CO2壓力對鋼渣碳化的影響研究*

吳昊澤，徐東宇，梁曉杰（1.山東省水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站；山東濟(jì)南500；.濟(jì)南大學(xué)山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南50016；.日照鋼鐵集團(tuán)，山東日照76806）

0 前言

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鋼渣產(chǎn)生量越來越多，大量堆積，不斷侵占土地，而且鋼渣中有害的元素和物質(zhì)會對人體造成不良影響[1-2]。

危險廢棄物的加速碳化是人為控制加速碳化的過程。廢棄物在富CO2環(huán)境下，可以在短時間內(nèi)迅速硬化[3-4]。另外，在很多情況下有毒的金屬可以快速的被固化在碳化產(chǎn)品內(nèi)，更具有重要意義的是碳化養(yǎng)護(hù)材料的物理和化學(xué)性能得到了重大的改進(jìn)并可以再次利用到不同的建筑中[5]。因此，采用碳化的方式，對鋼渣進(jìn)行處理，不但可以減少鋼渣的危害，減輕CO2的大氣污染，緩解溫室效應(yīng)，而且還變廢為寶，開發(fā)新建材[6]。碳化過程中，CO2壓力對碳化的效果有著重要的影響。它直接影響碳化率，進(jìn)而影響碳化產(chǎn)物的強(qiáng)度、安定性等[7]。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)以濟(jì)鋼鋼渣為原料，探討CO2壓力對鋼渣碳化的影響并尋找最佳碳化制度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)所用原材料有濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司（簡稱濟(jì)鋼）鋼渣粗粉、礦渣、工業(yè)純氫氧化鈣。鋼渣粗粉經(jīng)破碎和預(yù)粉磨階段，成本適中，約20～40元/t，鋼渣粗粉比鋼渣微粉的粒徑約大8～9倍[8]。通過分析得到粗粉的平均尺寸為112.5 m，中位徑為73.81 m，最頻粒徑為140.1 m，其中篩余為10%的粒徑為255.7 m；篩余為25%的粒徑為149.8 m；篩余為50%的粒徑為73.81 m；篩余為75%的粒徑為21.59 m；篩余為90%的粒徑為4.626 m。所采用的礦渣為濟(jì)鋼集團(tuán)預(yù)粉磨后的產(chǎn)品，成本低，粒徑在3mm左右，潛在水硬性基本沒有得到激發(fā)，因此基本沒有膠凝性能，制成樣品后，其產(chǎn)生的強(qiáng)度極小，幾乎可以忽略。濟(jì)鋼鋼渣和礦渣的化學(xué)成分應(yīng)用Burke S8熒光分析儀測試，其結(jié)果見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

樣品制備：按質(zhì)量比47.5∶45.5∶5∶2的比例準(zhǔn)確稱量鋼渣粗粉、礦渣、氫氧化鈣和催化劑，在攪拌鍋內(nèi)攪拌均勻，并在攪拌過程中向旋轉(zhuǎn)的攪拌鍋內(nèi)噴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的水，然后倒入長方體模具中在10 MPa壓力下成型，并保持壓力2 min，脫模后用電子天平稱量，制得樣品備用。

樣品碳化養(yǎng)護(hù)：將成型的樣品分為四組，放入密閉容器中，通入95%的CO2氣體，但選擇不同的氣體壓力。前三組氣體壓力分別為0.15，0.25，0.3 MPa，第四組氣體壓力由0.15 MPa依次遞增到0.3 MPa，四組均碳化養(yǎng)護(hù)180 min。

性能測試：按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測定試件3d抗壓強(qiáng)度，分別用Burke D8 Advance XRD和日立S-2500 SEM測定鋼渣碳酸化前后的礦物組成及微觀形貌。

表1 鋼渣和礦渣的化學(xué)成分 %

2 結(jié)果及討論

2.1 鋼渣樣品碳化程度及強(qiáng)度

表2中鋼渣碳化結(jié)果表明：在單一的CO2壓力下碳化時，碳化過程中CO2的吸收量依次為9.4，12.5，10.9 g（每100樣品吸收CO2的質(zhì)量，折算成吸收率分別為8.59%，11.11%，9.83%），鋼渣碳化后的抗壓強(qiáng)度隨著CO2壓力的變化為6.1，7.5，6.8 MPa，因此，隨單一CO2壓力的升高，鋼渣碳化的程度是先提高后降低的。與單一CO2壓力下碳化的結(jié)果相比，在交替CO2壓力下（0.15，0.25，0.3 MPa），碳化過程中CO2的吸收量達(dá)到了15.25%，超出了37.29%，而且鋼渣碳化后的抗壓強(qiáng)度是單一壓力的1.67倍。由此可見，交替的CO2壓力下，碳化程度及樣品性能是優(yōu)化的。

2.2 碳化樣品的安定性

目前，對于碳化鋼渣樣品還沒有明確的安定性測試方法，暫且采用GB/T 750—92《水泥的安定性測試方法》。交替CO2壓力下碳化的鋼渣通過壓蒸安定性試驗(yàn)得出的膨脹率為0.34%，符合標(biāo)準(zhǔn)限制要求；應(yīng)用熒光分析和甘油乙醇法測定鋼渣樣品碳化前后的MgO及f-CaO含量，其中MgO含量降低68.47%，f-CaO含量降低86.59%。

2.3 XRD及SEM-EDS

圖1為樣品在不同的CO2壓力下碳化后的XRD圖譜。根據(jù)圖1中Ca（OH）2和CaCO3的衍射峰強(qiáng)度，在單一的CO2壓力下碳化時，0.25 MPa的CO2壓力下碳化效果比0.15 MPa和0.3 MPa的CO2壓力下碳化效果好，說明在單一的CO2壓力下，隨著CO2壓力的增加，碳化的程度是先提高后下降的。因此，碳化鋼渣制備建筑材料時并不是CO2壓力越大越好。CO2壓力過小或過大都不利于碳化反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)使用交替的CO2壓力時，鋼渣中產(chǎn)生膨脹的主要因素f-CaO轉(zhuǎn)變生成的Ca（OH）2基本完全被碳化，碳化效果最好，說明交替變化的CO2壓力有利于CO2的進(jìn)入和碳化反應(yīng)更充分的進(jìn)行。

圖1 不同CO2壓力下碳化樣品的XRD圖譜

圖2為碳化樣品的SEM-EDS圖,可以看出，在不同的CO2壓力條件下碳化時，樣品的表面都生成了晶體，結(jié)合掃描能譜分析可知晶體為不同晶型碳酸鈣及碳酸鎂。但是隨著CO2壓力的不同，反應(yīng)生成的晶體的多少及大小均不同。在單一的CO2壓力下碳化時，0.25 MPa的壓力下碳化生成的晶體比0.15 MPa和0.3 MPa的壓力下生成的多且晶體的粒度大。而與單一CO2壓力相比，使用交替壓力時，樣品碳化效果更好，生成的晶體更多，結(jié)晶程度較好，因此，交替的CO2壓力有利于樣品碳化反應(yīng)的進(jìn)行。

表2 鋼渣樣品碳化結(jié)果

圖2 不同CO2壓力下碳化樣品的SEM-EDS圖

3 結(jié)論

（1）鋼渣樣品在單一的CO2壓力下碳化時，隨CO2壓力的增大，樣品碳化的效果是先提高后下降的；交替CO2壓力下碳化時，CO2的吸收量、樣品的抗壓強(qiáng)度都明顯高于使用單一CO2壓力碳化，因此交替CO2壓力有利于碳化地進(jìn)行。

（2）在礦物組成及微觀形貌方面，相較于單一氣體壓力，在交替CO2壓力下碳化時，其碳化養(yǎng)護(hù)的礦物組成衍射峰強(qiáng)度較高，碳化樣品表面和內(nèi)部都生成了大量簇生的晶體。

（3）交替CO2壓力下碳化的鋼渣通過壓蒸安定性試驗(yàn)得出的膨脹率符合標(biāo)準(zhǔn)限制要求；應(yīng)用熒光分析和甘油乙醇法測定鋼渣樣品碳化前后的MgO及f-CaO含量均有大幅下降。