綜述評論：鋼渣體積穩(wěn)定性提升技術研究進展
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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第6期
鋼渣體積穩(wěn)定性提升技術研究進展
尹尚雄，張凱峰，羅作球，李曉光，段峰，胡宇博，劉文歡
［摘要］本文對鋼渣這種大宗固體廢棄物目前在混凝土中的應用情況和其體積穩(wěn)定性提升技術的進展開展研究，綜述了鋼渣的產生原因、理化性質及其微觀形貌特征，鋼渣目前主要作為骨料應用于混凝土中，其對混凝土的力學性能和耐久性能有一定的提升，但鋼渣自身的體積穩(wěn)定性差制約了其在混凝土中的大范圍應用，通過促進或抑制 f-CaO 的水化反應可以有效改進鋼渣的體積穩(wěn)定性，提高鋼渣這種固廢的利用率。
［關鍵詞］鋼渣；游離氧化鈣；體積穩(wěn)定性；混凝土
引言
隨著全球鋼鐵產量的持續(xù)增長，鋼渣作為一種主要的工業(yè)副產品，其產量約占鋼鐵的15%20%，呈逐年上升的趨勢。中國作為世界上最大的鋼鐵生產國，鋼渣的累積存放量巨大，據統(tǒng)計，2023年我國粗鋼產量達到10.19億噸，伴隨其產生的鋼渣也達到1.5億噸以上。如何高效、環(huán)保地利用這些鋼渣資源，已成為當前亟待解決的問題。
鋼渣本身具備優(yōu)異的力學性能和耐久性能，其特性與天然石灰?guī)r較為相似，顆粒表面較為粗糙，孔隙較多，與水泥等膠凝材料能夠產生較強的粘接作用，界面粘接強度高，所以鋼渣在混凝土中經常被用作細骨料使用；此外，鋼渣的成分組成與水泥較為相似，含有水硬膠凝性硅酸二鈣（）和硅酸三鈣（），具有一定的潛在膠凝活性[1]，因此，很多學者研究了鋼渣作為混凝土膠凝材料的可能性。研究發(fā)現，使用鋼渣作為膠凝材料制備的混凝土，力學性能和耐久性能表現均較為優(yōu)異，生產能耗和CO排放量也明顯低于普通混凝土[2]。但鋼渣中含有較多游離的f-CaO，遇水容易反應生成Ca(OH)，導致混凝土膨脹破壞，這是目前鋼渣應用于混凝土的一大痛點。本文將探討鋼渣的體積穩(wěn)定性變化規(guī)律和其提升技術的相關研究進展，并對未來鋼渣的高效利用做出展望。
鋼渣的基本組成和微觀形貌特征
1.1鋼渣的化學組成和礦物組成
鋼渣的成分主要取決于煉鋼時加入的原材料和工藝，由于各大鋼廠的煉鋼工藝有一定的區(qū)別，所以鋼渣的主要化學成分和礦物組成也有一定的差異，但是其主要氧化物組成還是以CaOSiOAlFeOFeMnOMgO為主。我國工業(yè)生產中的鋼渣主要為轉爐鋼渣和電爐鋼渣兩種，其主要氧化物組成和堿度如表所示。鋼渣在形成的過程中，其內部的FeOMnOMgO發(fā)生連續(xù)的固溶形成一種新相——RO相，CaOSiOAlFe只能有限固溶，形成石灰相[3]
鋼渣根據其堿含量的不同，分為低堿度渣、中堿度渣和高堿度渣[5]。鋼渣的堿度在0.781.8之間時，為低堿度鋼渣，此時RO相和石灰相以橄欖石（CaO·RO·SiC）和薔薇輝石（3Ca·RO·SiC）的形式存在；鋼渣的堿度在1.82.5之間時，為中堿度鋼渣，此時鋼渣的主要礦物組成為RO相；鋼渣的堿度大于2.5時，為高堿度鋼渣，此時鋼渣的主要礦物組成以的形式存在[6]。在中堿度鋼渣和高堿度鋼渣中存在與水泥熟料成分相同的，能在一定程度上發(fā)生水化反應，所以鋼渣具備作為礦物摻合料替代部分水泥的潛在可能性。
1.2鋼渣的微觀形貌特征
鋼渣在高溫條件下產生，所以其內部結構孔隙較多。張保衛(wèi)[7]等的研究表明，鋼渣的微觀形貌特征與玄武巖和石灰?guī)r相似，但三者中鋼渣和玄武巖的孔隙較多，這是因為鋼渣和玄武巖均在高溫緩慢冷卻后形成，而石灰?guī)r是在失去水分后長期壓結形成，所以其內部結構較為致密。
鋼渣的SEM圖如圖所示。從圖可以看出，鋼渣內部呈不規(guī)則狀，且表面有較多細小顆粒。鋼渣表面的細小顆粒具有較強的早期水化特性，在鋼渣替代部分水泥時能起到穩(wěn)定碎石結構的作用，同時能夠增強膠凝材料與骨料之間的黏結效果。圖中板狀晶體為硅酸鈣礦物成分，細針棒狀晶體為鐵鈣相物質[8]
鋼渣的XRD測試結果如圖所示。圖可以看出，鋼渣的主要礦物組成成分為Ca(OH)CaMg(SiO（鎂薔薇輝石）、以及鎂鐵氧化物、氧化錳等。圖中Fe氧化物衍射峰較高，所以鋼渣具有較大的密度和力學性能[7]。鋼渣中鎂、鈣的含量都較高，大量的鎂、鈣氧化物使得鋼渣狀態(tài)不穩(wěn)定，易發(fā)生水化反應，生成氫氧化物，導致結構體積膨脹破壞[8]
鋼渣應用于混凝土的研究進展
2.1鋼渣作骨料對混凝土性能的影響規(guī)律
2.1.1力學性能和工作性能
鋼渣本身具備優(yōu)異的力學性能，相較于常規(guī)細骨料，具有更高的強度，并且其顆粒本身粗糙，孔隙較多，與水泥漿體粘接性能優(yōu)異，所以鋼渣替代常規(guī)的細骨料，能夠提升混凝土的力學性能。但由于鋼渣是經過高溫、冷卻后形成，表面產生較多孔隙，所以鋼渣砂的吸水率較高，其粗糙的表面也加大了骨料和漿體表面的摩擦力，所以鋼渣作為骨料摻入混凝土時，會降低混凝土的工作性能。
李金勇[10]將鋼渣按照50%的替代率，替代常規(guī)機制砂作為細骨料制備C25等級的混凝土，研究結果表明，摻入鋼渣作為細骨料后，混凝土的抗壓強度有顯著提升，鋼渣摻量為20%時，其28d強度達到52.3MPa，相較于普通混凝土，強度提升約60%
王浩等[11]分別以鋼渣的摻量、粒徑和水膠比作為影響因素設計了正交試驗，通過對試驗結果極差分析得出：鋼渣摻量為20%、粒徑為1.18mm及水膠比0.45時，混凝土的強度提升最高。
賀希茂等[12]研究發(fā)現，鋼渣作為細骨料時，主要影響混凝土的早期強度，在鋼渣摻量為20%40%時，混凝土的抗壓強度最大；鋼渣混凝土與普通混凝土的破壞形式也有所不同，鋼渣混凝土主要表現在骨料的破壞，而普通混凝土表現在骨料和漿體的脫落，這是因為鋼渣顆粒表面粗糙，與水泥漿體之間的粘接力更強。
潘隨偉等[13]將鋼渣砂以100%的替代率，替代常規(guī)天然砂制備自密實混凝土。研究發(fā)現，在鋼渣摻量為20%時，由于鋼渣與天然砂搭配出了良好級配，所以其500流動時間與普通混凝土基本一致；鋼渣摻量大于20%之后，500流動時間明顯增加，混凝土的坍落度和擴展度也隨之減?。粨搅看笥?/span>60%時，無法滿足自密實混凝土的要求。
Hisham[14]使用鋼渣砂替代天然砂制備混凝土，研究發(fā)現，鋼渣作為混凝土的細骨料時，雖然其力學性能有所提升，但坍落度、擴展度等工作性能明顯變差，在替代率達到100%時，混凝土的工作性最差，其坍落度接近于
DEVI[15]使用鋼渣替代碎石作為混凝土的粗骨料，研究發(fā)現隨著鋼渣石的摻量增加，混凝土的工作性顯著下降，鋼渣石摻量達到30%時，混凝土的坍落度降低約65%
田井鋒等[16]使用鋼渣以替代率25%50%75100%替代天然砂，制備C30等級混凝土。研究結果表明，鋼渣的摻入對混凝土的工作性能有不利影響，在摻量為25%的時候其坍落度最接近普通混凝土，摻量繼續(xù)增大時，坍落度持續(xù)減小。
多篇文獻研究表明，鋼渣作為細骨料摻入混凝土中時，混凝土的抗壓強度呈現先增長后下降的趨勢，且強度均高于普通混凝土，其主要原因是鋼渣顆粒相較于常規(guī)骨料，與水泥漿體的粘接更加緊密，在宏觀上表現為強度提升。但鋼渣無論作為粗骨料還是細骨料，對混凝土的工作性能都會產生不利的影響。大量的試驗數據表明，鋼渣摻量在20%40%之間時，混凝土的坍落度和擴展度接近于普通混凝土，但摻量繼續(xù)增加時，其擴展度和坍落度大幅度降低，需要加水或者外加劑來維持其工作性能，但此方法可能會導致混凝土的強度發(fā)展和耐久性變差。
2.1.2耐久性
針對鋼渣作為骨料的混凝土耐久性研究主要集中在抗凍性、抗碳化性和抗氯離子侵蝕幾個方面。鋼渣本身硬度高，與膠凝材料漿體結合能力強，使混凝土的力學性能提升。但由于鋼渣本身又屬于多孔結構，所以其對混凝土的耐久性影響，還需根據混凝土所處環(huán)境、養(yǎng)護條件具體分析。
曹芙波等[17]使用鋼渣替代常規(guī)粗骨料研究發(fā)現，隨著鋼渣替代率的增加，鋼渣混凝土頂面與底面的碳化深度差距隨之增大；相同齡期和養(yǎng)護條件下，鋼渣混凝土的抗凍性能更好，SEM照片顯示鋼渣與水泥的界面過渡區(qū)更加致密，受凍融循環(huán)破壞影響較小。
Tran[18]通過對常規(guī)碎石混凝土和全鋼渣集料混凝土的抗氯離子滲透性能進行對比研究發(fā)現，在膠材、水灰比等其他條件相同的情況下，全鋼渣混凝土的通電量小于常規(guī)的碎石混凝土，說明鋼渣做粗骨料，能夠提升混凝土的抗氯離子侵蝕性能。王成剛等[19]將粗鋼渣和細鋼渣以100%的替代率同時替代混凝土中的天然砂和碎石，C30普通混凝土作為對比組，研究發(fā)現隨著粗、細鋼渣替代率的增加，混凝土的抗氯離子侵蝕性能持續(xù)減弱，替代率在40%以內時，抗氯離子侵蝕性能損失較小。
ANDRADE[20]使用電爐鋼渣完全替代普通骨料制備混凝土，并測試其抗碳化性能，研究發(fā)現電爐鋼渣的摻入能夠有效降低混凝土的吸水率和空隙率，混凝土內部結構更加密實，從而提升了混凝土的抗碳化性能。王成剛等[19]也發(fā)現，隨著鋼渣替代率的增大，混凝土的抗碳化性能呈先增強后減弱的趨勢，其所有摻鋼渣的配比抗碳化性能均優(yōu)于普通混凝土。
2.2鋼渣體積穩(wěn)定性的提升技術進展
鋼渣的利用率相較于其他固廢材料一直都比較低。作為混凝土的骨料使用是其比較成熟的應用途徑。但是由于鋼渣本身的體積膨脹性，導致其在混凝土中的摻量一直處在較低的水平，摻量過高就會有巨大的安全隱患，要提高鋼渣的利用率，就得先解決鋼渣的體積穩(wěn)定性。
根據上文所述，鋼渣中含有大量的游離氧化鈣（f-CaO）和游離氧化鎂（f-MgO）等成分，這些游離的氧化物在冷卻過程中容易吸收水分發(fā)生反應，生成Ca(OH)Mg(OH)，這些物質的形成會使得鋼渣體積膨脹，f-CaO的水化反應速率較快，常溫下持續(xù)時間為12個月，f-MgO的水化反應速率較慢，但是其導致的體積膨脹更大，在鋼渣中f-MgO的含量不到f-CaO10%，所以要解決鋼渣的體積穩(wěn)定性問題，應主要從f-CaO入手解決。
2.2.1熔融態(tài)鋼渣的處理工藝
鋼渣在處于高溫熔融狀態(tài)時，其內部的化學組成和物相組成無法確定。鋼渣的冷卻工藝與鋼渣質量密切相關，目前，具有代表性的冷卻工藝有熱潑法、淺盤法、滾筒法、熱悶法、粒化輪法、水淬法和風淬法等，這幾種冷卻工藝處理方法和處理效果如表[21]所示，研究結果表明，經過熱悶法、淺盤法和滾筒法冷卻處理的鋼渣，其內部f-CaOf-MgO的含量較低。
2.2.2促進f-CaO的水化
提升鋼渣的體積穩(wěn)定性，就要減少鋼渣中的f-CaO的含量，在鋼渣摻入混凝土之前，需對其進行預處理。鋼渣中的f-CaO在預處理的過程中完成體積膨脹反應，使其應用在混凝土中時，后期不再發(fā)生體積膨脹反應。目前，針對f-CaO的消解，主要是通過物理或化學的方法，促進f-CaO的消耗。比如機器研磨增加其細度，壓蒸蒸汽處理和天然陳化等方式，降低鋼渣中的游離氧化鈣含量[22]
韓健等[23]研究發(fā)現結果表明：鋼渣進場后浸水7d時，其顆粒漲裂率達到10.2%，陳化堆放個月后漲裂率為8.2%，而陳化堆放個月后取樣測試，其顆粒漲裂率降低至3.3%，鋼渣集料的膨脹率明顯降低，但要完全消除鋼渣體積穩(wěn)定性對混凝土的不良影響，鋼渣進場后應陳化堆放年以上。
相較于天然陳化，水熱陳化能夠加快f-CaO的水化反應速度。何正文[21]使用不同溫度浸水對鋼渣進行預處理，結果表明，鋼渣浸水處理時，其內部的膨脹物質消解速率與水溫呈正比，水溫為60浸泡時，f-CaO的消解速率為常溫浸泡時的倍。
水熱陳化雖然在一定程度上加快了f-CaO的水化反應速度，但對于源源不斷產生的鋼渣來說，速度還是較慢。為了進一步提升鋼渣中f-CaO的水化反應速率，日本NKK鋼鐵公司[24]提出了蒸汽加壓陳化。該方法采用500的蒸汽養(yǎng)護鋼渣2h，經過養(yǎng)護后，鋼渣內部的f-CaOf-MgO基本消解，研究結果表明對鋼渣使用蒸汽加壓陳化處理與天然陳化一年的處理效果基本一致。
除了上述方法，在鋼渣體系中加入堿性激發(fā)劑，也能夠減少f-CaO引起的體積膨脹，從而提升鋼渣的利用率，李鵬冠等[25]制備鋼渣—尾礦—水泥蒸壓體系，在成型過程中摻入檸檬酸鈉，試驗結果表明，摻入檸檬酸鈉后，鋼渣的利用率從9%提升至45%
2.2.3抑制 f-CaO 的水化
在鋼渣中添加化學物質，使其與f-CaO發(fā)生化學反應，生成新的化學物質，消除鋼渣中的f-CaO，使其無法發(fā)生水化反應生成Ca(OH)，這種抑制f-CaO發(fā)生水化反應的方式，也能夠有效提升鋼渣的體積穩(wěn)定性。鋼渣具有很好的碳酸化活性，所以對其進行碳化預處理，能夠有效提升鋼渣的體積穩(wěn)定性。
孫鵬飛等[26]使用CO氣體對鋼渣進行預處理，分析了碳化環(huán)境下，鋼渣體積穩(wěn)定性的變化情況。研究結果顯示，鋼渣中的f-CaOf-MgO在碳化環(huán)境下能夠與CO氣體迅速反應形成碳酸鹽，使得f-CaOf-MgO快速消解，碳化處理6min即可使鋼渣達到安全使用范圍，提升了鋼渣的體積穩(wěn)定性。
房延鳳等[27]通過調整CO的濃度和碳化時間，調控鋼渣的碳酸化程度，分析鋼渣作為膠凝材料時的體積穩(wěn)定性變化規(guī)律。研究結果表明鋼渣的體積穩(wěn)定性和其碳化程度呈正相關，但碳化到一定程度后會降低鋼渣中的水化活性，使用高濃度碳化預處理3min10min的鋼渣膠砂強度分別提升28.3%15.8%
姚恒山等[28]研究在加速碳酸化的條件下，鋼渣體積穩(wěn)定性的變化規(guī)律。研究結果表明，鋼渣坯體在碳酸化的過程中，其空隙率降低，鋼渣粉磨8h，碳酸化7d的條件下，空隙率降低10.17%，壓蒸試驗后并未出現損壞，證明其體積穩(wěn)定性良好。
張妍等[29]將鋼渣粉置于高濃度CO、壓力0.2MPa的環(huán)境下進行預處理，研究其作為水泥混合材料時試塊的體積安定性。研究結果表明，碳酸化反應20min時，鋼渣中f-CaO的含量降低1.7%f-MgO含量降低1.4%，其以水化硅酸鎂的形式存在，有效提升了鋼渣的體積穩(wěn)定性。
結論和展望
目前，我國的城鄉(xiāng)建筑面積總量已經達600以上，建筑能耗占社會總能耗20%以上，建筑節(jié)能已經成為應對全球能源危機和實現綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展的重要手段，而固廢資源利用是推動建筑行業(yè)低能耗、近零能耗的重要方法。將鋼渣這種產量巨大的固體廢棄物應用于混凝土中，具有顯著的環(huán)境效益、經濟效益。本文綜述了鋼渣本身的理化性質及其在混凝土中的應用模式、鋼渣的體積穩(wěn)定性的研究進展，得出以下結論：
（1）鋼渣顆粒表面粗糙，呈多孔結構，通常用作混凝土或瀝青混凝土的骨料。鋼渣作為骨料時，由于其本身就具有較強的硬度，且鋼渣與水泥等膠凝材料結合時，結合界面處的粘結力更強，能夠顯著提升混凝土的力學性能。并且鋼渣對混凝土的抗凍性、抗氯離子侵蝕性及抗碳化性能有顯著提升作用，但鋼渣對混凝土的工作性能會產生不利影響。
（2）通過促進或抑制鋼渣中f-CaO的水化反應，能夠在一定程度上提升鋼渣的體積穩(wěn)定性。通過蒸汽加壓陳化預處理促進f-CaO的水化反應，鋼渣內部的f-CaO含量能夠在2h內達到使用標準；通過碳酸化抑制f-CaO的水化反應，鋼渣碳化處理6min即可達到安全使用范圍。
（3）鋼渣的體積穩(wěn)定性是制約鋼渣在混凝土中應用的主要因素，針對鋼渣體積穩(wěn)定性提升的技術雖然已經有了一定成果，但還沒有根本的解決該問題，導致鋼渣的應用較少。鋼渣本身具備一定的膠凝材料潛力，目前已有學者針對鋼渣復合其他礦物摻合料作為膠凝材料進行研究，未來這也是鋼渣應用的新思路、新途徑。
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供稿人：尹尚雄，張凱峰，羅作球等
編輯員：李海亮
審核人：孫繼成，寧夏
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