楊 波 史 林

（1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051 2、中遼國(guó)際工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

鋼渣是煉鋼工業(yè)的廢渣，主要由鈣、鐵、硅、鎂和少量鋁、錳、磷等多種氧化物組成，主要礦物相為硅酸三鈣、硅酸二鈣以及硅、鎂、鐵、錳、磷的氧化物形成的固熔體，還含有少量的游離氧化鈣及金屬鐵等。但是，鋼渣中各種成分的含量因煉鋼爐型、鋼種和每爐鋼冶煉階段的不同，有較大的差異，導(dǎo)致鋼渣的成分波動(dòng)較大，一直未能實(shí)際應(yīng)用。

調(diào)查表明，爐渣排放量約為鋼產(chǎn)量的15%-20%左右，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，占用了大量的土地，破壞了生態(tài)環(huán)境。為了有效地利用鋼渣、減少污染，將鋼渣作為混凝土集料制備鋼渣混凝土，能夠提高混凝土的性能，具有強(qiáng)度高、耐磨性和耐久性好、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。鋼渣混凝土還可以作為導(dǎo)電混凝土用于電工、電磁干擾屏蔽、工業(yè)防靜電、電力設(shè)備接地工程以及土木工程基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部應(yīng)力和健康狀況自診斷和檢測(cè)等工程中。

1 鋼渣混凝土的研究意義

目前，我國(guó)鋼鐵行業(yè)正在飛速發(fā)展，我國(guó)不僅是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)也是消費(fèi)大國(guó)，而鋼渣作為鋼鐵行業(yè)主要廢渣之一，每年的排放量也越來(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的鋼渣排放量在2000萬(wàn)噸以上，但這些鋼渣的整體利用水平不高，大量廢棄鋼渣的排放不僅造成資源浪費(fèi)，而且占用土地，污染環(huán)境。現(xiàn)在，各產(chǎn)鋼國(guó)都已投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行鋼渣利用問(wèn)題的研究。日本、美國(guó)的鋼渣利用幾乎達(dá)到100%[1，2]，歐洲65%的鋼渣已得到高效率的利用[3]，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)鋼渣的利用率卻很低，僅為10%左右[4]。研究表明，鋼渣中含有一定數(shù)量的水泥熟料的主要礦物C2S、C3S等，具備可用作水泥混合材和混凝土摻合料的條件[5]。無(wú)論將鋼渣作為粗集料或是采用鋼渣粉配制的鋼渣混凝土，與普通混凝土相比，鋼渣混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能均較好，而且鋼渣混凝土具有良好的耐磨性和耐久性[6，7]。鋼渣中還含有具有半導(dǎo)體的性質(zhì)的FeO，因此可以作為導(dǎo)電組分制備導(dǎo)電混凝土，其成本遠(yuǎn)低于碳纖維、石墨等導(dǎo)電混凝土[8]。將工業(yè)廢渣鋼渣應(yīng)用于混凝土中制備成導(dǎo)電混凝土，不僅“變害為利，變廢為寶”為廢棄物資源化提供了很好的范例，而且保護(hù)了環(huán)境，滿足可持續(xù)發(fā)展的需要。

2 鋼渣混凝土的研究現(xiàn)狀

鋼渣在發(fā)達(dá)國(guó)家利用率相對(duì)較高，尤其是在日本和美國(guó)，基本做到排用平衡，得到了充分的利用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本2004年鋼渣總量13，410，000噸，其中26%用于回爐燒結(jié)料，其余74%鋼渣中有32%用于土木工程，26%用于道路工程。鋼渣中含有FeO，CaO和SiO2等化學(xué)成分，使鋼渣可以作為水泥摻合料；鋼渣具有較高的抗壓強(qiáng)度和耐久性使鋼渣可以作為路基材料用于道路工程中；鋼渣具有高強(qiáng)度和耐磨性，使鋼渣可以作為瀝青混凝土集料；加入鋼渣的混合料有較大的內(nèi)摩擦角，使得鋼渣可以應(yīng)用于土木工程中；鋼渣還可制成巖塊應(yīng)用于海堤工程中。此外，日本還將鋼渣當(dāng)作肥料來(lái)改良土壤性質(zhì)[1，9]。

在美國(guó)，鋼渣主要有以下用途：鋼渣作為集料配制混凝土用于道路或橋梁工程中；鋼渣作為水泥混合材；鋼渣用于改良土壤性質(zhì)；鋼渣作冶金爐料等[2]。與普通混凝土相比，鋼渣混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度略高于普通混凝土，鋼渣混凝土還具有較高劈拉強(qiáng)度和彈性模量，但鋼渣混凝土干縮性能低于普通混凝土[10]。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，鋼渣混凝土具有較好的力學(xué)性能，在道路工程中應(yīng)用能達(dá)到預(yù)期效果[11]。

調(diào)查顯示，鋼渣在其他國(guó)家也得到了廣泛的利用。歐洲將鋼渣用于以下四個(gè)方面進(jìn)行深入的研究，分別為：水硬性膠凝劑，公路建設(shè)材料，肥料和公共設(shè)施。正是因?yàn)殇撛辛酥T多利用途徑，使得鋼渣得到了充分有效的利用[12]。在英國(guó)，鋼渣已經(jīng)成為一種副產(chǎn)品。在南非，鋼渣用于鋪設(shè)高速公路。在新西蘭，鋼渣不僅用于筑路和瀝青混凝土中，還可用于改善水質(zhì)。在維多利亞，鋼渣可以作為水泥摻合料配制混凝土，作為集料配制瀝青混凝土，還可以作為筑路材料[13]。在伊朗，鋼渣混凝土被作為鋪路材料使用[14]。希臘用鋼渣混凝土修筑海堤和海岸護(hù)坡[15]。

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在我國(guó)，近幾年來(lái)鋼渣的綜合利用受到了人們的重視。以下是我國(guó)關(guān)于鋼渣混凝土的研究。

混凝土外加劑和摻合料的發(fā)展是以現(xiàn)代水泥混合材的發(fā)展為基礎(chǔ)的，表1是我國(guó)有關(guān)鋼渣水泥的研究歷史概況[16]。

鋼渣不僅可以直接作為摻合料添加到混凝土中，將鋼渣磨細(xì)后形成的鋼渣粉也可作為混凝土摻合料，目前，鋼渣粉的研究還處于起步階段，并沒(méi)有在工程中大規(guī)模應(yīng)用。仲曉林[17]等于上世紀(jì)90年代初，將磨細(xì)鋼渣作為泵送混凝土摻合料進(jìn)行研究和應(yīng)用，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入磨細(xì)鋼渣后混凝土的強(qiáng)度及耐久性等均有一定程度的提高，與水泥有很好的適應(yīng)性，這是我國(guó)首次將鋼渣粉作為混凝土摻合料的研究。通過(guò)不斷研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣細(xì)度提高可以顯著激發(fā)鋼渣的潛在活性。研究人員進(jìn)一步研究了磨細(xì)鋼渣對(duì)混凝土力學(xué)性能、安定性及耐久性的影響并配制出了C60強(qiáng)度等級(jí)高性能鋼渣混凝土[5]。研究結(jié)果表明鋼渣粉摻量在20%以內(nèi)時(shí)，鋼渣混凝土與素混凝土強(qiáng)度相差不大；當(dāng)摻量大于20%后，隨鋼渣摻量的增加，鋼渣混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度均有不同程度的降低，磨細(xì)鋼渣粉在混凝土中使用無(wú)安定性問(wèn)題[18]。孫家瑛[7]試驗(yàn)得出了鋼渣粉最優(yōu)摻量，即鋼渣微粉摻量為10%，此時(shí)混凝土28d抗壓強(qiáng)度最高而且耐久能力最佳。研究人員通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn)添加了礦渣的鋼渣混凝土具有較好的力學(xué)性能。張愛(ài)平、李永鑫（2006年）[19]通過(guò)試驗(yàn)得出當(dāng)鋼渣：礦渣為3：7時(shí)力學(xué)性能最好的結(jié)論。唐衛(wèi)軍,任中興等（2006年）[20]研究證實(shí)鋼渣-礦渣混凝土的工作性能良好。

近幾年，錢(qián)覺(jué)時(shí)，李長(zhǎng)太等（2004年）[21]人在 D.D.L.Chung[22]和 Feldman,R.F.[23]研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鋼渣混凝土導(dǎo)電性能的研究，分析了硅灰、粉煤灰對(duì)鋼渣混凝土導(dǎo)電性能的影響。隨后，唐祖全（2006年）等[24]研究了鋼渣摻量和鋼渣細(xì)度對(duì)混凝土導(dǎo)電性的影響，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)混凝土的電阻率隨著鋼渣摻量的增大和鋼渣粉磨細(xì)時(shí)間增長(zhǎng)而降低，鋼渣混凝土的造價(jià)比碳纖維、石墨混凝土低而且力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較高。賈興文，錢(qián)覺(jué)時(shí)等[8]進(jìn)一步研究了鋼渣混凝土的壓敏性，通過(guò)試驗(yàn)得到了最優(yōu)鋼渣摻量，即鋼渣：混凝土為1-4，此時(shí)鋼渣混凝土的導(dǎo)電性能及力學(xué)性能均良好，鋼渣混凝土的壓敏性隨鋼渣摻量的增加而增強(qiáng)，而鋼渣細(xì)度對(duì)鋼渣混凝土壓敏性無(wú)顯著影響。這一系列研究成果表明，利用鋼渣制備的導(dǎo)電混凝土可以用于混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力診斷與自監(jiān)控、電力設(shè)備接地等諸多方面，為合理利用鋼渣開(kāi)辟了新的途徑。

鋼渣混凝土不僅可以作為導(dǎo)電混凝土使用，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在道路工程中使用也有較好的效果。用于筑路的鋼渣混凝土性能優(yōu)良而且節(jié)省了大量水泥，減少了水泥生產(chǎn)所帶來(lái)的環(huán)境污染。張亮亮，盧忠飛等[25]用風(fēng)淬?；撛嫣烊簧芭渲频缆坊炷粒囼?yàn)結(jié)果表明加入風(fēng)淬?；撛幕炷辆哂辛己玫男阅埽瑴p少了混凝土用水量。近幾年來(lái)，研究人員通過(guò)添加外加劑和摻合料的方法不斷改良鋼渣混凝土性能。劉軍[26]將粉煤灰添加進(jìn)鋼渣混凝土中，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出最優(yōu)配比的混凝土，即粉煤灰代20%的水泥，鋼渣代15%的砂子，并將該最優(yōu)配比的粉煤灰-鋼渣混凝土應(yīng)用于209國(guó)道柳長(zhǎng)路，經(jīng)柳州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心檢測(cè)其抗折和抗壓強(qiáng)度均滿足要求。

此外，鋼渣混凝土還應(yīng)用于海堤工程中。徐忠琨[27]將鋼渣混凝土制作成護(hù)面塊體用于海堤工程中，并在東海圈圍工程和蘆潮港臨港工程中實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)證，鋼渣混凝土均能滿足施工要求，并且取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3 鋼渣混凝土研究中應(yīng)著重解決的問(wèn)題

3.1 復(fù)合摻合料中配合比及摻量問(wèn)題

將鋼渣單獨(dú)粉磨后作為摻合料摻入水泥混凝土中有時(shí)可能不滿足工程要求，這就要求添加其它摻合料，如礦渣、硅灰和粉煤灰等。礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料摻入鋼渣混凝土后，對(duì)其導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的影響各不相同，所以它們的摻量和配合比問(wèn)題應(yīng)成為今后鋼渣混凝土研究中的重點(diǎn)問(wèn)題，進(jìn)行深入研究。

解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料對(duì)鋼渣混凝土的影響，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析礦渣、硅灰和粉煤灰等摻合料的影響機(jī)理，最后通過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)出復(fù)合摻合料的最優(yōu)配比及摻量。

3.2 鋼渣鈍化問(wèn)題

由于鋼渣中含有鐵，在水泥的堿性環(huán)境中，表面會(huì)產(chǎn)生氧化鈍化層，使混凝土電阻率增大，導(dǎo)電性降低，這樣將鋼渣混凝土作為導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程中會(huì)受到很大影響。目前，關(guān)于鋼渣導(dǎo)電混凝土電阻率、壓敏性的文獻(xiàn)比較豐富，但是關(guān)于鋼渣鈍化問(wèn)題及解決方法的文獻(xiàn)卻很少，所以如何解決鋼渣鈍化問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究。

鋼渣鈍化的主要原因是其中含有鐵，在鋼渣加工中通過(guò)磁選將金屬鐵含量控制在一定范圍內(nèi)是防止鋼渣鈍化最直接的方法。還可以將鋼渣磨細(xì)提高鋼渣的活性，因?yàn)殇撛w粒變小，其細(xì)微顆粒的填充作用可以得到充分發(fā)揮；另外，細(xì)度增加有助于提高導(dǎo)電顆粒分散的均勻性，加大導(dǎo)電成分接觸的幾率，使導(dǎo)電性增強(qiáng)。以上只是理論上解決鋼渣鈍化的方法，是否可行有待試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 安定性不良問(wèn)題

鋼渣中含有較大量的游離氧化鈣、游離氧化鎂等成分，特別是游離氧化鈣f-CaO水化后易產(chǎn)生體積膨脹，控制不當(dāng)易造成安定性不良的后果。由于鋼渣的穩(wěn)定性不良，在有些使用鋼渣的工程中造成道路開(kāi)裂、隆起，以至影響了鋼渣的推廣應(yīng)用。

目前消除游離氧化鈣f-CaO的方法有很多種，例如：溫水養(yǎng)護(hù)處理法、鋼渣陳放法、熱燜渣處理法等。其中溫水養(yǎng)護(hù)法、鋼渣陳放法需要占用大量土地，容易造成污染；而將鋼渣進(jìn)行悶渣和超細(xì)粉磨活化處理對(duì)環(huán)境和設(shè)備要求較高。所以如何控制鋼渣安定性問(wèn)題成為目前鋼渣混凝土研究中值得注意的問(wèn)題。

3.4 鋼渣的細(xì)度問(wèn)題

鋼渣經(jīng)過(guò)粉磨后形成的鋼渣微粉可以顯著改善混凝土的工作性能，還可以激發(fā)其較高的潛在活性。但是鋼渣硬度較大，易磨性和易碎性均較差，而且鋼渣中含有部分鐵粒，導(dǎo)致鋼渣粉磨到一定程度后很難被進(jìn)一步磨細(xì)。

如果采用直接粉磨的方法，不僅粉磨效率低，電耗較高，而且粉磨效果也不理想?，F(xiàn)在鋼渣的粉磨多采用預(yù)粉磨，然后采用磁選技術(shù)，把鋼渣中的鐵粉分離出來(lái)，但是鋼渣細(xì)度難以控制，而且該方法正處于起步階段，還未大規(guī)模使用。

除了上述問(wèn)題，鋼渣成分的不確定性、鋼渣在混凝土中分布的均勻性、鋼渣質(zhì)量控制、鋼渣混凝土加工工藝、技術(shù)要求等問(wèn)題都應(yīng)該引起足夠的重視。此外，當(dāng)前鋼渣混凝土的研究多數(shù)是在實(shí)驗(yàn)室中，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該考慮實(shí)際工程條件并采用合理的施工方法和施工工藝，保證鋼渣混凝土的質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

鋼渣混凝土不僅為鋼渣的綜合利用開(kāi)辟了一條新的途徑，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展要求，而且鋼渣混凝土作為一種新型材料是當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)理論研究的一個(gè)熱門(mén)課題。雖然對(duì)于鋼渣混凝土的研究已取得一定的進(jìn)展，但是離大范圍推廣使用還存在一段距離。今后鋼渣混凝土的研究應(yīng)以工程推廣應(yīng)用為主要出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)不同用途的鋼渣混凝土進(jìn)行深入研究，不斷開(kāi)發(fā)高性能的鋼渣混凝土，提高鋼渣的利用率。

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