鋼渣碳化工藝對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

杜 濱，尹鳳交，王壽權(quán)，曹明見，王 鵬

(山東天力能源股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物，主要由鈣、鐵、硅、鎂和少量鋁、錳、磷等的氧化物組成[1-3]。近年來，隨著我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展，鋼渣產(chǎn)量迅速增大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國鋼渣的存放量已超過18億噸，不僅浪費(fèi)了資源還給環(huán)境帶來了極大的污染[4-5]。因此，鋼渣資源化利用需求迫切[6-8]。

國外研究鋼渣利用比較早，發(fā)達(dá)國家鋼渣利用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)排用平衡，世界著名產(chǎn)鋼大國鋼渣主要作為煉鐵熔劑、鐵路道碴和道路材料等[9-11]，而中國鋼渣利用率不高(<30%)，主要用于回收廢鋼、磁選鐵精粉等[12]。鋼渣因其強(qiáng)度高、表面粗糙、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)可代替碎石和細(xì)骨料摻入混凝土，但鋼渣中含有的f-CaO和f-MgO這兩種成分遇水后可使鋼渣體積發(fā)生粉化膨脹，這就限制了鋼渣的應(yīng)用。熱悶技術(shù)可以解決f-CaO和f-MgO遇水體積膨脹所引起的道路和建筑物開裂的問題，但經(jīng)過熱悶技術(shù)處理的鋼渣活性低[13-15]。本文分別采用反應(yīng)釜靜態(tài)碳化實(shí)驗(yàn)裝置和流化床干燥動態(tài)碳化裝置考察了工藝參數(shù)對鋼渣微粉碳化的影響，并對加入碳化后鋼渣的混凝土進(jìn)行了3，7，28d齡期的抗壓強(qiáng)度測試，實(shí)驗(yàn)證明通入CO2氣體可以提高鋼渣活性、安定性，達(dá)到鋼渣高效利用的目標(biāo)，采用流化床動態(tài)方式碳化，解決了靜態(tài)碳化試驗(yàn)存在的碳化時(shí)間長，含水量高的不足，有利于實(shí)際生產(chǎn)的實(shí)施。

1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

1.1 試驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用的原料鋼渣微粉來自山東鋼鐵集團(tuán)(原一、三煉鋼廠)熱悶渣，經(jīng)粉磨、篩分處理后待用(見圖1、圖2)，水泥為山水集團(tuán)普通硅酸鹽水泥(425水泥)，二氧化碳?xì)怏w來自某氣體廠，純度為99.99%。其中鋼渣參數(shù)如表1所示。

圖1 鋼渣原料

圖2 磨細(xì)后的鋼渣原料

表1 鋼渣物性參數(shù)表

1.2 碳化實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.2.1 鋼渣碳化反應(yīng)釜靜態(tài)實(shí)驗(yàn)臺

鋼渣碳化反應(yīng)釜靜態(tài)實(shí)驗(yàn)臺流程圖3所示。

實(shí)驗(yàn)方法：稱取一定質(zhì)量(300g)的鋼渣微粉，先后加入一定量的液體增強(qiáng)劑、少量固體增強(qiáng)劑，并混勻、攪拌3～5min，然后將料放入容器中，密封，排空，裝料層厚度大約1cm，在常溫常壓下和加壓至1.5個(gè)大氣壓(0.15MPa)、加熱至80℃的情況下，分別對鋼渣微粉進(jìn)行碳化。

1.2.2 鋼渣碳化流化床動態(tài)實(shí)驗(yàn)臺

鋼渣碳化流化床動態(tài)實(shí)驗(yàn)臺流程圖如圖4所示。

圖3 鋼渣碳化反應(yīng)釜靜態(tài)實(shí)驗(yàn)臺流程圖

圖4 鋼渣碳化流化床動態(tài)實(shí)驗(yàn)臺流程圖

實(shí)驗(yàn)方法：稱取一定質(zhì)量的鋼渣微粉，加入10%水?dāng)嚢杈鶆颍瑥脑O(shè)備上方倒入流化床中，將進(jìn)料口密封，在下方進(jìn)氣口中通入二氧化碳?xì)怏w，使鋼渣粉在流化床中呈懸浮流態(tài)化，使其與二氧化碳?xì)怏w充分接觸，對鋼渣粉進(jìn)行碳化。通過加熱裝置對碳化后鋼渣粉進(jìn)行干燥處理，實(shí)驗(yàn)出料鋼渣粉取樣密封，進(jìn)行水泥試塊強(qiáng)度測試。

1.3 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)裝置及方法

圖5 模具

實(shí)驗(yàn)方法：

將碳化后的鋼渣，采用100mm?100mm?100mm的標(biāo)準(zhǔn)試模(見圖5)制作試件，每組成型3個(gè)試件，同時(shí)配制未碳化的鋼渣混凝土試件進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。將試件分別編號送至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，采用全自動壓力試驗(yàn)機(jī)(型號：YAW-2000)測定在3,7 ,2 8 d齡期的抗壓強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋼渣碳化對混凝土抗壓性能的影響

取在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行碳化2h的鋼渣和未經(jīng)碳化的鋼渣，按一定比例混合、攪拌后制作標(biāo)準(zhǔn)試模，然后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測定其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示：

表2 鋼渣碳化對混凝土抗壓性能的影響

從表2可以看出：加入未碳化的鋼渣后，混凝土3d、7 d、2 8 d齡期的抗壓強(qiáng)度比未加入鋼渣的混凝土抗壓強(qiáng)度??；加入碳化后鋼渣的3d、7d、28d齡期抗壓強(qiáng)度均比加入未碳化鋼渣混凝土和未加入鋼渣的混凝土抗壓強(qiáng)度大。加入碳化的鋼渣有利于提高混凝土的抗壓性能。

2.2 鋼渣摻混量對混凝土抗壓性能的影響

取在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行碳化2h的鋼渣按一定比例混合、攪拌后制作標(biāo)準(zhǔn)試模，經(jīng)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)后，測定抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。

表3 鋼渣摻混量對混凝土抗壓性能的影響

從表3可以看出：碳化鋼渣摻入量在0%～10%時(shí)，隨著摻入量的增大，混凝土3，7，28d齡期的抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢；碳化鋼渣摻入量在20%～50%時(shí)，隨著摻入量的增大，混凝土3，7，28d齡期的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。綜合考慮，鋼渣摻入量控制在30%以內(nèi)合適。

2.3 碳化壓力、溫度對混凝土抗壓性能的影響

在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)臺上分別進(jìn)行了0.15MPa、80℃條件下碳化試驗(yàn)和常溫常壓條件下碳化試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 碳化壓力、溫度對混凝土抗壓性能的影響

由表4可以看出，加入常溫常壓下碳化鋼渣的混凝土3，7，28d齡期的抗壓強(qiáng)度比0.15MPa、80℃下碳化鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度小。

2.4 碳化時(shí)間對混凝土抗壓性能的影響

在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行常溫常壓碳化時(shí)間為10 ～20min條件下的碳化試驗(yàn)，經(jīng)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)后，測定抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。

表5 碳化時(shí)間對混凝土抗壓性能的影響

由表5可以看出，碳化鋼渣的強(qiáng)度比未碳化的有提高，且隨著碳化時(shí)間的增加，強(qiáng)度增加，與前期強(qiáng)度變化趨勢相一致，碳化效果較好。

2.5 碳化狀態(tài)對混凝土抗壓性能的影響

在流化床動態(tài)干燥小型實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行鋼渣碳化試驗(yàn)，通入CO2氣體濃度為15%～20%，碳化溫度為80℃，碳化時(shí)間分別為10min。對碳化后鋼渣分別進(jìn)行鋼渣摻加量為30%的水泥砂漿試驗(yàn)，與未碳化的鋼渣對比。同時(shí)對碳化后的鋼渣進(jìn)行了含水量測試。測試結(jié)果見表6。

表6 碳化時(shí)間對混凝土抗壓性能的影響

從表6中可以看出，當(dāng)鋼渣處于流化狀態(tài)下碳化，其3d、7d、28d齡期的抗壓強(qiáng)度均比靜態(tài)碳化時(shí)抗壓強(qiáng)度大。

3 結(jié)論

(1)加入碳化后鋼渣的混凝土抗壓強(qiáng)度均比加入未碳化的鋼渣混凝土和未加入鋼渣的混凝土抗壓強(qiáng)度大。

(2)碳化鋼渣摻入量在0～10%時(shí)，隨著摻入量的增大，混凝土3d、7d、28d齡期的抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢；碳化鋼渣摻入量在20%～50%時(shí)，隨著摻入量的增大，混凝土3，7，28d齡期的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。

(3)加入常溫常壓下碳化鋼渣的混凝土3，7，28d齡期的抗壓強(qiáng)度比0.15MPa、80℃下碳化鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度小。

(4)隨著鋼渣碳化時(shí)間的增加，鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度增加。

(5)鋼渣處于流化狀態(tài)下碳化，其抗壓強(qiáng)度均比靜態(tài)碳化時(shí)抗壓強(qiáng)度大。