不銹鋼渣制備混凝土路面磚的試驗研究

劉曉軒，周 維

（1. 寶武集團環(huán)境資源科技有限公司轉(zhuǎn)底爐事業(yè)部，上海 201900；2. 上海復(fù)潔環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?上海 201900）

不銹鋼渣（簡稱 EAF 渣）是生產(chǎn)不銹鋼過程中排出的固體廢棄物，2018年我國不銹鋼產(chǎn)量達到2800 萬 t，產(chǎn)生不銹鋼渣約700萬 t。根據(jù)不銹鋼冶煉時候的冶煉爐不同，不銹鋼渣主要分為 EAF 渣（電爐渣）和 AOD 渣（氬氧爐渣），其中 EAF 渣為黑色，顆粒較多，與普碳鋼渣較為相近，礦物相主要包括硅酸二鈣和鎂薔薇輝石組成[1]。若 EAF 渣不能合理處置利用，一方面將會占用大量土地資源堆存，另一方面，由于其含有一定的強氧化性 Cr6+，長期堆放將會危害人體健康、污染水源和環(huán)境[2]。不銹鋼渣常見的資源化利用途徑包括返生產(chǎn)、作為水泥原料、制備微晶玻璃等方式[3]。利用 EAF 渣制備混凝土路面磚，一方面可以為其尋找一條合適的資源化利用途徑，另一方面通過混凝土固化作用，降低了其中的重金屬溶出風(fēng)險，對于 EAF 渣的資源化利用具有重要意義。

1 試驗

1.1 試驗原材料

試驗所用 EAF 渣為上海市某鋼廠提供的 EAF 渣，水泥為某水泥公司生產(chǎn)的 P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，碎石和中砂由上海市某建材公司提供。EAF 渣化學(xué)成分如表1所示，水泥的物理性能如表2所示。

表1 EAF 渣的化學(xué)成分

表2 水泥的物理性能

1.2 試驗方法

（1）基本物理性能。顆粒級配、表觀密度等性能參照 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》進行檢測。

（2）重金屬。參照 GB 5085.3—2007 《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》測試浸出液中的 Pb、Cr、Cu、Ni 等重金屬的含量。

（3）放射性。參照 GB 6566—2010 《建筑材料放射性核素限量》進行內(nèi)外照指數(shù)檢測。

（4）安定性。參照 GB/T 24175—2009 《鋼渣穩(wěn)定性試驗方法》、YB/T 4228—2010 《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》進行壓蒸粉化率和壓蒸膨脹率檢測。

（5）路面磚性能。參照 JC/T 446—2000 《混凝土路面磚》進行性能檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 EAF 渣基本性能

采用 XRD 分析方法對 EAF 渣礦物組成進行分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 EAF 渣的 XRD 分析

EAF 渣主要礦物組成為硅酸二鈣（Ca2SiO4）、鎂硅鈣石[Ca3Mg（SiO4）2]，次要礦物有 RO 相、尖晶石固溶體和玻璃質(zhì)等。

參照 GB/T 14684—2011，對 EAF 渣、中砂和細砂的顆粒級配、表觀密度等指標(biāo)進行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 細集料的基本性能

EAF 渣的表觀密度遠大于普通中細砂，這可能是由于其含有一定的金屬元素。堆積密度、緊密密度和空隙率與普通中細砂接近，細度模數(shù)與細砂相近，含泥量和含水率遠大于普通中細砂。

EAF 渣及普通中細砂的篩分結(jié)果如表4所示。

表4 細集料篩分試驗結(jié)果

EAF 渣顆粒較小，在不同粒徑范圍內(nèi)的分布較為平均。顆粒尺寸在 0.60 mm 以上的不到 30%，在 0.16 mm 以下的達到 30% 以上。

EAF 渣的重金屬浸出液濃度檢測結(jié)果如表5所示。

表5 EAF 渣重金屬浸出液濃度mg/L

EAF 渣的總 Cr、Cr6+和 Ba 浸出液濃度未超標(biāo)，可以用作混凝土路面磚的集料。

EAF 渣的放射性檢測結(jié)果如表6所示。EAF 渣的放射性內(nèi)外照指數(shù)均低于 GB 6566—2010 中規(guī)定的限量要求，EAF 渣可以用作建筑材料。

表6 EAF 渣放射性檢測

EAF 渣的安定性檢測結(jié)果如表7所示。EAF 渣的壓蒸粉化率低于 YB/T 4201—2009《普通預(yù)拌砂漿用鋼渣砂》標(biāo)準(zhǔn)限值，說明在壓蒸過程中并未發(fā)生大量 f-CaO 和 f-MgO 的消解粉化。

表7 EAF 渣壓蒸粉化率

2.2 EAF 渣摻量對路面磚性能的影響

以常用的 Cc30混凝土路面磚配比為基準(zhǔn)，按照 EAF 渣替代中砂 25%、50% 和 75% 設(shè)計混凝土路面磚配合比。具體配合比和混凝土性能如表8所示。

表8 不同 EAF 渣摻量混凝土路面磚配合比和混凝土性能

EAF 渣替代中砂摻入混凝土路面磚中，一方面導(dǎo)致混凝土用水量增加，另一方面導(dǎo)致抗壓強度下降，且隨著摻量的增加，影響更加明顯。當(dāng) EAF 渣替代中砂 50% 時，混凝土28d 抗壓強度下降約4MPa，而當(dāng) EAF 渣替代中砂 75% 時，混凝土28d 抗壓強度下降約10MPa。綜合考慮 EAF 渣對混凝土用水量和強度的影響，確定 EAF 渣較為合適的摻量為 ≤ 50%。

2.3 膠凝材料用量對路面磚性能的影響

根據(jù) EAF 渣不同摻量的試驗結(jié)果，按體積不變的原則設(shè)計混凝土路面磚配合比，研究不同膠凝材料用量對混凝土路面磚性能的影響。在保證強度性能的前提下為混凝土路面磚選擇更為合理的混凝土配合比，混凝土維勃稠度控制在 10～20 s，具體配合比和混凝土性能如表9所示。

表9 不同膠凝材料用量的混凝土路面磚配合比和性能

當(dāng)水泥用量從320kg/m3增加到340kg/m3時， 摻 EAF 渣的混凝土7d 抗壓強度增加3MPa，28 d 抗壓強度變化不明顯，水泥用量繼續(xù)增加對強度影響不明顯。不同配比均能滿足路面磚 Cc30強度要求，從經(jīng)濟性考慮，水泥用量在340 kg/m3比較合適。

表10 混凝土路面磚中試生產(chǎn)配合比 kg/m3

2.4 EAF 渣混凝土路面磚中試產(chǎn)品性能

根據(jù) EAF 渣用量和膠凝材料用量對路面磚的影響結(jié)果，結(jié)合實際生產(chǎn)，確定了摻 EAF 渣混凝土路面磚中試生產(chǎn)配合比，具體參數(shù)如表10所示。

摻 EAF 渣的混凝土路面磚在灑水自然養(yǎng)護3d 后，取樣送至混凝土養(yǎng)護室，養(yǎng)護至規(guī)定齡期進行檢測。路面磚力學(xué)性能檢測結(jié)果如表11所示。

表11 混凝土路面磚的力學(xué)性能

對照 JC/T 446—2000 可知，摻加 EAF 渣的混凝土路面磚，力學(xué)性能較優(yōu)，達到 Cc30強度等級以上；吸水率略大，但滿足標(biāo)準(zhǔn)中合格品吸水率 ≤ 8.0% 的要求。抗凍性能較優(yōu)，經(jīng)25次凍融循環(huán)后，混凝土路面磚外觀完整，無剝落、開裂現(xiàn)象，強度損失率均滿足標(biāo)準(zhǔn) ≤ 20.0% 的要求；耐磨性滿足標(biāo)準(zhǔn)中合格品磨坑長度 ≤35mm 的要求。

混凝土路面磚重金屬浸出液濃度檢測結(jié)果如表12所示。摻 EAF 渣混凝土路面磚的總 Cr、Cr6+和 Ba 浸出液濃度均低于 GB 5085.3—2007 中利用鉻渣生產(chǎn)的磚及砌塊產(chǎn)品的污染控制指標(biāo)限值。

表12 路面磚中試產(chǎn)品重金屬浸出液濃度 mg/L

路面磚放射性指標(biāo)檢測結(jié)果如表13所示。

表13 路面磚中試產(chǎn)品放射性檢測

摻 EAF 渣混凝土路面磚的放射性內(nèi)外照指數(shù)均低于 GB 6566—2010 中規(guī)定的限量要求。將摻 EAF 渣混凝土路面磚在 2.0 MPa 壓力下壓蒸3h，試件外觀完整、無裂縫。壓蒸試驗結(jié)果表明摻 EAF 渣混凝土路面磚的安定性良好。

3 結(jié)語

（1）EAF 渣主要成分為 CaO、SiO2和 MgO，主要礦物組成為硅酸二鈣（Ca2SiO4）、鎂硅鈣石[Ca3Mg（SiO4）2]，次要礦物有 RO 相、尖晶石固溶體和玻璃質(zhì)等。

（2）EAF 渣細度模數(shù)與細砂相近，含泥量和含水率遠大于普通中細砂，顆粒較小，0.6 mm 以下占 70% 以上。EAF 渣的放射性內(nèi)外照指數(shù)和壓蒸粉化率均合格。參照 GB 5085.3—2007 中鉻渣作為路基材料和混凝土集料的污染控制指標(biāo)限值，總 Cr、Cr6+和 Ba 浸出液濃度均未超標(biāo)，可以用作混凝土路面磚的集料。

（3）EAF 渣替代中砂摻入混凝土路面磚中將導(dǎo)致混凝土用水量增加和抗壓強度下降，較為合適的摻量為 ≤ 50%；在一定范圍內(nèi)，增加水泥用量有助于提高混凝土路面磚的抗壓強度。結(jié)合經(jīng)濟性考慮，水泥用量在340 kg/m3比較合適。

（4）以 50% EAF 渣替代中砂制備的混凝土路面磚中試產(chǎn)品，力學(xué)性能較優(yōu)，達到 Cc30強度等級以上，抗凍性能優(yōu)良，耐磨性和吸水率均滿足 JC/T 446—2000 相關(guān)指標(biāo)要求；摻 EAF 渣混凝土路面磚重金屬浸出液濃度未超標(biāo)，放射性內(nèi)外照指數(shù)和壓蒸實驗均合格。