高摻量鋼渣制備輕質節能墻材的研究

劉高杰，雷國元，王宗森

（1.武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.馬鋼嘉年華新型建材公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

鋼渣是煉鋼過程中產生的廢渣，產生量為粗鋼產量的12%~15%[1]。2019年我國鋼渣產生量近1.5億t，鋼渣的產生量持續增長，累計堆存超過10億t，而目前鋼渣綜合利用率不足40%[2-3]，不僅占用土地，而且嚴重污染環境，是國家環保督察的重點對象[4-5]。鋼渣可作為水泥混合料，但因存在f-CaO而摻量受限[6]；用作混凝土骨料，會影響混凝土體積安定性；用于道路瀝青混凝土，效果雖好[7]，但用量因運輸半徑而受限。所以鋼渣摻量高、附加值高、產品銷售半徑大的開發利用技術一直是個難題。裝配式建筑需要大量輕質墻材，住宅面積與墻材面積之比為1∶（3~3.5），高摻量鋼渣制備輕質墻材是解決鋼渣綜合利用的重要途徑之一。本研究通過高效機械激發、化學激發和原料配比優化方式，將鋼渣中f-CaO的負面效應轉變為正面效應，在高固廢利用前提下，制備輕質節能墻材，為鋼鐵產業綠色經濟提供技術基礎。

1 實驗

1.1 試劑與原料

為促進鋼鐵聯合企業固體廢物的協同利用，采用安徽某廠球團煙氣脫硫石膏（CaSO4·2H2O含量≥90%）；鋼渣、粉煤灰取自安徽某新型建材公司，熟料取自安徽某水泥廠；丙烯酸（AA）和三乙醇胺（TEA）均購自天津百世化工有限公司，分析純。原料化學成分如表1所示，配合比見表2。

表1 鋼渣、粉煤灰和熟料化學成分 %

表2 原料配合比 %

A1~A4組石膏的摻量為5%，m（鋼渣）∶m（粉煤灰）=1∶1，熟料的摻量分別為5%、10%、15%、20%；B1~B5組熟料和石膏的摻量分別為10%和5%，鋼渣和粉煤灰的質量比分別為1∶0.7、1∶0.85、1∶1、1∶1.15、1∶1.3。A1~A4、B1~B5混合材料的比表面積均為500 m2/kg。

1.2 助磨早強劑的制備

將丙烯酸（AA）和三乙醇胺（TEA）按摩爾比1∶1加到圓底燒瓶中，在90℃條件下磁力攪拌4 h，冷凝回流，停止加熱繼續攪拌2 h，攪拌結束后將其配置成濃度為50%的水溶液，即得到改性助磨早強劑（TA）。

1.3 試件制備

鋼渣、熟料經PE150×250顎式破碎機和2PG-400×250對輥破碎機破碎至1 mm，按比例與粉煤灰混合后放入KQM-Y/B型行星式球磨機球磨粉磨，之后加入5%石膏粉獲得固體混合料；加入固體混合料質量比10%的自來水；發泡制備漿體；按GB/T 23450—2009《建筑用輕質隔墻保溫條板》中120板要求，試件密度按（800±5）kg/m3設計，按照試件設定密度調整固體混合料和漿體的比例，然后兩者混合，同時加入減水劑（用量為固體混合料的1%），攪拌均勻后，澆注到100 mm×100 mm×120 mm的模具中。澆注后試件在30℃，相對濕度＞95%RH條件下養護1 d后脫模；再在55℃，相對濕度＞95%RH條件下養護6 d后轉入自然養護至28 d。

1.4 分析和測試

比表面積按照GB/T 8074—2008《水泥比表面積測定方法勃氏法》進行測試；利用WE-30型液壓式萬能材料試驗機測定試樣的抗壓強度；利用XPert PRO MPD型X射線衍射儀進行水化產物物相分析；利用TENSOR2型傅里葉紅外光譜儀分析水化產物中C-S-H凝膠的變化；利用PHILIPS XL30 TMP型掃描電子顯微鏡觀察水化產物形貌。

2 結果與討論

2.1 混合料比表面積對試樣抗壓強度的影響

以T0組為實驗對象，研究混合料比表面積對試樣抗壓強度的影響，結果如圖1所示。

圖1 比表面積對試樣抗壓強度的影響

由圖1可知，比表面積由450 m2/kg增加到500 m2/kg時，試樣28 d抗壓強度達到5.3 MPa，增加了29.3%；之后比表面積繼續增加，試樣抗壓強度變化不大。膠凝材料的粒徑分布直接影響其膠凝性能，水泥中3～32μm的粒級料對試樣膠凝強度起主要作用[8]。鋼渣混合料水化反應時，f-CaO參與水化反應的程度與物料粒度密切相關，所以過磨時并不能顯著促進膠凝強度。

2.2 熟料摻量對試樣抗壓強度的影響

以A1~A4組為實驗對象，此時m（鋼渣）∶m（粉煤灰）=1∶1，研究熟料摻量對試樣抗壓強度的影響，結果如圖2所示。

圖2 熟料摻量對試樣抗壓強度的影響

由圖2可知，熟料摻量達到10%時，試件28 d抗壓強度顯著增加，達到5.3 MPa；繼續增大熟料的摻量，抗壓強度增加不明顯。

2.3 鋼渣、粉煤灰質量比對試樣抗壓強度的影響

以B1~B5組為實驗對象，此時熟料、石膏摻量分別為10%和5%時，研究鋼渣與粉煤灰質量比對試樣抗壓強度的影響，結果如圖3所示。

圖3 鋼渣與粉煤灰質量比對試樣抗壓強度的影響

由圖3可知，隨著粉煤灰比例的增大，試件同一水化齡期的抗壓強度呈增大趨勢，m（鋼渣）∶m（粉煤灰）=1∶1時，試樣28 d抗壓強度達到5.2 MPa；之后繼續增大粉煤灰的比例，抗壓強度變化幅度較小。鋼渣成本較低，鋼渣利用量越多產品成本就越低，所以鋼渣和粉煤灰的最佳比例為1∶1。

2.4 助磨早強劑摻量對試樣抗壓強度的影響

原料配方為m（熟料）∶m（石膏）∶m（鋼渣）∶m（粉煤灰）=10∶5∶42.5∶42.5，其中除水泥熟料外均為固體廢物，此時固體廢物利用率達到90%。澆筑時加入助磨早強劑，研究助磨早強劑摻量對試樣抗壓強度的影響，結果如圖4所示。

圖4 助磨早強劑摻量對試樣抗壓強度的影響

由圖4可知，助磨早強劑最佳摻量為0.03%，試樣28 d抗壓強度達到5.9 MPa。摻量過低時，助磨早強劑在水化初期消耗完畢，不能繼續促進水化反應的進行；摻量過高時，迅速生成的大量水化產物包裹在未水化顆粒的表面，阻止水化反應的進行，導致體系強度降低。

2.5 混合材料水化前、后XRD分析（見圖5）

由圖5可知，混合材料中的主要礦物組成為硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、鐵鋁酸鈣（C4AF）、CaSO4和少量的Ca（OH）2，28 d水化產物生成大量的鈣礬石（AFt）、氫氧化鈣晶體（CH）、水化鋁酸鈣（C-A-H）和水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠而且28 d水化產物中C2S、C3S的峰強度與水化前相比明顯減弱。水化時可能存在的反應：

圖5 水化前、水化后XRD圖譜對比

即水化反應生成了水化硅酸鈣凝膠[mCaO·SiO2·（m+n）H2O]、水化鋁酸鈣凝膠（3CaO·Al2O3·6H2O）和鈣礬石（3CaO·2Al2O3·3CaSO4·31H2O）。初期水化鋁酸鈣以C3AH6形式存在，在堿性條件下轉變成C4AH13，與石膏反應生成鈣礬石。

m（鋼渣）∶m（粉煤灰）=1∶1時，粉煤灰為后期AFt的生成提供足夠的Al；另外，粉煤灰能夠吸收鋼渣中的f-CaO，克服鋼渣中存在的安定性不良問題，提高體系的抗壓強度。

2.6 水化產物FT-IR分析（見圖6）

圖6 不同試樣28 d水化產物FT-IR圖譜

由圖6可知，摻0.03%TA試樣28 d水化產物在波長2924 cm-1出現了—CH2的振動吸收峰，說明TA很好地吸附在了物料表面。

由于水化齡期較長，CH、C-S-H和AFt的含量增加，它們中晶格水的—OH基團的伸縮振動峰3640~3300 cm-1范圍發生重合，所以此處的波譜帶較寬。波長3600 cm-1處為水化產物Ca（OH）2中—OH的振動吸收峰，3432 cm-1處是Si—OH中—OH基團的振動吸收峰，1642 cm-1處是—OH基團的彎曲振動峰，1108 cm-1處出現SO42-的振動吸收峰，充分說明了鈣礬石的生成[9]。水化產物主要為CH晶體、C-S-H凝膠和AFt，這與XRD情況相對應。

3640~3300 cm-1處和1108 cm-1處峰面積TA組大于空白組，說明TA組C-H、C-S-H和AFt生成較多。TA組Si—O鍵的伸縮振動峰由979 cm-1遷移到985 cm-1，向高波數遷移，說明TA提高了硅氧四面體的聚合度和網格化程度，C-S-H凝膠更加致密，系統的抗壓強度更高[10]。

2.7 水化產物SEM分析

空白組與摻0.03%TA試樣水化產物的電子掃描分析結果如圖7所示。

圖7 28 d水化產物SEM照片（×10 000）

由圖7看出，28 d水化產物種類基本相同，主要為AFt、C-S-H凝膠和CH等。圖7（a）中，試樣顆粒已經被侵蝕，表面生成了細針狀和團簇狀的C-S-H凝膠，相互之間未緊密連接，有很多空洞，所以強度較低；圖7（b）中，試樣生成大量細小的針棒狀AFt晶體、板狀CH，無定型絮狀C-S-H凝膠增多，幾種水化產物相互搭接在一起，裂縫和縫隙減少，疏松、脆弱的網絡變得密實，所以體系強度更高。

2.8 技術可行性初步分析

確定輕質墻材的最佳原料配方為m（熟料）∶m（石膏）∶m（鋼渣）∶m（粉煤灰）=10∶5∶42.5∶42.5，助磨早強劑TA最佳摻量為0.03%。該條件下，制備的輕質節能墻材密度為（800±5）kg/m3、導熱系數為0.1578 W/（m·K）、28 d抗壓強度達到5.9 MPa，質量達到GB/T 23450—2009的要求，節能效果優良。

熟料、石膏、鋼渣和粉煤灰的市場均價分別為300、30、20、150元/t。熟料、鋼渣破碎功耗分別為3、6 kW·h/t。按照文獻[11]計算球磨功指數，熟料、鋼渣和粉煤灰球磨功指數分別為15.9、19.4和22.8 kW·h/t。綜合電價為0.75元/（kW·h）。磨后熟料粉、鋼渣粉、粉煤灰價格分別為358.1、93.5、181.2元/t，石膏30元/t。

實際生產中物料損失按5%估算，1條100萬m2/年墻材生產線的物料成本為1672.3萬元。其他添加劑為發泡劑、減水劑、助磨早強劑，總成本為3984.4萬元。原料總成本為5566.7萬元。設備投資約570萬元，廠房投資約900萬元，折舊12年，折舊費為122.5萬元/年。墻材售價約95元/m2，加工增值為3810.8萬元/年，經濟效益可觀。

3 結論

（1）以鋼鐵聯合企業固體廢物為原料，固廢利用率為90%，其中鋼渣利用率達42.5%很好地促進了鋼鐵聯合企業固體廢物的協同利用。

（2）制備的輕質墻材產品密度為（800±5）kg/m3，抗壓強度為5.9 MPa，導熱系數為0.1578 W/（m·K），達到絕熱材料要求，節能效果顯著，市場前景廣闊。

（3）膠凝固化機制是混合材料中的SiO2反應生成水化硅酸鈣凝膠；粉煤灰中活性Al初期水化成水化鋁酸鈣，在堿性條件下轉變成C4AH13，與石膏反應生成鈣礬石，幾種水化產物交織在一起，填補體系中的空洞，增強體系的強度；TA能夠促進C3S和C2S水化反應，加快水化產物C-S-H的生長，增加CH和AFt的生成量，提高產品的質量和市場價值。