鋼渣比表面積與低碳建筑材料性能分析
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摘要：研究了鋼渣的粉磨特性及其比表面積對(duì)低碳建筑材料性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣的比表面積逐漸增大，但其粉磨效率逐漸降低；隨著鋼渣比表面積的提高，砂漿的流動(dòng)度和碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸增大，LBM試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也明顯增加，且比對(duì)比試樣的強(qiáng)度增加30倍以上；綜合考慮能耗和強(qiáng)度指標(biāo)，應(yīng)選用比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備低碳建筑材料的主要膠結(jié)材，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度可分別超過6MPa和25MPa。
關(guān)鍵詞：鋼渣；二氧化碳；低碳建筑材料；比表面積；強(qiáng)度
0前言
我國(guó)每年排放大量的富含硅、鋁、鈣、鎂等元素工業(yè)廢渣，如煤矸石、電石渣、鋼渣、礦渣等，其中只有礦渣得到了較好的利用，鋼渣的利用率約20%[1]。這些廢渣富含CaO和MgO的廢渣對(duì)CO2具有良好的吸收固定作用，是制備新型低碳建筑制品良好的原材料[2-5]。因CO2和工業(yè)廢渣的排放量巨大，所以任何一項(xiàng)減排技術(shù)首先要具備規(guī)?；臏p排潛力[6-7]。與這些排放量相匹配的領(lǐng)域，惟有建筑材料，即只有建筑材料領(lǐng)域可以有效地消納它們。我國(guó)建筑業(yè)規(guī)模十分巨大，2015年水泥和混凝土用量分別達(dá)到約25億t和45億m3。因此，若可在建筑材料制備過程中實(shí)現(xiàn)固碳，同時(shí)得到一種新型建筑材料以替代部分硅酸鹽水泥基制品，則將具有非常巨大的減排潛力和廣闊的市場(chǎng)前景，也將為水泥工業(yè)、混凝土和土木工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，以及CO2和廢渣的有效利用與資源化開創(chuàng)一條新的技術(shù)途徑。本論文的基本研究構(gòu)思就是利用鋼渣和CO2來制備一種新型的低碳建筑材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)化學(xué)固碳。
1試驗(yàn)方案
1.1原材料
（1）鋼渣：寶鋼不銹鋼滾筒尾渣，經(jīng)干態(tài)初級(jí)磁選除鐵處理，其密度為3081kg/m3，（2）砂：為河砂，經(jīng)過烘干、過2.5mm圓孔篩制得，其細(xì)度模數(shù)為2.3。（3）CO2：高純度二氧化碳，裝在高壓鋼瓶中。（4）改性劑：鈣質(zhì)材料與表面活性劑的復(fù)合粉。
1.2配合比
低碳建筑材料是由鋼渣粉、砂和水配制而成，其中鋼渣粉為膠結(jié)材，改性劑摻量為1%，集料為河砂。材料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，固定水膠比為0.5；砂膠比為2.0。
1.3試件的成型與養(yǎng)護(hù)
（1）試件成型。普通試件和輕質(zhì)試件的成型制備方法按照GB/T17671―1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》的要求。對(duì)于普通試件，經(jīng)常規(guī)攪拌后就可直接澆注成型；對(duì)輕質(zhì)試件，經(jīng)常規(guī)攪拌后，加入制備好的泡沫，并慢攪至均勻后澆注成型。試件的尺寸為40mm×40mm×160mm。（2）養(yǎng)護(hù)條件。普通試件在濕度相對(duì)（60±5）%，溫度相對(duì)（20±5）℃的環(huán)境中自然養(yǎng)護(hù)3d后脫模。每個(gè)配比試件分為兩組，一組放入碳化設(shè)備中進(jìn)行碳化養(yǎng)護(hù)，經(jīng)完全碳化后得到低碳建筑材料試樣（LBM）；另一批放入濕度相對(duì)（95±5）%，溫度相對(duì)（20±2）℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，其養(yǎng)護(hù)時(shí)間與碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同，作為對(duì)比試樣。
1.4試驗(yàn)方法
（1）粉體制備方法。鋼渣粉采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)小球磨機(jī)ɸ500mm×500mm進(jìn)行粉磨制備，其研磨體的平均球徑為44.2mm，球鍛比例1.4，裝載量101kg。原始鋼渣每次加料5kg，粉磨時(shí)間為10~40min，每隔10min測(cè)定一次比表面積，其值控制在450m2/kg之內(nèi)。（2）材料性能指標(biāo)測(cè)試方法。原始鋼渣的粒徑分布按JGJ/52―2006《普通混凝土用砂質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》砂篩析試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定；鋼渣粉體的比表面積按GB/T8074―2008《水泥比表面積測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定。砂漿的流動(dòng)度按照GB/T2419―2005《水膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》規(guī)定的方法測(cè)定；按照J(rèn)GJ/T70―2009《砂漿試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法測(cè)定新拌砂漿的密度；按照GB/T50082―2009《普通混凝土長(zhǎng)期性和面抗性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法測(cè)定試樣的碳化深度；按照GB/T17671―1999規(guī)定的方法測(cè)定試樣的強(qiáng)度。
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1鋼渣的理化特性
（1）化學(xué)組成。由表1可知，鋼渣的堿性系數(shù)和質(zhì)量系數(shù)分別為2.07和2.30，為堿性渣。更重要的是鋼渣中CaO與MgO的含量較高，表明它們對(duì)CO2具有較大的、潛在的吸收固定作用，是制備LBM良好的原材料。（2）顆粒級(jí)配。對(duì)未經(jīng)粉磨加工的鋼渣，須通過篩分析試驗(yàn)測(cè)試其顆粒級(jí)配與分布，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，原始鋼渣中細(xì)粉含量較多，＜0.16mm細(xì)粉比例高達(dá)74.5%，細(xì)度模數(shù)為1.90。
2.2鋼渣的粉磨特性
鋼渣的比表面積與活性密切相關(guān)。其比表面積越大，化學(xué)反應(yīng)活性越高，但粉磨能耗越高。本試驗(yàn)利用球磨機(jī)對(duì)鋼渣進(jìn)行粉磨處理，粉磨前把＞5mm粗顆粒篩除。粉磨時(shí)間對(duì)鋼渣比表面積的影響見圖1和表3，其中粉磨時(shí)間0是指未經(jīng)粉磨處理，但過0.16mm篩的細(xì)粉。圖1和表3的結(jié)果表明，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣的比表面積逐漸增大，但比表面積的增長(zhǎng)速率或者說其粉磨效率逐漸降低。這是因?yàn)椴捎们蚰C(jī)進(jìn)行粉磨時(shí)，粉磨產(chǎn)生的細(xì)粉會(huì)干擾研磨體對(duì)更粗顆粒的粉磨，起到緩沖的作用。此外，當(dāng)粉體細(xì)度超過一定值后，還會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。因此，為了提高粉磨效率和降低粉磨能耗，建議采用立磨制備鋼渣微粉。
2.3流動(dòng)度
鋼渣比表面積對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響見表3和圖2，結(jié)果表明，隨著鋼渣比表面積的提高，砂漿的流動(dòng)度逐漸增大。該結(jié)果與水泥基材料不同，其原因可能與砂漿體系的顆粒級(jí)配有關(guān)，有待進(jìn)一步分析.
2.4碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間
鋼渣比表面積對(duì)砂漿碳化性能的影響見表3。結(jié)果表明，隨著鋼渣比表面積的增大，砂漿的碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間（完全碳化所需時(shí)間）增加。這主要是因?yàn)殡S著比表面積的增大，鋼渣的活性提高，水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2等堿性物質(zhì)增多，并且流動(dòng)度增大有利于砂漿密實(shí)度的提高，都會(huì)導(dǎo)致碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)。
2.5強(qiáng)度
鋼渣比表面積對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響見表3和圖3。結(jié)果表明，對(duì)比試樣的強(qiáng)度基本在1MPa以下，因其值太低，就不做特別的分析討論。隨著鋼渣比表面積的增加，LBM試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均明顯增加，但是當(dāng)鋼渣比表面積超過350m2/kg后，其強(qiáng)度增長(zhǎng)速率明顯變??；LBM試樣的強(qiáng)度比對(duì)比試樣有了顯著的提升。例如，在160~350m2/kg范圍內(nèi)，鋼渣比表面積每增加50m2/kg后，LBM試樣的抗壓強(qiáng)度就可增加4.51MPa，但比表面積＞350m2/kg后，鋼渣比表面積每增加50m2/kg僅可使LBM試樣的抗壓強(qiáng)度增加0.58MPa；當(dāng)鋼渣比表面積為352m2/kg時(shí)，LBM試樣的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度可分別達(dá)約26MPa和6.3MPa，較對(duì)比試樣強(qiáng)度分別增加約35倍和30倍。這主要是因?yàn)殇撛蠧a(OH)2、Mg(OH)2、CSH等水化產(chǎn)物在碳化養(yǎng)護(hù)過程中，將與CO2充分反應(yīng)生成碳酸鹽礦物，使砂漿結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度得以提升；當(dāng)鋼渣比表面積剛開始增大時(shí)，其活性越大，與水反應(yīng)生成的堿性水化產(chǎn)物越多，但當(dāng)比表面積超過一定值后，其水化產(chǎn)物增加量就很小了。綜上所述，當(dāng)比表面積＜350m2/kg時(shí)，鋼渣的粉磨效率和其制備的LBM試樣強(qiáng)度增加速率明顯高于比表面積＞350m2/kg的鋼渣。由于鋼渣比表面積越大，其粉磨能耗越高，因此應(yīng)選擇比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備LBM的主要膠結(jié)材。
3結(jié)論
隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣的比表面積逐漸增大，但比表面積的增長(zhǎng)速率或者說其粉磨效率逐漸降低。因鋼渣中含量較高的CaO與MgO，是制備低碳建筑材料良好的原材料。隨著鋼渣比表面積的提高，砂漿的流動(dòng)度和碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸增大；對(duì)比試樣的強(qiáng)度均低于1MPa，但LBM試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均明顯增加，且LBM試樣的強(qiáng)度比對(duì)比試樣有非常顯著的提高。綜合考慮粉磨效率、能耗和強(qiáng)度等性能指標(biāo)，應(yīng)選擇比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備LBM的主要膠結(jié)材。其制備的低碳建筑材料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度可分別超過6MPa和25MPa。
作者：楊全兵 王文潔 單位：同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 同濟(jì)大學(xué)材料學(xué)院材料工程研究所 上海寶鋼新型建材科技有限公司