石的強(qiáng)度。在大量的研究中研究者們都首選水玻璃作為激發(fā)劑。研究結(jié)果表明，在鋼礦渣水泥中鋼渣和礦渣的水化相互促進(jìn)，當(dāng)鋼渣礦渣的相對(duì)比例合適時(shí)，通過(guò)控制水玻璃的濃度、模數(shù)及摻量，可以制備出性能很好的無(wú)熟料堿鋼礦渣水泥。

施惠生等人[20]研究發(fā)現(xiàn)，少量水泥能夠有效地激發(fā)出鋼渣—粉煤灰體系潛在的活性，單摻水泥的鋼渣—粉煤灰體系最優(yōu)配比鋼渣/粉煤灰在 5:5 到 6:4 之間，水泥摻量為 15%；對(duì)于復(fù)摻水泥和脫硫石膏的鋼渣—粉煤灰體系來(lái)說(shuō)，鋼渣/粉煤灰比 6:4 為佳，水泥摻量為 15%，脫硫石膏摻量為 10%。粉煤灰與鋼渣復(fù)合使用產(chǎn)生的效果比單獨(dú)使用一種材料更好，這一現(xiàn)象表明當(dāng)粉煤灰和鋼渣在一定的比例范圍內(nèi)，粉煤灰和鋼渣產(chǎn)生了水化疊加效應(yīng)。

楊錢榮等人[21]研究發(fā)現(xiàn)在同水膠比下，鋼渣—礦粉—粉煤灰復(fù)合微粉等量取代水泥后，混凝土 7d 強(qiáng)度低于普通混凝土的強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度發(fā)展高于普通混凝土，當(dāng)復(fù)合微粉摻量不大于 45% 時(shí)，其 28d 強(qiáng)度高于普通混凝土，而當(dāng)齡期達(dá)到 90d 時(shí)，即使摻量達(dá)到 60%，摻復(fù)合微粉混凝土的強(qiáng)度也可達(dá)到或超過(guò)同齡期基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度；同時(shí)，鋼渣—礦粉—粉煤灰復(fù)合微粉等量取代水泥后，混凝土的抗氯離子滲透性能顯著提高，還可以有效的降低混凝土的干燥收縮。李丙明等人[22]研制出鋼渣—礦渣—粉煤灰復(fù)合微粉，經(jīng)復(fù)合激發(fā)劑激發(fā)后，復(fù)合微粉的活性指數(shù)滿足國(guó)家一級(jí)粉的要求。

從上述幾種激發(fā)機(jī)理來(lái)看，主要分為兩方面的作用：一方面是，加速促進(jìn)打破鋼渣玻璃體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其快速解體和溶解，增加水溶液的濃度和堿度，促進(jìn)其水化反應(yīng)的進(jìn)行，讓其水化產(chǎn)物在水溶液中快速進(jìn)入過(guò)飽和階段，以實(shí)現(xiàn)水化產(chǎn)物的成核、生長(zhǎng)、彼此搭接，這樣就可以快速形成水化產(chǎn)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，凝聚形成早期強(qiáng)度。另一方面是，激發(fā)劑直接與鋼渣的某些組分如 CaO、SiO2和 Al2O3等進(jìn)行反應(yīng)，生成如沸石，鈣礬石等具有一定強(qiáng)度的水化產(chǎn)物。當(dāng)然，在實(shí)際激發(fā)過(guò)程中，這兩方面是相互作用的，盡管各種激發(fā)劑種類不同，但對(duì)這兩類反應(yīng)都會(huì)有不同程度的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)廢渣的綜合利用是節(jié)能減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，我國(guó)鋼渣的綜合利用率還需要進(jìn)一步提高。本文綜述了我國(guó)鋼渣綜合利用現(xiàn)狀，鋼渣之所以沒有被大量應(yīng)用于土木建筑當(dāng)中，主要是因?yàn)殇撛|(zhì)量不均勻性和安定性問題，較礦渣難研磨以及自身活性較低等原因。針對(duì)近幾年土建工程建設(shè)中應(yīng)用鋼渣骨料出現(xiàn)的問題，分析了鋼渣應(yīng)用在土木工程材料中的關(guān)鍵問題，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)混凝土中禁用和建筑砂漿中慎用鋼渣骨料，重點(diǎn)推薦應(yīng)用鋼渣膠凝材料，并采用相應(yīng)的活性激發(fā)措施。