钢渣砂在混凝土中的应用研究

王勇斌，朱丽娟，杨国辉，李海啸，柴森涛

（运城市海鑫海天混凝土有限公司，山西 运城 043800）

0 前言

钢渣是炼钢过程中产生的废渣，高温下呈液态，缓慢冷却后呈块状，一般为深灰、深褐色，其产生率约为粗钢产量的 8%～15%。随着我国钢铁工业的快速发展，钢渣的产生量也随之递增，据统计，2017 年我国转炉产钢渣量约为 8000 万吨，但其利用率很低，仅为 10% 左右，目前尚未利用的钢渣存放量已高达 10 亿吨。大量的钢渣堆积不仅占用了耕地，而且钢渣中的重金属离子和粉尘等会向水和空气中释放，造成严重的环境污染。

混凝土是我国最大宗的建材产品，2017 年，其对骨料的需求量约为 30 亿立方，随着资源的日益枯竭及国家禁止乱采乱挖环保政策的严格落实，天然砂石骨料严重短缺，市场价格飙涨。如果能够合理地利用钢渣骨料代替部分天然骨料，在资源化固废利用的同时，亦能大幅度降低混凝土的生产成本，变废为宝，一举两得。

相关研究表明，钢渣的主要化学成分为：CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、MnO、Al2O3、TiO2、P2O5等，主要矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙等，因其是在 1500～1700℃ 高温下形成的，俗称“过烧硅酸盐熟料”，具有与水泥熟料相似的潜在水硬活性，这些优点为钢渣在混凝土中的应用奠定了基础。但是，由于钢渣中含有一定量的游离氧化钙与游离氧化镁，这些成分极不稳定，遇水后会发生化学反应，生成氢氧化钙与氢氧化镁，导致混凝土体积膨胀而开裂破坏，只有当游离氧化钙与游离氧化镁消解完毕或含量很少时，体积才会稳定，因此钢渣的安定性成为其能否大量作为骨料在混凝土中应用的关键。本文主要研究的是钢渣代替天然细骨料在混凝土中的应用。

1 试验过程

1.1 原材料

（1）水泥：采用金隅冀东海天水泥闻喜有限责任公司 P·O42.5 级水泥，依据 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准，检验结果见表 1。

表1 水泥性能指标

（2）矿粉：采用金隅冀东海天水泥闻喜有限责任公司 S95 级矿渣粉，依据 GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准，检验结果见表 2。

表2 矿粉性能指标

（3）粉煤灰：采用河津市龙江粉煤灰开发利用有限公司Ⅱ级粉煤灰，依据 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准，检验结果见表 3。

表3 粉煤灰性能指标

（4）砂：采用闻喜县河底产机制砂（由天然岩石经机械破碎、筛分后制成）。

（5）碎石：岭西东 5～25mm 碎石，颗粒级配等符合 GB/T 14685—2011《建设用碎石 卵石》规定要求。

（6）外加剂：采用山西金凯奇建材科技有限公司聚羧酸高性能减水剂，依据 GB 8076—2008《混凝土外加剂》标准，减水率 25%；终凝时间 16 小时。

（7）水：饮用水。

（8）钢渣砂：采用山西省闻喜县彤阳炉料有限公司产钢渣砂，主要选取两种不同陈化时间的山西建龙实业有限公司转炉产钢渣作为研究材料（2 年期自然陈化钢渣和 3 月期新钢渣），经除铁处理、破碎、筛分后制成，其各项物理、化学指标详见表 4，颗粒级配等基本符合 GB/T 14684—2011《建设用砂》规定要求。按照 YB/T 140—2009《钢渣化学分析方法》进行

钢渣砂化学成分分析，结果见表 5。

表4 钢渣砂性能指标

表5 钢渣砂化学成分 %

1.2 试验方法及结果

（1）机制砂和钢渣砂压蒸粉化率对比试验。

依据 GB/T 24175—2009《钢渣稳定性试验方法》和YB/T 4201—2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》标准，将试验用机制砂和钢渣砂各取粒径在 2.36～4.75mm 之间的颗粒 800g，分别制成 3 个试样，烘干后，称取质量m0，置于压蒸釜中，在压力为 2.0MPa、温度为 215.7℃的条件下压蒸 3h，取出烘干过 1.18mm 筛，称量筛下颗粒质量 m1，压蒸粉化率求算公式为：

取三个试样的算术平均值作为试验结果，精确至0.1%。试验结果见表 6。

（2）机制砂和 2 年期钢渣砂混凝土配合比试配试验。

按照 JGJ 55—2011《混凝土配合比设计规程》及实际生产经验，以 C40 混凝土为研究对象，分别掺入20%、40%、60%、80% 和 100% 的 2 年期钢渣砂，混凝土坍落度控制在 (200±20)mm，经计算、试拌调整，具体配合比及相关性能见表 7。

表6 压蒸粉化率试验结果

（3）机制砂和 3 月期钢渣砂混凝土配合比试配试验。

按照 JGJ 55—2011《混凝土配合比设计规程》及实际生产经验，以 C40 混凝土为研究对象，分别掺入20%、40%、60%、80% 和 100% 的 3 月期钢渣砂，混凝土坍落度控制在 (200±20)mm，经计算、试拌调整，具体配合比及相关性能见表 8。

S21～S24 混凝土试件压蒸前、后照片对比见图 1。

表7 使用 2 年期钢渣砂混凝土配合比与性能结果

表8 使用 3 月期钢渣砂混凝土配合比与性能结果

图1 压蒸前后混凝土试块对比

2 应用研究初步分析

2.1 钢渣压蒸试验的意义

由于钢渣中含有一定量的游离氧化钙与游离氧化镁，这些成分极不稳定，遇水后会发生化学反应，生成氢氧化钙与氢氧化镁，导致混凝土体积膨胀而开裂破坏。但是这个化学反应是非常缓慢的，在常温常压下，游离氧化钙的水化速度约为数月，游离氧化镁的水化速度约为数年，给工程质量的长期性造成很大的安全隐患，因此，需要采取压蒸试验（在压力为 2.0MPa、温度为 215.7℃ 的条件下压蒸 3h）较快地进行检验以确保其安定性合格。

2.2 钢渣陈化龄期对钢渣压蒸粉化率的影响

钢渣压蒸粉化率是对钢渣安定性的表征方法之一，通过上述试验可以看出，3 月期钢渣砂压蒸粉化率为 13.6%，严重超标；而 2 年期钢渣砂压蒸粉化率为5.2%，符合规定要求。

（备注：目前尚无国家或行业普通混凝土用钢渣砂标准，可以参照中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T 4201—2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》和 YB/T 4329—2012《水泥混凝土路面用钢渣砂应用技术规程》规定：钢渣砂压蒸粉化率≤5.90%）

表9 是两种钢渣砂的游离氧化钙和游离氧化镁含量。随着钢渣陈化时间的延长，钢渣压蒸粉化率大大降低。分析其原因，主要是由于钢渣在自然环境中与外界空气、水、阳光接触后缓慢发生化学反应，游离氧化钙消解量约为 40% 左右，而游离氧化镁晶相较大，消解速度较慢，约为 20% 左右。

表9 两种钢渣砂的游离氧化钙与游离氧化镁含量

2.2 钢渣砂掺量对混凝土性能的影响

2.2.1 拌合物性能的影响

要想获取较好的拾音效果，在录音前就应该对录音的大体内容进行了解。一方面，通过对整个录音内容的了解能够更好地掌握录音的整个过程，并且更加合理地安排录音的时间和场所；另一方面，通过事先了解录音的内容我们能够更好地与相关人员进行沟通，这样能够了解他们讲话的习惯，并且根据他们的习惯制定合理的录音方案。尤其在录制音乐作品时，提前了解音乐作品的内容和形式对于拾音的过程十分重要。通过事先了解录音内容和特点能够帮助我们更好地为录音工作做准备。

按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》标准进行检验，与机制砂混凝土相比，钢渣砂混凝土的和易性良好，但随着钢渣砂掺量的增加，混凝土的表观密度逐渐增大，由 2350kg/m3增加到2500kg/m3左右，因此在混凝土配合比设计及供应、结算时应予以注意。

其次，钢渣砂混凝土容重较大，故混凝土坍落度应以满足泵送施工为宜，不宜过大。应适当提高砂率以减少泌水和离析倾向，但砂率的提高以满足混凝土和易性为宜。

三是随着钢渣砂掺量的增加，混凝土坍落度损失稍大，应适当增加 0.1%～0.2% 的外加剂掺量予以调整。

2.2.2 力学性能的影响

按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》标准进行检验，随着钢渣砂掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐提高。当钢渣砂掺量为 100%时，混凝土 28d 抗压强度提高 2～3MPa 左右。分析其原因，主要是因为钢渣骨料的表面粗糙且多棱角、外形易咬合、与水泥石黏结力好、石粉含量低，同时钢渣中的硅酸二钙、硅酸三钙等也参与了混凝土水化反应，增加了混凝土的致密性，从而提高了混凝土的抗压强度。

2.2.3 长期性能和耐久性能的影响

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》标准进行检验，与机制砂混凝土相比，钢渣砂混凝土的抗渗性、抗冻性等长期性能和耐久性指标均相应提高。

采用上述编号为 S1、S6 的混凝土抗渗试件，分别在 2.0MPa 压力下恒压 48h。结果是其试件上端面无一渗水。劈开试件，测量其最大渗水高度，结果见表10。

表10 混凝土试件最大渗水高度

从表 10 可知，在 2.0MPa 的压力下，其试件上端面无一渗水，且最大渗水高度都较小。这充分说明掺入钢渣砂的混凝土具有相当良好的抗渗性。

（2）提高混凝土的抗冻性。

采用上述编号为 S1、S6 的混凝土抗冻试件，同时进行混凝土反复冻融循环试验，在冷冻和融化过程中，试件中心最低和最高温度分别控制在 (-18±2)℃和 (5±2)℃ 内。经 200 次反复冻融循环后，结果见表11。

表11 混凝土抗冻性能试验结果

从表 11 可知，经 200 次反复冻融循环后，其试件达到“相对动弹性模量为 60% 以上，试件的质量损失率小于 5%”的规定要求，这充分说明掺入钢渣砂的混凝土具有相当良好的抗冻性。

（3）提高混凝土的抗裂性。

混凝土在硬化过程中，由于化学减缩、冷缩和干缩等原因会引起体积收缩，其收缩值为自身体积的 0.04%左右。这些收缩会给混凝土的体积稳定性带来很大的危害。经试验表明，掺入钢渣砂混凝土，会产生适度的微膨胀。在钢筋和骨料的约束下，可产生一定的预压应力，以抵消混凝土在硬化过程产生的拉应力，补偿部分水化热引起的温度应力，减少和避免混凝土裂缝的产生。

（4）延长混凝土结构的使用寿命。

Mehta（美特）整体论模型指出：“一个不透水但存在微裂缝且多孔的混凝土→经侵蚀冷热循环、干湿循环→混凝土结构微裂缝增加、相连→水的渗入，有害物质侵蚀→混凝土膨胀、钢筋锈蚀、碱骨料反应、水结冰、硫酸盐侵蚀使混凝土强度和刚度降低→开裂破坏与整体性丧失。”

模型清楚地表明：混凝土的不透水性是任何物理、化学破坏过程中的第一道防线。因此，钢渣砂在混凝土中的应用对混凝土的可持续发展（即节约利用混凝土原材料，提高混凝土结构耐久性）有着非常重要的意义。

2.3 钢渣陈化龄期对混凝土压蒸安定性的影响

由上述试验可知，2 年期钢渣砂掺量 20%～100%时混凝土试件压蒸后状态均正常，压蒸后抗压强度损失率与机制砂基本一致，均为 16% 左右。但 3 月期钢渣砂掺量 20% 时即出现局部爆裂、掉渣、坑窝等质量现象，随着掺量的增加，出现掉块，甚至是粉化的严重质量问题，这与新钢渣砂中游离氧化钙和游离氧化镁的含量偏高有关，反应方程式如下：

f-CaO+H2O→Ca(OH)2（体积膨胀率 98%）f-MgO+H2O→Mg(OH)2（体积膨胀率 148%）

由此可见，钢渣中的游离氧化钙与游离氧化镁与水发生化学反应，造成体积的极大膨胀，对混凝土安定性造成严重危害，因此使用时应选用 2 年期以上的陈化钢渣砂，严禁使用未经陈化处理的新钢渣砂。

3 特别提示

在国家标准 GB/T 32546—2016《钢渣应用技术要求》中，以及黑色冶金行业标准 YB/T 4201—2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》和 YB/T 4329—2012《水泥混凝土路面用钢渣砂应用技术规程》中，对钢渣用作骨料只涉及了砂浆（细骨料），砖和砌块（细骨料和粗骨料）、沥青混合料（粗骨料）、路基和回填用集料，且非常注重其安定性问题。至于尚未涉及工程结构用混凝土，原因可能为钢渣骨料的不均匀性可能导致游离氧化钙和游离氧化镁集中在部分骨料中，难以 100% 保证该批次钢渣骨料的质量，极少量的游离氧化钙和游离氧化镁含量高的钢渣骨料就会对混凝土造成诸如“爆裂”、“掉渣”、“坑窝”等损伤，给工程带来很大的质量隐患，因此，对于普通混凝土用钢渣砂，应制订严格的应用标准，设计严格的取样、检验制度，以确保混凝土的质量。

4 工程应用

闻喜县某公司厂区路面硬化工程，设计要求强度等级 C40。按如下配合比进行拌制钢渣混凝土：水泥340kg，粉煤灰 60kg，2 年期以上钢渣砂 950kg，碎石1062kg，水 180kg，外加剂 8.0kg。制备方法与普通混凝土的生产工艺一致，只需要在混凝土搅拌楼原基础上空出一个原料仓存放及计量即可。混凝土拌制后，和易性良好，不离析、不泌水，黏聚性好且不沉淀，易于振捣、成型，且施工单位准备充分，施工工艺合理，本次施工非常顺利，各项指标均达到设计和使用要求，结果评定为合格，受到甲方与监理的一致好评。

5 结论

（1）2 年期以上陈化钢渣砂按不同比例代替天然机制砂是可行的，且能在一定程度上提高混凝土的拌合物性能、力学性能和长期及耐久性能。

（2）3 月期新钢渣砂中游离氧化钙和游离氧化镁的含量偏高，会导致混凝土的膨胀破坏，因此应严禁使用新钢渣砂。

（3）通过钢渣压蒸粉化率试验（标准：压蒸粉化率≤5.90%）和钢渣混凝土压蒸粉化率试验（标准：压蒸后试件状态正常，抗压强度损失率 16% 左右）对钢渣加以选择和进厂质量控制是简单、有效的。

（4）目前，在运城市场，天然机制砂的价格约为60 元/m3，而应用钢渣砂代替，混凝土单方成本可以降低 30 元左右。

（5）在混凝土中应用钢渣砂达到一定比例和数量后，可享受资源化利用免税政策。

（6）钢渣骨料在混凝土中的应用在我国尚处于起步阶段，更多的科学数据需进一步试验。让我们共同努力把混凝土做好，把固废综合利用做好，相信未来钢渣骨料在混凝土中的应用一定会更成熟、更广泛。