风淬钢渣的体积安定性研究

我国钢渣特性与主要处理方法及资源化利用现状
庄剑恒;朴星君;王冠
【期刊名称】《冶金标准化与质量》
【年(卷),期】2024(62)1
【摘要】我国钢铁产量已超过世界总产量的50%,钢渣作为钢铁行业主要固废,仅2022年的年产量就高达1.53亿t,目前钢渣的综合利用率不足30%,远低于发达国家利用水平,急需对其进行有效处理和处置。

目前针对钢渣利用的介绍较多,缺乏综合钢渣特性的全面系统介绍。

鉴于此,本文详细介绍了钢渣物化特性,钢渣主要处理方法以及钢渣的资源化利用方式,为我国钢渣处理提供更加全面和的参考。

【总页数】5页(P32-36)
【作者】庄剑恒;朴星君;王冠
【作者单位】湛江中冶环保运营管理有限公司;中冶节能环保有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TF70
【相关文献】
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钢渣风淬法工艺流程和注意事项下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.01.002浸水环境下钢渣骨料体积胀裂与强度劣化试验研究余 浩1,孟秀元2,林 顺1,常文伟2,磨炼同1,肖 月1(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉430070;2.山西路桥集团阳蟒高速公路有限责任公司,晋城048100)摘 要: 采用四种不同产地的钢渣骨料进行不同温度的浸水胀裂试验,通过X R D 检测了不同浸水时间胀裂钢渣颗粒中C a O 相㊁C a (OH )2相与C a C O 3相的衍射峰强度,并开展了钢渣骨料浸水前后压碎值试验㊂试验结果表明游离氧化钙含量高和多孔性高的钢渣更易发生胀裂,浸水温度对钢渣胀裂影响最大,浸水胀裂的钢渣骨料发生f -C a O 消解和碳化反应而持续生成C a (OH )2和C a C O 3㊂钢渣骨料浸水处理后强度劣化程度可用压碎值增量表征㊂关键词: 钢渣; 体积安定性; 游离氧化钙; 浸水处理; 胀裂行为S t u d y o nV o l u m eE x p a n s i o nC r a c k i n g a n dS t r e n g t hD e g r a d a t i o no f S t e e l S l a g A g g r e ga t e u n d e rW a t e r I m m e r s i o n Y U H a o 1,M E N GX i u -y u a n 2,L I NS h u n 1,C HA N G W e n -w e i 2,M OL i a n -t o n g 1,X I A OY u e 1(1.S t a t eK e y L ab o r a t o r y o f S i l ic a t eM a t e r i a l s f o rA r c h i t e c t u r e s ,W u h a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,W u h a n430070,C h i n a ;2.S h a n x iR o a da n dB r id g eG r o u p Y a n g m a n g E x p re s s w a y C oL t d ,J i n c h e n g 048100,C h i n a )A b s t r a c t : F o u r t y p e s of s t e e l s l ag sw i th di f f e r e n t o r i g i n sw e r e u s e d f o rw a t e r i mm e r s i o n t e s t sw i t h d i f f e r e n t t e m p e r -a t u r e s .X R D t e s t w a sc a r r i e do u to nc r a c k e ds t e e ls l a g a g g r e g a t e s .T h ed i f f r a c t i o n p e a ki n t e n s i t y ofC a O p h a s e ,C a (OH )2p h a s e a n dC a C O 3p h a s ew a su s e d t o a n a l y z e t h e e f f e c t o f f r e eC a Oc o n t e n t o n a g g r e g a t e c r a c k i n g .A g g r e g a t e c r u s h i n g v a l u e t e s tw a s p e r f o r m e do ns t e e l s l a g b e f o r ea n da f t e rw a t e r i mm e r s i o n .T e s t r e s u l t ss h o wt h a th i gh e r f r e e C a Oc o n t e n t a n d p o r o s i t y r e s u l t s i nm o r e s u s c e p t i b l e c r a c k i n g a n d i mm e r s i o nw a t e r t e m p e r a t u r e h a s t h em o s t i n f l u e n c e o n s t e e l s l a g c r a c k i n g .T h eh y d r a t i o na n dc a r b o n a t i o nh a p p e n e di nc r a c k e ds t e e l s l a g a g g r e g a t e s ,w h i c hc o n t i n u o u s l y f o r m e dC a (OH )2p h a s e a n dC a C O 3p h a s e .T h e d e g r e e o f s t r e n g t hd e g r a d a t i o n a f t e rw a t e r i mm e r s i o n c a nb e c h a r a c t e r -i z e db y u s i n g t h e i n c r e a s e o na g g r e g a t e c r u s h i n g v a l u e .K e y wo r d s : s t e e l s l a g ; v o l u m e s t a b i l i t y ; f r e eC a l c i u m O x i d e ; w a t e r i mm e r s i o n t r e a t m e n t ; c r a c k i n g b e h a v i o r 收稿日期:2021-09-18.基金项目:国家重点研发计划项目(2019Y F C 1904900);山西路桥集团科研课题(D 03(201912)01)和山西交通厅科技项目(2021-1-7).作者简介:余 浩(1997-),硕士生.E -m a i l :303621@w h u t .e d u .c n 通讯作者:磨炼同(1979-),副研究员.E -m a i l :m o l t @w h u t .e d u .c n 钢渣是钢铁厂冶金过程中产生的工业固体废弃物,每生产1t 钢铁就会产生约0.15t 钢渣㊂公路工程建设用集料的消耗巨大,利用钢渣集料代替传统碎石骨料可实现钢渣固体废弃物的资源化再利用,具有明显的经济和社会效益[1-3],然而钢渣的体积安定性问题是制约其大规模应用的关键原因㊂造成钢渣体积安定性不良的主要原因是钢渣中f -C a O 与f -M g O 在陈化过程中水化生成C a (O H )2与M g (O H )2,使体积膨胀分别增加98%与148%,产生较大的局部膨胀应力,导致钢渣颗粒的强度劣化,甚至膨胀开裂[4-6]㊂钢渣体积膨胀的原因复杂,与f -C a O ㊁f -M g O 的含量与分布,生成的C a (O H )2结构以及R O 相的固溶形态等有关㊂目前国内外学者针对钢渣体积安定性不良的问题做了大量研究㊂徐帅等[7]采用钢渣集料㊁钢渣微粉与橡胶沥青制备钢渣透水沥青混合料并对其进行膨胀性测试,发现钢渣集料经过长期堆存后f -C a O 得到消解,膨胀率较低,混合料体积稳定性得到改善㊂侯新凯等[8]采用钢渣微粉与水泥熟料制成钢渣水泥在常温长期养护并检测体积膨胀率,发现膨胀缓慢,前期60d 是快速膨胀阶段,2~15个月是慢速膨胀阶段,15建材世界 2022年 第43卷 第1期个月后达到稳定发展阶段㊂吕杨[9]将f-C a O掺入到基准水泥中,发现水泥净浆试样压蒸膨胀率的增加速度随f-C a O掺量的增加而呈指数级加快㊂G e r g e o W a n g等[10]依据f-C a O水化过程中的理化反应与体积膨胀模型,建立f-C a O含量与钢渣骨料极限膨胀率之间的对应关系,并通过74ħ热水浸泡试验验证其膨胀率7d 可达到稳定㊂金年生[11]开展钢渣10d水浴浸泡试验,发现钢渣在第5d后膨胀减缓并趋于稳定㊂上述文献中关于钢渣水泥㊁钢渣骨料及钢渣沥青混凝土的研究表明,降低钢渣骨料中f-C a O含量可很好地改善体积安定性,因此需要加强源头控制f-C a O含量和破碎自然陈化处置㊂为了研究浸水陈化对不同钢渣骨料中游离氧化钙消解以及体积膨胀开裂的影响,开展了不同条件的浸水胀裂试验并通过钢渣骨料的浸水体积胀裂特性和强度劣化研究了解钢渣骨料水稳定性以便优化陈化工艺和提高体积安定性㊂1试验1.1原材料试验采用粒径为4.75~9.5mm和9.5~13.2mm的河南信阳钢渣A㊁河南舞阳钢渣B㊁山西太原钢渣C和陕西钢渣D四个不同产地热焖钢渣骨料,其游离氧化钙含量分别为2.96%,0.45%,0.89%和1.02%㊂因钢渣骨料具有多孔性,为了对比钢渣骨料多孔性对体积安定性的影响,将每种钢渣骨料按颗粒孔隙特征人工分选为多孔型钢渣A1㊁B1㊁C1㊁D1与密实型钢渣A2㊁B2㊁C2㊁D2㊂1.2试验方法选用粒径为4.75~9.5mm的代表性钢渣骨料300颗,每一颗单独放入冰格模具的一个方格内㊂冰格模具浸泡在指定水温的恒温水箱内,记录浸泡过程中累计发生胀裂的钢渣颗粒数量并除以浸水颗粒总数得到钢渣骨料胀裂率,及时取出试验过程中发生胀裂的钢渣颗粒用于后面X R D检测分析㊂X R D物相检测选取浸水前钢渣颗粒样品㊁浸水胀裂试验过程中不同时间段出现胀裂的钢渣颗粒样品以及试验后未发生胀裂的颗粒样品㊂浸水胀裂试验的浸水时间设计如下:1)25ħ浸水胀裂试验时间为60d,模拟常温饱水条件下长期陈化过程;2)60ħ浸水胀裂试验时间为14d,模拟钢渣骨料用于道路工程时夏季高温饱水条件下陈化反应过程;3)90ħ浸水胀裂试验时间为14d,模拟钢渣骨料高温加速陈化反应过程以检验其极限抗胀裂能力㊂4)考虑到高温浸水可促进f-C a O消解,加速钢渣骨料体积膨胀和开裂,在完成60d的25ħ浸水胀裂试验后再进行14d的90ħ浸水胀裂试验㊂5)同理在完成14d的60ħ浸水胀裂试验后再进行14d的90ħ浸水胀裂试验㊂选用粒径为9.5~13.2mm的原样钢渣样品与浸水处理14d的钢渣骨料样品按照‘公路工程集料试验规程“(J T GE42 2005)[12]的要求进行钢渣骨料浸水前后压碎值试验㊂2胀裂试验结果与分析2.1浸水温度对钢渣骨料胀裂的影响图1为河南信阳钢渣在不同温度下的浸水胀裂试验结果㊂从图1可以看出,信阳钢渣经过25ħ浸水14d试验后未出现胀裂,表明常温浸水环境下钢渣颗粒难以发生膨胀开裂,而在温水与高温环境下体积安定性明显不良,浸泡1d时有明显胀裂现象,4d后基本达到稳定㊂多孔型钢渣A1因其多孔性加速水分渗透,促进水分与f-C a O发生消解反应,因此在同等温度条件下多孔型钢渣A1比密实型钢渣A2更早发生胀裂且较早达到稳定,表明f-C a O与水接触难易程度在一定程度上影响了钢渣骨料的浸水胀裂行为㊂信阳钢渣体积安定性对不同温度条件表现敏感,90ħ浸水试验无论是钢渣颗粒胀裂数量增长的速率还是最终的胀裂率都明显高于25ħ和60ħ浸水胀裂率㊂图2与图3给出了河南舞阳钢渣㊁太原钢渣与陕西钢渣在不同温度下的浸水胀裂试验结果㊂可以看出,舞阳钢渣经过25ħ和60ħ浸水14d试验后均未出现胀裂情况,表明在正常使用的温度环境下,舞阳钢渣颗粒难以发生膨胀开裂㊂当浸水温度升高到90ħ后多孔型钢渣与密实型钢渣在第1d便出现颗粒胀裂,且前者比后者胀裂率更高㊂总体而言,舞阳钢渣在常温和温水环境下体积安定性良好,这与其中f-C a O含量低有关㊂山西太原钢渣C和陕西钢渣D经过25ħ和60ħ的14d浸水试验后均没有出现胀裂情况,特别是太原钢渣,即使浸水温度升高到90ħ,在浸泡14d后的胀裂率仍为0,表现出很好的浸水稳定性㊂陕西钢渣胀裂率在2~3d即可达到稳定,表明其发生浸水胀裂概率小㊂2.2钢渣骨料25ħ+90ħ浸水胀裂试验结果前面浸水胀裂试验结果表明不同钢渣骨料胀裂行为对浸水温度和时间敏感性差异大㊂25ħ常温浸水14d未观察到钢渣骨料发生胀裂,为检验其是否与试验周期过短有关,故将四种钢渣经25ħ常温浸水试验60d并观察骨料胀裂发展过程㊂实际试验结果发现所有钢渣即使25ħ浸水60d也未出现胀裂,再将上述常温浸水60d后的钢渣进行14d的90ħ浸水试验㊂试验结果发现,与前面直接进行90ħ浸水试验一样,信阳钢渣在常温浸水60d后再进行90ħ浸水试验的第1d便出现颗粒集中胀裂,至第4d不再出现胀裂钢渣颗粒,多孔型钢渣A1的胀裂率比密实型钢渣A2胀裂率更高,如图4所示㊂而舞阳钢渣㊁太原钢渣与陕西钢渣在后续90ħ浸水试验中的胀裂率均不超过4%,且在4d内达到稳定,表明舞阳钢渣㊁太原钢渣与陕西钢渣三种钢渣骨料的f-C a O的含量低,但不同试验样品的体积安定性差异较大,最终浸水胀裂率与试验选材有关㊂2.3钢渣骨料60ħ+90ħ浸水胀裂试验结果为检验60ħ浸水试验对f-C a O消解程度以及水温从60ħ升高到90ħ后钢渣骨料的浸水稳定性,先将四种钢渣分别进行14d的60ħ浸水试验后再取出放入90ħ恒温水浴中开展额外14d浸水胀裂试验,试验结果如图6所示㊂由图6可以看出,信阳钢渣在60ħ浸水14d后再开展90ħ浸水14d试验与直接90ħ浸水14d试验相同,在试验的第一天便出现胀裂颗粒,多孔型钢渣A1最终胀裂率更高,其对温度变化的敏感性更高㊂但与直接90ħ浸水试验结果不同的是,信阳钢渣第1d并未出现集中胀裂行为,胀裂率一直以平缓的速度增长至第3~4d后达到稳定㊂且后续90ħ浸水胀裂率不超过5%,远低于直接90ħ浸水试验的胀裂率㊂舞阳钢渣在整个28d试验周期内未出现胀裂行为,即使温度升高至90ħ也表现出很好的稳定性㊂太原钢渣中,多孔型钢渣C1在90ħ浸泡第1d便出现胀裂钢渣,且此后胀裂率一直稳定在2%,密实型钢渣C2则未出现胀裂颗粒㊂陕西钢渣中,多孔型钢渣D1在90ħ浸泡第1d出现胀裂颗粒,密实型钢渣D2在浸泡的第2d 才出现胀裂颗粒,二者的最终胀裂率分别稳定在3%与1%㊂上述试验结果表明浸水温度从60ħ增加至90ħ不能使钢渣颗粒出现集中胀裂,钢渣骨料对较高范围内的浸水温度变化表现低敏感性㊂60ħ浸水条件相对温和,f -C a O 消解速度不及90ħ浸水条件,属于慢速消解型,但随着浸泡时间延长,钢渣骨料中f -C a O 也能得到大量消解,再经90ħ浸泡后能进一步消解f -C a O 从而使最终胀裂率下降㊂3 钢渣矿物组成X R D分析为进一步分析钢渣在浸泡过程中f -C a O 的消解反应程度,采用在不同浸泡条件下骨料胀裂率最大的信阳钢渣A 进行X R D 检测,开展不同浸泡时间下胀裂的信阳钢渣样品中矿物组成f -C a O ㊁C a (O H )2与C a -C O 3的含量变化分析㊂图7所示的X RD 图谱给出了A 钢渣中C a O ㊁C a (O H )2与C a C O 3三种矿物相对应的特征衍射峰及其强度㊂在所有胀裂钢渣样品的X R D 图谱中,f -C a O 相的3个衍射峰同时出现,表明所有钢渣样品中均含有f -C a O ㊂由于原样钢渣未进行浸泡试验,X RD 图谱中未现明显的C a (O H )2相与C a C O 3相的衍射峰㊂在第1d 胀裂钢渣样品㊁第4d 胀裂钢渣样品与第14d 胀裂钢渣样品的X R D 图谱中均出现C a (OH )2相与C a C O 3相衍射峰㊂随着浸泡时间的延长,f -C a O 相的衍射峰强度持续衰减,表明钢渣经浸泡后f -C a O 相逐渐消解㊂另外,在钢渣浸泡后,随着高活性f -C a O 相的快速水解,生成的C a (O H )2的衍射峰在第1d 就出现,并在第4d 达到峰值㊂由于在浸泡过程中C a (O H )2相进一步发生碳化反应生成C a C O 3,C a C O 3相的衍射峰强度一直处于上升趋势,表明随着f -C a O 消解和碳化反应的进行不断有C a C O 3生成㊂4 压碎值试验结果分析对于强度劣化的钢渣可通过压碎值试验进一步表征,因此分别开展了四种钢渣25ħ㊁60ħ与90ħ浸水处理14d 后的压碎值试验,利用压碎值增量检验钢渣强度劣化程度,试验结果见表1㊂不同钢渣经不同温度浸水处理后的压碎值呈增大的趋势,且浸水温度越高,压碎值增量越明显㊂整体而言,25ħ浸水处理对钢渣的压碎值影响有限,压碎值增量很小;60ħ浸水处理对钢渣的压碎值影响也不明显;90ħ浸水对钢渣的压碎值影响较大,特别是信阳钢渣经90ħ浸水处理后压碎值增加2.8%,增量最大㊂总体而言,浸水处理对钢渣的压碎值影响不大,即使在苛刻的90ħ浸泡条件下,其压碎值增量小于3%㊂建材世界 2022年 第43卷 第1期建材世界2022年第43卷第1期表1浸水条件对钢渣压碎值的影响检测项目A B C D常规压碎值/%18.916.815.014.725ħ浸水14d压碎值/%19.117.015.314.960ħ浸水14d压碎值/%19.817.315.815.490ħ浸水14d压碎值/%21.717.616.315.7压碎值增量*2.80.81.31.0*注:压碎值增量=90ħ浸水14d压碎值-常规压碎值㊂5结论a.不同产地钢渣骨料的浸水胀裂行为差异较大,游离氧化钙含量高的钢渣更易发生胀裂,此外多孔型钢渣比密实型钢渣更易发生胀裂㊂钢渣骨料的浸水胀裂行为对温度和时间依赖性大㊂常温浸泡60d钢渣骨料发生胀裂机率极小,60ħ浸泡14d钢渣会出现明显胀裂,而90ħ浸泡14d钢渣胀裂最为显著㊂b.浸水胀裂的钢渣骨料X R D图谱中均出现显著C a(OH)2相与C a C O3相衍射峰,且随着浸泡时间的延长,f-C a O相的衍射峰强度持续衰减,而C a(O H)2和C a C O3的衍射峰逐渐增强,表明在浸泡过程中f-C a O 发生消解导致骨料胀裂,且90ħ浸泡相比60ħ浸泡更能促进钢渣中游离氧化钙的消解和骨料胀裂㊂c.25ħ和60ħ浸泡对压碎值影响小,而高温90ħ浸水处理对钢渣的抗压碎能力较为苛刻,因此可检测其高温浸水处理后的压碎值增量来评价其体积稳定性㊂d.提高钢渣骨料稳定性应从源头处理工艺着手,延长热闷时间应是最为有效的方法,破碎和自然堆放陈化进程缓慢㊂对于稳定性差的钢渣,应在延长陈放时间的同时加强开展90ħ浸水胀裂试验检测以降低使用风险㊂参考文献[1] O s m a nG e n c e l,O m e rK a r a d a g,O s m a nH u l u s iO r e n,e t a l.S t e e l S l a g a n d I t sA p p l i c a t i o n s i nC e m e n t a n dC o n c r e t eT e c h-n o l o g y:A R e v i e w[J].C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n g M a t e r i a l s,2021(283):122783.[2]何亮,詹程阳,吕松涛,等.钢渣沥青混合料应用现状[J].交通运输工程学报,2020,20(2):15-33.[3]林振华,孟秀元,程千,等.沥青混凝土用钢渣集料加工与试验分析[J].建材世界,2021,42(1):12-15,28.[4]毛志刚,蓝天助,张红日,等.钢渣特性及在道路工程中的应用研究[J].中外公路,2019,39(5):233-236.[5]林志伟,颜峰,郭荣鑫,等.富水环境下钢渣骨料体积膨胀行为及抑制方法研究现状综述[J].硅酸盐通报,2019,38(1):118-124.[6]刘云鹏,庞凌,邹莹雪.热闷和热泼钢渣砂的体积稳定性能研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2020,44(6):1113-1117.[7]徐帅,朱绘美,刘文欢,等.钢渣透水沥青混合料性能的影响因素研究[J].新型建筑材料,2016,43(12):53-56.[8]侯新凯,徐德龙,薛博,等.钢渣引起水泥体积安定性问题的探讨[J].建筑材料学报,2012,15(5):588-595.[9]吕杨.钢渣中f-C a O膨胀性研究[D].北京:北京化工大学,2017.[10]W a n g G,W a n g Y,G a oZ.U s e o f S t e e l S l a g a s aG r a n u l a rM a t e r i a l:V o l u m eE x p a n s i o nP r e d i c t i o n a n dU s a b i l i t y C r i t e r i a[J].J o u r-n a l o fH a z a r d o u sM a t e r i a l s,2010,184(1):555-560.[11]金年生.钢渣骨料沥青混合料路用性能研究[J].公路交通技术,2019,35(1):18-23.[12]J T GE42 2005,公路工程集料试验规程[S].。