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低碳建筑材料性能的影響。試驗結果表明，隨著粉磨時間的延長，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，砂漿的流動度和碳化養(yǎng)護時間逐漸增大，LBM試樣的抗折強度和抗壓強度也明顯增加，且比對比試樣的強度增加30倍以上；綜合考慮能耗和強度指標，應選用比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備低碳建筑材料的主要膠結材，其抗折強度和抗壓強度可分別超過6MPa和25MPa。
關鍵詞：鋼渣；二氧化碳；低碳建筑材料；比表面積；強度
0前言
我國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，所以任何一項減排技術首先要具備規(guī)?；臏p排潛力[6-7]。與這些排放量相匹配的領域，惟有建筑材料，即只有建筑材料領域可以有效地消納它們。我國建筑業(yè)規(guī)模十分巨大，2015年水泥和混凝土用量分別達到約25億t和45億m3。因此，若可在建筑材料制備過程中實現(xiàn)固碳，同時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)一條新的技術途徑。本論文的基本研究構思就是利用鋼渣和CO2來制備一種新型的低碳建筑材料，同時實現(xiàn)化學固碳。
1試驗方案
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：鈣質材料與表面活性劑的復合粉。
1.2配合比
低碳建筑材料是由鋼渣粉、砂和水配制而成，其中鋼渣粉為膠結材，改性劑摻量為1%，集料為河砂。材料配合比設計時，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
（1）試件成型。普通試件和輕質試件的成型制備方法按照GB/T17671―1999《水泥膠砂強度試驗方法》的要求。對于普通試件，經(jīng)常規(guī)攪拌后就可直接澆注成型；對輕質試件，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)護條件。普通試件在濕度相對（60±5）%，溫度相對（20±5）℃的環(huán)境中自然養(yǎng)護3d后脫模。每個配比試件分為兩組，一組放入碳化設備中進行碳化養(yǎng)護，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（95±5）%，溫度相對（20±2）℃的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，其養(yǎng)護時間與碳化養(yǎng)護時間相同，作為對比試樣。
1.4試驗方法
（1）粉體制備方法。鋼渣粉采用實驗室標準小球磨機ɸ500mm×500mm進行粉磨制備，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，粉磨時間為10~40min，每隔10min測定一次比表面積，其值控制在450m2/kg之內。（2）材料性能指標測試方法。原始鋼渣的粒徑分布按JGJ/52―2006《普通混凝土用砂質量及檢驗方法標準》砂篩析試驗方法進行測定；鋼渣粉體的比表面積按GB/T8074―2008《水泥比表面積測定方法》進行測定。砂漿的流動度按照GB/T2419―2005《水膠砂流動度測定方法》規(guī)定的方法測定；按照JGJ/T70―2009《砂漿試驗方法》規(guī)定的方法測定新拌砂漿的密度；按照GB/T50082―2009《普通混凝土長期性和面抗性能試驗方法標準》規(guī)定的方法測定試樣的碳化深度；按照GB/T17671―1999規(guī)定的方法測定試樣的強度。
2試驗結果與討論
2.1鋼渣的理化特性
（1）化學組成。由表1可知，鋼渣的堿性系數(shù)和質量系數(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）顆粒級配。對未經(jīng)粉磨加工的鋼渣，須通過篩分析試驗測試其顆粒級配與分布，結果見表2。結果表明，原始鋼渣中細粉含量較多，＜0.16mm細粉比例高達74.5%，細度模數(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。其比表面積越大，化學反應活性越高，但粉磨能耗越高。本試驗利用球磨機對鋼渣進行粉磨處理，粉磨前把＞5mm粗顆粒篩除。粉磨時間對鋼渣比表面積的影響見圖1和表3，其中粉磨時間0是指未經(jīng)粉磨處理，但過0.16mm篩的細粉。圖1和表3的結果表明，隨著粉磨時間的延長，鋼渣的比表面積逐漸增大，但比表面積的增長速率或者說其粉磨效率逐漸降低。這是因為采用球磨機進行粉磨時，粉磨產(chǎn)生的細粉會干擾研磨體對更粗顆粒的粉磨，起到緩沖的作用。此外，當粉體細度超過一定值后，還會產(chǎn)生團聚現(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流動度
鋼渣比表面積對砂漿流動性的影響見表3和圖2，結果表明，隨著鋼渣比表面積的提高，砂漿的流動度逐漸增大。該結果與水泥基材料不同，其原因可能與砂漿體系的顆粒級配有關，有待進一步分析.
2.4碳化養(yǎng)護時間
鋼渣比表面積對砂漿碳化性能的影響見表3。結果表明，隨著鋼渣比表面積的增大，砂漿的碳化養(yǎng)護時間（完全碳化所需時間）增加。這主要是因為隨著比表面積的增大，鋼渣的活性提高，水化反應生成的Ca(OH)2等堿性物質增多，并且流動度增大有利于砂漿密實度的提高，都會導致碳化養(yǎng)護時間的延長。
2.5強度
鋼渣比表面積對砂漿強度的影響見表3和圖3。結果表明，對比試樣的強度基本在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試樣的抗折強度和抗壓強度均明顯增加，但是當鋼渣比表面積超過350m2/kg后，其強度增長速率明顯變小；LBM試樣的強度比對比試樣有了顯著的提升。例如，在160~350m2/kg范圍內，鋼渣比表面積每增加50m2/kg后，LBM試樣的抗壓強度就可增加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試樣的抗壓強度增加0.58MPa；當鋼渣比表面積為352m2/kg時，LBM試樣的抗壓強度和抗折強度可分別達約26MPa和6.3MPa，較對比試樣強度分別增加約35倍和30倍。這主要是因為鋼渣中Ca(OH)2、Mg(OH)2、CSH等水化產(chǎn)物在碳化養(yǎng)護過程中，將與CO2充分反應生成碳酸鹽礦物，使砂漿結構更加致密，強度得以提升；當鋼渣比表面積剛開始增大時，其活性越大，與水反應生成的堿性水化產(chǎn)物越多，但當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，當比表面積＜350m2/kg時，鋼渣的粉磨效率和其制備的LBM試樣強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，因此應選擇比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備LBM的主要膠結材。
3結論
隨著粉磨時間的延長，鋼渣的比表面積逐漸增大，但比表面積的增長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，砂漿的流動度和碳化養(yǎng)護時間逐漸增大；對比試樣的強度均低于1MPa，但LBM試樣的抗折強度和抗壓強度均明顯增加，且LBM試樣的強度比對比試樣有非常顯著的提高。綜合考慮粉磨效率、能耗和強度等性能指標，應選擇比表面積約350m2/kg的鋼渣作為制備LBM的主要膠結材。其制備的低碳建筑材料抗折強度和抗壓強度可分別超過6MPa和25MPa。
作者：楊全兵 王文潔 單位：同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室 同濟大學材料學院材料工程研究所 上海寶鋼新型建材科技有限公司