矿渣粉在预拌混凝土中的应用现状及存在问题

张 雷 李建新 马 旭

（1 湛江宝钢新型建材科技有限公司；2 广东省建筑科学研究院集团股份有限公司）

0 前言

钢铁作为社会建设的基础材料，随着经济建设的发展，产量得到快速的增长。根据国家统计局数据，2015年我国生铁全年产量6.91 亿吨；2016 年全年产量7.01亿吨，同比增长0.7%；2017 年全年产量7.11 亿吨，同比增长1.8%；2018 年全年产量7.71 亿吨，同比增长3.0%，创历史新高；2019 年1～9 月，我国生铁累计产量6.12 亿吨，同比增长6.3%，产量保持稳定增长趋势[1]。高炉矿渣的产量与高炉炼铁的生铁产量存在直接联系，一般认为每生产一吨生铁，将产出0.25～0.35 吨的高炉矿渣[2]。随着生铁产量的持续增长，可供应市场的矿渣粉产量也在持续增长。

另一方面，环境保护及可持续发展逐渐成为了人类发展的核心问题，国家及地方政府也针对钢铁、化工、建材等传统领域提出了节能减排、低碳经济的号召和要求。2005 年国务院下达了国发[2005]22 号文中关于加快循环经济的若干意见中提出：重点环节之一是加强各类废物的循环利用，推进企业“零排放”；国家发改委2006 年发布的“钢铁产业发展政策”中提出：提高环境保护和资源综合利用水平，最大限度地提高废物的综合利用水平，力争实现“零排放”，其中，关于《资源综合利用专项规划》意见通知中指出：2010 年冶炼渣综合利用达到86%以上。鉴于此，矿渣作为高炉炼铁的副产物，其合理应用显得尤为重要。

目前，矿渣粉在我国主要应用于水泥厂作为混合材料以及混凝土搅拌站作为掺合料。但是，由于地域性供需不平衡、矿渣掺假、鉴别技术不完善等问题的存在，矿渣粉在预拌混凝土中的应用现状及存在问题值得引起重视。

1 矿渣粉应用历史及现状

当今世界主流的炼钢方法主要分成两种：一种是高炉、转炉炼钢法，另一种是电弧炉炼钢法。目前在世界范围内，高炉、转炉法生产的生钢产量约占总产量的71%，电弧炉炼钢法的产量约占总产量的29%。电弧炉炼钢法产生钢渣，高炉、转炉炼钢法产生高炉矿渣和钢渣。高炉矿渣是以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，是一种具有潜在水硬性的材料，以大量的玻璃体形式存在。高炉矿渣按冷却方式不同，可产生气冷矿渣、水淬矿渣、造粒矿渣等。气冷矿渣可用作矿渣骨料，造粒矿渣可用作水泥混合材或轻骨料。水淬矿渣是指高炉矿渣经冷水急速冷却后形成的5mm 以下粒径的颗粒，以水淬矿渣为主要原料，经干燥、粉磨处理后制成的粉末材料即为磨细高炉矿渣粉。矿渣粉在我国的应用已十分普遍，已广泛应用于水泥产业、预拌混凝土以及预制混凝土产业。矿渣粉具有潜在的水硬性和较强的混凝土活性，是水泥和混凝土的优质掺和料，水泥的替代率可达30%～50%，且具有改善水泥混凝土泌水性和流动性，降低水化热等优点[3]。

1.1 矿渣粉应用历史

矿渣粉作为混凝土掺合料始于20 世纪，1958 年南非将细度为350m2/Kg 的矿渣粉用于新拌混凝土掺合料，随后，主要发达国家陆续建成了年产万吨磨细高炉矿渣粉加工厂及配套水泥厂，并陆续制订了相应标准[4]。欧洲有着长期将磨细矿渣当作一种与硅酸盐水泥混合的辅助胶凝材料的传统，比例高达80%[7]。在荷兰，矿渣掺量为65%～70%的矿渣硅酸盐水泥已经占到水泥销售总量的60%，应用已相当普遍[8]。在北美，磨细矿渣甚至已作为一种单独的辅助胶凝材料出售，由在水泥厂与硅酸盐水泥混合改为了可由混凝土搅拌站直接加到混凝土中拌和[9]。1992 年建成通车的澳大利亚悉尼港海底隧道，设计使用寿命为100 年，为保证耐久性，采用了掺量为60%的磨细矿渣混凝土。1997 年建成通车的香港青马大桥，设计使用寿命为120 年，其主塔桥采用了掺量为64%的磨细矿渣混凝土。荷兰的东谢尔德巨型海浪挡潮闸，处于北海风暴潮区域，设计使用寿命为250 年，采用了矿渣掺量为65%的矿渣硅酸盐水泥。矿渣粉已逐步应用于各项大型工程。

我国对矿渣粉的研究始于20 世纪90 年代初期，针对矿渣粉的技术指标、性能指标以及对水泥和混凝土性能的影响等，科研院所相继开展了大量试验研究工作[5-6]。1998～1999 年，南京水利科学研究院开展了“九五”国家重点科技攻关项目——“磨细矿渣高性能混凝土研究”。2000 年，上海宝钢率先从日本引进年产60 万吨的矿渣粉立磨生产线，标志着国内的大规模矿渣粉生产逐步展开，随后几年武钢、首钢、鞍钢、唐钢等大型立磨矿渣粉生产线也相继投产[4]。随后，矿渣粉在我国逐渐广泛应用于各项建设工程。

1.2 矿渣粉应用现状

根据华神智能数据中心统计数据，2013 年我国矿渣粉全年产量1.26 亿吨，是近些年我国矿渣粉产量的历史高峰；2015 年我国矿渣粉全年产量跌破1 亿吨，是近些年我国矿渣粉产量的最低值；2016 年至2018 年我国矿渣粉全年产量小幅度增长，2018 年我国矿渣粉全年产量1.02 亿吨，相比2017 年小幅增长0.63%[1]。

《广东省统计年鉴》显示，2017 年广东省生铁产量2024 万吨，钢产量4213 万吨，每年约产生高炉水淬渣（粒化高炉矿渣）1500 万吨。同时，《广东省统计年鉴》与中国建筑业协会混凝土分会数据显示，2017 年广东省生产水泥1.5 亿吨，混凝土1.6 亿立方（不含交通、水利、能源三大系统），以每吨水泥平均消耗4%粒化高炉矿渣，每立方混凝土消耗粒化高炉矿渣粉80kg 计，广东省2017 年消耗粒化高炉矿渣1880 万吨。加上交通、水泥、能源三大系统的建设工程中使用的粒化高炉矿渣粉，以及预拌砂浆中使用的粒化高炉矿渣粉，广东省2017 年的粒化高炉矿渣粉的消耗量估计在2500 万吨左右。

目前，矿渣粉在我国主要应用于水泥厂作为混合材料以及混凝土搅拌站作为掺合料，以广泛应用于各项建设工程，但矿渣粉的质量却存在着参差不齐的现象。

2 现有执行标准及相关指标

2.1《用于水泥中的粒化高炉矿渣》GB/T 203－2008

适用于作水泥活性混合材料的粒化高炉矿渣，矿渣的性能要求如表1 所示。

表1 矿渣的性能要求

2.2《水泥制品用矿渣粉应用技术规程》JC/T 2238－2014

适用于矿渣粉在钢筋混凝土排水管、预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管、环形混凝土电杆、先张法预应力混凝土管桩等水泥制品生产中使用的技术规定。矿渣粉在其他水泥制品生产中使用时也可参照执行。矿渣粉技术指标如表2 所示。

2.3《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T 18046－2017

适用于作水泥混合材、砂浆、混凝土掺合料的粒化高炉矿渣粉。矿渣粉的技术要求如表3 所示。

3 目前存在的问题

⑴矿渣粉需求量逐年增长，存在巨大需求缺口。

以广东省矿渣粉行业现状为例，2017 年广东省矿渣粉需求面临着1000 万吨左右的缺口，其中大约6 成左右的矿渣粉可由上海、湖北等地购入，而余下近400万吨的矿渣粉仍需要有效的购入途径。

表2 矿渣粉的技术指标

表3 矿渣粉的技术要求

⑵存在“假矿渣粉”现象。

矿渣粉的原材料是由大型钢铁企业供应，不法商人从钢铁企业购入矿渣粉后，在其中加入10%～30%价格低廉的石粉、陶瓷抛光粉等低活性、无活性的原材料与矿渣一起粉磨，获取价格低廉的“假矿渣粉”。由于1 吨矿渣粉可以产出1.1～1.3 吨的“假矿渣粉”，从而使得价格低廉的“假矿渣粉”在建材市场上极具竞争力。

目前，我国矿渣粉行业存在的“掺假”现象主要有以下4 个方面：①混掺石粉。在矿渣粉中掺加石灰石粉，导致产品不符合标准要求，施工时需水量增大。②以次充好。大量使用低活性水渣（如“重矿渣”等）或高能耗的小球磨机生产细度不够的矿渣粉，如性能指标仅为S75 级的矿渣粉，冒充大企业立式磨机生产的S95 级。③混掺劣质粉煤灰。在矿渣粉中掺加活性差、需水量大的劣质粉煤灰，大量掺入劣质粉煤灰将影响混凝土的耐久性和强度。④混掺陶瓷抛光粉。陶瓷抛光粉是一种与矿渣粉在形态和颜色上类似但却对混凝土伤害很大的粉体，掺入混凝土中会导致混凝土流动性变差、后期强度变弱、氯离子含量超标等，影响工程建筑质量。⑤混掺钢渣粉。在矿渣粉中掺加钢渣粉形成钢铁渣粉，但以矿渣粉的名义出售。钢铁渣粉和矿渣粉是性能完全不同的两个产品，钢渣粉掺入量过大会引起安定性不良等问题。

⑶“劣币驱逐良币”效应。

由于“假矿渣粉”掺入的原材料基本不具备活性，因此用它生产的混凝土或者其他建材产品的力学性能、耐久性能均难以保障。价格低廉的“假矿渣粉”不断冲击市场，长此以往，则可能出现“劣币驱逐良币”的效应，不但会引起行业混乱发展，更会危害建筑的质量安全。

⑷缺少有效辨别“假矿渣粉”的技术手段。

由于石粉、陶瓷粉、矿渣粉的颜色基本接近，从外观上很难分辨出真假矿渣粉，从而造成监管困难。现有的对矿渣粉的监督抽检，主要是针对矿渣粉的安定性、活性指数等指标。然而，为避免假矿渣粉的“活性指数”达不到国家标准要求，部分商人会在粉磨时加入早强剂，以此在抽样检验中蒙混过关。针对有效辨别“假矿渣粉”的技术手段，目前还比较缺乏。

4 结语

矿渣粉是高炉炼铁的副产物，已广泛应用于我国的建设工程。质量合格的矿渣粉，具有改善水泥混凝土泌水性、流动性，降低水化热，提高耐久性等优点。然而，“假矿渣粉”现象、“劣币驱逐良币”效应对行业健康发展的冲击等问题的存在，都在警醒对矿渣粉市场的加强监管及规范化的必要性。因此，结合地方实际的标准编制、有效辨别“假矿渣粉”的技术手段的完善等都是现阶段亟待解决的问题。