鋼渣生態(tài)水工磚制備及其性能

楊志彬， 程謝悅， 成潔， 蘇童， 毛瑞，麻晗， 魯雄剛， 龍紅明， 姜健

（1. 江蘇科技大學(xué)張家港校區(qū) 冶金與材料工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600； 2. 江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司 江蘇?。ㄉ充摚╀撹F研究院，江蘇 張家港 215625； 3. 上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444； 4. 冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室（安徽工業(yè)大學(xué)），安徽 馬鞍山 243002； 5. 常熟市江華新型建筑材料有限公司，江蘇 常熟 215500）

隨著我國工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)量總量快速增長，導(dǎo)致鋼渣總量也急劇增加。數(shù)據(jù)統(tǒng)計2020 年我國鋼渣產(chǎn)量約達(dá)1.3 億噸，然而由于當(dāng)前技術(shù)的限制，大量的鋼渣得不到有效利用，使其處于露天堆放和填埋狀態(tài)，這樣不僅浪費資源、占用大量土地，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-5]。鋼渣中游離氧化鈣（f-CaO）含量高是制約其應(yīng)用的主要因素之一，工業(yè)實際生產(chǎn)要求規(guī)定鋼渣中f-CaO 含量必須控制在3%以下才能使用[6-9]。

生態(tài)水工磚作為一種環(huán)境友好材料，能夠快速地使雨水滲透到地下，可有效緩解城市排水不足造成的內(nèi)澇、城市地表下陷等諸多問題。近5 年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市建設(shè)的多樣化，生態(tài)水工磚材料因具有良好的透水、抗壓、防滑、美觀等優(yōu)點，在海綿城市建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10-13]。利用鋼渣替代傳統(tǒng)砂石骨料制備生態(tài)水工磚，用于城市人行道、步行街、廣場和住宅小區(qū)等場地的鋪設(shè)，不僅能夠消耗大量鋼渣固廢，同時又極大地減少天然砂石的開采。既提高鋼渣利用率、減少環(huán)境污染、解決城市“雨島效應(yīng)”，又降低了生態(tài)水工磚的生產(chǎn)成本，對實現(xiàn)生態(tài)保護(hù)、節(jié)約資源和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[14-17]。

近年來，鋼渣生態(tài)水工磚研究較多，主要以免燒結(jié)生態(tài)水工磚實驗研究為主，大量研究集中在提高生態(tài)水工磚透水率、抗壓強度和抗折強度方面。如DA SILVA[18]研究了鋼渣骨料制備透水鋪路塊的預(yù)制混凝土構(gòu)件，因鋼渣的表觀密度遠(yuǎn)大于普通天然骨料，制備出的預(yù)制混凝土構(gòu)件的物理、機械和環(huán)境特征與傳統(tǒng)混凝土構(gòu)件非常相似，表明其技術(shù)可行，為鋼渣的廢物資源利用提出了應(yīng)用方向。ULLOAMAYORGA[19]考察鋼渣和建筑垃圾等2 種不同骨料在不同壓力作用下對透水磚性能的影響，結(jié)果表明，鋼渣骨料制作的透水磚，抗壓和抗折強度分別達(dá)35.8 MPa 和 4.2 MPa，透水率達(dá)2.47 mm/s，力學(xué)和透水性能優(yōu)于普通透水磚。ROQUE[20]研究了電爐渣代替建筑垃圾骨料制備交通基礎(chǔ)設(shè)施中透水層材料，并對其粒級0.25～2.0 mm 和 2.0～20.0 mm 2 種透水材料進(jìn)行透水率分析，結(jié)果表明，電爐渣透水材料具有良好的透水率，驗證了鋼渣應(yīng)用在透水材料的技術(shù)可行性。

在鋼渣生態(tài)水工磚的開發(fā)和應(yīng)用方面，我國落后于國外發(fā)達(dá)國家，國外鋼渣生態(tài)水工磚的研究開展得比較早，我國在20 世紀(jì)90 年代才開始對混凝土生態(tài)水工磚進(jìn)行探索研究。如孫家瑛等[10]采用鋼渣制備透水混凝土，研究其力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)制備的透水混凝土材料透水率、抗壓和抗折強度分別可達(dá)10 mm/s、30 MPa和4.5 MPa，鋼渣透水性混凝土性能良好。李國昌等[21]研究鎳鐵礦渣為主要原料對生態(tài)水工磚的透水率、抗折強度、耐磨性和抗凍性的影響，結(jié)果表明，當(dāng)鎳鐵礦渣摻入量為 84%時，制備的生態(tài)水工磚性能指標(biāo)良好，滿足工業(yè)應(yīng)用要求。張雄等[22]研究了鋼渣骨料組成、孔隙率、膠凝材料等因素對生態(tài)水工磚透水性能和力學(xué)性能的影響，并對鋼渣生態(tài)水工磚成型制備工藝進(jìn)行了分析。

利用鋼渣替代天然砂石材料制備生態(tài)水工磚，雖然在研究理論上已經(jīng)逐漸完善，并逐步推廣應(yīng)用于實際工程，但是仍存在一些問題，如生態(tài)水工磚的透水率和機械強度存在著相互制約關(guān)系；制備的鋼渣生態(tài)水工磚的機械強度不夠高，使其應(yīng)用區(qū)域或范圍受到一定限制；生態(tài)水工磚透水性難以長時間得到保證[23-25]?；诖?，本文以江蘇某鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐鋼渣熱悶處理后尾渣為研究對象，首先對其進(jìn)行f-CaO 含量分析，確保其達(dá)到混凝土應(yīng)用要求標(biāo)準(zhǔn)后，以其代替天然砂石材料制備鋼渣生態(tài)水工磚，考察鋼渣摻入量、鋼渣粒度、透水率和孔隙率等參數(shù)指標(biāo)對透水性、抗壓和抗折強度的影響規(guī)律。研究兼?zhèn)涓咄杆院透呖箟簭姸韧杆u工藝生產(chǎn)條件，為高性能透水磚制備提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

本實驗制備生態(tài)水工磚所需原料有水泥、碎石和轉(zhuǎn)爐鋼渣。水泥型號采用P·042.5 型號，其性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》技術(shù)要求。碎石采用建筑用卵石碎屑，粒度控制在3～5 mm。鋼渣是煉鋼過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物，具有硬度大、密度大、強度高、耐磨損耗小、磨光值高等優(yōu)異的物理力學(xué)性能，性能與天然石材相近，可替代天然砂石材料，用于混凝土等建筑領(lǐng)域[26-27]。實驗采用的轉(zhuǎn)爐鋼渣為江蘇某大型鋼鐵企業(yè)經(jīng)熱悶處理磁選后的尾渣，對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，所得結(jié)果如表1所列。

表1 鋼渣化學(xué)成分及含量Table 1 Chemical composition and content of steel slag單位：%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

由表1 可知，轉(zhuǎn)爐鋼渣尾渣約含38%CaO、10%MgO、16%SiO2、20%TFe，以及少量P2O5、Al2O3和MnO，堿度2.04，其中f-CaO 含量為2.1%，小于3%（GB/T 50081—2016），達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求，因此可以對其進(jìn)行生產(chǎn)使用。

對轉(zhuǎn)爐鋼渣進(jìn)行XRD 物相檢測分析，所得結(jié)果如圖1 所示，轉(zhuǎn)爐鋼渣主要組成為Ca2SiO4、FeO、Ca2SiO4·0.05Ca3(PO4)2和Ca2Fe2O5(Srebrodolskite，鐵酸二鈣)等。

圖1 轉(zhuǎn)爐鋼渣物相組成Fig.1 Phase composition of converter steel slag

1.2 儀器設(shè)備

本實驗制備和分析生態(tài)水工磚所需儀器設(shè)備主要有標(biāo)準(zhǔn)篩、單臥軸攪拌機、混凝土振動成型機、壓力試驗機、透水率測量儀、電子分析天平、全自動壓力試驗機、X 射線熒光光譜儀和X 射線衍射分析儀。

1.3 制備工藝流程

鋼渣制備生態(tài)水工磚工藝流程如圖2所示，將鋼渣尾渣、砂石骨料、水泥等主要原料按比例加入，混合均勻，用砌塊成型機振動成型，制備成坯料，然后經(jīng)養(yǎng)護(hù)15 d而制成生態(tài)水工磚。

圖2 鋼渣制備生態(tài)水工磚工藝流程Fig.2 Process flow chart of preparing ecological hydraulic brick using steel slag

1.4 性能檢測分析

1.4.1 透水率

本實驗制備的鋼渣生態(tài)水工磚的透水率按GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》要求方法進(jìn)行分析測試。生態(tài)水工磚透水率計算公式見式（1）：

式（1）中：KT為水溫為T℃時試樣的透水率；Q為時間t秒內(nèi)的滲出水量；L為試樣的厚度；A為試樣的上表面面積；H為水位差；t為時間。

1.4.2 抗壓強度

生態(tài)水工磚的抗壓強度測試按GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》要求方法進(jìn)行分析測試。生態(tài)水工磚抗壓強度計算公式見式（2）：

式（2）中：Cc為生態(tài)水工磚抗壓強度；P為生態(tài)水工磚試樣壓碎時所受最大壓力；A為透水磚試樣的受壓面積。

1.4.3 抗折強度

單塊生態(tài)水工磚試件的抗折強度按式（3）計算：

式（3）中：Cf為抗折強度的值，單位MPa；P為破壞載荷的值，單位N；L為兩支承點之間的距離的值，單位mm；b為試件寬度的值，單位mm；h為試件厚度的值，單位mm。

1.4.4 顯氣孔率

顯氣孔率是材料中開口氣孔的體積與總體積的比值。單塊生態(tài)水工磚試件顯氣孔率按式（4）計算：

式（4）中：B為顯氣孔率的值，單位%；M1為105 ℃下恒溫?zé)珊蟾稍镌嚇拥馁|(zhì)量的值，單位g；M2為試樣放入煮沸的離子水中再沸煮2 h 后試樣在水中的質(zhì)量的值,單位g；M3為將試樣從水中取出，擦去其表面水分，稱取試樣在空氣中質(zhì)量的值，單位g。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣含量對生態(tài)水工磚性能的影響

鋼渣因其磨耗值、強度、密度等性能接近或優(yōu)于天然砂石，所以可以用鋼渣取代天然砂石作為原材料，制備鋼渣生態(tài)水工磚。本實驗考察3～5 mm 粒徑鋼渣摻入量對生態(tài)水工磚透水率和抗壓強度的影響，如圖3 所示，鋼渣代替砂石骨料制備的生態(tài)水工磚對其透水率和抗壓強度影響不大，但當(dāng)鋼渣替代量超過80%時對透水率和抗壓強度影響顯著。隨著鋼渣替代量的增大，生態(tài)水工磚機械強度顯著提升，而透水率則急劇下降[28-31]。如當(dāng)鋼渣替代量從30%增至80%時，生態(tài)水工磚抗壓強度由31.9 MPa緩慢升到36.6 MPa，相應(yīng)地透水率從6.6×10-2cm/s緩慢降到5.8×10-2cm/s。鋼渣替代量從80%增至100%時，生態(tài)水工磚抗壓強度由36.6 MPa 急劇升到52.5 MPa，而透水率則從5.8×10-2cm/s 陡降到4.1×10-2cm/s。綜合考慮透水率和抗壓強度關(guān)系，得出鋼渣摻入量為80%時較優(yōu)，所制的生態(tài)水工磚透水率和抗壓強度分別為5.8×10-2cm/s和36.6 MPa。

圖3 鋼渣含量對生態(tài)水工磚性能影響Fig.3 Effect of steel slag content on the performance of ecological hydraulic brick

2.2 鋼渣粒徑對生態(tài)水工磚性能的影響

鋼渣粒徑大小是影響生態(tài)水工磚透水率和抗壓和抗折強度的一個重要關(guān)鍵因素。鋼渣粒徑增大，成型生態(tài)水工磚孔隙隨之增大，導(dǎo)致連通孔隙增多，從而使得生態(tài)水工磚透水率增大，但導(dǎo)致生態(tài)水工磚抗壓和抗折強度降低[15,21]；鋼渣粒徑減小，鋼渣顆粒之間的相互接觸點增多，導(dǎo)致生態(tài)水工磚孔隙降低，連通的孔隙減少，使得生態(tài)水工磚透水率下降。

如圖4所示，當(dāng)鋼渣粒徑為1～3 mm時，生態(tài)水工磚透水率僅為1.5×10-2cm/s，且抗壓強度和抗折強度為31.77 MPa 和5.00 MPa，質(zhì)量未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求，成型后材料強度不穩(wěn)定，易碎裂，故未對其顯氣孔率和表觀密度進(jìn)行測定。繼續(xù)增大鋼渣粒徑，當(dāng)鋼渣粒徑從3～5 mm 增大到5～6 mm 時，生態(tài)水工磚透水率從4.4×10-2cm/s 逐漸增大到6.1×10-2cm/s，相應(yīng)的抗壓強度從51.61 MPa 降到43.68 MPa，抗折強度先增大后減小。說明鋼渣粒徑越大，越有利于形成孔隙，較多孔隙有利于提高孔隙的連通性，更有利于水流的通過，進(jìn)一步驗證鋼渣粒徑是影響生態(tài)水工磚透水率的重要因素，較高孔隙率生態(tài)水工磚具有較高的透水率。

圖4 鋼渣粒徑對生態(tài)水工磚透水率、抗壓和抗折強度的影響Fig.4 Effect of steel slag with different particle sizes on the water permeability，compressive strengthand and bending strength of ecological hydraulic brick

實際生產(chǎn)過程中為了保證生態(tài)水工磚透水率、抗壓和抗折強度，一般采用粗細(xì)粒徑鋼渣混合摻入。本實驗選取了3～5 mm 和4～5.5 mm 粒徑鋼渣，按質(zhì)量比1∶1混合均勻后制備生態(tài)水工磚，如表2所列，結(jié)果表明，生產(chǎn)的生態(tài)水工磚透水率低（3.2×10-2cm/s），但抗壓和抗折強度分別達(dá)到64.57 MPa和10.08 MPa，強度得到顯著提升。同時，增壓粉化率值最大為2.54%，小于3%，進(jìn)一步驗證經(jīng)熱悶處理后鋼渣達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求。

表2 不同粒徑鋼渣對生態(tài)水工磚性能影響Table 2 Effect of steel slag with different particle sizes on the performance of ecological hydraulic brick

2.3 骨膠比對生態(tài)水工磚性能的影響

鋼渣和砂石骨料總質(zhì)量與水泥質(zhì)量之比稱為骨膠比，生態(tài)水工磚透水率和抗壓強度受骨膠比大小影響。骨料含量保持不變，骨膠比逐漸減少，水泥包裹骨料程度越充分，水泥與骨料界面黏結(jié)強度越大，同時水泥漿充分填滿了骨料間的空隙，極大地提高了生態(tài)水工磚抗壓強度；骨料孔隙率下降，導(dǎo)致生態(tài)水工磚透水率下降。骨膠比越大，水泥漿包裹骨料厚度越薄，骨料包裹程度不充分，生態(tài)水工磚有效孔隙率急劇增多，導(dǎo)致其透水率增大，抗壓強度下降。如圖5 所示，骨膠比從6.2 增大到6.6 時，生態(tài)水工磚透水率從5.3×10-2cm/s 增大到5.8×10-2cm/s，相反抗壓強度則從33.8 MPa降到31.6 MPa。當(dāng)骨膠比從6.6增大到7.0時，生態(tài)水工磚透水率迅速從5.8×10-2cm/s降低到3.2×10-2cm/s，抗壓強度從31.6 MPa 增大到45.6 MPa。綜合分析，骨膠比為6.6 時，生態(tài)水工磚各項指標(biāo)性能較優(yōu)，透水率為5.8×10-2cm/s，抗壓強度為31.6 MPa。

圖5 骨膠比對生態(tài)水工磚透水率抗壓強度的影響Fig.5 Effect of bone glue ratio on water permeability and compressive strength of ecological hydraulic brick

2.4 生態(tài)水工磚顯氣孔率與透水率、抗壓強度的關(guān)系

顯氣孔率是評價生態(tài)水工磚透水率和抗壓強度的重要參數(shù)。圖6 所示為生態(tài)水工磚顯氣孔率與透水率、抗壓強度、抗折強度的關(guān)系圖。由圖6(a)可知，生態(tài)水工磚透水率與顯氣孔率呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.921 5。由圖6(b)和圖6(c)可知，抗壓強度和抗折強度與顯氣孔率呈近相反關(guān)系，抗壓強度擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.841 18，抗折強度擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2僅為0.185 62，抗壓強度和抗折強度與顯氣孔率擬合關(guān)系均較差，說明關(guān)聯(lián)性較小。通常，顯氣孔率較高的生態(tài)水工磚具有較高的透水率，主要是因為其含有較多的孔，有利于孔隙之間連接和水流通過，但其抗壓和抗折強度會較低。通過顯氣孔率并不能精準(zhǔn)預(yù)測透水率和抗壓強度，因為顯氣孔率連通性、迂回性和孔徑分布、孔劑熔點的差異、造孔劑與骨料的黏結(jié)程度和骨料的膨脹等都會影響透水率和抗壓強度。目前還無法找出其規(guī)律，但是可以肯定生態(tài)水工磚顯氣孔率對透水率、抗壓和抗折強度有很大影響，應(yīng)該嚴(yán)格控制其范圍。

圖6 生態(tài)水工磚顯氣孔率與透水率（a）、抗壓強度（b）和抗折強度（c）的對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relationship between apparent porosity and water permeability（a）, compressive strength（b） and bending strength（c） of ecological hydraulic brick

2.5 生態(tài)水工磚透水率與抗壓強度的關(guān)系

由表2 可知，粒徑為1～3 mm 鋼渣制備的生態(tài)水工磚透水率不達(dá)標(biāo)，抗壓和抗折強度勉強合格，因此本節(jié)實驗，將其忽略不做分析。由圖7 可知，隨著生態(tài)水工磚透水率增大，抗壓強度下降，抗壓強度與透水率呈負(fù)線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.930 2，說明鋼渣粒徑對抗壓強度和透水率的影響存在較好的各向同性關(guān)系。類似地，對生態(tài)水工磚抗折強度與透水率進(jìn)行線性擬合分析，如圖8 所示，透水率與抗折強度擬合線性R2為0.579 0，線性擬合程度不高，相關(guān)性不大。因此，在實際工程設(shè)計應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮生態(tài)水工磚透水率與抗壓和抗折強度，選擇最優(yōu)并適合工業(yè)實際應(yīng)用的性能指標(biāo)，合理設(shè)計鋼渣粒徑大小。

圖7 生態(tài)水工磚透水率與抗壓強度對應(yīng)關(guān)系Fig.7 Corresponding relationship between water permeability and compressive strength of ecological hydraulic brick

圖8 生態(tài)水工磚透水率與抗折強度對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Corresponding relationship between water permeability and bending strength of ecological hydraulic brick

2.6 高透水性生態(tài)水工磚的形成機制

生態(tài)水工磚形成機制工藝圖如圖9所示。鋼渣、水泥與水充分混合均勻后，經(jīng)振動成型制成生態(tài)水工磚，孔隙結(jié)構(gòu)直接影響生態(tài)水工磚的透水性，較高的孔隙率含有較多的孔，這有利于水流的通過。骨料粒徑對孔隙結(jié)構(gòu)有重要影響，骨料粒徑越大，粒徑越單一，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較低，堆積形成的孔隙相對較大，越容易形成連通孔隙，水流的流道越寬，致使透水性越好。相反，骨料粒徑越小，導(dǎo)致骨料之間形成的孔隙變小，透水性變差。通常，較高的顯氣孔率會導(dǎo)致較低的抗壓和抗折強度。

圖9 生態(tài)水工磚形成機制工藝Fig.9 Process diagram of formation mechanism of ecological hydraulic brick

3 結(jié) 論

1）鋼渣代替砂石骨料，有利于鋼渣資源回收利用。考察不同鋼渣摻入量對生態(tài)水工磚透水性和抗壓強度的影響，結(jié)果表明，鋼渣摻入量為80%時，所得生態(tài)水工磚透水率和抗壓強度較好，分別為5.8×10-2cm/s 和36.6 MPa。

2）增大鋼渣粒徑，有利于提高生態(tài)水工磚透水率，本實驗得出鋼渣粒徑為4～5.5 mm時性能較好，生態(tài)水工磚透水率為5.6×10-2cm/s、抗壓強度為45.45 MPa、抗折強度為6.59 MPa。

3）生態(tài)水工磚顯氣孔率與透水率呈正線性相關(guān)性，而與抗壓和抗折強度線性相關(guān)性較差。說明生態(tài)水工磚顯氣孔率越高，越有利于提高透水性，較高的孔隙率含有較多的孔，這有利于水流的通過。但是，通常較高的顯氣孔率會導(dǎo)致較低的抗壓和抗折強度。