钢铁行业高炉渣制备生态混凝土的关键技术及性能研究

1 高炉渣制备生态混凝土的关键技术

1.1 高炉渣活性释放技术路径

高炉渣的潜在活性源于玻璃相中储存的化学结合能，需通过物理 - 化学协同作用打破其稳定结构。水淬急冷技术通过高压水射流将 1500℃熔渣在 3 秒内冷却至常温，形成玻璃体含量 ⩾90% 的颗粒化产物，其 28d 活性指数较自然冷却渣提高 32%-35% 。机械活化工艺中，当粉磨细度达 450m²/kg 时，渣粉颗粒表面能显著增加，7d 水化放热量较原渣提升 40% ，对应混凝土抗压强度提高 25% 化学激发方面，掺入 3%-5% 模数 1.2 的水玻璃可断裂玻璃体中的 Si-O-Si 键，使活性SiO ₂溶出量增加 60% ，28d 抗压强度提升 38%-42%。

1.2 高炉渣颗粒级配调控技术

通过 " 磁选 - 破碎 - 筛分 " 联合工艺可获得清洁级配骨料：首先采用永磁滚筒去除 FeO 含量 >5% 的金属颗粒，再经颚式破碎机将水淬渣加工至≤ 25mm粒径，最后通过振动筛分级为 0-5mm 细骨料、 5-15mm 中骨料和 15-25mm 粗骨料。按 2:5:3 比例复配时，混合骨料空隙率降至 38%-40% ，较单一粒径骨料降低14%-18%。在胶凝材料体系中，用粒化高炉矿渣微粉（比表面积 ⩾500m² /kg）等量替代 30% 水泥时，可填充水泥颗粒间 5-50μm 的空隙，使混凝土需水量降低8%-12%，扩展度提高 30-50mm 。

1.3 碱激发高炉渣胶凝体系构建技术

碱激发反应通过 OH ⁻攻击玻璃体表面，促使 [SiO ₄ ] ⁴⁻和 [AlO ₄ ] ⁵⁻解聚重组为三维网状地质聚合物。采用模数 1.3-1.5、浓度 40Be' 的水玻璃与 NaOH复合激发剂（掺量 8%-10%) ），可在 60-80°C 养护条件下，1d 抗压强度达 25- 32MPa，28d 强度稳定在 60-70MPa。XRD 分析显示，其主要水化产物为无定形N-A-S-H 凝胶，较普通硅酸盐水泥的 C-S-H 凝胶具有更高的碱度和聚合度。该体系制备能耗仅为水泥的 20%-30% ，全生命周期 CO ₂排放降低 72%-75%，符合ISO 14067 碳足迹认证要求。

2 高炉渣生态混凝土的性能调控机制

2.1 力学性能提升机理

微集料填充效应的物理强化：高炉渣微粉（粒径 1-10μm ）通过纳米级填充作用，可有效优化混凝土孔隙结构。实验数据显示，当高炉渣微粉掺量达 30% 时，混凝土总孔隙率从18.2% 降至14.7%，其中危害性较大的毛细孔（ ）占比减少 42% 。这种孔隙细化使混凝土 28d 抗压强度提升 12%-15% ，且强度增长率随养护龄期延长持续提高，90d 强度较普通混凝土高 18% 。

火山灰反应的化学强化：高炉渣中活性 SiO ₂（含量 ⩾25% ）与水泥水化释放的 Ca(OH) ₂发生二次水化反应，生成低碱度 C-S-H 凝胶（Ca/Si 比 0.8-1.2）。该产物具有更高的聚合度和更致密的微观结构，使集料 - 水泥石界面过渡区宽度从 50-80μm 缩小至 20-30μm ，界面粘结强度提升 35% 。扫描电镜观察显示，高炉渣混凝土中 C-S-H 凝胶呈蜂窝状交织结构，较普通混凝土的针片状结构具有更优的力学传递性能。

表面形态的机械强化：高炉渣骨料表面粗糙度（Ra 值 ）显著高于天然碎石（Ra 值 1.2-2.5μm) ），其多棱角形态使骨料 - 水泥浆体机械咬合力提高 28%。三点弯曲试验表明，高炉渣混凝土抗折强度较普通混凝土提升 22%- 25% ，且裂缝扩展路径呈现明显的曲折特征，表明其具有更优的裂缝阻隔能力。

2.2 耐久性增强机制

抗渗性能的微观屏障效应：高炉渣微粉的火山灰反应消耗了混凝土中游离的 Ca(OH) ₂，生成致密的 C-S-H 凝胶层，使氯离子扩散系数（D_RCM）从2.5×10^-12 ² m²/s降至1. 1×10^-12 m²/s。同时，高炉渣骨料的低吸水率（ ⩽3% ）减少了毛细吸水通道，配合微粉填充效应，使混凝土抗水渗透性（ASTM C1202电通量）从2000C 降至800C 以下，达到P12 级抗渗标准。

抗腐蚀性能的化学稳定机制：高炉渣水化产物将混凝土孔隙液 pH 值从12.5-13.5 降至 11.0-12.0，有效抑制了钢筋表面钝化膜的破坏。在 5% NaCl溶液浸泡试验中，高炉渣混凝土中钢筋锈蚀电流密度（i_corr）较普通混凝土降低 78%，锈蚀速率控制在 0.02μm/a 以下。对于硫酸盐侵蚀环境，高炉渣中的 MgO（含量 5%-8%）与硫酸盐反应生成稳定的镁硅酸盐凝胶，避免了钙矾石（AFt）和石膏（CH）膨胀产物的形成，使混凝土抗硫酸盐侵蚀等级达到 KS150标准。

2.3 环境效益优化路径

资源循环利用效益：每立方米高炉渣混凝土（以 30% 掺量计）可消耗高炉渣 180kg，相当于减少天然砂石开采 150kg 和水泥用量 90kg 。按我国年混凝土产量 30 亿 m³ 测算，全面推广高炉渣混凝土可年节约天然资源 4.5 亿吨，减少矿山开采面积 120km² 。

碳排放削减效应：高炉渣微粉生产能耗仅为水泥的 15%-20% ，其掺入使混凝土全生命周期碳排放显著降低。LCA 评估显示，当高炉渣掺量达 40% 时，混凝土生产阶段 C0₂ 排放量从 380kgC0₂/m³ 降至 220kgC0₂/m³ ，降幅 42% ；若考虑运输与施工环节，全生命周期碳排放降低 38%-45% ，符合 ISO 14067 碳足迹认证要求。

污染防控效益：高炉渣的规模化利用可减少堆存占地约 0.5m² / 吨，避免堆存过程中重金属离子（如Cr、Pb）渗滤对土壤和地下水的污染。现场监测表明，高炉渣堆场周边地下水重金属含量较堆存前无显著变化，满足 GB/T 14848 Ⅲ类水质标准要求。此外，高炉渣混凝土对 NOx、 S0₂ 等酸性气体的吸附能力较普通混凝土提高 15%-20% ，有助于改善城市空气质量。

结束语

高炉渣制备生态混凝土是钢铁行业固废资源化利用的有效途径，其关键技术涵盖活性激发、级配优化与胶凝材料制备，性能调控机制涉及力学强化、耐久性提升与环境效益优化。未来研究需进一步聚焦以下方向：一是开发低成本、高效率的活性激发技术，降低高炉渣生态混凝土的生产成本；二是探索高炉渣与其他工业固废（如钢渣、粉煤灰）的协同利用模式，实现多固废互补增强；三是建立高炉渣生态混凝土的性能预测模型，指导其在实际工程中的规模化应用。通过技术创新与产业协同，高炉渣生态混凝土有望成为推动钢铁 - 建筑产业链绿色转型的核心材料。

参考文献：

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[2] 董亚雄 . 多因素交互作用下生态混凝土配合比优化研究 [D]. 河北工程大学 , 2023.

[3] 王军, 王浩, 蒋中友, 梁贺之, 杨贺. 高钛高炉渣透水混凝土单轴压缩破坏试验及数值模拟 [J]. 钢铁钒钛 , 2020, 41 (01): 82-87.