碳酸化钢渣制品安定性分析

于宁，吴昊泽

（1. 山东华森建材集团有限公司，山东 济南 250101；2. 山东省水泥质监站，山东 济南 250002）

0 前言

钢渣是炼钢工业中所产生的工业废渣，随着钢铁生产技术的提高和发展，大量钢渣堆积成山。钢渣成分中含有大量游离氧化钙和游离氧化镁，游离氧化钙和氧化镁极不稳定，造成钢渣制品的安定性不良，这使得钢渣的二次利用受到了限制，同时钢渣的产量极大，需要占用大量土地，很容易污染环境[1-2]。碳酸化作为一项利用废弃物、节约资源和能源的先进技术，是处理钢渣的有效方法[3]，不仅能够固定空气中的 CO2，缓解温室效应，也可以消耗大量钢渣，减少对环境的污染。碳酸化是指将温室气体 CO2以碳酸盐（如 CaCO3和 MgCO3）的固体形式永久储存，即 CO2矿物固定[4-6]。本文利用钢渣、二氧化碳等工业排放物制备建筑材料。

1 试验部分

1.1 原料

本试验所用的钢渣为济南钢铁集团的转炉钢渣，粉磨后颗粒粒径约为 140～320μm，主要矿物组成为硅酸二钙、硅酸三钙、RO 相固溶体及游离氧化钙。

1.2 方法

首先准确称取 300g 试验所用的钢渣粉两份，分别倒入搅拌锅里，再称取适量激发剂，分别倒入搅拌锅里混合均匀，用 JJ-5 水泥胶砂搅拌机进行搅拌，结束后倒入尺寸 40mm×40mm×90mm 长方体试模中，用 TW-30 型电动压片机压制成型，恒压在 3MPa 的压力下保持 1 分钟，按照规范脱模后称量其一试样的质量（记为m1）。将其试样放入反应釜中，用单一的 CO2气体，分别在 0.20MPa，0.30MPa 及 0.40MPa 的气压下分三阶段进行碳酸化[7-8]，每个阶段 1h，共碳酸化 3h，称量碳酸化后试样的质量（记为 m2），用 SEM-EDS 和 XRD 法对试样的微观结构、碳酸化产物进行分析及性能测试。

2 结果与分析

2.1 XRD分析

用日本理学 RF-300EGM2 进行 XRD 分析，图 1 为钢渣未碳酸化及钢渣经过碳酸化的 XRD 曲线。从图 1可以看出，衍射峰明显增强的位置发生了变化，经过碳酸化后碳酸钙衍射峰明显，原先的 Ca(OH)2和 CaO 衍射峰基本看不到，说明反应釜中的 CO2与钢渣试样中的Ca(OH)2和 CaO 发生了一系列化学反应生成了 CaCO3；部分矿物的衍射峰基本没有变化如：C2S、C3S，说明它们没有发生碳酸化反应。

图 1 碳酸化前后钢渣试样的XRD曲线

2.2 安定性分析

在实际应用中，钢渣不能被充分利用的一个主要原因，是钢渣中含有大量的游离的氧化钙和氧化镁，导致钢渣的安定性不良，碳酸化钢渣的最终目的也是消除游离的氧化钙和氧化镁。为了检测钢渣试样的安全性，在压蒸温度为 25～210℃、时间 1～3h、压力为 2.5MPa的条件下，进行压蒸安全性试验，图 2 为压蒸安定性测试结果照片。

图 2 压蒸安定性测试结果照片

图 2(a) 看到的是未碳酸化钢渣制品压蒸前的外观，与碳酸化钢渣制品的外观没什么区别。在压蒸过程中发现：当压蒸温度为 25～100℃、压力为 0.3MPa、时间为 1h 时，未碳酸化钢渣制品有非常明显的裂纹；当温度升至 210℃、压力为 2.5MPa、压蒸 3h 时，未碳酸化钢渣完全粉碎（图 2(b)），而经过了碳酸化的钢渣制品在该条件下，只是表面略微泛白，其外形完好没有破碎并有一定的强度（图 2(c)）。用甘油乙醇法对未碳酸化钢渣及已碳酸化钢渣检测发现：未碳酸化钢渣中游离氧化钙的含量 W=4.75%～5.23%；而碳酸化钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁的含量分别为 0.81% 和 0.25%。说明，加速碳酸化可以较好地解决游离氧化钙和游离氧化镁水化过慢的问题，从而解决因膨胀而导致的钢渣制品安定性不良的问题。

3 结论

（1）钢渣制品经过碳酸化后空隙率降低、结构变得更加致密，同时表面及内部会生成大量碳酸钙颗粒。

（2）碳酸化钢渣制品强度的影响因素很多，除了钢渣自身的化学成分和结构还有物理机械作用、颗粒表面的交换和团料化作用、水化作用、碳酸化作用及填隙作用等方面。

（3）解决钢渣安定性不良的难题主要是消除游离氧化物的存在，而碳酸化压蒸可以很好的把游离氧化物转变成碳酸盐。