1、江西建材试验与研究442023年1 月作者简介：王惠旭（1990），男，福建泉州人，本科，工程师，主要研究方向为工程检测。冶金钢铁尾渣再生系列材料在混凝土中的应用研究王惠旭福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建 泉州 362000摘 要：文中探讨我国钢渣综合利用的各种途径，通过分析冶金钢铁尾渣替代粗骨料在混凝土中的应用，探究冶金钢渣在不同掺量情况下对于混凝土力学性能及体积稳定性的影响，进一步验证该类材料在混凝土中的可再利用性。关键词：冶金尾渣；混凝土；钢渣中图分类号：TU528 文献标志码：A文章编号：1006-2890（2023）01-0044-03Discussion on the App
2、lication of Recycled Materials of Metallurgical Steel Tailings in ConcreteWang HuixuFujian Academy of Building Sciences Co.Ltd.,Quanzhou,Fujian 362000Abstract:In this paper,various ways of comprehensive utilization of steel slag in China are discussed.By analyzing the application of metallurgical st
3、eel tailings instead of coarse aggregate in concrete,the effects of metallurgical steel slag on mechanical properties and volume stability of concrete under different mixtures are explored,and the reuse of such materials in concrete is further verified.Key words:Metallurgical tailings;Concrete;Steel
4、 scoria0 引言冶金钢铁尾渣也称钢渣，是冶金工业产生的一种副产品。在中国钢铁工业飞速发展的同时，钢渣的产生量亦随之增长，现如今我国每年的钢渣量已达上亿吨，堆放占据大量土地，给生态环境造成极大的压力。钢渣的处理和资源化利用愈发受到重视，提高我国的钢渣综合利用率迫在眉睫1。通过钢渣的再利用，切实解决大量堆放形成的废渣废水、扬尘等，提高资源使用率，促使钢铁产业零排放战略的进一步推进2。在建设工程中，混凝土是应用最广泛的建筑材料之一。普通混凝土的大量使用必然伴随着大规模的矿山和砂石开采，对自然环境造成了严重破坏，长此以往，自然资源也会日益枯竭。因此，各类再生混凝土应运而生，用于替代天然骨料的材料
5、从废弃混凝土、废弃砖瓦、玻璃、炉渣，再到废弃橡胶、塑料、木材等，具有极大的环保效益及经济效益，是实现自然资源可持续发展的重要举措之一3。1 冶金钢铁尾渣综合利用目前，我国的钢渣利用主要途径有：（1）用于炼钢厂内循环，二次利用回收钢渣中废钢，用来替代石灰石作烧结熔剂，可大幅度提高钢渣利用率。（2）用于市政及道路工程中的路基回填，具有良好的力学性能和较好的稳定性。（3）用于生产钢渣微粉等新型建材，钢渣微粉具有一定的胶凝作用，在一定的掺量下可替代水泥，提高混凝土强度。（4）作为土壤改良剂，可以对土壤的酸碱度进行改良及充当复合肥料。（5）作为再生骨料应用于混凝土中，可节约自然资源，节能减排。（6）用于
6、其他建材原料，如陶瓷、微晶玻璃、免烧砖、掺加剂等4-7。钢渣的综合利用途径较多，但其综合利用率并不高，钢渣的产出量远大于回收利用量。钢渣作为骨料应用到混凝中，消纳量较大。而制约钢渣在混凝土中的利用的主要因素之一就是，钢渣中含有的游离氧化钙及游离氧化镁，其经水化反应会破坏混凝土的结构，进而影响混凝土的体积稳定性8-10。2 冶金钢铁尾渣作为粗骨料应用到混凝土中的试验本文结合现有的研究成果，采用钢渣作为粗骨料应用到混凝土中，进行了相关检测试验，分析钢渣粗骨料在不同掺量下，混凝土的物理力学性能及体积稳定性，为钢渣在混凝土中的资源化利用提供技术支持。2.1 试验材料制备（1）冶金钢铁尾渣骨料，是经破碎
7、与筛分等多道工序处理后，形成颗粒物。本次筛选出520mm连续级配钢渣作为试验骨料，压碎值指标为6%，其他相关性能符合GB/T 14685-2011建设用卵石、碎石 标准要求。（2）水泥选择常规的普通硅酸盐水泥，型号 P O 42.5R，符合 GB 175-2007通用硅酸盐水泥 标准要求。（3）细骨料选择使用机制砂，细度模数2.8，符合 GB/T 14684-2011建设用砂2 区中砂级配要求。（4）粗骨料选用520mm连续级配碎石，符合GB/T 14685-2011建设用卵石、碎石 标准要求。相关材料物理性能见表1、表2、表3。表1 水泥性能类别强度/MPa凝结时间/min安定性3d抗折 2
8、8d抗折 3d抗压 28d抗压初凝终凝水泥4.26.725.647.9227303合格江西建材试验与研究452023年1 月表2 细骨料物理性能类别颗粒级配石粉含量/含泥量/%堆积密度/（kg/m3）细骨料2 区中砂4.11410表3 粗骨料物理性能堆积密度/（kg/m3）表观密度/（kg/m3）压碎指标/%孔隙率/%含泥量/%1540kg/m32680kg/m39%43%0.4%2.2 试验仪器及方法此次试验中用到的机械设备包含混凝土搅拌机、混凝土振动台、破碎机、电热鼓风恒温干燥箱、沸煮箱、数显压力试验机等。试验主要包含三个方法。设计基准混凝土配合比，各原料分别为：水190kg/m3、水泥3
9、17kg/m3、细骨料700kg/m3、粗骨料1193kg/m3，钢渣骨料按掺量20%、30%、40%、50%取代粗骨料进行试验，各项原材料使用比例如表4。（1）强 度 试 验。参 照 GB/T 50081-2019 混 凝 土 物理 力 学 性 能 试 验 方 法 标 准 。其 中，抗 压 强 度 试 件 规 格150mm150mm150mm；抗折试块规格150mm150mm550mm。（2）游离氧化钙潜在危害检测推断。参照 GB/T 50344-2019 建 筑 结 构 检 测 技 术 标 准 ，把 混 凝 土 制 成 直 径100mm150mm的圆柱体，每个配比成型两组，每三个试件为一组
10、，根据标准规定，对其游离氧化钙的潜在危害进行检测推断。表4 混凝土原料配比kg/m3组别用量水水泥细骨料粗骨料 钢渣骨料基准混凝土19031770011930钢渣混凝土-掺量20%190317700954239钢渣混凝土-掺量30%190317700835358钢渣混凝土-掺量40%190317700716477钢渣混凝土-掺量50%1903177005975963 冶金钢铁尾渣对预拌混凝土的影响3.1 钢渣掺量对混凝土强度的影响分别检测五组配比在28d、60d龄期的抗压强度和抗折强度，数据见表5。表5 混凝土强度检测结果MPa组别抗压强度抗折强度28d60d28d60d基准混凝土38.543
11、.85.25.7钢渣混凝土-掺量20%42.347.55.56.1钢渣混凝土-掺量30%47.552.95.86.4钢渣混凝土-掺量40%50.455.66.06.6钢渣混凝土-掺量50%51.156.36.16.5由试验数据可知，钢渣掺量在20%50%区间时，混凝土抗压强度及抗折强度随着钢渣骨料掺量的增加而增大。粗骨料是混凝土的骨架，对混凝土的强度起着至关重要的作用。经分析，这是由于相比于普通骨料碎石，此次试验的钢渣骨料强度较高，外表面毛糙，与胶凝材料的黏结性能更好，提高了钢渣混凝土的结构稳定性，从而提高了混凝土强度。3.2 钢渣掺量对混凝土体积稳定性的影响粗骨料在混凝土中占比约40%左右，
12、粗骨料的体积在混凝土中不发生变化，保证了混凝土的体积稳定性。而钢渣取代粗骨料在混凝土中的掺入，引入了一定的游离氧化钙等，不可避免地会对混凝土的体积稳定性产生影响11。通过试件沸煮试验来得到钢渣混凝土体积稳定性相关参数。试验数据见表6。表6 混凝土性能检测结果组别抗压强度/MPa抗压强度变化率/%现象未沸煮试件已沸煮试件基准混凝土38.538.11.0无开裂或崩溃钢渣混凝土-掺量20%42.140.53.8无开裂或崩溃钢渣混凝土-掺量30%47.043.28.1无开裂或崩溃钢渣混凝土-掺量40%50.938.524.4有开裂或崩溃钢渣混凝土-掺量50%51.631.539.0有开裂或崩溃由表6
13、可知，随着钢渣骨料掺量的增加，混凝土的抗压强度变化百分率不断增大，沸煮后的试件抗压强度不断减小，在掺量超过40%时，沸煮后的试件出现了不同程度的开裂。通过对检测数据的分析，钢渣骨料的掺量在20%、30%时，沸煮后试件均未出现开裂或崩溃的现象，抗压强度虽有不同程度的降低，但其变化百分率均小于30%，依标准可判定不存在游离氧化钙的潜在危害。当钢渣骨料的掺量达到40%时，沸煮后混凝土的体积稳定性被破坏，造成表面开裂或崩溃现象，抗压强度降幅较大。钢渣骨料主要是由硅酸二钙、游离氧化钙、游离氧化镁和 RO相（CaO、MgO、FeO及 MnO组成的固溶体）等矿物组成的，经过沸煮后其组成发生了变化，出现了 C
14、a（OH）2和 Mg（OH）2，游离氧化钙、游离氧化镁的水化反应是混凝土体积稳定性被破坏的主要原因12。4 结论（1）钢渣取代粗骨料在混凝土中的应用能提高其物理力学性能，但由于其对混凝土体积稳定性的影响，须严格控制钢渣的掺量。钢渣作为粗骨料时的掺量控制在30%时，混凝土力学性能及体积稳定性达到最佳。（2）钢渣在混凝土的使用会引入游离氧化钙和游离氧化镁，进而影响混凝土的体积安定性，工程中大量使用钢渣作为骨料会导致混凝土的膨胀与开裂，且开裂时间与程度具有很大的不确定性，难以评估。所以在实际应用中，钢渣应慎重使用，不同类别、不同处理工艺的钢渣的适用性及掺量应经试验确定。参考文献 1 吴跃东，彭犇，吴
15、龙，等.国内外钢渣处理与资源化利用技术发展现状综述J.环境工程，2021，39（1）：161-165.2 高瑞，程芳琴.冶金工业固体废物钢渣的综合利用J.再生资源与循环经济，2010，3（11）：38-41.3 仇云强，邓立洋，胡海学，等.再生骨料技术研究现状分析J.市政技术，2022，40（8）：105-111.（下转第48 页）江西建材试验与研究482023年1 月表1 试验数据时间/h温度/变形值/0.01mm4:002505:002606:0028.5-0.257:00321.58:0036.82.59:0040.84.510:0040.25.511:0041.36.512:0042.
16、66.7513:0042.18.7514:004310.2515:0042.910.2516:0042.511.2517:00429.7518:0039.19.2519:0037.38.2520:0035.56.7521:0032.55.522:00316.7523:0030.570:003151:003052:00284.753:00275.54:00264.25气温随时间变化与钢梁随温度变化曲线图如图1、图2所示。图1 温度随时间变化曲线图2 基准梁随时间变化曲线由于试验位于伊拉克的北部半干旱沙漠地区，昼夜温度变化大，能充分研究温度对基准梁的变形误差。本试验温度影响位移最大变化为0.1125mm，位移随温度变化增大而增大，温度越高，基准梁挠度变形越大。5 结论（1）温度对基准梁变形影响不可避免，位移变化与温差变化成正向比例关系。（2）减少阳光暴晒基准梁，能够减少基准梁吸热，较大程度地降低基准梁温差，从而减少温度变形误差。（3）正式试验时，可在试验基准梁旁边架设一根空基准梁，专门测其温度变形，对试验基准梁进行温度变形修正。（4）在浸水坑附近搭设基准梁时，应采取有效措施加固基准梁底座，
