国内外钢渣在建材领域的资源化利用现状

国外在钢渣利用方面的研究起步较早，为了最大程度地利用不同炼钢工艺所产生的钢渣，国外的钢铁企业与原材料和设备的供应商进行紧密合作，不断拓宽了多类钢渣在建材领域的应用。 钢渣主要用于内部回收、道路建设、水泥制备、建筑工业、土木工程等领域，其中以道路建设的利用率最高。

钢渣骨料与天然骨料相比，其密度更高、耐磨系数更低，其含有的活性物质在参与水化后促进凝胶物质的产生，大大提高了混凝土的耐久性及抗压强度。Nadeem 和 Pofale在混凝土中用钢渣代替粗骨料，可使混凝土的抗压强度提高 4% ~ 7%;用钢渣替代细骨料时，可使混凝土的抗压强度提高约 4% ~ 6%; 若代替天然细骨料，抗压强度可提高 30% ~ 50%。

Karayannis 等利用钢渣为主要原料制备黏土基红陶瓷 (砖)，研究了复合材料的微观组织、烧结温度和力学性能。掺量为 5% 的矿渣与掺量为 5%的粉煤灰混合后，制成的陶瓷的显微组织性能较好。

钢渣中的胶凝矿物是结晶相的，水力活性较差，不具备火山灰活性。钢渣颗粒密度较大，表面纹理粗糙，具有良好的力学性能。与玄武岩碎石相比，钢渣颗粒具有相当高的机械强度，并优于花岗岩和石灰石碎石。因此，在混凝土生产中，钢渣颗粒具备作为粗/细骨料的潜力。Ren 和 li研究利用钢渣骨料制备的混凝土的性能，结果发现，当混凝土的原料总量中钢渣骨料占比达到 50% 时，相较于天然骨料制备的混凝土，钢渣骨料混凝土在吸水率方面表现更为出色，同时在机械强度方面，抗压强度提高了50%，抗弯强度提高了60%，抗拉强度提高了60%。 

钢渣相比于天然骨料，钢渣的密度、孔隙率、吸水率均更加优良，由于其多孔结构，钢渣具有较高的渗透性，有利于地表降水的排水。Tozsin等研究了钢渣的物理化学性质，将钢渣在露天条件下进行至少 6 个月的氧化老化，然后再作为回填材料，并在老化结束时重复进行膨胀试验。结果表明，在样品时效 18 个月以后，钢渣的最大粒径在极限范围内降至 25 mm，达到了加州承载比的极限(CBR> 25%)，且稳固性损失和填料含量比均低于限值。又通过重金属浓度进行分析检测，如重金属 Cu、Cd、Cr、Ni 等均低于法规规定的限值。说明钢渣可以成功地用作海岸建设的回填材料，而不会对环境产生负面影响。 

钢渣是以 Ca、Mg、Si、Al、Fe 为主的铁矿石熔炼后的副产品废渣，夹杂着不同的重金属，这导致钢渣的不断堆积会对全球卫生环境产生影响。研究发现，某些金属特别是重金属(Al、Pb、 Sn、Zn、Cr、Ni、Cu 等)降低了陶瓷的熔点，陶瓷的机械性能得到了显著改善，将重金属中的有害元素转变为化学不溶的键合状态。Mymrin 等通过采用不同比例的工业废弃物—印刷电路板(PCB) 20%~60%，铝土矿加工赤泥(RM)20%~40%和钢渣(SS)20%~50%作为制备陶瓷的主要原料，然后在1000°C、1 050°C、1100°C、1150°C、1200°C、1250 °C和1275°C的电炉中以10°C /min 的升温速率进行高温烧结3h，并自然冷却。最终得出结论:钢渣(SS)的含量为50%，印刷电路板(PCB)的含量为 30%，铝土矿加工赤泥(RM)的含量为20%，在1275°C烧结温度下制成的陶瓷，其抗弯强度达到 15.39 MPa，吸水率在 7.38%，线收缩率为3.28%，并且此时耐蚀性最好。 

通过国内钢铁行业的不断发展以及为实现“双碳”战略目标，中国钢渣处理技术已完成了从原来相对粗略的热溅处理方式向环保技术发展方式转变。因为国内钢铁企业在不同地区的处理设备、生产技术以及钢渣类别等方面存在相对差异，所以钢渣的处理工艺也存在多样性，并且每种工艺都有各自的优缺点。 目前国内广泛应用的炉外钢渣处理工艺主要有热泼法、热闷法、滚筒法、水淬法、风淬法等。

国内钢渣的应用领域主要集中在作为水泥、混凝土生产过程中的混合材料，由钢渣制备的海洋工程混凝土解决了混凝土的结构单一、抗压强度较差、不具备防火功能等缺点;在路面建设工程中，因其优异的多孔结构、高碱性和良好的物理性能常被用于沥青混合料; 在农业领域，钢渣所含有的微量元素有助于农作物的生长，同时，其作为碱性材料可以用作土壤酸性改良剂，抑制作物对重金属的吸收，还可清理废水等。

钢渣具有成本低、产量大、强度高、黏结性好等特点，作为导热骨料可以提高混合料的导热性。焦文秀等将钢渣作为沥青混合料，制备出的钢渣沥青混合料与常规的沥青混合料相比，具有更加优良的高、低温性能、水稳定性能和抗湿气敏感性。通过对不同钢渣含量的沥青混合料的导热系数和工程性能(对于电加热路面的融雪效率)进行测试分析得出最佳配比。研究表明:随着钢渣掺入量的增加，沥青混合料的导热系数先升高后降低，钢渣体积掺入量为 6% 时导热系数达到峰值，较参考样品(未掺入钢渣的沥青混合料)增长了8.33%。 

钢渣中含有丰富的胶凝活性材料，如硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸钙等。与水泥相似，钢渣具有一定的水硬性，因此，通过遴选优质钢渣作为胶凝材料来替代水泥，以降低水泥成本。这不仅能够减少环境污染，而且能显著提升建筑材料的性能。王瑜通过将球磨1h和碳酸化处理时间分别为2h、18h的预处理钢渣取代部分水泥用于制备复合固化剂。 

钢渣被认为是一种具有巨大发展潜力的物质资源，充分利用转炉钢渣不仅符合未来工业需求，也履行了环境保护责任。然而，在将钢渣应用于道路工程或建筑材料时，还存在一些问题需要解决。

1 钢渣的水化活性

需要更深入地探索钢渣中活性成分在混凝土粗集料中的作用机理; 同时，使用大粒度钢渣时，混凝土可能在较长时间后发生膨胀; 钢渣中的空隙可能对混凝土在较冷条件或在腐蚀性环境中的应用产生影响; 此外，钢渣的水化活性也可能导致混凝土膨胀的问题。这是由于钢渣中的硅酸二钙在高温下发生晶型转变，即钢渣中的硅酸二钙(C2S)在高温下生成α-C2S，又迅速冷却成为 β-C2S，且在室温下发生等温相变形成 γ-C2S，这个过程中钢渣体积发生膨胀，产生强内应力，从而导致自粉碎。 

2 钢渣的体积稳定性

钢渣骨料铺设的沥青路面和构建的建筑结构经历几年时间均发生了不同程度的膨胀开裂现象。影响钢渣体积稳定性的因素包括以下几种:游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)在水化过程中体积发生缓慢膨胀，造成膨胀应力挤压开裂;钢渣中的铁元素的影响等。其中，游离氧化钙(f-CaO)的影响最为主要，钢渣中游离氧化钙的含量一般4%~8%之间，其含量通常与钢渣种类、炼钢环境碱度以及钢渣处理工艺相关。钢渣处理工艺涉及到浸水程度、冷却速率、处理时间、温度以及钢渣的粒径等因素，这些因素都会影响钢渣中游离氧化钙含量。

钢渣中的 f-MgO 晶粒尺寸大、结构紧密、活性低、含有杂质离子等，这些特点使得钢渣中的 f-MgO反应能力下降，致使完全水化时间变长 。影响钢渣体积稳定性的主要原因是f-MgO 在水化过程中，体积发生大幅度膨胀，由此产生的膨胀应力，使得掺有钢渣的水泥、混凝土等发生开裂现象。 

目前，我国钢渣的产生量、堆存量巨大以及高效综合利用率低，将钢渣作为道路建设以及建筑原材料是实现其资源化利用的有效途径。根据当地钢渣的物理性质以及化学成分、矿相组成进行分析开发，国内外对于钢渣的资源化利用都趋近多元化: 日本、德国将钢渣主要应用于海洋回填混凝土、工业废渣化肥、路基材料以及用于废水处理的钢渣骨料陶瓷;我国目前主要应用于矿山填充材料、多功能混凝土、建筑水泥等。

钢渣的应用领域仍面临诸多困难:

(1)由于钢渣的水化膨胀性，导致钢渣的部分骨料用做建筑原材料时，不能完全代替结构混凝土和水泥;

(2)钢渣成分易波动，致使其资源化利用过程中制备建筑材料时，其生产过程难以控制 。

钢渣作为一种具有发展前景的工业副产品，伴随着“双碳”战略的绿色发展，未来，钢渣在建筑材料领域应用的发展方向主要包括以下几个方面: 

(1)通过引入其他固废或矿物尾矿，对钢渣成分进行调质，对其物相结构进行重构，以提升钢渣在建筑材料等领域应用过程中的安定性; 

(2)发展钢渣的绿色环保高效规模化利用新途径，提升其利用率和附加值;

(3)发展钢渣高效加工处理新工艺、新装备，为其后续在建筑材料等领域的资源化利用提供高质量的原料。