转炉钢渣粉在水泥混凝土中应用的研究进展

有研究表明，随着钢渣比表面积的增大，钢渣改善混凝土工 作性能效果及减小混凝土工作性能损失的效果都会变小[22-23，26]。 这是因为钢渣的比表面积增大，使钢渣颗粒被水包裹的需水量 增加。同时，钢渣中矿物与水的接触面积增大，提高矿物与水的 作用力，使水分子容易进入矿物内部加速水化反应，提高了钢 渣的活性[22，24，27]。
2009 年 第 2 期（ 总 第 232 期 ） Number 2 in 2009（Total No.232）
doi：10.3969/j.issn.1002-3550.2009.02.017
混
凝
土
Concrete
原材料及辅助物料 MATERIAL AND ADMINICLE
转炉钢渣粉在水泥混凝土中应用的研究进展
钢渣中少量 CaO 以游离形式存在，f-CaO 水化生成 Ca（OH）2， 体积增大 1.98 倍，很多学者认为这是导致钢渣安定性不良的重 要因素[16，19]。钢渣中 f-CaO 的含量在 1%~7%之间，其含量受原 材料、炼钢工艺、钢渣冷却方式等多个因素的影响，在将钢渣作 为产品生产的过程中应对钢渣中的 f-CaO 含量严格控制。另 外，有研究表明当钢渣中金属铁粒含量在 2.2%以上时，压蒸试 验的安定性不合格[22]，因此钢渣必须经过磁选。钢渣水泥标准 YB/TO22-92 中规定，用于生产钢渣水泥的钢渣，其金属铁的含 量必须低于 1%。
在混凝土可流动期间，由于胶凝材料中的 C3S、C2S、C3A 等 逐渐水化，随着时间的推移，混凝土的工作性会降低。而钢渣中 类硅酸盐水泥熟料的矿物的水化活性低，水化慢，因此从理论 上分析，用钢渣替代部分水泥可以在一定程度上抑制新拌混凝 土工作性的降低。相关研究结果表明[22-25]，相比纯水泥混凝土， 掺钢渣的混凝土保持工作性的能力增强，且钢渣的掺量越大， 混凝土保持工作性的能力越强。
钢渣的安定性是钢渣在混凝土中应用需要考虑的重点问题， RO 相和游离 CaO 被认为是影响钢渣安定性的主要因素。唐明 述的研究结果表明[16]，以固溶态存在的 RO 相，无论是方铁石还 是 MgO、MnO、FeO 形成的固溶体，对水都比较稳定，用高温高压 也不能加速其水化，即 RO 相是非活性的。肖琪仲[19]、钱光人[20] 对钢渣进行的高温高压水热反应试验研究结果也表明 RO 相 是相对稳定的。有学者认为 RO 相并不是绝对的惰性，RO 相是 否影响钢渣的安定性主要取决于 RO 相中 MgO 的含量，当 RO 相中 MgO 的含量超过 70%时，钢渣的安定性不良[21]。
WANG Qiang 1，BAO Li-nan 2，YAN Pei-yu 1 （1. Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of Education Ministry，Department of Civil Engineering，Tsinghua University，
4 转炉钢渣对混凝土抗压强度的影响
朱航[28]的研究结果显示，钢渣掺量为 10%~20%时，钢渣的 加入可以使混凝土的 28 d 抗压强度略有提高；当掺量超过 20% 时，随着钢渣掺量的增加，混凝土的抗压强度开始呈明显的下 降趋势。李永鑫[22]的研究结果显示，钢渣掺量为 10%时，混凝土 各龄期的抗压强度均高于纯水泥混凝土；当钢渣掺量为 20%时， 混凝土的 7 d 抗压强度明显下降，但 28 d 和 90 d 抗压强度接近 纯水泥混凝土；当钢渣掺量为 30%~50%时，混凝土各龄期抗压 强度大幅下降。孙家瑛[29]的研究结果显示，混凝土中掺 10%钢 渣粉，可以使混凝土 28 d 抗压强度比纯水泥混凝土提高 4%左右； 掺 20%钢渣的混凝土 28 d 抗压强度与纯水泥混凝土相差不大； 钢渣掺量在 30%~60%范围内，混凝土 28 d 抗压强度随钢渣掺量 增加而明显下降。王博[30]的研究结果显示：钢渣的掺量为 20%时， 混凝土的 7 d 抗压强度低于纯水泥混凝土，但 28 d 抗压强度接 近纯水泥混凝土；钢渣掺量为 30%~50%时，混凝土抗压强度降低 的幅度较大。综合以上的研究结果可知，当钢渣掺量低于20%时， 混凝土的早期抗压强度低于纯水泥混凝土，但 28 d 后的抗压强 度接近甚至略高于纯水泥混凝土；当钢渣掺量超过 20%时，混 凝土的抗压强度随着钢渣掺量的增大而降低，且掺量较大时， 混凝土抗压强度降低的幅度也较大。
收稿日期：2008-08-17
基金项目：国家“十一五”科技支撑计划（2006BAF02A24）；国家重点基础研究发展计划（973）支持（2009CB623106）
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水化放热总量仅为水泥的 10.5%[15]，可以认为钢渣是一种活性很 低的硅酸盐水泥熟料。
唐明述认为 RO 相中 MgO、FeO 和 MnO 的结晶状态主要 决定于钢渣的碱度[16]，在低碱度的钢渣中，MgO 主要形成钙镁 橄榄石，RO 相主要是方铁石；在高碱度钢渣中，MgO 主要与 FeO、MnO 形成固溶体。还有学者根据 K=w（MgO）/[w（FeO）+ w（MnO）]的计算值将 RO 相分为 2 种：K>1 时，RO 相属于方镁 石固溶体；K<1 时，RO 相属于方铁矿固溶体[17]。侯贵华[18]的研究 结果显示，高碱度钢渣中 RO 相的物质成分是镁铁相，其代表 性组成是 MgO·2FeO。
Beijing 100084，China；2. Tianjin City Investment Construction Company，Tianjin 300010，China）
Ab s tra ct: The chemical constituents and mineral compositions of converter steel slag were summarized and compared with those of Portland cement clinker.The limiting factors of converter steel slag applied for concrete were analyzed，and the corresponding countermeasures were presented.The influence of converter steel slag on the workability，compressive strength and durability of concrete was summarized，and the corresponding mechanisms were analyzed.Several issues deserved research for converter steel slag applied for concrete were presented. Ke y w o rd s : converter steel slag；concrete；chemical constituent；mineral composition；performance
0 引言
钢渣是炼钢过程中产生的废渣，分为转炉钢渣、平炉钢渣和 电炉钢渣，其中转炉钢渣所占的密度较大，目前我国排放的钢 渣 70%以上是转炉钢渣[1]。钢渣的排放量约为钢产量的 10%[2]， 全球每年大约产 14 000 万 t 钢渣。欧洲 65%的钢渣已得到高效 率的利用[3]，美国的钢渣已达到排用平衡[4]，我国积存钢渣已有 3 亿 t 以上，利用率却很低，约为 10%[5]。
2 转炉钢渣在混凝土中应用受到的限制
现代水泥混凝土的核心技术的一个重要方面就是围绕矿 物掺合料展开的，将钢渣作为矿物掺合料应用于混凝土中，不 仅符合我国可持续发展战略，也符合现代混凝土技术发展的方 向。目前钢渣在混凝土中应用受限的主要原因有两个，一是钢 渣的成分波动大，稳定性差；二是钢渣可能存在安定性不良的 问题。目前绝大部分钢渣并不是作为产品生产，而是作为废渣 排放的，因此，钢渣的品质很难得到保障。随着钢渣作为混凝土 掺合料的研究不断深入，钢渣在混凝土中应用所具有的巨大潜 在经济效益不断体现，钢铁企业会对钢渣的排放及处理工艺进 行改进，从而使钢渣的品质得到提高。
3 转炉钢渣对混凝土工作性能的影响
混凝土的最终强度在很大程度上决定于混凝土的密实程度， 如果混凝土中孔隙率有所增加，那么将导致其强度下降，因此， 混凝土的工作性至关重要。同时，现代混凝土的浇筑多采用泵 送技术，对混凝土的工作性也有很高的要求。通常任何级配的 颗粒都需要一定量的水使其达到可塑性，首先，必须有足够的 水吸附在颗粒表面；然后，水必须填满颗粒之间的孔隙；最后， 多余的水包围在颗粒周围形成一层水膜来“润滑”颗粒。调整混 凝土工作性最重要的因素就是水的含量，增加用水量可以增加 混凝土的流动性，但同时会降低混凝土的强度。
钢渣的活性较低，达到可塑性所需的水量较少。用钢渣替
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代部分水泥后，复合胶凝材料的需水量小于等质量纯水泥的需 水量，因此，从理论上分析，在用水量不变的情况下，掺入钢渣 会增加混凝土的流动性。众多研究结果表明[22-25]，当水灰比较低 时，掺入钢渣能够改善混凝土的工作性能，且在一定程度上钢 渣掺量越大，效果越明显。当水灰比较高时，掺入钢渣也能在一 定程度上改善混凝土的工作性，但当掺量较大时，混凝土的抗 离析能力下降。
王 强 1，鲍立楠 2，阎培渝 1 （1. 清华大学 土木工程系结构与振动教育部重点实验室，北京 100084；2. 天津城投建设公司，天津 300010）
摘 要： 综述了转炉钢渣的化学成分和矿物组成，并与硅酸盐水泥熟料进行对比。分析了转炉钢渣在混凝土中应用所受到的限制，提出
了相应对策。综述了转炉钢渣对混凝土工作性能、抗压强度和耐久性的影响，并进行了理论分析。提出了钢渣在混凝土中应用值得研究的
Mason B[10]提出用钢渣化学组成计算得到的碱度值（用 M
表示）来评价钢渣的活性，定义钢渣碱度M=w（CaO）/[w（SiO2）+ w（P2O5）]。我国对钢渣碱度定义都采用了 Mason B 的方法，而且 按碱度将钢渣分为低碱度渣（M<1.8）、中碱度渣（M=1.8~2.5）及高 碱度渣（M>2.5）3 种[11]，在制备钢渣矿渣水泥时一般要求钢渣的 碱度高于 1.8。但是，用碱度只能在一定程度上评价钢渣的活性， 例如：如果钢渣中的 SiO2 量较低，则通过上述碱度计算公式得到 的碱度值较高，但由于 C2S、C3S 的含量较低，钢渣的活性可能仍 较低。因此钢渣的胶凝性能并非随钢渣碱度的提高而一直提高， 有 学 者 认 为 钢 渣 碱 度 在 3.0~4.5 之 间 时 胶 凝 性 能 最 好 。 [12]