钢渣的稳定化处理方法及在道路工程中的应用案例浅析

钢渣的稳定化处理方法及在道路工程中的应用案例浅析

郑世伦1,孟昊2,梁旭之1,李菁若3,王云进1,封俊良2,刘斌1,董延琦1

1.贵州省遵义市公路管理局,贵州 遵义 563000 ；2.重庆交通大学,材料科学与工程学院,重庆 40074 ；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067

摘要：钢渣体积稳定性较差，遇水易发生膨胀，体积膨胀性是影响钢渣在道路工程中应用的主要因素。若对钢渣进行稳定化处理，将钢渣用于道路工程中，不仅可以大幅提高钢渣的综合利用率，而且具有显著的经济效益。对此本文浅析了钢渣内影响钢渣体积稳定性的因素，介绍了钢渣的稳定化处理方法以及钢渣在道路工程中的应用案例。

关键词：钢渣；体积稳定性；稳定化处理；应用案例

  基金项目：贵州省交通运输厅科技项目（2021-122-002）；重庆市技术创新与应用示范专项产业类重点研发项目(cstc2018jszx-cyzdX0026)；云南省交通厅科技项目（云交科教(2016)140(B)）。
作者简介：郑世伦（1974），男，贵州省遵义市人，本科，高工，主要从事公路建设与养护管理工作。E-mail：746990961@qq.com。

0.引言

钢渣是指钢铁工业炼钢过程中形成的以硅酸盐、铁酸盐为主要成分的固体废渣。近年来,我国的钢铁行业得到了迅速的发展，但这也造成了我国的钢渣排放量逐年增加。据统计，2021年我国粗钢产量为10.33亿吨，钢渣产生量超过1.2亿吨，但是我国在钢渣应用方面水平不高，钢渣的综合利用率仅在30%左右[1]，远远低于《废钢产业“十四五”发展规划》中钢渣综合利用率达到60%的目标。目前国内堆积的钢渣已经超过18亿吨[2]，若堆存的钢渣得不到及时处理，钢渣的活性就会逐渐消失，对其进行再处理的难度也会增大。 同时堆积的钢渣占用着20多万亩的土地，不仅占用了大面积土地，同时对周围环境造成了严重的污染，对此需找出一条有效途径来提高我国的钢渣综合利用率。

无论是国内还是国外，钢渣在道路方面的应用越来越普遍，我国各省在近年来亦已铺建了多条钢渣试验路。研究表明[3]，钢渣内的f-CaO等成分造成体积膨胀是影响钢渣在道路工程中应用的最大问题，如果可以使钢渣体积稳定，对其进行稳定化处理，将钢渣大规模应用于道路工程中，这有助于提高我国钢渣的综合利用率。基于以上背景，本文针对钢渣体积的不稳定特性，分析了钢渣体积膨胀的原因，介绍了钢渣稳定化处理的方法，为后续控制钢渣稳定性研究提供参考。另外，综述了钢渣在国内道路工程中的应用案例，为钢渣的工程应用提供指导作用。

1.钢渣体积膨胀原因分析

影响钢渣体积膨胀的因素有：游离氧化钙（f-CaO）、游离氧化镁（f-MgO）、RO相（由二价金属氧化物MgO、MnO、FeO等组成的固溶体的总称）以及铁元素等。其中钢渣内f-CaO和f-MgO是影响钢渣稳定性的主要因素，二者遇水发生水化反应，水化后生成的Ca(OH)2和Mg(OH)2分别可以使钢渣的体积增长97.8%和148%。

1.1 f-CaO、f-MgO的影响

钢渣内f-CaO的含量一般在1% ~12%之间，f-MgO含量一般在1%~10%，虽然f-MgO水化活性低于f-CaO，但其水化生成Mg(OH)2时体积膨胀约148%，严重影响了钢渣的稳定性。钢渣内f-CaO和f-MgO遇水后，发生水化反应，如式 (1)、(2)所示：

CaO+H2O→Ca(OH)2                                  (1)

MgO+H2O→Mg(OH)2                                 (2)

研究表明[4]：钢渣内的f-CaO遇水发生水化反应，生成的Ca(OH)2，使钢渣固相体积增加约97.8%。对此国内外一致公认，f-CaO的水化是钢渣膨胀的重要原因。George Wang[5]通过硅酸晶体研究现状，构建了一个f-CaO的分子模型，从而得出结论：f-CaO含量的升高会导致钢渣的体积变得更加不稳定，当1%的f-CaO含量升高时，钢渣的膨胀率将会提高到1.15%。马来君等[6]认为，f-MgO的水化反应时间较长，而它的来源仅限于方镁石，尽管它的含量比f-CaO要少，但其发生的水化反应将对钢渣的体积稳定性产生极大的不利影响。Yildirim等[7]认为方镁石水化速率不及f-CaO，方镁石的水化时长可达数月或数年。

1.2 RO相对钢渣体积稳定性的影响

目前关于RO相是否对钢渣体积稳定性产生影响，目前观点不一。唐明述等[8]认为RO相对钢渣体积稳定性不产生影响。叶贡欣[9]认为RO相是否影响钢渣稳定性应按其MgO的含量分别讨论。当MgO/(FeO+MnO)比值<1时,RO相为方铁石，不影响钢渣的稳定性；当MgO/(FeO+MnO)比值>1时，RO相为方镁石，会对钢渣的稳定性产生影响。关于

MgO(FeO+MnO)=1时，是否会发生水化，Chen等[10]在合成了不同FeO/ MnO比的RO相(MgO·aFeO·bMnO，a+b=1)后,发现MgO·0.3FeO·0.7MnO这一比例的RO相在常温下有很高的活性，其它比例的RO相水化活性则比较弱或基本不水化。因此，对于钢渣中的RO相是否会影响钢渣稳定性需要从其化学组成上加以判断。

1.3铁元素对钢渣体积稳定性的影响

钢渣内的铁的以铁酸盐、方铁矿以及金属粒铁三种不同的状态存在。对于铁元素对钢渣体积稳定性的影响，李永鑫[11]认为钢渣粉压蒸安定性与金属铁的含量有着重大联系，随着金属铁含量的增加，试件膨胀率也逐渐增长，原因可能是钢渣内的金属铁在压蒸状态下发生氧化反应和水化反应引起体积膨胀，并提出钢渣粉中金属铁含量不应过高，应将钢渣内的金属铁含量控制在2%以下。

2.钢渣稳定化处理技术

钢渣内f-CaO和f-MgO是导致钢渣体积膨胀的主要原因，尤其钢渣内f-CaO含量与水化活性都高于f-MgO，且当其发生水化反应，使钢渣体积增长约97.8%。为了减轻f-CaO引起钢渣体积的膨胀，一般对钢渣进行稳定化处理的方法有：陈化法、掺加有机隔离剂、碳酸化法以及掺合料。

2.1陈化法

陈化法是目前对钢渣稳定化处理最直接有效的方法，，其原理是将钢渣堆积于室外，使钢渣表面活性成分在与空气、水分充分接触并反应后转化为惰性成分[12-13]，但此方法也有明显的不足：陈化时间长，占用大量土地面积。陈化时间与不同地域的外界环境和钢渣自身性质有关，一般需要自然陈化6~～12个月后，才可以将钢渣作为集料大规模用于道路工程[14-16]。

2.2掺加有机隔离剂

掺加有机隔离剂可以使钢渣表面形成一层致密薄膜，使钢渣内f-CaO等组分无法与水接触，进而无法发生水化反应。张金生[17]按1:1的比例用甲苯稀释硅树脂，将4%的助剂混合溶解于有机硅树脂中，以此来配置成一种有机隔离剂；将该防水剂以钢渣的4%的比例喷洒在钢渣表面，经过测试，钢渣的吸水率和压碎值分别降到 0.53%和 10.1%。经过喷洒防水剂处理，钢渣的表面微观形态发生了显著变化，如图1所示，经过放大300倍和1200倍，发现经过处理后的钢渣，表面形成了一层致密的防水薄膜，有效地阻隔了钢渣与空气中的水分接触，减少了钢渣表面的孔隙。

图1改性钢渣表面微观图[17]

2.3碳酸化法

使用碳酸化处理也可降低钢渣内f-CaO的含量，其方法是指加入CO2气体与钢渣内的f-CaO、f-MgO等组分发生反应，从而使钢渣内f-CaO、f-MgO等组分的含量降低。张妍[18]等认为碳酸化处理钢渣时，不仅解决钢渣稳定性的问题，同时也可消耗CO2气体。常钧[19]等通过对钢渣进行碳酸化处理，发现钢渣样品的抗压强度得到提高的同时，钢渣的孔隙率下降且其f-CaO含量显著减少。王瑾[20]等对钢渣进行碳酸化处理，并做了碳酸化处理前后的钢渣性能指标对比见表1，发现经过碳酸化处理后，钢渣中的f-CaO与MgO含量降低，改性钢渣的表面微观形貌如图2所示。

表1 钢渣粉经过碳酸化处理前后的性能指标[20]

（a）未经过处理的钢渣粉[20]（b）碳酸化处理过后的钢渣粉[20]

图2碳酸化处理前后的表面微观图[20]

2.3.3掺合料法

掺入微硅粉、粉煤灰等掺合料可以与水化生成的Ca(OH)2发生反应，可以抑制钢渣发生体积膨胀[21]。许博等[22]认为在钢渣中掺入微硅粉对钢渣的体积膨胀性有显著的抑制效果，这是由于微硅粉内SiO2与钢渣中f-CaO水化生成的 Ca(OH)2，发生大规模的火山灰效应。经过试验发现，当掺入微硅粉的含量为4.8%时，对钢渣膨胀有着极其显著的抑制效果，膨胀率值仅为0.4%。将粉煤灰掺入到钢渣中，会在其表面形成不同晶体形态的C-S-H，将钢渣表面进行包裹，有效防止了钢渣内f-CaO等活性成分与水的接触，对钢渣体积的膨胀就良好的抑制效果。

3.钢渣在道路工程中的工程应用案例分析

2011年在乌鲁木齐市北京路北延道路新建工程铺筑长800 m，宽7.5m钢渣沥青混凝土试验路。试验路采用的是八钢集团经过滚筒渣处理工艺破碎的粒径为0.075～20mm、且经过自然陈化处理超过6月以上的钢渣，作为粗集料使用。通过试验表明：使用八钢钢渣代替部分碎石时，八钢钢渣掺量到15%时，钢渣沥青混合料的路用性能最佳。

2012年武汉理工大学、武钢金属资源有限公司与武汉龙泰开源沥青有限公司等三所机构共同合作铺筑了一条长2500 m的钢渣沥青混凝土试验段路面。该试验路段采用双层路面结构：上面层为AC-13C钢渣沥青混凝土，

采用集料复配方案，其中19～9.5 mm ，1 6.0～2.36 mm档采用钢渣集料，掺入的质量分数分别为10%和43%，其余各档为石灰岩集料；下面层为AC-25C钢渣沥青混凝土，同样采用集料复配方案，其中 31.5～19.0 mm.19.0～9.5 mm和16.0～2.36 mm档采用钢渣集料，掺入的质量分数分别为20%，24%及22%，其余各档仍采用石灰岩集料。整个试验段消耗15000 t钢渣，理论上钢渣附加值增值75万元，若按武钢年产216万t钢渣计算，那么1年就将产生10800万元的经济效益[23]。

2020年梁铎，温永钢等人采用包头某有限公司的转炉钢渣在G65包茂高速(包头至东胜段K70+700~K71+800)上分别铺筑了3种配比的水泥稳定钢渣碎石基层试验段，。其中钢渣集料压碎值、磨耗值、f-CaO含量分别为10.3%、8.5%、1.12%，且满足规范要求[24]。全钢渣试验路段平整度平均值小于4mm，弯沉值及其代表值满足弯沉设计值的要求，这说明当加入低压碎值、低磨耗值和低含量f-CaO的钢渣集料时，可以提升水泥稳定碎石基层的抗变形能力，使其具有更小的弹性应变。

4.结论

（1）钢渣内部的f-CaO、f-MgO、RO相以及铁元素发生水化或氧化对钢渣体积的稳定性有着重大影响。其中钢渣内f-CaO和f-MgO是导致钢渣体积膨胀的主要因素，但二者水化速度大不相同，虽后者的水化速度不及前者，但f-MgO的水化会对钢渣体积稳定性产生的影响是不可忽视的。RO相对钢渣体积稳定性产生影响目前观点不一，对于RO相是否会对钢渣的稳定性产生影响需要从其化学组成上加以判断，另外钢渣中的铁元素也是影响钢渣稳定性的一个重要因素。

（2）对钢渣进行稳定化处理，主要是对钢渣内的f-CaO水化反应进行促进、抑制与消除。使用陈化法是促进f-CaO水化反应，自然陈化是目前我国采用消除钢渣膨胀组分的主要手段，此方法简单方便，但所用时间长，一般需要6~～12个月，并且占用大量土地面积。使用有机隔离剂剂是抑制钢渣内f-CaO水化的主要方法，其原理是在钢渣表面喷洒有机隔离剂后，表面形成了一层致密的防水薄膜，有效阻止了钢渣内的f-CaO与外界的水分发生水化反应。使用碳酸化法和掺合料可消除钢渣内的f-CaO水化，使用碳酸化法处理过后的钢渣的孔隙率下降并且其f-CaO等含量均可降低，使用此方法还可消耗二氧化碳气体。

（3）钢渣作为集料应用前都应该经过自然陈化至少6个月处理使其游离氧化钙的含量小于2%的规范要求，钢渣的掺量与不同地方钢渣的性质有关。将钢渣作为道路工程集料，不仅为钢渣的利用找到了一条新的途径，提高了钢渣的利用率，而且具有显著的经济效益，在环保方面也有积极的影响。

参考文献(References)：

[1]高颖，王伟赫，陈萌，等. 钢渣体积膨胀行为及改性方法研究进展[J]. 科学技术与工程，2021， 21(33):9.

[2]任江涛．浅析我国钢渣综合利用及其标准化工作进展[N].世界金属导报，2019-07-09(12)．

[3]林志伟，颜峰，郭荣鑫，等. 富水环境下钢渣骨料体积膨胀行为及抑制方法研究现状综述[J］.硅酸盐通报，2019，38(1):118-124．

[4]中国废钢铁应用协会冶金渣开发利用工作委员会.2012年钢铁渣综合利用基本情况[J].中国废钢铁，22013(1):39.

[5]George Wang,Yuhong Wang,Zhili Gao. Use of steel slag as a granular material: Volume expansion prea[J].Journal of Hazardous Materials,2010,184( 1).

[6]马来君，连芳，王瀚霄，等.钢渣中游离氧化镁含量的测定及其减量控制措施.矿产综合利用，2017(5): 70-75.

[7] Yildirim I Z ,Prezzi M ,Carraro J A H. Chemical ,mineralogical ,and morphological properties of steel slag [J]. Advances in CivilEngineering,2011: 463638.

[8]唐明述，袁美栖，韩苏芬，沈兴.钢渣中Mg O、Fe O、Mn O的结晶状态与钢渣的体积安定性[J].硅酸盐学报，1979，7(1) : 35-46.

[9]叶贡欣.钢渣中二价氧化物及其与钢渣水泥体积安定性的关系[A].水泥学术会议论文集[C].北京: 中国建筑工业出版社，1980.

[10]ChenZM,LiR,Zheng X M, etal. Cement and Concrete Research,2021,139,106271.https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106271

.

[11]李永鑫.含钢渣粉掺合料的水泥混凝土组成、结构与性能的研究[D].北京:中国建筑材料科学研究院，2003.

[12] JIANG Y. LING T C, SHIC J, et al. Characteristics of Steel Slags and Their Use in Cement and Concrete — A Review [J]. Resources Conservation and Recycling. 2018, 136: 187-197.

[13] GIANFILIPPO M D, VERGINELLI I.COSTA G, et al. A Risk-based Approach for Assessing the Re-cycling Potential of an Alkaline waste Material as Road Sub-base Filler Material [J]. waste Management. 2018. 71: 440-453.

[14] XUE YJ. WU SP.HOU H B. et al. Experimental Investigation of Basic Oxygen Furnace Slag Used as Aggregate in Asphalt Mixture [J]. Journal of Hazardous Materials，2006, 138(2):261-268.

[15] CHEN Z W, WU S P, WEN J,et al. Utilization of Gneiss Coarse Aggregate and Steel Slag Fine Aggregate in Asphalt Mixture [J]. Construction and Building Materials, 2015, 93: 911-918.

[16]许丁斌.钢溢沥青混合料的材料及性能研究[D].南京:东南大学，2018.

[17]张金生，董从雷，陈奕辛.钢渣的体积膨胀抑制及沥青混合料性能研究[J]. 四川水泥，2020(1):2.

[18]张妍，常―钧，何―萍.钢渣中游离氧化钙和氧化镁碳酸化反应们.大连理工大学学报，2018，58(6): 634-640.

[19]常钧，吴昊泽.硅酸盐学报，2010,38(07)，1185.

[20]王瑾，刘健，潘红，等.碳酸化预处理钢渣粉在混凝土中的研究与应用[J].混凝土与水泥制品， 2022(5):5.

[21]LIAPIS I,PAPA YIANNI I. Advances in Chemical and Physical Properties of Electric Arc Furnace Carbon Steel Slag by Hot Stage Processing and Mineral Mixing [J]. Journal of Hazardous Materials,2015,283:89-97.

[22]许博，蓝天助，刘朝晖，等.不同处理工艺对钢渣膨胀稳定性能的影响[J].钢铁钒钛，2020(1):7.

[23]刘思，焦立新，李灿华.武钢钢渣在武汉东湖高新技术园区主干道大规模应用的研究[J].中国废钢铁，2012(4):37.

[24]梁铎，温永钢，杨超，等.钢渣在水泥稳定碎石基层中的工程应用研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2020，44(2):5.