钢渣在蒸养条件下的安定性_张波

第39卷第8期硅酸盐通报Vol.39No.8 2020年#月BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY August,2°2°微生物提升钢渣胶凝材料安定性和强度的作用及机理钱春香2,张霄，伊海赫I，2(1.东南大学材料科学与工程学院，南京211189#2.东南大学绿色建材研究中心，南京211189)摘要：目前钢渣排放量、库存量大,但利用率不高，关键是安定性未能解决。

本文研究提出了通过微生物矿化技术提升安定性和强度，研究了不同掺量微生物对钢渣中主要矿物相碳化反应速率的影响，测试了微生物掺量和钢渣粉比表面积对试件压蒸线性膨胀率和强度的影响，通过MIP和SEM分析试件孔隙率和微观形貌，并对微生物改性钢渣胶凝材料机理进行分析。

结果表明，微生物能提高钢渣中游离氧化物和硅酸盐矿物相碳化反应速率,提高矿化产物的强度。

要使试样压蒸线性膨胀率降低至0.5%。

以下,采用微生物添加剂后，试验所用钢渣粉比表面积可由565m2/kg降低至360m2/kg&钢渣中掺入微生物可促进碳化过程中矿物相离子溶出和碳酸盐矿物生成，降低试件孔隙率，密实基体结构，从而提高钢渣胶凝材料试件的强度。

微生物-钢渣胶凝材料制品强度可达40MPa以上，其物性能，.程应用中积定性，，利，应用前广阔。

关键词:钢渣；胶凝材料；安定性；强度；微生物矿化；铺装工程中图分类号:TU521.4文献标识码:A文章编号：1001-1625(2020)08-2363G9 Effect and Mechanism of Microorganism to Improve the Stability andStrength of Steei Slag Cemeehtious MateriaiQIAN Chunxiang1,ZHANG Xiao1，1,YI Haihe1，2(1.School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing211189,China；2.Research Center of Green Building and Construction Materials,Southeast University,Nanjing211189,China)Abstract:At present,the discharge and inventors of steel slag are large,however the utilization rate is poos because the problem of stabilite has not been solved this papec,it was proposed te improve the stabilite and strength of steei slag through microbiai mineralization technology.The effects of microoreanism content on the carbonation reaction rate of main minerai phase in steel slaa were studied.The effect of microorganism content and specific surface area of steel slaa powdee on the lineae expansion rate and strength of autoclaved steel slaa samples was tested.The porosim and microstructure of steel slaa samples were analyzed by MIE and SEM,and thc mechanism of cementitious material modified by microorganism was analyzed.The results show that microoreanism improves the carbonation reaction rate of free oxide and silicate mineral phase in steel slaa,and increases the strength of mineralized products.To reducc the autoclave lineae expansion rate of samples i less than0.5%,the specific surface area of steel slaa powder is reduced from565m2/kg th 360m2/kg with microorganism additive.The incorporation of microorganism into the steel slaa promotes the ions dissolution oimineeaapha=eand eheioemaeion oicaebonaeemineeaa,eeduce=ehepoeo=ieyoieheee=epieceand compace ehemaeeii structure,se as i irnprove the strength of the steel slaa cementitious materiai samples.The strength of microoraanism-steei saagcemeneieiousmaeeeiaapeoduceseeachesmoeeehan40MPa,and oeheephysicaapeopeeeiesmeeeeheChineseseandaeds.En eheaceuaaappaicaeion oLeoad paeemeneengineeeing,eheeoaumeseabiaieyisgood.And eheeeisnoeaoeescence phenomenon,ehepeoieadeaneageissigniicane,and eheappaicaeion peospeceisbeoad.Key wordt:steel slaa；cementitious materiai；stability；strength；microbiai mineralization；pavement engineering基金项目：江苏省科技厅重大研发计划(BE2015678)；江苏省交通运输厅成果转化项目(2016T14)作者简介:钱春香(1966—)，女,教授&主要从事固体废弃物资源化及微生物技术研究&E-mail:cxqian@2364综合论文硅酸盐通报第39卷0引言中国作为全球第一钢铁生产大国,2019年粗钢产量达9.96亿吨，占全世界总产量的53%〔钢渣作为炼钢过程的副产品,每生产1吨钢铁,就有15%〜20%的钢渣产生。

第44卷第6期2020年12月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journalof Wuhan UniversityofTechnology(Transportation Science&Engineering)Vol44No6Dec2020热闷和热泼钢渣砂的体积稳定性能研究"刘云鹏庞凌邹莹雪(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070)摘要：对热闷和热泼钢渣砂进行稳定性评价，包括其粉化率、不同粒径范围钢渣砂的f-CaO含量及浸水膨胀率，研究了不同处理工艺钢渣砂体积稳定性能的变化规律.结果表明：热泼钢渣砂平均蒸汽粉化率和压蒸粉化率分别比热闷钢渣砂大30%和62%，与蒸汽粉化率相比，压蒸粉化率更能表征钢渣砂体积稳定性差异；钢渣砂中f-CaO含量与处理工艺及粒径范围有关，热闷钢渣砂f-CaO含量较低，热泼钢渣砂f-CaO含量受粒径影响较大;浸水膨胀率受处理工艺影响明显，热闷钢渣砂浸水膨胀率仅为0.45%，体积稳定性较好，而热泼钢渣砂浸水膨胀率为4.8%，体积稳定性较差；从相关性看，f-CaO含量是影响钢渣砂蒸汽粉化率指标的主要因素，水浴龄期是影响钢渣砂浸水膨胀率差值指标的主要因素.关键词：热闷；热泼；钢渣砂；体积稳定性中图法分类号：U414doi：10.3963/j.issn.2095-3844.2020.06.033°引言钢渣与水泥熟料有相似的矿物组成和化学成分，具有一定的潜在胶凝活性［14.钢渣砂取代天然河砂作为细集料应用于水泥砂浆或混凝土，有利于改善其强度，存在的主要问题是钢渣砂的体积稳定性较差曰.其中fCaO和MgO这两种成分是主要因素，它们在自然环境中会水化生成Ca(OH)和Mg(OH),导致砂浆膨胀开裂而破坏,从而降低其使用寿命，但MgO含量较少且反应很慢，所以f-CaO水化生成的Ca(OH)对体膨胀作冷达等归采用压蒸法对钢渣砂的体积安定性进行研究，发现fCaO含量是影响钢渣砂体积安定性的主要因素之一，认为压蒸法是检测钢渣砂体积安定性比较可靠的方法.伦云霞等7通过对钢渣砂特性与稳定性研究，发现钢渣砂具有一定的胶凝性能，各项特性符合建筑用砂标准fCaO 含量、RO相和颗粒自身的坚固性是影响钢渣砂稳定性的主要因素.伦云霞等8采用蒸汽和压蒸理渣砂体性，通汽和压蒸处理能加速钢渣砂中膨胀组分水化，改善其体积安定性，且与蒸汽处理相比，压蒸处理能在短时间内显著改善钢渣砂的安定性.热闷法和热泼法是两种主要的钢渣处理方法，钢渣处理量大、冷却效率较高、金属回收率高、f-CaO含量在短时间内能得到显著下降.文中通对热闷和热渣砂进行体稳性，包括其粉化率、不同粒径范围钢渣砂的f-CaO含量、浸水膨胀率等，并对这些评价方法之间的关联性进行，不同理工渣砂体稳性的变化规律.1原材料及试验方法1.1原材料内蒙古热闷钢渣砂标号记为NM,广西热泼钢渣砂标号记为GX,湖北河砂标号记为HS.钢渣砂及河砂各项基本性能指标见表1,钢渣砂主要化学成分及碱度见表2.收稿日期：2020-10-12刘云鹏(1992—)男，硕士生，主要研究领域为道路建筑材料湖北省技术创新专项重大项目(2019ACA147)、内蒙古重大专项项目(zdzx2018029)资助-1114 -武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2020年第44卷表1钢渣砂及河砂基本性能指标项目表观密度 /(g • cm 3)松散堆积密度松散空隙吸水细度/(g • cm —3 )率/%率/%模数NM 3. 5581 80549 32626GX3. 1381 61948 42924HS2. 6581 60739 51625《建筑用砂》〉2 50〉1 35V4753 0中砂由表1可知，钢渣砂的密度要比河砂大，形状多孔且不规则，空隙率和吸水率都较河砂大，两种 不同处理工艺钢渣砂的密度也有所差别，从细度模数判断，三种砂都属于/区中砂；由表2可知,钢渣砂来源不同，其化学成分波动较大，碱度也有 所差别，内蒙钢渣砂碱度为2.2,属于中碱度钢渣表2钢渣砂主要化学成分和碱度类别度以下化学成分的质量分数/%Al O 3CaO MgO SiO 2Fe 2O 3P 2O 5 MnO TiO 2SO 3LOI NM 2221636 626 2414. 5129 232 184 650 150 244 67GX2734242 106 3014. 0220 071 584 131 180 365 52砂，广西钢渣砂碱度为2.7,属于咼碱度钢渣砂.1.2试验方法121 渣砂 化率蒸汽粉化率是采用烘干后0. 075 - 0. 15,0.15 〜0. 3,0. 3 〜0. 6,0. 6 〜1. 18,1. 18 〜2. 36mm 五种不同粒径范围的钢渣砂，每份取200 g,在100 C 的养护箱中蒸汽处理5 h,然后取出烘 干,分别过各粒径的下限筛进行筛分，蒸汽粉化率K 为K = G— G 1X 100%（1）式中：X 为处理前式样干重；G 1为处理后筛上试 样干重.压蒸粉化率是钢渣砂在压蒸釜内经过2. 0MPa 压力、216 C 的高温下处理3 h 后的粉化率,试验设备为YZF-2A 型压蒸釜•根据文献［9］,压蒸粉化率为钢渣在规定的压力和时间条件下，粉化后小于1. 18 mm 颗粒质量所占的比率，本试验采用2. 36〜4. 75 mm 的钢渣砂进行压蒸试验，压 蒸粉化率也可按式（1）计算得到.1. 2. 2钢渣砂f-CaO 含量的测定试验选取粒径为0〜0. 3,0. 3〜0. 6,0. 6〜2. 36 mm 的钢渣砂，参考文献［9,,采用甘油-无水乙醇化学滴定法测定钢渣砂中f-CaO 含量，每个 粒径范围进行两组平行试验,f-CaO 含量为水浴加热，并保持6 h 后停止加热，自然冷却，每 天升温前记录百分表读数d,,依次进行10 d.浸 水膨胀率为月一月% =二 0 X 100%（3）d （）式中：d 0为百分表初始读数，mm ；d ,为浸水膨胀分表 #mm2试验结果与分析2.1钢渣砂的蒸汽粉化率和压蒸粉化率对各粒级钢渣砂进行5 h 蒸汽处理，对2. 36 〜4.75 mm 钢渣砂进行3 h 压蒸处理，得到两种 钢渣砂的蒸汽和压蒸粉化率试验结果见图1.口 N ME1GX0.075-0.15- 0.3- 0.6- 1.18-平均0.15 0.3 0.6 1.18 2.36粒径范围/mma)蒸汽粉化率粒咨范围mmb ）压蒸粉化率f 1T c +O X KG X 1000X 100%(2)式中:Ta 为每毫升苯甲酸相当于CaO 的毫升数,mg/mL ；K 为滴定苯甲酸无水乙醇溶液体积, mL ；G 为 渣试 的重 g 123 渣砂浸水膨胀率试验试验参照文献［9,中的集料粒度分布进行配 料，在最佳含水率和最大干密度下进行重型击实,在多孔顶板上加4块半圆形荷载板,装上百分表, 并读取百分表的初始读数么，然后进行90 C 的图1钢渣砂粉化率试验结果由图1可知，从蒸汽粉化率看，广西热泼钢渣 砂各粒级蒸汽粉化率均比内蒙热闷钢渣砂大，且平均蒸汽粉化率要比内蒙钢渣砂大30% ；从压蒸粉化率看，广西钢渣砂的平均粉化率要比内蒙钢渣砂大62%，说明压蒸粉化率相比蒸汽粉化率更能表征钢渣砂的体积稳定性差异•另外压蒸粉化 率表现出比蒸汽粉化率更大的数值，这是因为压蒸处理促进了钢渣砂中f-CaO 进一步转化为Ca （OH ）2以及MgO 的进一步消解，使其水化更完全，从而增大了钢渣砂颗粒的粉化程度.2.2钢渣砂的f-CaO 含量-CaO 含量是影响钢渣砂稳定性的主要因素之一，分别对粒径为0〜0. 3,0. 3〜0. 6,0. 6〜2. 36 mm的钢渣砂采用甘油-无水乙醇化学滴定第6期刘云鹏，等：热闷和热泼钢渣砂的体积稳定性能研究・1115・法测定其fCO含量,试验结果见表3,钢渣砂平均fCO含量和粒径范围之间的变化关系见2表3不同粒径范围钢渣砂f-CaO含量粒径范围/mm钢渣质量/g苯甲酸无水乙醇消耗量/(mg・mL—1"f-CaO/%平均-CaO/% 0.494312010〜0.30.502291851.930.50022141NM0.3〜0.60.499231471440.5032012706〜2360.50618 1.141.210.500956080〜030505935895.990.49564 4.14GX0.3〜0.60.501674284210.5034528606〜236050650 3.16301图2钢渣砂-CO含量和粒径范围的关系由图2可知，两种钢渣砂由于处理工艺不同,相同粒径范围钢渣砂的fCO含量差异也较大,内蒙钢渣砂fCO含量较低，而广西钢渣砂相对较高，其差值随粒径范围增大而减小•随着粒径范围增大，两种钢渣砂中-CO含量均呈下降趋势,广西钢渣砂降低趋势较为明显，粒径范围由°〜0.3mm到0.3〜0.6mm时，降低幅度约为30.0%，从0.3〜0.6mm到0.6〜2.36mm时，降低幅度约为28.5%，而内蒙钢渣砂降低幅度则较小，两个阶段粒径范围的降低幅度分别为25.4%和16.0%，表明广西热泼钢渣砂中f-CaO 含量受粒径范围影响较大•这一结果是由两者不同的处理工艺特点决定的，内蒙热闷钢渣砂是钢渣在高温密闭罐中经多次周期性喷水降温，罐内钢渣因急速冷却产生体积形变和应力作用而破碎开裂得到，其fCO消解得较为均匀和彻底；而广西热泼钢渣砂是高温炉渣经冷水喷洒使其产生大于自身极限的应力而破碎开裂得到，游离氧化钙的水化作用使钢渣进一步裂解，处理钢渣的速度快、时间短，有利于机械化生产，但-CaO消解得不够均匀和彻底「1(M1,・由于钢渣砂中膨胀组分的水化作用会引起钢渣砂颗粒的粉化解体，试验通过相关性分析建立0〜03mm03〜06mm06〜236mm粒径范围钢渣砂的蒸汽粉化率和相应f-CaO含量的拟合曲线，研究这两种评价指标之间的内在联系•两种钢渣砂对应粒径范围的fCO含量和蒸汽粉化率指标见表4,相应的拟合曲线见图3.表4两种钢渣砂对应粒径范围的f-CaO含量和蒸汽粉化率指标项目/mmNM GX0〜030.3〜060.6〜2.360〜030.3〜060.6〜2.36 f-CaO含量/% 1.93 1.44 1.21 5.99 4.213.01蒸汽粉化率/% 5.864.61 4.527.605.45 5.203—NM/8.0弓7.5-—GX/ ||j/=2.7737e038y疋=0.9389/<7.0^6.5善6.0'j/=0.3536e013175=0.9138/4.6k4.4匚羈5.55.01.2 1.4 1.6 1.82.03.04.05.06.0f-CaO含量/%f-CaO含量/%a)内蒙热闷钢渣砂b)广西热泼钢渣砂由图3可知，两种钢渣砂的蒸汽粉化率和--C a O含量之间均存在较好的指数相关性，相关系数分别为0.94和0.91,内蒙热闷钢渣砂的相关性较大•表明5h的蒸汽处理可以促进钢渣砂中部分f-CaO水化,使钢渣砂颗粒部分粉化解体，表明fCO含量是影响钢渣砂蒸汽粉化率指标的一个重要因素.2%钢渣砂的浸水膨胀率根据文献［9］对两种钢渣砂90f恒温水浴处理的浸水膨胀率进行试验研究，钢渣砂每天的浸水膨胀变化量试验结果见表5,钢渣砂浸水膨胀率随水浴龄期的变化曲线见图4.表5两种钢渣砂的浸水膨胀变化量指标时间/d百分表读数/mm试样高度/mm变化/mm GX NM GX NM GX NM0 2.66 3.13121113001 4.45342121113 1.790292505 3.61121113 2.390483 6.05 3.65121113 3.390.524 6.32 3.51121113 3.660.385 6.65 3.65121113 3.990.526 6.92 3.74121113 4.260.6177.40355121113 4.7404287.72 3.65121113 5.060.529&01 3.65121113 5.350.5210&11 3.65121113 5.450.52由图4可知，同一水浴龄期下两种钢渣砂的浸水膨胀率大差，浸水膨胀率大为：・1116・武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2020年第44卷图4钢渣砂浸水膨胀率随水浴龄期的变化曲线GX〉NM,且两种钢渣砂的浸水膨胀率差值随水浴龄期的增大而逐渐增大；随着水浴龄期增加，不同处理工艺的钢渣砂浸水膨胀率变化曲线不同,内蒙热闷钢渣砂的浸水膨胀率起始数值较小，且随着水浴龄期增加呈现出平稳小幅度增加的趋势，水浴龄期为10d时其浸水膨胀率仅为0.45%左右，表现出较好的体积稳定性；而广西热泼钢渣砂早期即表现出较大的膨胀率，随着水浴龄期增加浸水膨胀率增加度大于一个较高的数值，达到4.8%左右，约为内蒙钢渣砂的11倍，表现出较差的体积稳定性能.从浸水膨胀率看，两种钢渣砂的浸水膨胀率差值随水浴龄期的增大而逐渐增大，为探究其浸水膨胀率差值和水浴龄期之间的内在联系，试验对这两种变量进行线性拟合.两种钢渣砂不同水浴龄期的浸水膨胀率差值见表6,两种钢渣砂浸水膨胀率差值和水浴龄期的拟合曲线见图5.表6两种钢渣砂不同水浴龄期的浸水膨胀率差值5.0 <4.5§4.0 5S3.5不同水浴龄期（d）的浸水膨胀率/%12345678910 NM0260420460.340460540370.460.46046 GX158212300 3.24353377 4.19 4.48 4.73482差值133169254 2.90307323382 4.02 4.27436怡2.0照1.5100123456789101112水浴龄期/d图5两种钢渣砂浸水膨胀率差值和水浴龄期的由图5可知，在对热闷和热泼钢渣砂的浸水膨胀率差与水浴龄期进行性，关系数为0.96,满足大于0.90,表明水浴龄期是这两种钢渣砂浸水膨胀率差值的一个主要影响因素，在水浴龄期10d内，两种钢渣砂的浸水膨胀率差值和水浴龄期呈现良好的线性相关性.3结论1）热泼钢渣砂的平均蒸汽粉化率和压蒸粉化率分别比热闷钢渣砂大30%和62%，与蒸汽粉化率相比，压蒸粉化率更能表征钢渣砂的体积稳性差2）钢渣砂中fCO含量与处理工艺及粒径范围有关,热闷钢渣砂的fCO含量较低，热泼钢渣砂含量较高；由于处理工艺不同，随粒径范围增大，热泼钢渣砂-CO含量降低幅度较为明显，受影响大3）钢渣砂的浸水膨胀率受处理工艺影响明显，热闷钢渣砂水浴龄期10d时浸水膨胀率仅为0.45%，且随水浴龄期增大变化幅度较小，体积稳定性较好;而热泼钢渣砂水浴龄期10d时浸水膨胀率达到4.8%，且随水浴龄期增大变化幅度较大，体稳性差4）从稳定性评价指标间的关联性看f C O 含量是影响钢渣砂蒸汽粉化率指标的一个重要因素，水浴龄期是影响热闷和热泼钢渣砂浸水膨胀率差值指标的一个重要因素，这些变量之间表现出的性不同处理工艺的钢渣砂普遍存在着不同程度的体积稳定性问题，严重限制了其推广应用及大掺量使用的安全性，导致钢渣砂资源化利用进程缓慢.因此，需要重视钢渣砂的体积稳定性评价,并针对其稳定性程度进行一定的稳定化处理技术改善体积稳定性，以提高其用于水泥砂浆或混凝土的综合性能.参考文献［门谢君.钢渣沥青混凝土的制备性能与应用研究［D,武汉：武汉理工大学2013.高本恒，郝以党，张淑苓，等.钢渣综合利用现状及发展趋势环境工程2016,34（增刊1）:776-779.尚建丽，张凯峰,赵世冉，等.钢渣胶凝活性评价方法的研究进展+,材料导报201226（7）：128-130.焦伟.钢渣在砂浆和混凝土应用中稳定性研究［D,沈阳：沈阳建筑大学2014.+,肖文斌，李兰兰，赵风清.钢渣体积稳定性处理及应用研究环境科学与技术2015（12）:194-198.+,冷达，刘峰.钢渣砂的安定性及其检测方法的研究粉煤灰综合利用2008（1）:4952.伦云霞，周明凯，陈美祝，等.钢渣砂特性与稳定性研第6期刘云鹏，等：热闷和热泼钢渣砂的体积稳定性能研究-1117-究[J].武汉理工大学学报,2007(10):11-14.[8]伦云霞，刘绍舜，周明凯.处理方式对水泥混凝土用钢渣砂体积安定性的影响[J].混凝土，2011,265(11):2126.[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.钢渣稳定性试验方法:GB/T24175—2009[J].北京：人民交通出版社.[10]陈静,胡博平，甘万贵.转炉炼钢渣厢式热泼工艺改进[J].武钢技术2008(3):22-25.+1]许建雄，范永明，李泽平，等.钢渣热闷工艺及装备研究[J].包钢科技2019(1):45-50.Study on Volume Stability of Hot Stuff andHot Splash Steel Slag SandLIU Yunpeng PANG Ling ZOU Yingxue(State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan430070,China)Abstract:Thestabilityofhotstu f yandhotsplashedsteelslagsandwasevaluated#includingitspul-verization rate，f-CaO content of steel slag sand with different particle sizes and swelling rate in water. Thevariationlawofvolumestabilityofsteelslagsandwithdi f erenttreatmentprocesseswasstudied Theresultsshow thattheaveragesteam pulverizationrateand pressure pulverization rate of hot splashed steel slag sand are30%and62%higher than those of hot frothed steel slag sand，respective-y Compared withsteam pulverizationrate#pressurepulverizationratecan be t ercharacterizethe di f erenceofvolumestabilityofsteelslagsand Thef-CaOcontentinsteelslagsandisrelatedtothe treatmentprocessandparticlesizerange Thecontentoff-CaOinhotstu f ysteelslagsandislow# whilethatinhotsplashingsteelslagsandisgreatlya f ectedbyparticlesize Thesoakingexpansion rateisobviouslya f ectedbythetreatmentprocess Thesoakingexpansionrateofhotstu f ysteelslag sand is only0.45%，which has good volume stability，while the soaking expansion rate of hot splashed steel slag sand is 4.8%，which has poor volume stability.From the correlation point of view#f-CaOcontentisthemainfactora f ectingthesteampulverizationrateindexofsteelslagsand# andwaterbathageisthemainfactora f ectingthedi f erenceindexofwaterimmersionexpansionrate ofsteelslagsandKey words：hot stuff；hot splash&steel slag sand；volume stability。

钢渣水硬活性及在水泥混凝土中的应用研究进展
吴伟伟;杨钱荣
【期刊名称】《粉煤灰综合利用》
【年(卷),期】2009(000)006
【摘要】论述了钢渣的水硬活性及活化措施,钢渣的安定性问题及改善方法,讨论了钢渣对水泥混凝土工作性、力学性和耐久性的影响,并指出了钢渣在水泥混凝土领域中应用有待进一步解决的问题.
【总页数】4页(P51-54)
【作者】吴伟伟;杨钱荣
【作者单位】同济大学材料科学与工程学院,上海,200092;同济大学材料科学与工程学院,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TV528.04
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钢渣细集料安定性测定方法研究
彭泽杨;张剑峰
【期刊名称】《四川建材》
【年(卷),期】2013(039)003
【摘要】钢渣细集料具有密度大、强度高、抗渗性好等优点而大量应用于建材行业.安定性是决定钢渣制品能否工程推广的关键因素,因此有必要寻找合适的安定性测定方法,准确检测其安定性.通过开展多种试验方法进行钢渣细集料安定性的测试研究,结果表明压蒸法测定强度变化是比较可靠的安定性检测方法.
【总页数】3页(P126-127,129)
【作者】彭泽杨;张剑峰
【作者单位】四川省建筑科学研究院,四川成都610081;四川省建筑科学研究院,四川成都610081
【正文语种】中文
【中图分类】X756
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钢渣对混凝土安定性的影响及评价
叶雁飞;马伟克;申振伟;张浩
【期刊名称】《化工矿物与加工》
【年(卷),期】2024(53)2
【摘要】以钢渣生产的钢渣粉、钢渣砂和钢渣石为研究对象,依据YB/T 4228-2010《混凝土多孔砖和路面砖用钢渣》测试钢渣砂、钢渣石,以及钢渣粉、钢渣砂和钢渣石复合对混凝土安定性的影响,研究钢渣用于混凝土的压蒸膨胀率及其试件状态,结果表明,当混凝土配合比中钢渣粉替代矿粉率、钢渣砂替代中砂率、钢渣石替代碎石率之和为75%~95%,且钢渣砂替代中砂率高于钢渣石替代碎石率时,钢渣替代矿粉、中砂和碎石的混凝土压蒸安定性良好。

单条试件安定性评价标准为:当出现断裂时,试件不合格;当大损伤数≥2处时,试件不合格;3条试件安定性评价标准为:当压蒸平均膨胀率实测值>0.15%,混凝土安定性不合格;当压蒸平均膨胀率实测值≤0.15%且有单条试件不合格时,混凝土安定性不合格。

【总页数】7页(P40-46)
【作者】叶雁飞;马伟克;申振伟;张浩
【作者单位】宝武环科(湛江)资源循环利用有限公司;安徽工业大学建筑工程学院;安徽工业大学冶金工程学院;冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.041
【相关文献】
1.钢渣用于混凝土的安定性评价与控制研究
2.水泥混凝土用钢渣砂安定性评价方法研究
3.处理方式对水泥混凝土用钢渣砂体积安定性的影响
4.钢渣中游离氧化钙对混凝土体积安定性影响研究
5.钢渣骨料混凝土体积安定性及其抑制效果评价
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第26卷第5期 硅　酸　盐　通　报 Vol .26　No .5　2007年10月 BULLETI N OF THE CH I N ESE CERAM I C S OC I ETY Oct ober,2007　钢渣安定性与活性激发的研究进展张同生,刘福田,王建伟,李义凯,周宗辉,程　新(济南大学材料科学与工程学院,济南　250022)摘要:钢渣是炼钢过程中产生的废渣,高碱度钢渣中含有较多的C 3S 和C 2S,因而具有一定的胶凝活性,可用于生产钢渣水泥。

但高碱度钢渣中游离氧化钙含量较高,使钢渣水泥的安定性不良。

必须对钢渣进行适当的处理,解决其安定性问题,并通过机械或化学的方法激发其活性。

本文对钢渣膨胀的诱因与抑制措施、活性激发等问题进行了详细的探讨。

关键词:钢渣;钢渣水泥;安定性;活性激发中图分类号:T Q172 文献标识码:A 文章编号:100121625(2007)0520980205Recen t D evelopm en t of Steel Sl ag St ab ility and Acti va ti n g Acti v ityZHAN G Tong 2sheng,L I U Fu 2tian,WAN G J ian 2w ei,L I Yi 2kai,ZHOU Z ong 2hui,CHEN G X in(School ofMaterials Science and Engineering,University of J inan,J inan 250022,China ) Abstract:Steel slag is a kind of industrial waste slag p r oduced during the p r ocess of melting steel .Steel slag with higher basicity has potential hydraulic reactivity,because of its content of C 3S and C 2S .Theref ore,it can be used in steel slag ce ment .However,the content of f 2Ca O in steel slag increases with increase of its basicity resulting in poor volume stability .Consequently,steel slag needs t o be p retreated t o i m p r ove its volu me stability and its activity should be activated by mechanical or che m ical methods .The induce ment and restraint of volum inal expansi on when steel slag was used in ce menting area as well as the motivati on of steel slag activity were discussed in detail .Key words:steel slag;slag ce ment;stability;activating activity 基金项目:本课题由国家“十一五”科技支撑计划项目“高性能水泥绿色制造工艺技术与装备”资助 作者简介:张同生(19832),男,硕士研究生.研究方向为水泥材料与固体废气物资源化利用. 通讯作者:刘福田,E 2mail:m se_liuft@ujn .edu .cn1　引　言钢渣是炼钢过程中产生的废渣,其产量约为粗钢产量的12%～20%。

专利名称：钢渣颗粒安定性测试方法专利类型：发明专利
发明人：陈志山,刘选举,廖欣
申请号：CN200410024992.8
申请日：20040608
公开号：CN1707263A
公开日：
20051214
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种钢渣颗粒安定性测试方法，包括以下步骤：筛选一定粒径范围的钢渣颗粒并烘干，称出烘干后的质量(M)，蒸煮所述烘干后的钢渣，将蒸煮后的钢渣烘干，筛除钢渣中粒径小于一定尺寸的细粉，称量出剩余钢渣的质量(M)，用M除以M即得出该粒径范围的钢渣的安定率(R)。

本发明操作简便，通过本发明方法可对钢渣进行定量分析，根据安定性测试结果，从而区分出钢渣的等级，为钢渣的合理利用提供了科学的依据。

申请人：同济大学
地址：200092 上海市四平路1239号
国籍：CN
代理机构：上海光华专利事务所
代理人：余明伟
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钢渣作为混凝土骨料为何会导致建筑大面积爆裂？将钢渣用作混凝土骨料要非常慎重！到底能不能用？!近年来，我国钢铁工业快速发展，钢渣产量大幅增加。

从国家统计局数据来看，2020年我国粗钢产量达到10.65亿吨，位列全球第一；炼钢过程中产生的钢渣约为1.20亿吨，累计堆存量超10亿吨。

大量钢渣堆存，不仅占用土地资源，还给生态环境带来了较大安全隐患。

当前，合理利用钢铁固废是我国开展资源综合利用的关键之一，而加快钢渣利用是全社会的共识。

不可否认的是，在钢渣综合利用方面，我国目前仍存在利用率普遍偏低、利用途径单一等问题，如何进一步实现钢渣有效利用是值得人们深思的问题。

近日，由中国工业合作协会资源综合利用分会、工业固废网联合主办的“2021年钢铁冶金固废综合处理利用技术交流会”在江苏省苏州市召开。

会上，多名专家学者及企业代表围绕固废产业发展状况，钢铁固废资源化利用焦点、难点进行了深入研讨，为钢铁固废处置产业的绿色低碳发展指明了方向。

其实，钢渣是炼钢过程中排放的工业废渣。

当前，我国是产钢第一大国，但对于钢渣的回收利用一直处于较低水平，综合利用率仅在10%左右，相较于美德98%的有效利用率，仍有较大的追赶空间。

2020年9月，《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》正式施行。

其中规定：固体废物污染环境防治坚持减量化、资源化和无害化的原则。

任何单位和个人都应当采取措施，减少固体废物的产生量，促进固体废物的综合利用，降低固体废物的危害性。

在绿色发展的趋势下，钢渣在某种程度上是一种放错地方的资源。

将钢渣用作掺和料或骨料应用在混凝土中，既能减少工业废渣对土地的占用和环境的污染，降低混凝土的材料成本，又符合固废危废减量化、资源化、无害化的政策引领。

加之，近几年基础设施和城市化建设，对混凝土的需求日益增多，经过多年大规模开采，天然砂石资源逐渐减少。

“砂石热”正在逐步走向高潮。

由于有着和天然砂石类似的强度，并存在一定的水硬胶凝性，且使用成本较低，钢渣成为施工方青睐之选，频频应用于建筑工程中。

钢渣的固碳潜力1.引言1.1 概述钢渣是指在钢铁生产过程中所产生的废渣物，其主要成分是铁氧化物、钙、镁等金属氧化物以及少量的未被还原的金属、碳等物质。

钢渣的性质与其组成有关，通常呈黑色或灰黑色，具有较高的硬度和抗压强度，同时还具有较好的化学稳定性、高温稳定性和较低的吸湿性。

钢渣在过去被简单地视为废弃物，并普遍被丢弃或填埋处理。

然而，随着环境保护意识的增强和资源再利用的重要性认识的提高，人们逐渐认识到钢渣具有巨大的潜力进行碳固定。

在钢渣中，主要的碳固定机制包括碳酸盐形成和化学固化。

钢渣中的一些金属氧化物，如钙和镁等金属氧化物，可以与二氧化碳发生化学反应，形成稳定的碳酸盐产物。

此外，钢渣中的一些化学成分可以与二氧化碳发生直接反应，形成化学固化产物。

钢渣的固碳潜力是指钢渣中能够固定的碳量。

随着钢渣的组成和性质的不同，其固碳潜力也会有所差异。

钢渣中的金属氧化物含量越高、未被还原的金属和碳含量越低，其固碳能力越高。

钢渣的固碳潜力对于减少二氧化碳排放、推动碳中和与碳减排具有重要意义。

因此，本文将重点探讨钢渣的组成和性质，以及其固碳机制。

通过深入了解钢渣的固碳潜力，我们可以更好地利用钢渣资源，推动钢渣在碳减排中的应用，并为实现可持续发展做出积极贡献。

1.2文章结构本文主要分为引言、正文和结论三个部分。

下面将逐一介绍每个部分的内容。

引言部分首先概述了钢渣的固碳潜力，并介绍了整篇文章的结构以及文章的目的。

在概述部分，将简要介绍钢渣的特点和背景，为后续的内容做好铺垫。

正文部分将主要围绕钢渣的组成和性质以及钢渣的碳固定机制展开论述。

在2.1节中，将详细介绍钢渣的组成成分，包括钢渣中所含的各种元素和化合物。

同时，也要探讨钢渣的物理性质和化学性质，以便更好地理解钢渣在固碳过程中的作用。

在2.2节中，将深入研究钢渣的碳固定机制。

这涉及到碳在钢渣中的转化和固定方式，以及钢渣对温室气体排放的影响。

这部分内容可以通过介绍相关研究成果和实验数据，揭示钢渣如何通过吸附、吸附化学反应和矿化等方式将碳稳定地固定在钢渣中，从而达到减少碳排放的目的。

1国内外研究现状LiChao [1]采用钢渣替代全部或部分玄武岩和玄武岩骨料配制了3种沥青混合料探索其粘弹性特性的变化规律。

结果表明：随着温度的降低，3种沥青混合料的蠕变速率和累积应变变化率逐渐减小，松弛时间逐渐增大；特别是当温度从-20℃降低到-30℃时，三种沥青混合料的累积应变变化率均达到最小，均小于10%。

BaiXuefeng [2]为了建立接近实际情况的沥青混合料非均质性数值模型，采用离散元法建立了随机集料模型。

通过模拟梁的三点弯曲试验，探讨了钢渣沥青混合料i 型裂纹的扩展机理。

结果表明：钢渣骨料的棱角度比玄武岩小，拐角处应力集中较小，骨料裂纹Ng 数量较少；裂缝沿玄武岩骨料剧烈扩展，SAM 的低温抗裂性能优于BAM 。

ZhengHua [3]研究了不同钢渣含量沥青混合料在干湿循环和冻融循环环境下耐水性的恶化过程。

结果表明，钢渣沥青混合料具有明显的抗水损伤性能。

随着干湿或冻融反复循环次数的增加，钢渣沥青混合料的耐水性能先迅速恶化后趋于稳定，存在水破坏的极限状态。

在干湿循环条件下，钢渣含量为50%的沥青混合料具有较好的耐水性能，而在冻融循环条件下，钢渣含量为100%的沥青混合料具有较好的耐水性能。

钢渣沥青混合料的界面相结构稳定致密，沥青砂浆均匀而紧密地包裹钢渣并形成一定的渗透深度。

钢渣与沥青的增强机理主要包括物理锚固效应和化学黏附效应。

林志平[4]将钢渣代替普通AC-20沥青混凝土中的全部粗细砂岩集料，研究钢渣对沥青混合料路用性能的影响。

结果表明：掺入钢渣后，沥青用量较砂岩集料沥青混凝土增加0.4%，提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、抗滑性，但对体积膨胀性、水稳定性影响有限，体积膨胀率、残留稳定度和劈裂抗拉强度比均满足规范要求。

何亮总结了钢渣的物理性质、化学成分及矿物相组成；分析了影响钢渣体积安定性的因素及其改善措施。

研究结果表明：钢渣可用于沥青混合料，且应为陈化半年以上的转炉钢渣或电炉钢渣；钢渣的物理力学性能优良，而化学成分及矿物相组成受炼钢工艺影响有所区别；钢渣体积安定性的不足可通过预处理或陈化处理得到较好的改善。

宝钢钢渣微粉及其胶凝材安定性和相容性研究张　晖,高卫波,张　键,金　强(中冶宝钢技术服务有限公司,上海　200941) 摘要:在研究宝钢钢渣微粉的化学成分及其矿物相组成X 射线分析的基础上,通过压汞法测定了矿渣微粉与钢渣微粉的孔结构数据,分析了钢渣微粉孔结构特性和分布情况,比较了矿渣与钢渣微粉显微的照片形貌;对掺30%钢渣微粉的钢渣水泥进行了压蒸法安定性试验;以不同厂家水泥为基准,并采用四种不同类别的外加剂,对掺加30%钢渣粉进行了凝结时间和强度、塑性扩张度等水泥及外加剂相容性对比试验,提出了宝钢钢渣微粉可以作为水泥混凝土掺合料利用的技术可行性。

关键词:钢渣微粉;安定性;相容性中图分类号:X705　文献标志码:B 文章编号:1008-0716(2010)03-0026-04do i :10.3969/j .issn .1008-0716.2010.03.007R esea rch on Sta b ility an d C o m pa t i b ility of Ba osteel SteelSla g F i n e Powder an d Its B i n derZHAN G H u i,GAO W eibo,ZHAN G J ian an d J I N Q ian g(M CC Ba osteel Technology Ser v i ce C o.,L td.,Shan gha i 200941,C h i na ) Abstrac t:O n the basis of the X 2r ay analysis of the che m ical compositi on of Baosteel steel slag fine powder and its m ineral phase composition,the pore structure data of m ineral slag fine powde r and stee l slag fine powde r we r e dete r m ined by the m ercury intr usi on m ethod,charac teristics and distribution of the stee l slag powde r pore struc tur e were analysed and the m ic r ograph of m ineral slag powder was compa r ed t o that of stee l slag powder .The stability of the ce m ent doped with 30%fine steel slag powder was te sted using the aut oclave expansi on me thod.For the ce m ent doped with 30%steel slag powde r and f our dif fe r ent adm ixtures,the condensati on ti m e,strength,plasticityexpansion degr ee and the compatibility comparison tests were carried out based on the reference of different ce m ent m anuf acturers .F inally,the paper p r e sents the technical feasibility of usingB a osteel steel slag fine powder as cement and conc r e te ad m ixture .Key wor ds:steel slag fine powde r ;stability;compatibility张　晖　助理研究员　年生　年毕业于安徽工业大学现从事钢渣处理和利用研究开发　电话　5662　z j @630　前言由于钢渣中含有大量的游离Ca O 和Mg O,这些矿物经过炼钢过程的高温死烧,导致结构致密活性较差,在水泥水化初期,它们一般不会水化,但在后期,这些矿物遇水水化,形成氢氧化钙和氢氧化镁,发生体积膨胀,就将破坏混凝土结构。

第42卷第3期2023年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol.42㊀No.3March,2023碳酸化预处理对钢渣-水泥复合胶凝材料体积安定性及水化活性的影响房延凤1,王凇宁1,佟㊀钰1,孙小巍1,丁向群1,苏㊀文2(1.沈阳建筑大学材料科学与工程学院,沈阳㊀110168;2.中国建筑土木建设有限公司,北京㊀100070)摘要:钢渣水化活性差,体积安定性不良限制了其作为辅助性胶凝材料的应用,但钢渣具有很好的碳酸化活性㊂本文在对钢渣进行预处理的过程中通过调整CO2浓度及碳酸化时间,调控钢渣的碳酸化程度,分析了碳酸化对钢渣微观结构及固碳效果的影响,同时评价了碳酸化钢渣作为辅助性胶凝材料的可行性㊂结果表明:含30%(质量分数)钢渣的水泥砂浆试块3㊁28d抗压强度较未掺钢渣水泥砂浆分别降低了43.2%和30.0%,净浆试块经压蒸试验后由于膨胀过大而溃散;CO2浓度对钢渣的固碳量有显著的影响,高浓度(体积分数为99.9%)CO2进行碳化养护3min时钢渣固碳量就达到了3.67%㊂钢渣的体积安定性与碳酸化程度呈正相关,而过度碳酸化处理会降低其水化活性,掺加30%(质量分数)碳酸化预处理3㊁10min钢渣的砂浆3d抗压强度较掺加30%原始钢渣的砂浆分别提高了28.3%和15.8%㊂关键词:钢渣;碳酸化;复合胶凝材料;水化活性;体积安定性;抗压强度中图分类号:TQ172㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)03-1001-07 Effect of Carbonation Pretreatment on Volume Stability andHydration Activity of Steel Slag-Cement CompositeCementitious MaterialsFANG Yanfeng1,WANG Songning1,TONG Yu1,SUN Xiaowei1,DING Xiangqun1,SU Wen2(1.School of Materials Science and Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang110168,China;2.China Construction Civil Engineering Co.,Ltd.,Beijing100070,China)Abstract:The application of steel slag as supplementary cementitious materials is limited by its poor hydration activity and volume stability,while steel slag shows excellent carbonation activity.In this paper,the carbonation degree of steel slag was controlled by adjusting the CO2concentration and carbonation time.The effect of carbonation on the microstructure and CO2uptake of steel slag was analyzed,and the volume stability and hydration activity of carbonated steel slag used as supplementary cementitious materials were evaluated.The results show that the3,28d compressive strength of mortar containing30%(mass fraction)steel slag reduce by43.2%and30.0%,respectively,compared to the mortar without steel slag.And paste specimen collapses due to expansion after autoclaving experiment.The CO2uptake of steel slag is significantly affected by the concentration of CO2.The CO2uptake of steel slag arrives at3.67%after carbonation for3min at high concentration(volume fraction is99.9%)of CO2.The volume stability of steel slag is positively correlated with the degree of carbonation,while over carbonation treatment reduces the hydration activity.The3d compressive strength of mortar containing30%(mass fraction)steel slag carbonated for3,10min increases by28.3%and15.8%,respectively. Key words:steel slag;carbonation;composite cementitious material;hydration activity;volume stability;compressive strength收稿日期:2022-10-16;修订日期:2022-11-30基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(51808354);中国博士后科学基金资助项目(2018M641712);辽宁省教育厅科学研究经费项目(lnjc202017)作者简介:房延凤(1988 ),女,博士,副教授㊂主要从事工业废渣建材资源化利用及特种水泥方面的研究㊂E-mail:fangyf@1002㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷0㊀引㊀言中国是世界上最大的钢铁生产国家,产量超过全球总产量的50%[1]㊂钢铁行业不仅排放大量的CO2,还会产生大量无法有效利用的钢渣(约占粗钢产量的15%~20%)[2]㊂目前中国钢渣累积存量超过18亿吨[3],长期堆存不仅造成资源的浪费,且易产生粉尘,污染附近水域,从而引起一系列环境问题[4-5]㊂建材资源化利用是消纳钢渣的有效途径,但钢渣存在成分复杂多变㊁体积安定性不良㊁水化活性差等问题,用作辅助胶凝材料或者骨料存在一系列安全问题,限制了其在建筑材料中的应用[6-9]㊂钢渣虽然水化活性和体积安定性差,但具有较好的碳酸化活性[10-11],尤其是钢渣中的f-CaO和f-MgO可以快速与CO2反应[12],钢渣经过碳酸化养护,可以制备安定性良好的钢渣制品[13-16],具有很好的应用前景㊂Wang等[17]采用半干法对钢渣进行碳酸化处理,研究发现通过调控碳酸化工艺可以调控碳酸化产物的种类和粒度㊂同时很多研究[18-20]表明,纳米碳酸钙和纳米水化硅酸钙(C-S-H)在水泥水化的过程中能够促进早期水化㊂因此,若能通过调控钢渣的碳酸化程度及反应产物的种类㊁粒度从而达到改善钢渣体积安定性和水化活性的目的,则可促进钢渣作为辅助性胶凝材料的广泛应用,从而大规模消解堆存的钢渣,同时固定与储存温室气体CO2㊂本研究通过调整CO2浓度及碳酸化时间,研究了碳酸化对钢渣-水泥复合胶凝材料体积安定性和水化活性的影响,同时评价了碳酸化钢渣作为辅助性胶凝材料的可行性㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料试验所用钢渣为本钢集团的转炉钢渣经粉碎㊁粉磨㊁筛分所得,比表面积和密度分别为320m2/kg和3.25g/cm3;普通硅酸盐水泥(P㊃O42.5)的比表面积和密度分别为350m2/kg和3.06g/cm3㊂砂为标准砂㊂钢渣和水泥的主要化学成分如表1所示㊂由表1可知,钢渣中的CaO含量较水泥中低,Fe2O3和MgO含量偏高㊂表1㊀钢渣和水泥的主要化学组成Table1㊀Main chemical composition of steel slag and cementRaw material Mass fraction/%CaO SiO2Fe2O3P2O3MgO Al2O3MnO TiO2CrO2SO3 Steel slag36.414.825.2 2.012.6 5.0 1.00.70.60.3 Cement61.121.5 2.9 2.1 5.2 2.51.2㊀试验设计本研究旨在探索钢渣作为辅助性胶凝材料替代部分水泥的可能性,设计了不同钢渣掺量㊂同时在不同条件下对钢渣进行碳酸化预处理,用碳酸化的钢渣替代30%(质量分数)水泥分析其对力学性能和体积安定性的影响㊂将钢渣与8%(质量分数)的水混合并搅拌均匀,然后将钢渣放入反应釜进行碳酸化预处理㊂碳酸化过程中的CO2压力为0.2MPa,体积分数分别为99.9%和20.0%,碳酸化时间控制在3㊁10min㊂砂浆和净浆试块的配合比及试块尺寸等信息如表2所示㊂在砂浆制备过程中,砂胶比和水胶比分别为3.0和0.5,净浆制备过程中水胶比为0.3㊂砂浆和净浆试块在成型24h后脱模,然后养护至相应龄期进行测试㊂表2㊀试验设计Table2㊀Experiments designSpecimen Steel slagcontent/%Mortar PasteSize/(mmˑmmˑmm)Number Size/(mmˑmmˑmm)NumberSS00 SS1010 SS2020 SS3030 CSS-130 CSS-230 CSS-33040ˑ40ˑ16040ˑ40ˑ16040ˑ40ˑ16040ˑ40ˑ16040ˑ40ˑ16040ˑ40ˑ16040ˑ40ˑ160999999925ˑ25ˑ28025ˑ25ˑ28025ˑ25ˑ28025ˑ25ˑ28025ˑ25ˑ28025ˑ25ˑ28025ˑ25ˑ2803333333CSS-43040ˑ40ˑ160925ˑ25ˑ2803㊀㊀注:CSS-1㊁CSS-2㊁CSS-3和CSS-4所掺加的钢渣分别在99.9%的CO2中处理3㊁10min和20.0%的CO2中处理3㊁10min㊂第3期房延凤等:碳酸化预处理对钢渣-水泥复合胶凝材料体积安定性及水化活性的影响1003㊀1.3㊀测试方法和仪器按照‘水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)“(GB /T 17671 2021)测定水泥砂浆试块的抗折强度和抗压强度,参考‘水泥压蒸安定性试验方法“(GB /T 750 1992)测试体积安定性㊂使用布鲁克D8Advance X 射线衍射仪在40kV 和40mA 下进行物相分析,步长为0.04ʎ㊂使用梅特勒-托利多TG /DSC1系统测试碳酸化钢渣在不同碳酸化条件下的固碳量㊂采用扫描电镜(FE-SEM,FEINOVA Nano SEM 450)分析碳酸化预处理对钢渣微观结构的影响㊂2㊀结果与讨论2.1㊀钢渣掺量对砂浆抗压强度和体积安定性的影响不同钢渣掺量砂浆的3㊁7㊁28d 抗折强度和抗压强度结果如图1所示㊂从图1中可以看出,随着钢渣掺量的增加,试块的抗折强度和抗压强度显著降低,其中对3d 力学性能影响更加明显㊂SS10㊁SS20和SS30的3d 抗压强度与SS0相比分别降低了22.3%㊁30.0%和43.2%,而SS10㊁SS20和SS30的28d 抗压强度较SS0分别降低了11.1%㊁21.7%和30.0%㊂可以看出,掺加钢渣对钢渣-水泥复合胶凝材料体系早期强度的发展具有显著的不利影响㊂图1㊀钢渣掺量对砂浆抗折强度和抗压强度的影响Fig.1㊀Effect of steel slag content on flexural strength and compressive strength of mortar 钢渣中含有f-CaO 和f-MgO,这会对硬化浆体的体积安定性产生不利影响㊂通过测试净浆试块的初始尺寸和经过高压釜压蒸3h 后的尺寸,计算线膨胀率,结果如表3所示㊂结果表明,膨胀率随着钢渣含量的增加而逐渐增大㊂SS10的膨胀率为0.47%,略低于标准限值(0.5%)㊂当钢渣含量达到30%时,膨胀过大导致试块溃散,无法得到膨胀率,SS30压蒸后的外观形貌如图2(a)所示㊂图2(b)为SS30压蒸试验前后的TG-DTG 曲线,可以看出经过3h 的压蒸后Ca(OH)2和Mg(OH)2的含量分别达到12.30%和4.17%(质量分数),而压蒸前并未观察到Mg (OH)2的失重,Ca (OH)2的含量也仅为5.22%,说明压蒸过程加速了f-CaO 和f-MgO 的水化反应㊂表3㊀不同钢渣掺量净浆试块的线膨胀率Table 3㊀Linear expansion rate of paste containing different steel slag contentSpecimen SS0SS10SS20SS30Linear expansion rate /%0.060.47 1.212.2㊀碳酸化预处理对钢渣固碳量及微观形貌的影响图3为不同条件下碳酸化预处理钢渣的XRD 谱,SS 表示未碳酸化处理钢渣,CSS1和CSS2分别表示用99.9%浓度的CO 2碳酸化3㊁10min 的钢渣,CSS3和CSS4分别表示用20.0%浓度的CO 2碳酸化3㊁10min 的钢渣㊂从图3中可以看出,经过碳酸化预处理后硅酸二钙(C 2S)的衍射峰强度明显降低,而方解石的衍射峰强度显著增强㊂文献[21-22]表明钢渣在加速碳酸化过程中也会形成结晶度差的CaCO 3㊁文石㊁球霰石和1004㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷方解石,但在XRD 分析中只观察到方解石的衍射峰㊂CaCO 3种类的差异可能是钢渣的矿物组成不同造成的㊂γ-C 2S 碳化过程中很容易形成球霰石,而β-C 2S 易碳酸化形成方解石[8,17]㊂碳酸化钢渣中铁铝酸四钙(C 4AF)的衍射峰强度没有明显降低,说明C 4AF 的碳酸化反应活性较低㊂图2㊀SS30压蒸后的外观形貌和TG-DTG 曲线Fig.2㊀Appearance and TG-DTG curves of SS30afterautoclaving 图3㊀不同碳酸化条件下钢渣的XRD 谱Fig.3㊀XRD patterns of steel slag carbonated at differentconditions 图4㊀不同碳酸化条件下钢渣的TG-DTG 曲线及固碳量Fig.4㊀TG-DTG curves and CO 2uptake of steel slag carbonated at different conditions 对钢渣和碳酸化预处理的钢渣进行TG 分析,以评价其固碳结果,结果如图4所示㊂可以看出质量损失主要集中在400~450ħ和500~850ħ,分别是Ca(OH)2和CaCO 3的分解造成的㊂钢渣碳酸化过程中形成的CaCO 3与天然CaCO 3相比,分解温度较低,为500~850ħ[17]㊂根据TG 曲线计算得到的固碳量也列于图4中㊂碳酸化过程中的CO 2浓度和碳酸化时间对碳酸化效果影响较大,用20.0%浓度的CO 2碳酸化3㊁10min 的钢渣中CO 2含量仅为1.2%和2.5%(质量分数,下同),相对应地,固碳量分别为0.27%和1.57%;而用高浓度CO 2进行碳酸化养护3㊁10min时,CO 2含量达到4.6%和5.9%,此时固碳量分别为3.67%和4.97%㊂在不同CO 2浓度下,碳酸化预处理不同时间的钢渣的SEM 照片如图5(a)~(d)所示㊂尽管在图3和图4的XRD 谱和TG 曲线中表明,碳酸化3min 就已生成大量方解石,但在SEM 照片中未发现具有特定形第3期房延凤等:碳酸化预处理对钢渣-水泥复合胶凝材料体积安定性及水化活性的影响1005㊀态的结晶良好的碳酸钙,其原因可能是在碳酸化过程早期的碳酸钙颗粒粒径较小或为结晶度差的无定形碳酸钙㊂随着碳酸化时间的增加,碳酸钙的粒径逐渐增大㊂CO 2压力对碳酸钙的颗粒尺寸有明显影响,低浓度CO 2有利于碳酸钙颗粒尺寸的增大㊂图5㊀不同碳酸化条件下钢渣的SEM 照片Fig.5㊀SEM images of steel slag carbonated at different conditions 2.3㊀碳酸化预处理对钢渣水化活性的影响将含有30%钢渣和碳酸化钢渣的砂浆试块养护至3㊁7㊁28d 后测试其抗折强度和抗压强度,结果如图6所示㊂碳酸化预处理对钢渣的水化活性有显著影响,适当的碳酸化预处理可有效提高钢渣的水化活性㊂与对照组SS30相比,CSS-1和CSS-2的3d 抗压强度分别提高了28.3%和15.8%,而28d 抗压强度分别提高了13.4%和10.8%㊂因此碳酸化钢渣可以加速水化进程,改善砂浆的早期力学性能㊂在低浓度(20.0%)CO 2下对钢渣进行碳酸化预处理,碳酸化效果较差,对钢渣胶凝活性的提升作用并不明显,CSS-3和CSS-4的3d 抗压强度分别为对照组SS30的108.9%和96.0%,这是由于低浓度CO 2条件下碳酸化程度较低,生成的C-S-H 和CaCO 3数量较少,且CaCO 3颗粒尺寸较大,晶核效应较弱㊂图6㊀碳酸化预处理钢渣对砂浆抗折强度和抗压强度的影响Fig.6㊀Effect of carbonation pretreated steel slag on flexural strength and compressive strength of martor1006㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷2.4㊀碳酸化预处理对钢渣体积安定性的影响图7和表4分别为掺加碳酸化钢渣净浆试块经3h 的压蒸试验后的外观形貌和膨胀率,可以看出经碳酸化预处理后,体积安定性得到了有效改善㊂即使用20.0%浓度的CO 2处理3min,体积安定性也较原钢渣有明显的提升,处理10min 后试块经压蒸后表面未出现任何裂纹,但相应砂浆试块的抗压强度为参比样的94.5%,尽管在此条件下钢渣水化活性稍有降低,但解决了钢渣体积安定性不良的问题㊂图7㊀含碳酸化钢渣的净浆试块压蒸后外观形貌Fig.7㊀Appearance of paste containing carbonated steel slag after autoclaving表4㊀碳酸化钢渣对净浆试块膨胀率的影响Table 4㊀Effect of carbonated steel slag on expansion rate of pasteSpecimen CSS-1CSS-2CSS-3CSS-4Expansion rate /%0.520.25 0.433㊀结㊀论1)钢渣的掺加对砂浆试块早期强度发展的不利影响更为明显㊂钢渣中的f-CaO 和f-MgO 会对硬化浆体的体积安定性产生不利影响,掺加30%钢渣的试样在经过3h 的压蒸试验后由于膨胀过大而溃散㊂2)碳酸化过程中的CO 2浓度和碳酸化时间对钢渣的固碳量影响较大,用低浓度(体积分数20.0%)CO 2对钢渣进行碳酸化预处理3㊁10min 后的固碳量仅为0.27%和1.57%,而用高浓度(体积分数99.9%)CO 2进行碳酸化养护3min 时其固碳量就达到了3.67%㊂碳酸化过程中形成了方解石,且20.0%CO 2浓度下生产的方解石尺寸较大㊂3)钢渣的碳酸化预处理对早期水化和钢渣的体积安定性有显著影响㊂适量的碳酸化可提高钢渣的水化活性,过度碳酸化反而会降低水化活性㊂掺加30%用高浓度(99.9%)CO 2碳酸化预处理3㊁10min 钢渣的砂浆3d 抗压强度较掺30%原始钢渣的矿浆分别提高了28.3%和15.8%,这归因于碳酸化过程中形成的C-S-H 和方解石,为水泥水化提供了形核位点㊂在低浓度(20.0%)CO 2下对钢渣的碳酸化效果不佳,对钢渣胶凝活性的提升作用并不明显㊂钢渣的体积安定性与碳酸化程度呈正相关,因此需要通过调整碳酸化条件来获得体积安定性和水化活性的平衡㊂参考文献[1]㊀SHU K Q,SASAKI K.Occurrence of steel converter slag and its high value-added conversion for environmental restoration in China:a review[J].Journal of Cleaner Production,2022,373:133876㊀第3期房延凤等:碳酸化预处理对钢渣-水泥复合胶凝材料体积安定性及水化活性的影响1007 [2]㊀张长森,李㊀杨,胡志超,等.钠盐激发钢渣水泥的早期水化特性及动力学[J].建筑材料学报,2021,24(4):710-715.ZHANG C S,LI Y,HU Z C,et al.Early hydration properties and kinetics of steel slag-cement activated by sodium salts[J].Journal of Building Materials,2021,24(4):710-715(in Chinese).[3]㊀WANG X B,LI X Y,YAN X,et al.Environmental risks for application of iron and steel slags in soils in China:a review[J].Pedosphere,2021,31(1):28-42.[4]㊀GUO J L,BAO Y P,WANG M.Steel slag in China:treatment,recycling,and management[J].Waste Management,2018,78:318-330.[5]㊀LAI M H,ZOU J J,YAO B Y,et al.Improving mechanical behavior and microstructure of concrete by using BOF steel slag aggregate[J].Construction and Building Materials,2021,277:122269.[6]㊀LE D H,SHEEN Y N,BUI Q B.An assessment on volume stabilization of mortar with stainless steel slag 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