高炉矿渣的研究和在地基中的利用

　　摘要：高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。高炉矿渣的充分利用有利于环境保护和能源的节约。通过对高炉矿渣的含量的分析，明确矿渣的物理力学特性，为废矿渣应用于黏土地基处理中提供理论依据。
　　关键词：高炉矿渣；物理力学特性；黏土地基
　　1引言：我国国内积存高炉矿渣多，并且每年仍以数百万吨的排渣量递增。大量的矿渣堆积成渣山，不仅成为污染环境的一大公害，而且占用大量的土地。现在大多数研究是把这种废渣应用在工业与民用建筑工程。在过去的几年里，随着快速发展的建筑技术和机械设备，地基处理技术取得了巨大的普及和提高[1]。地基处理技术主要的是提高其承载能力和控制地面沉降[2]。对具有胶凝性能的矿渣的矿物组成分析，物理和化学特性，提出了一个使用矿渣提高软弱地基承载力的地基处理技术[3]。通过本课题的研究，将废矿渣应用到地基处理中，可以充分节省自然资源，维护城市建设环境，有利于我国的资源与环境建设，促进循环经济的发展，达到废物再利用的目的。因此，研究和利用高炉矿渣具有深远的意义。
　　2.高炉矿渣的基本特性
　　熔融的高炉矿渣是由铁矿石中的次要组分和夹杂物，焦炭燃烧后的残渣，以及熔炼时必须加入的石灰石或白云石形成的。在炼铁炉中熔融的矿渣在生铁的上面，其温度接近铁的温度1400～1700℃。熔融的矿渣升至表面并且不断的流出。流出的矿渣经就是高炉矿渣[4]。
　　2.1高炉矿渣的分类和应用
　　气冷渣又名热泼渣、重矿渣。在高炉前从地坪至炉台高度砌筑隔墙，构成泼渣坑，熔渣出炉后经过渣沟流入坑内，铺展成厚约15厘米的薄层，喷水冷却，凝固后掘出，经破碎、筛分，制成碎石和渣砂以代替天然砂石,作为混凝土、钢筋混凝土以及500号以下预应力钢筋混凝土骨料,工作温度700℃以下的耐热混疑土骨料,要求耐磨、防滑的高速公路、赛车场、飞机跑道等的铺筑材料，铁路道碴，填坑造地和地基垫层填料，污水处理介质等。这种矿渣碎石被称为“全能工程骨料”。
　　粒化渣又名水淬渣、水渣。熔渣用大量水淬冷后，可制成以玻璃体为主的细粒水渣。它具有潜在的水硬胶凝性能,在水泥熟料、石灰、石膏等激发剂的作用下,就可显示出这种性能，所以是优质水泥原料。中国每年有80％以上的高炉熔渣制成粒化渣,作为水泥混合材料。全国生产的水泥有70％左右掺用了不同数量的粒化渣。中国国家标准GB175-77规定掺15％粒化渣，生产普通硅酸盐水泥；GB1344-77规定掺20～70％粒化渣,生产矿渣硅酸盐水泥。掺用粒化渣可节约能源20～40％，降低成本10～30％。通行的水淬工艺是利用压力为1.5～2.5千克力／厘米2，用量为渣量5～10倍的水，在炉前冲淬。近年来发展了搅拌罐法、底滤池法、集气泵法等循环用水的新工艺，同时解决了生产过程中排放的硫化氢等污染问题，但建设投资较高。粒化渣还可作保温材料，混凝土和道路工程的细骨料，土壤改良材料等等。膨胀矿渣每吨熔渣用水1吨左右处理,可膨胀成多孔体，经过破碎、筛分后成为膨胀矿渣，可作混凝土的轻骨料（容重400～1200公斤／米3）。生产膨胀矿渣有池式法、喷雾堑坑法、离心机法、流槽法、翻转流槽法等工艺。许多国家都生产膨胀矿渣。膨珠又名渣球。1953年加拿大研究成生产膨珠的工艺。生产过程是在炉前安装直径1米，长2米，每分钟转速约300转的滚筒,将熔渣分散抛出20米左右。熔渣在滚筒离心力的作用以及水和空气的急速冷却作用下，形成内含微孔、表面光滑、大小不等的颗粒（粒径10毫米以下）,即膨珠,容重为1吨／米3左右。膨珠是优质的混凝土轻骨料,比用膨胀矿渣可节省水泥20％;还可作水泥混合材料、道路材料、保温材料、湿碾或湿磨矿渣以及稳定地基、改良土壤的材料等。膨珠粒度比热泼渣、膨胀矿渣小，一般无须再次破碎加工。膨珠生产具有设备简单、冷却迅速、场地周转快、操作方便等优点。制膨珠用水较制水淬渣节省,排放的蒸汽和硫化氢数量少,对环境污染较轻,而且无须进行废水处理。
　　2.2高炉矿渣的组成
　　高炉矿渣中主要的化学成分是SiO2，Al2O3，CaO，MgO，MnO，FeO，S等。此外，有些矿渣还含有微量的TiO2，V2O5，Na2O，BaO，P2O5，Cr2O3等。在高炉矿渣中CaO，SiO2，Al2O3占重量的90%以上。
　　高炉矿渣中的各种氧化物成分以各种形式的硅酸盐矿物形式存在。碱性高炉矿渣中最常见的矿物有黄长石、硅酸二钙、橄榄石、硅钙石、硅灰石和尖晶石。酸性高炉矿渣由于其冷却的速度不同，形成的矿物也不一样。当快速冷却时全部凝结成玻璃体；在缓慢冷却时（特别是弱酸性的高炉渣）往往出现结晶的矿物相。如黄长石、假硅灰石、辉石和斜长石等。
　　高钛高炉矿渣的矿物成分中几乎都含有钛。锰铁矿渣中存在着锰橄榄石(2MnO.SiO2)矿物。高铝矿渣中存在着大量的铝酸一钙(CaO•Al2O3)、三铝酸五钙(5CaO•3Al2O3)、二铝酸钙(CaO•Al2O3)等。
　　3高炉矿渣在土体改良方面的应用
　　随着我国钢铁工业的发展，高炉矿渣排量日益增多，历年来已经堆积矿渣近15×107t，占地约1000km2。为了处理这些废渣，国家每年花费巨额资金修筑排渣场和铁路线，浪费大量人力物力。由于高炉矿渣属于硅酸盐质材料，又是在1400℃～1600℃高温下形成的熔融体，因而便于加工成多品种的建筑材料。国外高炉矿渣的综合利用是在20世纪中期开始发展起来的。目前欧美一些发达国家已做到当年排渣，当年用完，全部实现了资源化。我国高炉矿渣的利用率在85%以上。
　　通过实验统计分析，高炉矿渣中主要的化学成分是SiO2，Al2O3，CaO，MgO，MnO，FeO，S等。此外，有些矿渣还含有微量的TiO2，V2O5，Na2O，BaO，P2O5，Cr2O3等。在高炉矿渣中CaO，SiO2，Al2O3占重量的90%以上。
　　当高炉矿渣和土混合的时候，就会发生下面的反应：
　　当f-CaO遇水，CaO+H2O→Ca(OH)2
　　在这一过程中，土壤中的含水率会降低，由于水化放热，水在土壤中部分蒸发，所以土体的固结将加速完成。在从氧化钙变成氢氧化钙，体积会膨胀，扩大一倍左右，这将增加土壤的密实度。
　　而矿渣中的c3s和β-c2s与土壤混合将产生Ca(OH)2、CaSiO3，使土壤固结加速。
　　多余的钙离子在土壤中，当遇到化合物SiO2,Al2O3和CaO,时，
　　SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO•SiO2•(n+1)H2O
　　Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO•A12O3•(n+1)H2O
　　对于存在β-c2s矿渣，
　　2CaO•SiO2+H2O→nCaO•SiO2•H2O+(2-n)Ca(OH)2
　　通过上面的这些反应会引起硬化效应和土体的加速固结。能提高土的承载力和降低土的压缩性。
　　4.结论和展望
　　通过本文对高炉矿渣的研究，采用高炉矿渣处理的黏土地基与自然土体的地基相比，能加快土体的固结，处理后的承载能力也将有一定的提高，因此，高炉矿渣可以作为一种新型的环保材料应用到黏土地基的处理中。高炉矿渣是一种可持续发展和环保的环境协调绿色建筑材料。高炉矿渣的充分开发利用为处理废渣开创了一条新的道路，它不仅能调整建筑工业结构，同时还能节约资源和能源，保护环境，具有很高的经济及社会效益，值得广泛地推广
　　
　　参考文献
　　[2]李伟,王海龙,李峰,《废钢渣与砂土的混合土材料力学特性试验》,《沈阳建筑大学学报》自然科学版,[4]SmoicizykHG.矿渣的结构和矿渣的鉴定。第七届国际水泥化学会议论文选集。中国建筑工业出版社。1985.pp.139

《高炉矿渣的研究和在地基中的利用》

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