孔祥文

（河北工程大學土木工程學院，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，隨著我國鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展，鋼渣的排放量也在快速增長。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，2018年我國產(chǎn)生了約1.21×109t鋼渣。從上世紀90年代初到2018年末，我國鋼渣尾渣累計堆存量超過1.8×1010t，占地20多萬畝。大量鋼渣的堆積、填埋，不僅占用了大面積土地資源，而且會產(chǎn)生環(huán)境污染問題。因此，有效利用鋼渣是經(jīng)濟可持續(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。是生鐵在熔煉過程中所含雜質(zhì)被氧化而成的各種鹽類組成。由于熔煉過程不同，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)境中的鋼渣在長時間風化下會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，在海水或鹽水中浸泡后，也不會發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象。

3 鋼渣膨脹原理

學者普遍認為，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，其體積會增長91.7%，而f-MgO水化后固相體積會增長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通過當前硅酸晶體研究現(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f-CaO含量增大1%時，其水化后鋼渣膨脹率可達1.15%。鋼渣的膨脹特性與鋼渣顆粒大小、鋼渣密實程度、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多為無定型或小晶體。隨著無定型或小晶體的Ca（OH）2再結(jié)晶，使Ca（OH）2晶體體積再次增長，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得到了一致認可，但對于鋼渣中的RO相（二價金屬氧化物MgO、MnO、FeO固溶相的總稱）能否對鋼渣膨脹性造成影響持有不同觀點。唐明述等人認為RO相不會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；葉貢欣認為RO相中的方鎂石固溶體會引起鋼渣膨脹。

4 抑制鋼渣膨脹性的措施

對于鋼渣膨脹性最常用的方法就是堆積在渣場，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，還會引起地下水污染等環(huán)境問題。為了找到一種經(jīng)濟綠色的處理方法，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

吳旻利用對比試驗，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)兩項指標均顯著減小。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

國內(nèi)學者肖琪仲率先開展了對鋼渣膨脹性的研究，并提出了抑制鋼渣膨脹性的處理方法。通過對不同類型鋼渣進行水熱處理，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，會使硬硅鈣石含量增加，提高鋼渣抗壓強度。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，會抑制方鎂石的水化。此外，向鋼渣中摻入細砂可以對鋼渣水熱過程中的膨脹起抑制效果。

周云等人提出，在對鋼渣進行風碎工藝預處理的基礎(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。林宗濤通過前期預處理實驗，找出最佳預處理料的生產(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，在鋼渣表面自由能下降部位，高爐水渣微粉粒子會析出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%。當兩種礦物材料兩兩復合摻入時，摻有硅灰試驗組的浸水膨脹率要小于其他未摻入硅灰試驗組的浸水膨脹率。X射線衍射表明，向鋼渣中摻入礦物材料降低了f-CaO含量，生成了對鋼渣混合料強度有增強作用的硅酸鹽類。2019年，朱光源等人在原有研究基礎(chǔ)上，得出礦物細摻料能抑制鋼渣集料膨脹性的主要原因是礦物細摻料具有火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，并進一步分析了礦物細摻料的比重。從抑制鋼渣集料膨脹性的效果及經(jīng)濟性等方面綜合考慮，認為摻加10%的礦渣微粉、粉煤灰、硅灰三元復合細摻料，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

改進鋼渣處理工藝可以加快鋼渣膨脹抑制效率。1966年，德國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行改質(zhì)，然后用風淬法、滾筒法和風淬熱悶法三種預處理方式分別處理改質(zhì)后鋼渣。實驗結(jié)果表明，對鋼渣進行預處理能提高其穩(wěn)定性。三種預處理方式中，風淬熱悶法對鋼渣的穩(wěn)定性提高最多，風淬熱悶后鋼渣中f-Ca0含量為1.32%；風淬法對鋼渣穩(wěn)定性改善效果次之，預處理后鋼渣中f-Ca0含量為1.60%；滾筒法對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%。風淬熱悶渣的穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于風淬鋼渣和滾筒渣。

許博等通過向鋼渣中添加乙酸溶液和微硅粉來預處理鋼渣，進而降低鋼渣的膨脹率。試驗結(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，每個實驗組降低幅度均在76.1%以上；在加微硅粉的試驗組中，膨脹率降低幅度隨摻量的不同有明顯差異。當微硅粉摻入量超過2.4%時，膨脹率值會降低至2%以下，而當摻入量為4.8%時，膨脹率值為0.4%，降低幅度高達87.1%。

4.4 摻加激發(fā)劑

鄧侃研究了向鋼渣和礦渣復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。實驗結(jié)果表明，摻玻纖和礦纖均對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)。肖文斌等人通過物理和化學復合激發(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)用過程中的穩(wěn)定性問題。

4.5 鋼渣碳酸化

董曉丹利用CO2與CaO反應(yīng)生成CaCO3的原理，對鋼渣進行碳酸化處理。試驗研究表明，鋼渣碳酸化的最佳條件為：反應(yīng)溫度700°C，反應(yīng)時間30～60min，最佳粒徑0.18mm，CO2體積分數(shù)80%，水蒸汽體積分數(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碳酸化后硬化鋼渣試塊的穩(wěn)定性進行了測試。研究發(fā)現(xiàn)，塊體的空隙率會隨著鋼渣坯體的碳酸化過程變小。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%。對其進行壓蒸試驗后，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，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機制。

4.6 鋼渣表面改性工藝

用一定的方式來改變鋼渣的表面特性，以此來抑制鋼渣膨脹性，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，通過形成隔膜阻止鋼渣與水的接觸反應(yīng)。同時，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鋼渣表面改性，試驗結(jié)果表明，兩種方法改性后的鋼渣都具有良好的力學性能。

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、日本、德國等發(fā)達國家的鋼渣綜合利用率已接近100%。相比之下，我國的鋼渣利用率偏低，只有22%左右。雖然國內(nèi)學者作了大量研究，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)濟環(huán)保的鋼渣膨脹性處理方法，仍需要我們不斷探索。