CO2壓力對碳化養(yǎng)護(hù)鋼渣制備建筑材料的影響*

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 250022；2.濟(jì)南大學(xué)山東省建筑材料制備與測試技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250016；3.日照鋼鐵集團(tuán)，山東 日照 276806）

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，而且渣中有害的元素和物質(zhì)，會對人體造成嚴(yán)重的危害[1-2]。

危險(xiǎn)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(shí)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地被固化在碳化產(chǎn)品內(nèi)，更重要的是，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)，而且還可變廢為寶，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，本試驗(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 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(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)歷了鋼渣破碎和預(yù)粉磨階段，成本適中，約 20～40 元/噸。對比微粉和粗粉，粗粉比微粉的粒徑大得多，約為微粉的 8～9 倍[8]。通過分析得到粗粉的平均尺寸為 112.5μm，中位徑為 73.81μm，最頻粒徑為 140.1μm；其中篩余為 10% 的粒徑為 255.7μm，篩余為 25% 的粒徑為 149.8μm，篩余為 50% 的粒徑為73.81μm，篩余為 75% 的粒徑為 21.59μm，篩余為 90%的粒徑為 4.626μm。

本試驗(yàn)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。

表1 鋼渣和礦渣的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(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 10MPa 壓力下成型，并保持壓力 2min，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（CO2氣體壓力由氣瓶上的減壓閥控制，可瞬時(shí)調(diào)節(jié)）[8]。前三組氣體壓力分別為 0.15MPa、0.25MPa、0.3MPa，均碳化養(yǎng)護(hù) 180min。第四組采用階梯式遞增升壓制度，即在 0.15MPa 下養(yǎng)護(hù) 60min 后，調(diào)節(jié)減壓閥，在 0.25MPa 下養(yǎng)護(hù) 60min，最后在 0.3MPa 下養(yǎng)護(hù)60min。

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。

2 結(jié)果及討論

2.1 鋼渣樣品碳化程度及強(qiáng)度

鋼渣樣品的碳化結(jié)果見表2。

表2 中鋼渣碳化結(jié)果表明：在單一的 CO2壓力下碳化時(shí)，碳化過程中 CO2的吸收量依次為 9.4g、12.5g及 10.9g（即每 100g 樣品吸收 CO2的質(zhì)量為 9.4g、12.5g 及 10.9g，吸收率為 8.59%、11.11% 及 9.83%）和鋼渣碳化后的抗壓強(qiáng)度都隨著 CO2壓力的變化為6.1MPa、7.5MPa 及 6.8MPa，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，在階梯遞增的 CO2壓力下（0.15MPa→0.25MPa→0.3MPa），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，階梯遞增的 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》。階梯遞增的 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(shí)，0.25MPa 的 CO2壓力下碳化效果比 0.15MPa 和 0.3MPa 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，碳化的程度是先升高后下降的。因此，碳化鋼渣制備建筑材料時(shí)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)使用階梯遞增的 CO2壓力時(shí)，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，說明階梯遞增的 CO2壓力有利于 CO2的進(jìn)入，使碳化反應(yīng)更充分。

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(shí)，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(shí)，0.25MPa 的壓力下碳化生成的晶體比 0.15MPa 和0.3MPa 的壓力下生成得多且晶體的粒度大。而與單一CO2壓力相比，使用階梯遞增的壓力時(shí)，樣品碳化效果更好，生成的晶體更多，結(jié)晶程度較好，因此，這種的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1 不同 CO2 壓力下碳化樣品的 XRD 圖譜

3 結(jié)論

（1）鋼渣樣品在單一的 CO2壓力下碳化時(shí)，隨CO2壓力的增大，樣品碳化的效果是先提高后下降的；階梯遞增的 CO2壓力下碳化時(shí)，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，因此階梯遞增的 CO2壓力有利于碳化的進(jìn)行。

（2）在礦物組成及微觀形貌方面，相較于單一氣體壓力，在階梯遞增的 CO2壓力下碳化時(shí)，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）階梯遞增的 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。

圖2 不同 CO2 壓力下碳化樣品的 SEM-EDS 圖