不銹鋼渣制備混凝土路面磚的試驗(yàn)研究

劉曉軒，周 維

（1. 寶武集團(tuán)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)保科技股份有限公司， 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(dá)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(qiáng)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(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(jìn)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(yàn)方法》、YB/T 4228—2010 《混凝土多孔磚和路面磚用鋼渣》進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xì)砂的顆粒級配、表觀密度等指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 細(xì)集料的基本性能

EAF 渣的表觀密度遠(yuǎn)大于普通中細(xì)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(xì)砂接近，細(xì)度模數(shù)與細(xì)砂相近，含泥量和含水率遠(yuǎn)大于普通中細(xì)砂。

EAF 渣及普通中細(xì)砂的篩分結(jié)果如表4所示。

表4 細(xì)集料篩分試驗(yàn)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(dá)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(jì)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(qiáng)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(qiáng)度下降約4MPa，而當(dāng) EAF 渣替代中砂 75% 時，混凝土28d 抗壓強(qiáng)度下降約10MPa。綜合考慮 EAF 渣對混凝土用水量和強(qiáng)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(yàn)結(jié)果，按體積不變的原則設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度增加3MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度變化不明顯，水泥用量繼續(xù)增加對強(qiáng)度影響不明顯。不同配比均能滿足路面磚 Cc30強(qiáng)度要求，從經(jīng)濟(jì)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(shí)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(hù)3d 后，取樣送至混凝土養(yǎng)護(hù)室，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)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(dá)到 Cc30強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)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(xì)度模數(shù)與細(xì)砂相近，含泥量和含水率遠(yuǎn)大于普通中細(xì)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(qiáng)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(qiáng)度。結(jié)合經(jīng)濟(jì)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(dá)到 Cc30強(qiáng)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(shí)驗(yàn)均合格。