李永伟，刘尊青

(1.新疆农业大学 交通与物流工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.奇台县交通运输局，新疆 昌吉 831800)

钢渣是冶金过程中产生的大宗固废，约占钢产量12%～15%，仅2021年全国排放钢渣超过1.2亿t，且每年积存量超8 000万 t，而目前堆存的钢渣已超过8亿 t[1]。新疆每年排放约250万t钢渣却难以利用而被堆弃，阻碍了新疆生态环境可持续发展，推进钢渣等固废资源化迫在眉睫。

1 钢渣与粉煤灰的基础研究

1.1 钢渣

1.1.1 钢渣的基本性质。钢渣的强度高、坚固性强、耐磨性好、压碎值达标，其表面粗糙且多孔、棱角性较好等特性。钢渣的主要成分为CaO(氧化钙)、Fe2O3(三氧化二铁)、SiO2(二氧化硅)、C2S(硅酸二钙)、C3S(硅酸三钙)等[2]，其成分较稳定且与水泥相似度较高，而钢渣的产生过程决定了它是一种“过烧的硅酸盐水泥熟料”；C2S和C3S是钢渣胶凝性的主要来源，也是提高混合料强度的重要成分。

1.1.2 钢渣的处理工艺。国内主要处理方法有热泼、热焖、滚筒、风淬、水淬和盘泼，前3种是主流的方法，而除了热泼和盘泼法，其余4种工艺处理的钢渣稳定性较好[3]。新疆地区使用最多的是热闷法和滚筒法，处理的钢渣易用性较好，如安定性、粒径和级配良好，适合替代砾石形成骨架密实型级配应用于半刚性基层。

1.1.3 钢渣中的不安定成分。像f-CaO(游离氧化钙)和f-MgO(游离氧化镁)等不稳定物质，是限制钢渣资源化的主要原因。对此，钢渣处于熔融态就可使用滚筒法和热闷法，或添加粉煤灰等调质组分。钢渣固化成型后还需进一步处理：①促进f-CaO水化，包括水热陈化、蒸汽加压等方法；②阻断f-CaO水化，包括外掺类似于硅粉等无机改性剂，或掺入类似于有机硅等有机改性剂；③消除f-CaO，包括使用弱酸溶液的酸碱中和法、微硅粉等混合料的掺合料法[4]。对于f-MgO，闵治安认为高温煅烧、增大f-MgO细度可以抑其水化及其体积膨胀[5]；郑琪等人使用蒸压技术和复合改性剂能有效消解f-MgO和f-CaO，还能实现两种物质的活性化利用[6]。

1.1.4 钢渣活性的激发。①物理(机械)激发。即通过破碎、粉磨等方式提高钢渣比表面积来增强反应效果。②化学激发。主要包括碱性激发和酸性激发，碱性激发是使用碱金属的硅酸盐、碳酸盐等材料为钢渣的水化创造碱性环境，而一些碱性激发剂还能提高钢渣的早期水化活性；酸性激发的机理是适量的酸能中和体系中部分碱性物质，促进未水化的钢渣进一步溶解并水化。③复合激发。即合理地将上述的激发方法联合使用，从而获得更好的效果[7]。

1.2 粉煤灰

粉煤灰的主要成分与钢渣相似，例如SiO2和Fe2O3含量较多，但Al2O3的含量远高于钢渣，刘全等人认为(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含量之和是拌制砂浆和混凝土及水泥活性混合材的主流指标[8]；粉煤灰里的硫多以硫酸盐存在，适量的硫酸盐能提高混凝土早期强度，粉煤灰中SO3含量<3%时可应用于搅拌砂浆和混凝土中；烧失量作为影响粉煤灰胶凝性能的关键因素之一，烧失量≤8.0%的粉煤灰可用于水泥活性混合料中；需水量比会直接影响粉煤灰混合料的强度、干缩性等多项性能，一般认为需水量比越小越好；粉煤灰应用于水泥生产可以改善水泥和混凝土的一些性能、提高其质量并降低成本[9]。

1.3 粉煤灰提高钢渣路用性能

粉煤灰在产生时经历高温，其中大量SiO2晶体结构发生畸变，具备潜在的水化反应晶体结构，能与水反应形成偏硅酸。粉煤灰水化反应速度取决于其粒度，将合适粒度的粉煤灰与钢渣混合，促进粉煤灰中SiO2和Al2O3与钢渣中f-CaO发生耦合反应，即f-CaO水化反应热，热力激发SiO2和Al2O3发生火山灰反应，与f-CaO水化反应物形成水化硅酸钙和水化铝酸钙而非体积剧烈膨胀的Ca(OH)2，以此提高钢渣路用性能。

2 钢渣与粉煤灰在基层的应用

2.1 钢渣在半刚性基层的应用

新疆绝大多数道路都以水稳层作为基层，而钢渣可作为一种水化反应较弱的硅酸盐水泥熟料应用其中。郑武西研究钢渣在水泥稳定基层的应用，发现钢渣的各项性能指标比优于碎石；水泥稳定碎石-钢渣基层的力学性能优于水泥稳定碎石基层[10]；冀欣等人通过多组试验的对照，认为钢渣掺量为45%和65%时，水稳混合料的多项强度指标、抗裂和抗冲刷性能良好[11]；沈金生等人认为掺入40%～60%钢渣的混合料适用于新疆高等级公路半刚性基层建设[12]；解英明等人研究热闷渣在新疆市政道路中的应用，提出使用钢渣能降低成本、简化工艺、缩短工期，提高道路质量并减少路面病害[13]。

2.2 粉煤灰在半刚性基层的应用

蒋应军认为由水泥、粉煤灰和碎石组成的骨架密实型混合料，其后期强度、抗裂性能优于水泥稳定碎石[14]。徐方等人认为10%粉煤灰等量替代碎石所形成的水泥粉煤灰稳定碎石基层适用于高速公路[15]。周厚杰认为水泥粉煤灰稳定碎石具有以下特性：刚度与强度均会随龄期增长而加强；抗干缩性和抗温缩性优于水泥稳定碎石且最大；抗冲刷性与水泥稳定碎石接近[16]。

3 钢渣与粉煤灰应用于盐渍土的基层

3.1 盐渍土的概述

地表1 m内易溶盐的质量分数大于0.3%的土壤为盐渍土，这些盐分易随水分、温度变化而变化，直接影响土壤的物理和力学性质，从而严重影响路基的性能。新疆的盐渍土地区分布范围较广，且不少道路饱受硫酸盐的侵害[17]。

3.2 钢渣

邢琳琳认为不同比例钢渣均能改善混凝土的力学性能；钢渣最佳掺量为50%[18]；还通过耐久性试验证明掺入适量钢渣有助于提高混凝土的抗硫酸盐腐蚀性、抗冻性、抗碳化、抗氯离子渗透和抗收缩性。冯勇等人的研究表明钢渣粒径影响钢渣混凝土抗侵蚀性，钢渣中游离活性成分随着其粒径减小而变少，在其配制强度不降低反而增加时，有助于提高其抗侵蚀的性能[19]。孙建伟发现通过碱激发钢渣混凝土的抗早期开裂性能好，且抗硫酸盐侵蚀性优于水泥混凝土[20]。

3.3 粉煤灰

解咏平等人认为在矿物掺和物掺量和水胶比一定时，掺入粉煤灰和矿渣粉有助于提高混凝土的抗压强度折损系数、降低混凝土质量损失率并抑制硫酸盐的侵蚀，且粉煤灰提高混凝土抗硫酸盐侵蚀的效果比矿渣粉更好[21]。史阳光等人在使用粉煤灰代替部分普通硅酸盐水泥的试验中，发现粉煤灰的合理掺量为30%左右，有助于提高混合料的抗折和抗压强度[22]。廖孟柯等人认为掺入超细粉煤灰提高水泥砂浆的抗硫酸盐侵蚀性效果明显，且掺量越高效果越好[23]。

3.4 钢渣-粉煤灰混合料

钢渣和粉煤灰均有助于提高基层的路用性能和抗盐侵蚀，因此下文对两种固废联合使用的相关研究进行梳理和探讨。

骆宏勋等人水泥粉煤灰稳定钢渣碎石复合基层材料的抗冲刷性能优于单纯的碎石基层，粉煤灰取代水泥50%能满足规范对路用基层材料的要求[24]。郑亚强认为当钢渣∶粉煤灰为4∶1和1∶1时，分别取得最佳含水率最小和抗压强度较大的效果[25]；当外加剂掺量为5%和2.5%时，分别达到7 d抗压强度最大和后期(28 d)强度较大的效果；而且钢渣粉煤灰的抗裂性优于普通水泥稳定碎石。张军林等人认为钢渣掺量为50%、水泥剂量为4%、水泥∶粉煤灰=1∶3时，水泥粉煤灰稳定钢渣混合料的无侧限抗压强度满足道路基层的规范要求[26]。张选迪认为水泥∶粉煤灰=1∶3时，混合料的7 d无侧限抗压强度、90 d抗压回弹模量与90 d劈裂强度均能达到各级道路基层、底基层的使用要求；同水泥剂量且掺钢渣的水泥粉煤灰稳定混合料的最大干密度降低，最佳含水量升高；而4%的水泥剂量的钢渣-碎石复合料呈现最佳力学性能[27]。李斌等人在制备钢渣蓄热水泥砂浆时，发现粉煤灰替代水泥的最佳掺量为30%能改善钢渣水泥砂浆的热稳定性和耐热性，也对砂浆抗折、抗压强度损失率皆有改善作用[28]。

4 结束语

半刚性基层混合料中掺入40%～50%钢渣、10%～30%的粉煤灰，并辅以振动拌和[29]与微裂技术[30]，可以明显提升半刚性基层的性能。笔者一定程度上提升了理论研究和工程实践的关联度，为后续科研提供了参考依据，旨在助力钢渣等固废资源化，保护环境、降本增效。