盛隆冶金钢渣在道路工程中应用的可行性研究

曹杨

摘要：钢渣是炼钢过程中产生的工业固体废弃物，是一种没有被充分利用的资源。提高钢渣的综合利用率，有助于保护环境。文章分析了影响钢渣资源化利用的因素，通过对盛隆冶金钢渣理化性能试验及重金属分析试验，讨论了钢渣在道路工程中应用的可行性。试验结果表明：钢渣是一种物理力学性能良好的筑路材料，其稳定性检验指标用浸水膨胀率表征即可;钢渣中重金属含量满足规范要求，是一种环境友好型材料，能够提高钢渣的资源化利用率。

關键词：钢渣;物理力学性能;稳定性;重金属含量

中图分类号：U414 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.013

文章编号：1673-4874（2019）10-0044-04

0引言

钢渣是炼钢生产过程中产生的工业固体废弃物，钢渣产生量约为粗钢产量的10%-15%。据统计，2018年全国钢渣年产生量约为1.21亿t。我国研究人员已经开发出了近40种有关钢渣综合利用的方法，但目前尚未找到大规模资源化利用钢渣的有效途径。根据大量文献资料及统计数据显示，目前，全国钢渣综合利用率在30%左右，约70%的钢渣处于天然堆存或拋弃状态，存在巨大的资源化利用缺口。这与国家发改委和工信部联合提出的“到2020年，钢渣综合利用率达到75%”的指标要求相去甚远。在美、英、德、日等世界主要发达国家，钢渣资源化利用率接近100%，且多用于公路工程建设方面。

目前，我区大部分企业产生的钢渣除经过破碎筛分磁选等处理后，分选出不同粒级的渣钢和磁选粉，渣钢用于返回炼钢，磁选粉用于返回烧结外，粒径<5mm的部分钢渣用于生产钢渣微粉，其中大部分钢渣尚未被利用。此外，被放置的钢渣不仅浪费资源，还严重占用土地资源，引起环境污染等问题。因此，自2018-01-01起国家对钢渣等工业固体废弃物征收25元/t的环保税。由此可知，对钢渣的开发利用迫在眉睫。

1影响钢渣在道路工程中资源化利用的因素

由于原材料、钢种、处理技术及分选方法的不同，钢渣的成分、物理化学性能波动较大，这些问题一直未得到有效的解决，极大地限制了钢渣的利用途径，制约着钢渣的大规模应用。

一般来说，影响钢渣在道路工程中资源化利用途径的因素主要有以下三个：

（1）钢渣的体积安定性不良。与碎石不同，钢渣由于形成时间短，钢渣中含有较高的f-CoO与f-MgO，其遇水后发生水化反应，生成Co（OH）和Mg（OH），体积分别膨胀98%和148%，且这种水化反应进程缓慢，往往几年甚至十几年才反应完毕。

（2）钢渣密度比一般碎石大。钢渣密度为3.1-3.6t/m，是天然石枓的1.1-1.4倍，这使得钢渣用于道路工程建设中的能耗增加。

（3）钢渣化学成分以及物理力学性能波动较大，制约其应用推广。

2钢渣理化性能试验与结果分析

本试验所用转炉钢渣均取样于广西防城港市盛隆冶金有限公司钢铁厂，以下为钢渣各类试验及试验结果。

2.1钢渣化学性质

采用XRF试验对钢渣进行半定量试验，测定钢渣的化学组成，试验结果见表1;盛隆冶金钢渣、安钢钢渣、水泥及玄武岩化学组成见表2。

表1反映了钢渣的化学组成。由表1可知，钢渣的主要化学成分有CoO、FeO、MgO、AlO、SiO等。同时，钢渣中还存在微量的重金属元素，如锰（Mn）、铬（Cr）、钴（Co）、铜（CU）、锌（Zn）等，其中锰（Mn）、铬（Cr）含量较高。

表2反映了不同钢厂钢渣化学组成，并与水泥及玄武岩化学组成形成对比。由表2可知，不同钢厂钢渣主要化学成分大体相同，化学成分在含量上不尽相同，存在一定的波动。盛隆冶金钢渣与水泥主要化学成分相似，钢渣具有一定的活性，素有“劣质水泥”之称。钢渣、水泥与普通石料（玄武岩）化学成分差别大，主要是因为钢渣形成的温度高、时间短，渣中含有游离氧化钙和游离氧化镁。

2.2 钢渣物理力学性质

钢渣物理力学性能的研究内容包括：密度、压碎值、磨光性、针片状含量、吸水率及与沥青的粘附性等试验。试验根据《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）中相关试验方法对钢渣物理力学性能进行试验。试验结果见表3。

表3反映了钢渣按照粗集料标准进行试验的检测结果，并与玄武岩形成对比。由表2及表3可以得出如下结论：

（1）钢渣性能满足施工规范中高级公路路用粗集料的技术要求，且其压碎值、磨光值、坚固性等性能指标均优于玄武岩。

（2）相较于玄武岩0.22的碱度，钢渣的碱度为2.58（R>2.5时为高碱度），与酸性沥青材料的粘附性能优异（5级）。

（3）钢渣吸水率超出了规范限值，并远远大于玄武岩。这是因为钢渣表面粗糙，大量的开口空隙分布在钢渣表面上，因此吸水率比表面层大。

（4）钢渣中粉尘（<0.075mm颗粒）含量超出了规范限值，因此，钢渣用于沥青混凝土中需要重视钢渣集料粉尘含量，避免影响钢渣与沥青的粘附性，造成钢渣沥青混凝土水稳定性不良，且增加沥青用量。

2.3 钢渣的稳定性

钢渣利用率低的原因最主要是由于钢渣稳定性差，将体积稳定性不良的钢渣应用在道路、建材等行业中，极易产生开裂现象，从而影响了钢渣在公路建设领域的正常使用。

在《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中，“钢渣活性及膨胀性试验”方法不仅要求评价钢渣作为基层和沥青层材料时的活性及膨胀性，还要求附加测定钢渣中游离氧化钙和游离氧化镁含量。目前，钢渣中f-CoO含量可依据《钢渣中游离氧化钙含量测定方法》（YB/T4328-2012）测定。而对于钢渣中f-MgO的含量，国内方面没有相关的测定标准。国内普遍采用测定钢渣中全镁（MgO）含量的方法来评价钢渣的体积稳定性，这样往往导致测定结果偏高而判定钢渣体积稳定性不良。因此，在评价钢渣体积稳定性时，应使用浸水膨胀率试验方法，辅以测定钢渣中游离氧化钙的含量。

本研究分别对陈化时间为6个月、12个月热泼工艺钢渣进行游离氧化钙含量和浸水膨胀率的测定，以评价钢渣的稳定性。其测定结果见表4及表5。

表4、表5反映了钢渣中游离氧化钙含量、浸水膨胀率的测定结果，可以得出如下结论：

（1）随着陈化时间延长，钢渣浸水膨胀率也逐渐降低，这是由于钢渣中游离氢化钙和游离氧化镁遇水分别生成氢氧化钙和氢氧化镁逐渐消解，钢渣体积稳定性趋于良好。

（2）6个月钢渣游离氧化钙含量为2.43%，低于规范限值，而浸水膨胀率为2.57%，超过规范限值。因此，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中要求钢渣中游离氧化钙含量≤3%，浸水膨胀率≤2%是合理的。

综上所述，《工程回填用钢渣》（YB/T801-2008）、《道路用钢渣》（GB/T25824-2010）、《钢渣应用技术要求》（GB/T32546-2016）等规范中要求钢渣浸水膨胀率≤2%，而未对游离氧化钙含量做出限定是合理的。

3 钢渣重金属浸出试验结果与分析

虽然国内外的试验研究和工程实践表明钢渣用于道路工程对周围土壤和水体环境的影响较小，但钢渣中含有微量的重金属元素（包括Cr、Cd、Ni、As、Zn、Mn、Pb等），在道路工程应用时，遇水长期冲刷和浸泡，可能浸出而污染周边土壤和水体。且不同产地和种类的钢渣重金属含量不同，重金属的浸出量也不同。因此，钢渣用于道路工程，应当充分考察其对周围环境的影响。

有研究者对我国34家大型联合钢铁企业的各类钢渣样品重金属含量进行了分析测试，并对分析测试结果进行了统计分析。综合含量、毒性大小等因素，钢渣中应重点关注的重金属元素首先应当是Cr，其次是Mn、V和Zn。

3.1钢渣浸出试验

本试验现场取样海水，对海水进行重金属浓度检测，将6个月、12个月钢渣在纯水及海水中浸泡，并对浸出液进行重金属浓度检测。检测结果见表6。

表6反映了现场海水及不同陈化时间钢渣的重金属浸出检测结果。由表6可以得出如下结论：

（1）海水中未检测出含有重金属，陈化时间6个月时钢渣也未检测出有重金属浸出;陈化时间12个月时钢渣无论是纯水还是海水浸泡，均有重金属浸出。究其原因：①在海水中，陈化时间6个月钢渣浸出液中实际含有重金属，但采用方法检测限值过高，只有当浸出液重金属浓度超过限值，检测结果才有显示;②陈化时间12个月钢渣取样不具有代表性。

（2）陈化时间12个月钢渣浸出液重金属（Cr）浓度超出了生活饮用水重金属卫生标准值，但未超出污水综合排放重金属标准值。根据《污水综合排放标准》（GB8978-1996）中规定，铬（Cr）浓度≤1.5mg/L时，无论何种受纳水体均可排放。

3.2 鋼渣中铬含量

本试验委托国家水泥质量监督检验中心，按照《水泥中水溶性铬（Ⅵ）的限量及测定方法》（GB31893-2015）及《水泥窑协同处置固体废物技术规范》（GB/T30760-2014）中相关的试验方法及操作工程，对钢渣中铬、水溶性六价铬含量进行测定。试验结果如表7所示。

由试验结果可知，钢渣中铬、水溶性六价铬含量远小于规范规定的限值，说明钢渣是一种环境友好型的道路材料。

4 结语

（1）钢渣化学成分与水泥相似，物理力学性能优异。相较于玄武岩等传统材料，钢渣是一种优质的筑路材料。

（2）钢渣吸水率大，超出了规范要求值;钢渣中粉尘含量大，这两点是钢渣应用在道路工程中需要注意的地方。

（3）钢渣浸水膨胀率满足规范要求时，其f-CoO含量一定满足规范要求。因此，钢渣应用在道路工程中的体积稳定性指标值考虑浸水膨胀率即可。

（4）通过钢渣重金属含量试验与检测，证明了盛隆冶金钢渣是一种环境友好型材料。