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【行业关注】国内外粒化高炉矿渣粉标准及产业发展概况(下)

混凝土世界杂志2018-06-26 22:23:32

国内外粒化高炉矿渣粉标准及产业发展概况(下)


陈 玉 曾庆东

中国混凝土与水泥制品协会


Rodrigo Antunes

University of Florida


(上接第4期)

四、北美洲概况

1. 美国

(1)标准

美国材料与试验协会标准(ASTM)作为国际贸易中应用最广泛的国际标准体系之一,不仅被美国采用,也被整个北美地区、部分非洲国家以及东南亚地区等世界上许多国家和企业借鉴与应用。作为混凝土掺合料的粒化高炉矿渣粉的最新版本,美国标准是2017年发布的“ASTM C989-17: 用于混凝土和砂浆的磨细粒化矿渣粉标准”[31],指标要求见表9。

从表9中可以看出,美国标准中根据活性指数将矿粉分成Grade 120、Grade 100和Grade 80三级,其中Grade 100相当于中国标准中的S95,Grade 80相当于中国标准中的S75,Grade 120比中国标准中的S105的活性指数要高。美国标准中对密度和比表面积均无要求,但是供应商在供货时都会提供该数据以供参考。目前美国市场上的粒化高炉矿渣粉大多为S120,细度多在每公斤600 平方米。值得注意的是,美国砂浆和混凝土技术对含气量的研究十分重视,美国标准中特别规定需要进行砂浆含气量的检测,按照ASTM C185标准执行[32],其中矿粉砂浆的组成为水泥250克、矿粉250克、标准砂1375克。我国目前还没有类似的检验项目,矿粉细度一般采用两种方法测定,一是勃氏法测定比表面积,该方法与我国国标相似;二是45-µm筛余,与我国国标中多采用负压筛析法不同,美国标准中采用水筛法进行。

表10为美国标准ASTM C989-17中对水泥的指标要求,与我国标准GB/T 18046-2018相比,美国标准中对比水泥的指标要求显得更加精简,只有碱含量和28天抗压强度两项指标要求。其中除碱含量稍有区别外,28天抗压强度的最低值也有些许区别,为28天胶砂强度大于等于35 兆帕。该数值是根据美国标准ASTM C109M的规定进行的,要求进行抗压强度试验的试件为边长50毫米的正方体试件。即使考虑了试件尺寸条件引起的强度差异,我国国标所要求的P·I 42.5或P·O 42.5水泥完全可以满足美国标准的要求。

表11中列出了北美地区粒化高炉矿渣粉的典型化学组成范围[33]。

(2)产业发展概况

根据美国矿渣粉会(SCA)的年度统计数据,美国用于混凝土掺合料的粒化高炉矿渣粉年消耗量如图10所示[34]。从图10可见,1996年到2016年的20年间,美国每年用于混凝土掺合料的矿粉并不多,为百万吨级。2004年消耗量达到顶峰,为330.9万吨,随后由于受到经济危机的影响,于2007年开始下降,2009年发生了大幅度下降,比2008年下降了30.6%。之后开始缓慢恢复,直至2016年用量达到272.9万吨,约为2002年的水平。

图 10   1996~2016年美国磨细粒化高炉矿渣粉年消耗量

长期以来,美国国内粒化高炉矿渣粉的供求矛盾十分突出。首先,美国的炼钢业高炉、转炉(BOF)炼钢法的炼钢厂仅占所有炼钢厂的33%[35]。美国本土的粒化高炉矿渣粉供应量受到国内高炉数量的限制,很难有大幅度的增加。2015年底,美国境内的高炉总数为20座,从钢铁企业的角度来讲,这20座高炉的长期经济性饱受质疑,没有增加投资和建设的可能。这20座高炉中,仅有2座配备了粒化冷却装备,由于粒化冷却装备价格昂贵,且生产粒化高炉矿渣粉需要配套粉磨系统,钢铁企业上马粒化高炉矿渣生产设备至少在短期内可能性不大。其次,美国国内的粒化高炉矿渣粉需求呈逐年上升趋势。混凝土公司为减少碳排放并改善混凝土性能,希望能增加矿粉在混凝土方面的用量,以取代混凝土中水泥熟料的用量。另外,由于火力发电厂受到碳排放和汞含量指标的限制,部分发电厂关停或进行煤转油的改造,已经导致部分地区粉煤灰的产量下降,从而进一步拉高矿渣粉的需求。

粒化高炉矿渣粉的需求不断增加,而美国国内的粒化高炉矿渣粉产量却难以提升,越来越多的矿渣粉需要进口。美国国家统计局的报告表明[36],2014年和2015年美国市场上的粒化高炉矿渣粉分别有160万吨和140万吨从别国进口,按进口量从高到低排列,进口国分别是日本、加拿大、西班牙、德国和中国。另据美国国家矿渣协会(National Slag Association)的统计[37],美国专门从事粒化高炉矿渣粉生产和处理并进入协会数据库的厂家有20余家,约占美国国内总产能的86%,图11为这些厂家的地理分布。从图11中可以看出,美国此类企业分为三类:一是处理国内高炉矿渣的企业,多分布在大型钢厂附近,比如芝加哥地区和阿拉巴马地区;二是专门处理历史遗留下来的矿渣,多为粉磨站;三是从国外进口高炉矿渣进行处理的企业,这样的企业有13家,多分布在沿海地区,尤其是东部经济较发达地区,全部或部分依赖进口矿渣粉。

图 11   美国从事粒化高炉矿渣粉生产和处理的厂家分布

进口的矿渣粉,可直接或经过粉磨再加工后进入美国市场,价格见表12,即使去除进口、运输和粉磨的成本,仍有余利。

2. 加拿大

(1)标准

加拿大关于混凝土掺合料的磨细粒化高炉矿渣粉的国标是“CAN/CSA-A3000-13: 胶凝材料手册”[37],该手册对所有掺合料进行了规定。表9中列出了加拿大标准CSA A3001-13的指标。但在实际操作中,由于加拿大产品基本从美国进口,就矿渣粉产品而言,加拿大的标准操作性较差,因而加拿大从业者基本上是用美国标准。

(2)产业发展情况

加拿大每年的钢产量大约1600万吨,其中约80%在安大略省。加拿大每年大概生产150万吨高炉矿渣,120万吨钢渣。生产磨细高炉矿渣粉的加拿大处理商仅有加拿大矿渣服务商(Canadian Slag Services)一家,其他厂家均处理其他类型的矿渣产品,比如电弧炉钢渣、气冷高炉矿渣及矿渣骨料等。从20世纪早期开始,加拿大就将高炉矿渣用于公路和工厂建筑的基础垫层。目前矿渣的用途十分广泛,主要应用于沥青混凝土、公路垫层、水泥混合材料及混凝土掺合料等方面。


五、南美洲

根据世界钢材产量统计数据,南美洲国家中年生铁产量最大的国家是巴西,2017年生铁产量为2843万吨,其他国家均不到巴西年产量的10%。此外,南美洲最大的高炉矿渣生产国和市场均在巴西。

1. 巴西标准

目前巴西没有制定磨细高炉矿渣粉作为混凝土掺合料的标准,巴西的磨细高炉矿渣粉一般作为水泥混合材料加入水泥中,基本不作为混凝土掺合料。巴西的“NBR 12655/15-波特兰水泥混凝土-制备、控制、财务收据和接受的常规做法”第3.23条允许预拌混凝土公司在混凝土中掺加磨细高炉矿渣粉。然而,巴西没有相关的掺加矿渣粉进行混凝土配合比设计规范。此外,NBR 12655/15第3.11节必须参考“NBR 7212/12-预拌混凝土常规做法”中的规定,而NBR 7212/12第4.3.5节中仅规定如果在预拌混凝土中使用水泥、水、骨料、硅灰和偏高岭土以外的材料,则必须遵循供应商条例。因而,尽管在混凝土中掺加磨细高炉矿渣粉是允许的,规范的缺位使供应商们更倾向于在混凝土中使用矿渣硅酸盐水泥,而不是在混凝土中直接掺加矿渣粉。

目前在建筑业尚未形成用矿渣骨料替代天然骨料的共识,但交通业已经指定了相关标准。2013年,巴西钢铁产业联合巴西科技标准协会(ABNT)进行标准合作,2015年巴西科技标准协会发布了NBR 16364,以规范在公路建设中矿渣骨料的应用。2017年,全国交通部(DNIT)也采纳了该标准[39]。表13列出了巴西高炉矿渣的化学成分范围和典型组成。

2. 巴西产业发展情况

1996年巴西磨细高炉矿渣粉的产量是640万吨,2011年增加至1920万吨。磨细高炉矿渣粉占矿渣总产量的89.06%,气冷矿渣占剩下的10.94%。以当年的美元对巴西币的汇率计算,2011年巴西磨细高炉矿渣粉的价格是每吨9.17美元,2013年增至每吨12.59美元[42-43]。

巴西本国的磨细高炉矿渣粉产量超过需求量。巴西每年消耗约80%的磨细高炉矿渣粉,大部分作为水泥掺合料使用,气冷矿渣一般经过破碎作为骨料用于公路垫层和基础以及铁路路基。


六、澳大利亚、新西兰及周边

1. 澳大利亚标准

澳大利亚标准是“AS 3582.2:2016: 混凝土掺合料第二部分:粒化高炉矿渣粉”[44],适用于澳大利亚、新西兰及附近太平洋诸岛。表14给出了澳大利亚标准指标及典型数据[45],从表14可以看出,澳大利亚标准并没有采用国际上广泛采用的比表面积和活性指数指标,而是着重进行化学指标的限制。与中国标准相比,在烧失量和氯离子的要求上,中国标准更加严格;其他指标,如氧化铁、氧化镁、硫化物和氧化铝的含量在中国国标中均未要求。

表15给出了澳大利亚高炉矿渣的典型化学组成范围[46]。从表15可以看出,与国际上其他国家高炉矿渣粉的化学组成相比,澳大利亚高炉矿渣粉的化学组成中氧化镁的含量偏低,各氧化物的组成范围波动范围较窄。

2. 澳大利亚及周边地区产业发展情况

在澳大利亚和新西兰,约80%的矿渣和钢渣应用于土木建筑行业。2009年,澳大利亚、新西兰及附近太平洋诸岛一共生产了大约340万吨矿渣和钢渣产品,其中回收利用率约80%,即271万吨得以应用。其中67.1万吨作为水泥或混凝土的掺合料,164万吨用于公路建设,39万吨用于其他土木领域或用于回填土。图12为1990年至2009年澳大利亚及周边地区磨细高炉矿渣粉的年产量[47]。

图 12   1990~2009年澳大利亚及周边地区磨细高炉矿渣粉的年产量


七、非洲

根据世界钢材产量统计数据,非洲的生铁年产量非常有限,2017年生铁产量最大的国家是南非为435万吨,而高炉矿渣的生产和消耗均非常少。非洲国家一般没有自己的标准和应用规则,而是采用美国、英国或者欧盟的标准。比如南非采用的是欧盟标准,而其他国家如加纳等则是由施工方决定采用哪国标准,因此出现多国标准并存的现象。


结论

本文研究了包括中国、日本、韩国、台湾、美国、加拿大、欧盟、澳大利亚、巴西等在矿渣粉生产和应用方面比较有代表性的国家和地区,总结并对比了磨细粒化高炉矿渣粉的标准、产业发展以及矿渣粉的应用情况。

从各国标准的对比可以得出以下结论:

(1)粒化高炉矿渣粉标准就归类而言,一般认为由三大体系引领,即欧盟标准、美国标准和日本标准是三种比较具有代表性的标准。其中美国标准以活性指数作为主要依据分成三级,世界上许多国家和地区均采用了这种形式,仅在指标的具体数值上根据本国情况进行调整,略有差异;欧洲指标则只规定最低限额,比如比表面积不能小于每公斤275平方米,28天活性指数不能小于70%等,同时较为注重化学成分的限制;日本标准则有所兼顾,并影响了包括中国、韩国和台湾地区在内的重要的矿渣粉生产及应用国家和地区。

(2)澳大利亚标准采取与欧盟标准同样的原则,澳大利亚标准不采纳活性指数和比表面积的指标,但是对各个化学成分,比如对氧化铁、氧化镁、硫化物、氧化铝含量都作了详细规定。

(3)大部分国家的标准中均有氧化镁含量的限定,欧盟标准不大于18%,韩国和日本标准要求不大于10%,澳大利亚标准要求不大于15%。我国国标和美国标准中则没有此项要求。从材料本身的性质来讲,一般认为磨细粒化高炉矿渣粉中含有的氧化镁是没有安定性不良隐患的,反而对提升矿渣粉的活性有所帮助。从产业角度来讲,以中国市场为例,生产活动中由于多种原因和条件驱使,多种其他类型和来源的冶金废渣的引入已经成为可能,尤其是在各种矿渣、钢渣资源化利用的今天,已经出现了矿渣和钢渣双掺粉应用于混凝土中的案例。而钢渣中氧化镁对混凝土安定性的影响如何,矿渣和钢渣双掺粉是否还适用于磨细粒化高炉矿渣粉的标准等,都是需要谨慎对待的。从这个角度来讲,氧化镁的限制性指标还是有其实际意义的。

(4)韩国标准对比表面积的要求较高,Class 1、Class 2和Class 3的比表面积分别要求在每公斤800平方米、600平方米和400平方米以上。日本标准则兼顾比表面积大于每公斤500平方米的超细矿渣粉和比表面积小于每公斤350平方米较粗的矿渣粉。

(5)美国的标准没有对比表面积提出硬性指标,但是对活性指数提出较高要求,尤其是美国市场上最为通用的Grade 120,活性指数要求不小于115%。而中国市场上的矿渣粉以S95为主,比表面积和活性指数与美国标准Grade 120尚存在一定差距。

(6)大部分国家的标准,包括我国国标在内,未对氧化铝的含量进行限制。考虑到我国矿渣粉中的氧化铝含量较高,水泥的石膏掺加量一般无法达到最优含量,在水泥及混凝土中大规模掺加矿渣粉会进一步提高混凝土中的氧化铝含量,对混凝土长期的体积稳定性及水泥对外加剂的适应性均有不良影响。因此,是否需要加强对矿渣粉中的氧化铝进行限定是需要认真考虑的问题。

本文同时对各国的矿渣粉产业发展情况作了一定程度的调研和分析,并得出以下结论:

(1)亚洲地区是生产和应用粒化高炉矿渣粉最活跃的地区,中国大陆的产量位列世界第一。日本是高炉矿渣粉出口国,韩国的高炉矿渣粉大致可自给自足,台湾则是较为传统的高炉矿渣粉进口地区。印度2017年的高炉生铁产量位列世界第三位,然而由于缺乏相关数据,其生产和应用情况尚需更多研究。亚洲其他国家和地区随着生产力的发展和水泥、混凝土科技的不断进步,高炉矿渣粉的应用也进一步增加,由于钢铁产量有限,该地区的供需矛盾有望增大,具有一定的市场开发潜力。

(2)北美地区市场缺口进一步加大。作为传统的矿渣粉进口国,加拿大的矿渣粉部分从美国进口。美国本土的矿渣粉也面临着产量下降及需求增加的状况,供需矛盾突出。此外,粒化高炉矿渣粉是美国市场上最具附加值的矿渣产品,市场价格较高。美国厂商受到环保压力和生产需求影响,也在寻求高品质的矿渣粉进口,粒化高炉矿渣粉在北美市场开发潜力较大。

(3)欧洲是传统的高炉矿渣应用国,其本土产量不能完全满足市场需求。

(4)在世界某些国家和地区,粒化高炉矿渣粉的应用受到众多客观条件限制。比如南美洲,由于缺乏相关标准,高炉矿渣产量最大的巴西只能在水泥中加入矿渣粉,而无法在混凝土中掺加,极大地影响了矿渣粉的应用。非洲则受到钢铁产量限制、标准缺失以及市场尚未成熟等条件影响,高炉矿渣的应用产业尚在起步阶段。(全文完)


参考文献:

[31] ASTM C989M-17: Standard Specification for Slag cement for Use in Concrete and Mortars, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org.

[32] ASTM C185-15a, Standard Test Method for Air Content of Hydraulic Cement Mortar, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, www.astm.org.

[33] ACI 233, Slag Cement in Concrete and Mortar, ACI Committee 233 Report, ACI 233R-17, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2003.

[34] Slag Cement Association 2017, U.S. slag cement shipments: Farmington Hills, MI, Slag Cement Association. (Accessed August 31, 2017, at https://www.slagcement.org/resources/shipments.aspx.)

[35] American Iron and Steel Institute, How Steel Is Made. (Accessed Feburary 6, 2018, at http://www.steel.org/steel-technology/how-its-made.aspx).

[36] Hendrik G. van Oss, 2015 Minerals Yearbook, Slag-iron and Steel, U.S. Department of the Interior and U.S. Geological Survey.

[37] National Slag Association, Processors of Iron and Steel Slag in the United States, PO Box 1197 Pleasant Grove, UT 84062 (Accessed Feb. 6th 2018, http://www.nationalslag.org/slag-availability).

[38] CAN/CSA-A3000-13 - Cementitious Materials Compendium, which covers all cementitious materials.

[39] Instituto de Pesquisas Rodoviarias, Norma DNIT 407/2017-ES.

[40] JOHN, V.M. Cimentos de escria ativada com silicatos de sdio. So Paulo : EP USP, 1995 (Tese de Doutorado)

[41] Eduardo C.S., (2010) Thomaz, Escoria de alto forno, ArcelorMittal Tubaro/BR.

[42] John, Vanderley & Agopyan, V. (2018), Reciclagem De Escoria De Alto Forno No Brasil, Researchgate.net online document.

[43] Eduardo C.S. (2010)  Thomaz, Escoria de alto forno, ArcelorMittal Tubaro/BR.

[44] Australian Standard AS 3582.2-2001 Supplementary cementitious materials for use with Portland cement. Part 2: Slag - ground granulated iron blast furnace. 

[45] Cement Australia (2017), Product Data Sheet - Ground Slag Revision 1.0 Issued 23/05/2017.

[46] Australan Steel Mill Services, 20x10mm Concrete Aggregate, Product Data Sheet, Product Code ABF259, PDS-ABF259 : Rev. 5, (Accessed June 15, 2009, at www.asms.com.au).

[47] Australasian (iron & steel) Slag Association, Reference Data Sheet 1 - 2011, Blast Furnace Slag Aggregate & cementitious Products, (Accessed Feb 6th, 2018, at http://www.asa-inc.org.au/knowledge/technical-literature/reference-data-sheets).

原文参见《混凝土世界》2018年5期 P14-P19


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