碳化养护钢渣制备建筑材料.pdf

济南大学硕士学位论文摘要钢渣是炼钢过程产生的工业废渣随着钢铁工业的快速发展，钢渣总量迅速增加由于钢渣化学成分复杂并含有较多f - C a O 等造成钢渣制品安定性不良的物质，钢渣的应用受到限制钢渣的堆放占用大量土地，污染环境因此，处理和应用钢渣具有十分重要的意义碳化是指将温室气体C 0 2 以碳酸盐( 如C a C 0 3 、M g C 0 3 ) 的固体形式永久储存，即C 0 2 矿物固定碳化作为一项发展中的先进技术，是处理钢渣的有效方法碳化钢渣不仅可以缓解C 0 2 引起的温室效应，同时可以大量利用钢渣，变废为宝，开发新型建筑材料，在现代社会具有重要的经济价值本课题研究了工艺条件、# l - 力n 剂、颗粒级配等因素对钢渣碳化的影响，探索了碳化反应的最佳反应条件( 氢氧化钙乳浊液掺入比例、搅拌时间、试样成型压力、C 0 2 压力和反应时间) ，明确了最佳颗粒级配，初步阐述了钢渣碳化反应机理，并应用S E M ．E D S 、X R D 、D T A —T G 等测试方法分析碳化钢渣制品的微观形貌、结构和矿物组成及材料性能 1 ) 采用微粉制备试块进行碳化，证明钢渣碳化是可行的随着水分掺入量的增加，碳化率先升高后降低，而且碳化率与强度是同方向变化的，即碳化率越高强度越高。

水分加入量为1 2 ％时，钢渣微粉试块碳化率最高达到1 1 ．1 2 ％，抗压强度达到3 6 ．8 8M P a 2 ) 通过正交试验得出，粒度、气体压力、成型压力和碳化时间四个因素对碳化反应效果的影响顺序是粒度> 气体压力> 成型压力> 碳化时间，且钢渣粒度为 g a sp r e s s u r e > p r e s s e db r i c kp r e s s u r e > t i m ea n dt h em o s ti d e a lc o n d i t i o ni sp a r t i c l es i z e 1 ．8 ············( 2 ．1 )说明济钢的钢渣为中高碱度渣，钢渣的活性较高，较易于碳化和水化等反应的进行，适合于作为工业化生产碳化钢渣砖的原料实验所用的钢渣按粒径分为三种：钢渣微粉、钢渣粗粉和钢渣粗颗粒 1 ) 钢渣微粉微粉经过了钢渣破碎、钢渣预粉磨和钢渣高效粉磨三个阶段，造成的能耗和设备维修费用较大，成本较高，约1 0 0 元／吨图2 ．1 为钢渣微粉的激光粒度分析图从图中可以看出不同颗粒尺寸所占的体积分数以及筛余百分数；还可以得到微粉的平均尺寸为1 4 ．7 4 I - t m ，中位径为8 ．0 4 8 9 m ，最频粒径为1 4 ．9 4 9 m ，其中筛余为1 0 ％的粒径为4 2 ．6 2 9 m ；筛余为2 5 ％的粒径为2 0 ．13 1 ．t m ；筛余为5 0 ％的粒径为8 ．0 4 8 9 m ；筛余为7 5 ％的粒径为2 ．4 6 7 9 m ；筛余为9 0 ％的粒径为1 ．0 3 8 9 m 。

r a 嗍eI ．, l t 甜T l e l 6 r ( u r n ，图2 ．1 钢渣微粉的激光粒度分析F i g u r e2 ．1L a s e rg r a n u l a r i t ya n a l y z e ro fs t e e ls l a g( 2 ) 钢渣粗粉钢渣粗粉经历了钢渣破碎和预粉磨阶段，成本适中，约2 0 ．4 0 司吨图2 ．2 为钢渣粗粉的激光粒度分析图从图中可以看出不同颗粒尺寸所占的体积分数以及筛余百分数；还可以得到粗粉的平均尺寸为1 1 2 ．5 “m ，中位径为7 3 ．8 1 9 m ，最频粒径为1 4 0 ．1 l a m ，其中筛余为1 0 ％的粒径为2 5 5 ．7 1 a m ；筛余为2 5 ％的粒径为1 0一誉一芒童o>vQ百骨j￡3Q一爨一考n}乏、l盛芑8Jm蹩o济南大学硕士学位论文1 4 9 ．8 1 上m ；筛余为5 0 ％的粒径为7 3 ．8 1p m ；筛余为7 5 ％的粒径为2 1 ．5 9 9 m ；筛余为9 0 ％的粒径为4 ．6 2 6 p m 与微粉相比，粗粉粒径比较大，约为微粉的8 - 9 倍D i 仟．+ C u m ．‘V o l u m eP a r l i e l eD i a m e t e rl u r e )图2 ．2 钢渣粗粉的激光粒度分析F i g u r e 2 ．2L a s e rg r a n u l a r i t ya n a l y z e ro fc o a r s ep o w e r( 3 ) 钢渣粗颗粒：钢渣粗颗粒为钢渣破碎后的产品，其粒径集中于3 m m 左右，由于其未经粉磨，成本很低，约1 ．2 元／吨。

2 ．1 ．2 矿渣矿渣是冶炼生铁时的副产物，每炼1 吨铁大约产生O ．3 吨矿渣它是在1 4 0 0 ．1 5 0 0 ℃下由铁矿石的土质成份和石灰石助熔剂熔融化合而成的熔融的矿渣比铁水轻，漂浮在生铁水的上面自炉中流出后，经过不同的处理，可变成不同用途的副产品，其结构形态差别很大水淬矿渣是由矿渣熔浆经快冷固化形成灰白色或乳黄色的细小颗粒它是一种具有很高潜在活性的玻璃体结构材料矿渣快速冷却的目的就是阻止结晶而凝固成玻璃体淬冷后是否易于成粒，取决于矿渣的化学组成和从高炉内流出时的温度不同产地的矿渣化学组成不同，这取决于矿石的晶质、石灰石助熔剂的组成、焦炭的消耗以及所产生铁的种类矿渣主要成分为C a O ，S i 0 2 ，A 1 2 0 3 ，M g O 等化合物，同时还含有少量的F e 2 0 3 ，M n O ，T i 0 2 ，P 2 0 5 等本实验所采用的矿渣为济钢预粉磨后的产品，成本低，但粒径在3 m m 左右，潜在水硬性基本没有得到激发，因此基本没有胶凝性能，制成钢渣砖后，其产生的强度极小，几可忽略但矿渣的掺入不会造成钢渣制品的安定性不良，同时降低了钢渣制品的密度表2 ．3 为济钢矿渣的成分分析。

1 1一番v毒￡nIo>v雪瘩el，§o碳化养护钢淹制各建筑材料表2 ．3 济钢矿渣成分( ％)T a b l e2 ．3C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fb l a s tf u r n a c es l a g2 ．2 试验方法( 1 ) 钢渣砖的制备：先将各种原料在搅拌锅内搅拌均匀，并在搅拌过程中向旋转的搅拌锅内喷入相应质量分数的水，然后倒入长方体模具中在1 0 M P a 压力下成型，并保压lm i n ，脱模，称量后，放入密闭容器中，通入1 0 0 ％的C 0 2 气体，选择相应的气体压力，碳化设定时间后，制得碳化钢渣砖 2 ) 钢渣制品碳化率测试用吸水纸擦净碳化釜内壁，将成型后的钢渣制品准确称取其质量m l ，然后放在碳化釜中，通入纯度为9 9 ．9 ％的C 0 2 ，在设定的C 0 2 分压下碳化预定的时间碳化完成后，准确称取碳化后钢渣制品的质量m 2 ，用吸水纸吸收碳化釜中产生的水分，计吸水纸的增重为m 3 ，则碳化增重率为：增重率：一m + m a - a h ×1 0 0 ％⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯( 2 ．2 )铂这种碳化率的表示方法计算简单，较好的表示了碳化前后质量的增重情况，较好的反映了碳化的效果，适用于工业化生产控制；然而这种方法无法表示出碳化前后氧化钙和氧化镁的反应状况。

因此，称量碳化前钢渣制品质量为1 1 1 l ，碳化后钢渣制品质量为m 2 ，吸水纸的增重为m 3 ，则碳化增重为A m = m 2 + m 3 ．m l , [ 1 口a m 为二氧化碳实际增重A C 0 2 理论计算钢渣中全部氧化钙和氧化镁完全转变为碳酸钙和碳酸镁的理论增重△M ，则碳化率可以表示为钢渣中氧化钙和氧化镁转变为碳酸钙和碳酸镁的实际增重量△m 与钢渣中全部氧化钙和氧化镁完全转变为碳酸钙和碳酸镁的理论增重△M 的比值，即：碳化率：—A m —×1 0 0 ％⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯( 2 ．3 )A M这种方法可以较好的反映钢渣中氧化钙和氧化镁被碳化的情况，但由于钢渣中的化学成分波动很大，而这种方法要求测出每批钢渣的氧化钙和氧化镁的百分含量，较为繁琐，不利于工业化实际生产的控制，故下面依旧用第一种方法即式2 ．2 表示1 2济南大学硕士学位论文碳化率 3 ) 钢渣制品安定性的测试安定性测试使用Y Z F 2 ．A 型水泥安定性试验用压蒸釜，测试时将样品放入压蒸釜在2 1 6 C ，2 M P a 的环境下对试样压蒸3 h 后，取出试样，测量试样的体积变化，检验试样是否有裂纹、掉角、开裂和粉碎。

4 ) 钢渣制品碳化深度的测试酚酞试剂是由1 5 m L 蒸馏水，3 5 m L 乙醇和1 ．O g 酚酞固体配制而成用酚酞试剂滴定钢渣砖的横截断面，存在氧化钙的部位，遇水成为氢氧化钙，呈碱性，酚酞滴定是变红被碳化的区域，酚酞滴定不变红用这种方法，可直观的观察碳化效果，粗略判断碳化深度 5 ) 钢渣制品冻融循环的测试将砖样编号并浸入水温为1 0 —2 0 ℃的水槽中，砖样间距不小于2 0 m m ，水面高出砖样2 0 r a m 浸泡2 4 h 后取出砖样，用湿布抹去表面水放入预先降至．1 5 ℃以下的冰箱中，砖样间距不得小于2 0 m m 当冰箱温度重新降至．1 5 C 时，开始计时在一1 5℃下放置5 h 后、取出砖样，放入l O ．2 0 ℃的水槽中融化不少于2 h 这样一个周期称为一次冻融循环，如此交替进行1 5 次冻融循环为一次抗冻试验每5 次冻融循环后，检查一次砖样的破坏情况，如冻裂、缺棱、掉角、剥落等1 5 次冻融循环后，测量并记录砖样冻裂长度以及缺棱、掉角、剥落等情况将1 5 次冻融后的试件与l O 一2 0 C 的水槽中浸泡2 4 h 砖样一起放入2 0 - - 4 0 “ C 的烘箱内2 4 h 后取出进行抗压强度试验。

抗压强度损失率： 如= 警x l o o ％⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．( 2 ．4 )式中R ——损抗压强度损失率，％；R l ——未经冻融的对比砖样抗压强度的平均值，M P a ；R 2 ——经l5 次冻融后砖样抗压强度的算术平均值，M P a ；抗压强度均以砖样试验结果的算术平均值表示，抗压强度损失率计算精确至l ％按国家免烧砖标准，抗冻性强度损失Q 5 ％1 3碳化养护钢渣制备建筑材料( 6 ) 钢渣制品吸水率的测试将砖样放在1 0 5 ．1 1 0 C 烘箱内烘至恒重将烘干后的砖样浸入水槽中，砖样间隔不小于2 0 m m ，水面高出砖样2 0 m m 浸泡2 4 h 后取出砖样，用湿布抹去表面水，立即称重，即为湿重量吸水率：W ：．G —z - —G , ×l O O ％⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯( 2 ．5 ) G 1式中W ——吸水率，％oG l ——砖样的干重量，g ；G 2 ——砖样的湿重量，g吸水率以砖样试验结果的算术平均值表示，计算精确至1 ％按国家免烧砖标准，吸水率Q O ％主要实验设备( 1 ) 电子托盘天平；( 2 ) 模具9 0 m m x 4 0 m m 的长方体模具；( 3 ) 成型设备：D Y - 3 0 型台式电动压片机；( 4 ) 碳化仪：C 0 2 钢瓶、减压阀、碳化釜；( 5 ) Y Z F 2 ．A 型水泥安定性试验用压蒸釜；( 6 ) C M T - 5 1 0 5 型电子万能试验机；( 7 ) Y E 一3 0 型液压式压力实验机；( 8 ) D R 一2 8 混凝土快速冻融循环机；( 9 ) 德国布鲁克D 8 A D V A N C E 型X 射线衍射仪( Ⅺm )( 1 0 ) 日本日立S - 2 5 0 0 型扫描电子显微镜和牛津L i n kI S I S - 3 0 型能谱仪( E D S )( 11 ) 德国耐茨S T A 4 0 9 ．E P 型综合热分析仪1 4济南大学硕士学位论文3 。