综述评论：钢渣粉复合矿渣粉的制备工艺及在混凝土中的应用现状
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第2期
钢渣粉复合矿渣粉的制备工艺及在混凝土中的应用现状
张翔，张凯峰，罗作球，刘行宇，童小根，韩宇超
［摘 要］钢渣和粒化高炉矿渣大量堆积造成了严重的资源浪费和环境污染问题，废物的资源化利用迫在眉睫。本文总结了钢渣粉和矿渣粉的性质组成和生产工艺，分析了各类粉磨工艺的特点，综述了钢渣粉和矿粉在混凝土中的应用现状。钢渣粉和矿渣粉用作胶凝材料，在合理搭配或一定的激发条件下，能互相促进彼此的水化反应，能改善混凝土工作性能，提高矿物活性、强度和耐久性能。在双碳背景下，将钢渣粉和矿渣粉应用于混凝土中具有良好的经济效益和社会效益。
［关键词］钢渣粉；矿渣粉；粉磨工艺；混凝土
0 引言
伴随着经济的高速发展和社会建设的巨大需求，钢铁行业在我国经济发展中起着不可或缺的支柱作用。我国是钢铁产量大国，据统计，2022年，全国生铁、粗钢及钢材产量分别为86363万吨、101300万吨和134034万吨[1]。钢渣和粒化高炉矿渣是钢铁冶炼过程中产生的两种主要固体废物，每生产1吨钢约产生10%～15%钢渣[2]，每生产1吨生铁约产生25%～50%粒化高炉矿渣。结合我国每年生钢产量计算，粒化高炉矿渣年产量至少6000万吨[3]。2022年，中国钢渣生产量已达1.6亿吨。如此巨量固体废物逐年产生并大量堆积，若不加以合理利用，将占用我国大量土地资源，对地下水源造成难以预料的危害并对环境造成严重污染。钢渣在建筑行业中广泛应用于混凝土掺合料和道路材料等。钢渣中含有约50%左右CS和CS，具有一定的水化活性，因此我国主要将钢渣经处理作为一种辅助胶凝材料加以应用。目前主要采用不同粉磨工艺将钢渣磨细成钢渣粉，可提高其活性提高利用效率[4]。钢渣和粒化高炉矿渣因其特有的化学组成，可经过一定的处理工艺，能实现其资源化利用，变废为宝，物尽其用。加大钢渣和粒化高炉矿渣的开发应用，对钢铁钢业的可持续发展具有重要意义，具有巨大的经济效益和社会效益。
1 钢渣和矿渣粉的性质
1.1 钢渣的物理化学性能
钢渣是一类由玻璃态物质及多种矿物构成的集合体，由于降温条件和自身成分差异较大，钢渣的外形和颜色差别较大。钢渣碱度较低时，呈灰色，钢渣碱度较高时，呈褐灰色。钢渣呈松散状，互相不粘结。经处理后的钢渣一般呈黑色或黑灰色，质地坚硬，因其含铁量较高且结构致密，具有耐磨的特点。因其耐磨，在一定程度上影响了钢渣资源化利用的效率，如何提高钢渣的处理效率，这直接关系着钢渣的综合利用前景。
钢渣的化学组成较为多样，一般由CaSiO、2CaOSiO、CaFeO、f-CaO、蔷薇辉石等组成。钢渣碱度较高，CS和CS在是其主要组分，在硅酸盐水泥熟料中，也含有较高的硅酸三钙和硅酸二钙，因此钢渣具有一定的水硬性。普通硅酸盐水泥熟料的煅烧温度一般在1450℃[5]，钢渣的烧成温度一般在1600～1700℃之间，钢渣的烧成温度高于水泥熟料的煅烧温度。CS和CS在不同的烧成温度下，性质有一定差异，CS和CS在钢渣中晶粒较粗大，结构更加致密，具有水化反应缓慢的特点，因此钢渣又被叫作过烧的水泥熟料，需经过一定工艺进行磨细，形成钢渣粉，才能激发其活性。
1.2 矿渣粉的性质与矿物组成
矿渣粉是高炉炼铁的过程产物，高炉渣在高温状态下经水淬，快速冷却后产生的颗粒状物质。快速冷却的条件下，矿物质结晶速度慢，产物大多为玻璃质。高炉矿渣主要由CaO、SiO、Al、MgO等物质组成，因此矿渣潜在活性较高。
矿渣主要由黄长石、钙长石、假硅灰石和硅酸二钙等4种矿物组成，硅酸二钙和黄长石含量越高其活性越高。
矿渣粉细度较细，活性较高，将高炉矿渣粉掺入水泥中可制得矿渣硅酸盐水泥，在水泥水化过程中，高炉矿渣粉有着关键作用。水泥生产中掺入部分高炉矿渣粉能在保障水泥性能的条件下，降低其生产成本，也能将矿粉大量利用，既保证了矿粉的资源化利用也极大提高了经济效益。矿粉呈碱性，在混凝土配制中掺入部分矿粉代替水泥，能起到抑制碱集料反应的效果，能提高混凝土的耐久性，降低混凝土的水化热，在大体积混凝土中应用广泛。
2 钢渣粉和矿渣粉的处理工艺
2.1 钢渣粉的处理工艺
钢渣经处理形成钢渣粉的粉磨工艺主要有三种，分别为球磨机粉磨工艺、卧式辊磨粉磨工艺和辊式立磨粉磨工艺。钢渣经磨细后制得钢渣粉，钢渣粉粒径中位数在12～15m，有80%左右的粉末粒径小于30m。钢渣经粉磨工艺后，其组分的晶体结构和物理化学性能也在发生着改变，其活性大大提高，粉磨可改善水化反应慢的缺陷[6]
2.1.1 球磨机粉磨工艺
球磨机粉磨工艺具有生产过程简洁、造价低、技术稳定、操作难度低、可靠性高等特点，是我国在钢渣粉磨处理中最早使用的处理系统。该粉磨工艺也有部分缺陷，例如耗电量较大，单机生产产量低，生产效率不高，生产的钢渣粉细度要求较高时，生产处理效率较低。
2.1.2 卧式辊磨粉磨工艺
卧式辊磨粉磨工艺具有运行能源消耗较低、设备损耗小、粉磨比表面积大的特点。该工艺的从原理上吸收了辊压机和球磨机两者的优点并进行组合，以一个旋转的筒体内镶衬板，通过筒内圆辊挤压筒体，反复挤压粉磨，最终经过收尘系统，收集可得质量优异的产品。该设备前期资金投入较大，目前主要依赖进口。
2.1.3 辊式立磨粉磨工艺
辊式立磨粉磨工艺具有能耗低、封闭性好、操作简单、场地占用少等特点。该工艺可通过调整选粉机转速、改变粉磨风机的气流大小和改变碾压压力等方式，控制生产得到特定要求的细度和不同粒径分布的钢渣粉，钢渣粉的比表面积约300～600m/kg。该工艺对钢渣的要求较高，当钢渣中含有较多金属硬物的时候，容易对立磨产生损坏，因此需要在进料口加装金属探测装置。
2.2 矿渣粉的生产工艺
矿渣粉活性指数主要依赖于其比表面积，比表面积越大其活性指数越高。但粉磨细度越细，粉磨时间越长，粉磨效率也将大打折扣。因此要提高利用效率，必须掌握各工艺中粉磨程序的最佳时间。在生产中加入部分助磨剂，比如石膏、煤灰等，能降低生产能耗、提高生产效率。
2.2.1 立磨生产工艺
立磨生产工艺在20世纪20年代就研发应用，历经百年发展，已经相当完善。立磨在生产时具有效率高、能耗低、烘干高效快速的特点。首先将矿渣粉放入磨盘，在离心力作用下，矿渣会向着边缘运动，逐步进入粉磨系统。在粉磨机的不断研磨下，矿渣逐渐变细，在鼓风系统的运行下，细的矿渣粉被筛选出来进行储存待用。
2.2.2 球磨生产工艺
球磨工艺会将一定数量钢球置于滚筒，形成研磨介质。该工艺较为传统，生产流程相对复杂，分为开流和圈流两种。开流球磨操作相对简单，但效率低下，不适合于工业生产。圈流球磨效率相对高，生产过程简单，成品矿渣粉比表面积可达到400～450m/kg。
2.2.3 其他生产工艺
除上述两种生产工艺外，还有振动研磨、立磨联合选粉、辊压机联合球磨机等。振动研磨工艺操作难度大，在实际生产中不常用。立磨联合选粉机设备投资较大，日常管理维护费用高，大规模生产较困难。辊压机联合球磨机具有效率高、能耗低、产品合格率高的特点[7]
3 钢渣粉复合矿渣粉在混凝土中的应用现状
钢渣和矿渣经粉磨形成钢渣粉和矿渣粉，其水化活性提高，被广泛地应用于混凝土的胶凝材料中。钢渣粉用作胶凝材料比钢渣用作骨料更安全，钢渣粉越细，颗粒膨胀率越小，均化效果越好。和矿粉以适当比例复合有微膨胀效果，可以提高混凝土致密度，提升其耐久性能，目前在混凝土中的应用已经取得了良好效果。
林茂松等人[8]研究发现钢渣粉复合矿渣粉取代水泥30%时，复合掺合料中钢渣粉掺量为50%，矿粉比表面积为450m/kg时，砂浆各项性能与空白基准砂浆接近，后期力学性能、抗收缩性能有提高。
夏永忠等人[9]研究不同掺量粉煤灰、钢渣粉、矿粉对混凝土性能的影响，单掺钢渣粉强度略高于粉煤灰，钢渣粉搭配矿粉相比粉煤灰搭配矿粉，强度有优势，和易性相差不大。
史若昕等人[10]研究不同养护条件对钢渣粉复合矿粉掺合料活性的影响，钢矿粉复合掺合料胶砂在蒸养条件下1d活性指数可达115%，3d活性指数达到130%，远远高于标准养护下活性指数。钢矿粉掺合料用于混凝土中，蒸汽养护下相比于标准养护，1d抗压强度提高了104%，3d抗压强度提高了37%，蒸汽养护极大促进了钢矿粉掺合料早期水化反应，说明采取合理养护条件能最大程度发挥矿物掺合料的活性效果。
赵计辉[11]研究发现，钢渣粉也具有与水泥类似的五个水化阶段，但钢渣粉诱导前期和诱导期反应时间较长，第二放热峰很低，水化速率和总放热量远低于水泥。钢渣复合矿粉、钢渣复合粉煤灰、钢渣复合石英、钢渣复合硅灰四种体系复合水泥性能研究发现：钢渣粉复合矿粉体系具有“1+1＞2”的复合超叠加效应，说明钢渣粉和矿渣粉能互相促进彼此水化反应，其中钢渣粉与矿粉2:3可达到最佳早期力学性能，钢渣粉与矿粉1:1可达到最佳后期力学性能。
曾庆玲[12]研究发现钢渣粉与矿粉两掺对比纯水泥试件，氯离子扩散系数降低了12%。50～200次的冻融循环中，单掺钢渣粉的混凝土质量损失率最大，钢渣粉与矿渣粉复掺的抗冻性能最佳，优于单掺矿粉、粉煤灰和纯水泥混凝土，钢/矿复掺的抗碳化性能也优于纯硅酸盐混凝土。因此钢渣粉和矿渣粉复掺具有良好的超叠加效应，能提升混凝土耐久性能。
柴天红等人[13]研究发现，钢渣粉替代部分矿粉具有减少混凝土用水量的作用，但钢渣粉的水化活性比矿粉低，减水效果不足以弥补活性差别，因此钢渣粉代替矿粉的最佳量应在30%。
任谦[14]研究发现在混凝土中加入FeO粉，随着FeO粉掺量的增加，混凝土后期强度逐渐降低，电通量和空隙率呈递增趋势，混凝土耐久性能变差，这在一定程度解释了钢渣粉中氧化铁含量过高对混凝土耐久性有不利影响的情况。
唐晓蒙等人[15]研究发现，水泥、矿粉、煤灰体系中，钢渣粉最大替代粉煤灰比例为50%，混凝土强度、工作性能和耐久性方面都表现良好。
韩长菊等人[16]研究发现，钢渣粉与矿粉复掺有利于提高混凝土工作性能和强度，制得混凝土微观结构致密，钢渣粉水化速度介于矿粉和粉煤灰之间。
胡锐[17]研究发现，钢渣粉和水泥的化学成分、矿物组分相似，活性却相差极大，加入氢氧化钠作为激发剂，能加速钢渣粉的水化进程，提高其强度、变形模量和弹性模量。加入氢氧化钠和硅粉制成复合激发剂，在NaSO掺量为0.6%时，试块强度、变形模量和弹性模量达到最大。
4 结语
钢渣作为骨料在混凝土中的应用存在质量不均匀性和安定性有缺陷等问题，这限制了钢渣作为骨料的应用前景。但钢渣经过预处理和粉磨等工艺，能提高其活性，改善了性能，在应用中取得了良好效果。但钢渣粉在使用中仍存在活性较低，大掺量下安定性可能不合格的情况。钢渣粉和矿粉复合后作为胶凝材料应用与混凝土中，能产生复合超叠加效应，钢渣粉和矿渣粉能互相促进彼此水化反应，在合理搭配或一定的激发条件下，能改善混凝土工作性能，提高强度和耐久性能。在双碳背景下，将钢渣粉和矿渣粉应用于混凝土中具有良好的经济效益和社会效益。
参考文献
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供稿人：张翔，张凯峰等
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
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