碳酸化鋼渣制品安定性分析

于寧，吳昊澤

（1. 山東華森建材集團有限公司，山東 濟南 250101；2. 山東省水泥質監站，山東 濟南 250002）

0 前言

鋼渣是煉鋼工業中所產生的工業廢渣，隨著鋼鐵生產技術的提高和發展，大量鋼渣堆積成山。鋼渣成分中含有大量游離氧化鈣和游離氧化鎂，游離氧化鈣和氧化鎂極不穩定，造成鋼渣制品的安定性不良，這使得鋼渣的二次利用受到了限制，同時鋼渣的產量極大，需要占用大量土地，很容易污染環境[1-2]。碳酸化作為一項利用廢棄物、節約資源和能源的先進技術，是處理鋼渣的有效方法[3]，不僅能夠固定空氣中的 CO2，緩解溫室效應，也可以消耗大量鋼渣，減少對環境的污染。碳酸化是指將溫室氣體 CO2以碳酸鹽（如 CaCO3和 MgCO3）的固體形式永久儲存，即 CO2礦物固定[4-6]。本文利用鋼渣、二氧化碳等工業排放物制備建筑材料。

1 試驗部分

1.1 原料

本試驗所用的鋼渣為濟南鋼鐵集團的轉爐鋼渣，粉磨后顆粒粒徑約為 140～320μm，主要礦物組成為硅酸二鈣、硅酸三鈣、RO 相固溶體及游離氧化鈣。

1.2 方法

首先準確稱取 300g 試驗所用的鋼渣粉兩份，分別倒入攪拌鍋里，再稱取適量激發劑，分別倒入攪拌鍋里混合均勻，用 JJ-5 水泥膠砂攪拌機進行攪拌，結束后倒入尺寸 40mm×40mm×90mm 長方體試模中，用 TW-30 型電動壓片機壓制成型，恒壓在 3MPa 的壓力下保持 1 分鐘，按照規范脫模后稱量其一試樣的質量（記為m1）。將其試樣放入反應釜中，用單一的 CO2氣體，分別在 0.20MPa，0.30MPa 及 0.40MPa 的氣壓下分三階段進行碳酸化[7-8]，每個階段 1h，共碳酸化 3h，稱量碳酸化后試樣的質量（記為 m2），用 SEM-EDS 和 XRD 法對試樣的微觀結構、碳酸化產物進行分析及性能測試。

2 結果與分析

2.1 XRD分析

用日本理學 RF-300EGM2 進行 XRD 分析，圖 1 為鋼渣未碳酸化及鋼渣經過碳酸化的 XRD 曲線。從圖 1可以看出，衍射峰明顯增強的位置發生了變化，經過碳酸化后碳酸鈣衍射峰明顯，原先的 Ca(OH)2和 CaO 衍射峰基本看不到，說明反應釜中的 CO2與鋼渣試樣中的Ca(OH)2和 CaO 發生了一系列化學反應生成了 CaCO3；部分礦物的衍射峰基本沒有變化如：C2S、C3S，說明它們沒有發生碳酸化反應。

圖 1 碳酸化前后鋼渣試樣的XRD曲線

2.2 安定性分析

在實際應用中，鋼渣不能被充分利用的一個主要原因，是鋼渣中含有大量的游離的氧化鈣和氧化鎂，導致鋼渣的安定性不良，碳酸化鋼渣的最終目的也是消除游離的氧化鈣和氧化鎂。為了檢測鋼渣試樣的安全性，在壓蒸溫度為 25～210℃、時間 1～3h、壓力為 2.5MPa的條件下，進行壓蒸安全性試驗，圖 2 為壓蒸安定性測試結果照片。

圖 2 壓蒸安定性測試結果照片

圖 2(a) 看到的是未碳酸化鋼渣制品壓蒸前的外觀，與碳酸化鋼渣制品的外觀沒什么區別。在壓蒸過程中發現：當壓蒸溫度為 25～100℃、壓力為 0.3MPa、時間為 1h 時，未碳酸化鋼渣制品有非常明顯的裂紋；當溫度升至 210℃、壓力為 2.5MPa、壓蒸 3h 時，未碳酸化鋼渣完全粉碎（圖 2(b)），而經過了碳酸化的鋼渣制品在該條件下，只是表面略微泛白，其外形完好沒有破碎并有一定的強度（圖 2(c)）。用甘油乙醇法對未碳酸化鋼渣及已碳酸化鋼渣檢測發現：未碳酸化鋼渣中游離氧化鈣的含量 W=4.75%～5.23%；而碳酸化鋼渣中的游離氧化鈣和游離氧化鎂的含量分別為 0.81% 和 0.25%。說明，加速碳酸化可以較好地解決游離氧化鈣和游離氧化鎂水化過慢的問題，從而解決因膨脹而導致的鋼渣制品安定性不良的問題。

3 結論

（1）鋼渣制品經過碳酸化后空隙率降低、結構變得更加致密，同時表面及內部會生成大量碳酸鈣顆粒。

（2）碳酸化鋼渣制品強度的影響因素很多，除了鋼渣自身的化學成分和結構還有物理機械作用、顆粒表面的交換和團料化作用、水化作用、碳酸化作用及填隙作用等方面。

（3）解決鋼渣安定性不良的難題主要是消除游離氧化物的存在，而碳酸化壓蒸可以很好的把游離氧化物轉變成碳酸鹽。