CO2壓力對碳化養護鋼渣制備建筑材料的影響*

吳昊澤，徐東宇，梁曉杰

（1.山東省水泥質量監督檢驗站；山東 濟南 250022；2.濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術重點試驗室，山東 濟南 250016；3.日照鋼鐵集團，山東 日照 276806）

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，而且渣中有害的元素和物質，會對人體造成嚴重的危害[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地被固化在碳化產品內，更重要的是，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，而且還可變廢為寶，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，本試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 試驗

1.1 原材料

試驗所用原材料有：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。

鋼渣粗粉經歷了鋼渣破碎和預粉磨階段，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。

表1 鋼渣和礦渣的化學成分 %

1.2 試驗方法

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 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（CO2氣體壓力由氣瓶上的減壓閥控制，可瞬時調節）[8]。前三組氣體壓力分別為 0.15MPa、0.25MPa、0.3MPa，均碳化養護 180min。第四組采用階梯式遞增升壓制度，即在 0.15MPa 下養護 60min 后，調節減壓閥，在 0.25MPa 下養護 60min，最后在 0.3MPa 下養護60min。

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。

2 結果及討論

2.1 鋼渣樣品碳化程度及強度

鋼渣樣品的碳化結果見表2。

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 9.4g、12.5g及 10.9g（即每 100g 樣品吸收 CO2的質量為 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，階梯遞增的 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》。階梯遞增的 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，0.25MPa 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。當使用階梯遞增的 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，說明階梯遞增的 CO2壓力有利于 CO2的進入，使碳化反應更充分。

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，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，0.25MPa 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，樣品碳化效果更好，生成的晶體更多，結晶程度較好，因此，這種的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1 不同 CO2 壓力下碳化樣品的 XRD 圖譜

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；階梯遞增的 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，因此階梯遞增的 CO2壓力有利于碳化的進行。

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

圖2 不同 CO2 壓力下碳化樣品的 SEM-EDS 圖