CO2壓力對鋼渣碳化的影響研究*

吳昊澤，徐東宇，梁曉杰（1.山東省水泥質量監督檢驗站；山東濟南500；.濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術重點實驗室，山東濟南50016；.日照鋼鐵集團，山東日照76806）

0 前言

隨著鋼鐵工業的發展，鋼渣產生量越來越多，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環境下，可以在短時間內迅速硬化[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品內，更具有重要意義的是碳化養護材料的物理和化學性能得到了重大的改進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，而且還變廢為寶，開發新建材[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，進而影響碳化產物的強度、安定性等[7]。鑒于此，本實驗以濟鋼鋼渣為原料，探討CO2壓力對鋼渣碳化的影響并尋找最佳碳化制度。

1 實驗

1.1 原材料

實驗所用原材料有濟鋼集團有限公司（簡稱濟鋼）鋼渣粗粉、礦渣、工業純氫氧化鈣。鋼渣粗粉經破碎和預粉磨階段，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。所采用的礦渣為濟鋼集團預粉磨后的產品，成本低，粒徑在3mm左右，潛在水硬性基本沒有得到激發，因此基本沒有膠凝性能，制成樣品后，其產生的強度極小，幾乎可以忽略。濟鋼鋼渣和礦渣的化學成分應用Burke S8熒光分析儀測試，其結果見表1。

1.2 實驗方法

樣品制備：按質量比47.5∶45.5∶5∶2的比例準確稱量鋼渣粗粉、礦渣、氫氧化鈣和催化劑，在攪拌鍋內攪拌均勻，并在攪拌過程中向旋轉的攪拌鍋內噴入質量分數為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。

樣品碳化養護：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，四組均碳化養護180 min。

性能測試：按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定試件3d抗壓強度，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 鋼渣和礦渣的化學成分 %

2 結果及討論

2.1 鋼渣樣品碳化程度及強度

表2中鋼渣碳化結果表明：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的吸收量達到了15.25%，超出了37.29%，而且鋼渣碳化后的抗壓強度是單一壓力的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得出的膨脹率為0.34%，符合標準限制要求；應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。根據圖1中Ca（OH）2和CaCO3的衍射峰強度，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的進行。當使用交替的CO2壓力時，鋼渣中產生膨脹的主要因素f-CaO轉變生成的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的進入和碳化反應更充分的進行。

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，結晶程度較好，因此，交替的CO2壓力有利于樣品碳化反應的進行。

表2 鋼渣樣品碳化結果

圖2 不同CO2壓力下碳化樣品的SEM-EDS圖

3 結論

（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，其碳化養護的礦物組成衍射峰強度較高，碳化樣品表面和內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得出的膨脹率符合標準限制要求；應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。