钢渣碳酸化制备新型绿色加气混凝土制品结构与性能研究

罗华丽

(烟台职业学院 食品与生化工程系,山东 烟台 264670)

随着近三十年全球工业化快速发展,温室效应所导致的气候异常日益加剧。2015年中国向世界庄严承诺,2030年中国CO2排放将达到峰值,2060年实现碳中和。因此,除了传统的碳减排和绿色固碳等手段,中国还需在二氧化碳固定技术等实现突破,以助力实现碳达峰和碳中和的伟大目标[1]。

钢渣是一种碱性工业废弃物,因成本低廉和易于碳酸化处理,是一种理想的二氧化碳固定原料[2]。中国钢渣每年产量巨大,但资源利用率普遍较低,这种状况逐渐引起相关研究者关注。近年来,常钧教授[3]采取半干法碳酸化技术,制备钢渣加气混凝土制品,不但解决了有机保温材料耐火性差的问题[4],而且实现了钢渣的高效利用,扩大了无机保温材料的种类。该技术具有原料成本低、施工时间短、工艺简单易行、耐火性能高等显著优势。

本文以钢渣为骨料,采用半干法碳酸化工艺固定二氧化碳制备绿色建材制品,不仅能大量消耗钢渣废弃物,而且可实现二氧化碳的长期固定,生产出成本低廉、品质优良的碳酸化钢渣建材制品,一箭三雕。该研究符合国家环保降碳、以废制废、节能减排的政策要求[5,6]。

1 材料和方法

1.1 材料

钢渣是四川达州钢铁集团出炉钢渣;钢渣细粉是将出炉钢渣经“水淬”“磁选”“破碎”等工序处理后,经行星球磨机研磨至80 μm的钢渣细粉。硬脂酸钙和铝粉等其他试剂均从国药集团化学试剂有限公司采购。

1.2 方法

1.2.1 钢渣加气制品制备

将钢渣细粉和稳泡剂(硬脂酸钙)干混60 s,按照每千克混合料添加质量分数3%铝粉,混合60 s。按每千克混合料添加0.4千克去离子水,搅拌60 s。最终,将上述混合料倒入钢质带盖模具(容积40 mm×40 mm×40 mm ),温度控制在20±5 ℃,湿度控制在46%～50%,铝粉发泡充分养护30 min。当含水率达到25%～30%时,向模具中通入0.2 MPa体积浓度99%二氧化碳,碳酸化养护30 min。随后,将模具打开,将制品转移放入烘箱干燥30 min,即得。

按照中国建筑工业行业标准JG/T266-2011《干密度测试方法》进行试验,干密度ρ0计算按公式1计算。

(1)

其中：ρ0是试件未磨碎状态下干密度;m是试件干燥后的质量;V是试件未磨碎状态下的体积。

1.2.2 孔隙率

按照国家标准GB/T 208-2014《水泥密度测定方法》,将待测制品磨成细粉,细粉密度ρ按公式2计算;孔隙率P按公式3计算。

(2)

其中：ρ是水泥密度;m是水泥质量;V2是李氏瓶第二读数(mL);V1是李氏瓶第一读数(mL)。

(3)

其中：P是孔隙率;ρ0是试件未磨碎状态的密度;ρ是试件磨碎成细粉的密度。

1.2.3 抗压强度

按中国建筑工业行业标准JG/T266-2011《抗压强度测试方法》对试件进行测试。抗压强度按公式4计算。

(4)

1.2.4 吸水率

根据中国建筑工业行业标准JG/T266-2011《吸水率测试方法》对钢渣加气混凝土制品进行测试。吸水率按公式5计算。

(5)

其中：W是吸水率;m吸水后是试件吸水后的质量;m未吸水是试件吸水前的质量。

1.2.5 X射线衍射(XRD)

利用德国Bruker D8 ADVANCE型X射线衍射仪,表征矿物相态分子结构。测试条件：CuKɑ12,λ = 0.154 nm;管电压40 kV;管电流25 mA;2θ角为5°～80°;步长0.020°;每步0.5 s。测试样品质量控制在1.3～1.7克(结果见表1)。

表1 不同矿物的相态分子结构

1.2.6 TG-DTG 分析

采用Q500型热重分析仪,测定热稳定性能,N2气氛,升温速度10 ℃/min,温度50～1000 ℃。

1.2.7 傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)

采用IS50型傅里叶变换红外光谱仪测试,扫描范围为400～4000 cm-1,分辨率4 cm-1。

1.2.8 扫描电镜(SEM)

采用德国SEM 8230型扫描电镜进行微观形貌表征。

2 结果与讨论

2.1 发泡工艺

2.1.1 钢渣加气制品的宏观性能

碳酸化前后的钢渣加气混凝土制品宏观性能对比见表2。可见：碳酸化前后的钢渣加气混凝土制品孔隙率均高于80.0%以上,说明铝粉发泡性能良好。但碳酸化前后钢渣加气混凝土吸水率仅为13.2%和11.6%,说明形成封闭孔隙比率高。碳酸化前后抗压强度由0.64 MPa升高至1.01 MPa,说明碳酸化钢渣加气混凝土制品的内部孔结构稳定、抗压性能良好。

表2 铝粉发泡钢渣试块抗压能力、孔隙率和吸水率

2.1.2 XRD分析

图1为钢渣和铝粉发泡钢渣加气混凝土(48 h干燥)的XRD谱图。通过XRD谱图分析,可以发现：在2θ=38.0°附近,钢渣XRD谱图中出现了游离CaO衍射峰,但是铝粉发泡钢渣加气混凝土XRD游离CaO的衍射峰完全消失。在2θ=18.0°附近,钢渣XRD谱图中出现了高强度的CaOH的衍射峰,而铝粉发泡钢渣加气混凝土XRD谱图中没有出现CaOH的衍射峰;在2θ=29.2°附近,钢渣XRD谱图中出现了CaCO3的衍射峰,而铝粉发泡钢渣加气混凝土XRD谱图中的CaCO3的衍射峰消失。在2θ=11.0°附近,铝粉发泡钢渣加气混凝土XRD谱图中,出现了强度非常高的单碳铝酸钙盐的衍射峰。

图1 钢渣和铝粉发泡钢渣加气混凝土试块的XRD

综上,铝粉的添加可明显改变钢渣发泡混凝土的矿物组成。其中,钢渣混凝土体系因铝粉的加入,发生了一系列水化反应(见反应方程6-11)。

2.1.3 TG-DTG 分析

图2为铝粉发泡钢渣加气混凝土试块的TG-DTG 分析结果。经过测定,当温度介于50～300 ℃时,单碳铝酸钙盐的质量损失率高达9.6%,表现出较高的含水率。然而,当温度降至400～450 ℃时,未发现氢氧化钙的脱水现象,表明该物料未经过氢氧化钙的处理,从XRD测定的数据来看,也符合预期。

图2 铝粉发泡钢渣加气混凝土试块的 TG-DTG

2.1.4 FT-IR分析

图3 未碳酸化的钢渣和铝粉发泡加气混凝土试块的傅里叶红外光谱图

2.1.5 FE-SEM分析

图4为采用扫描电镜(SEM)表征铝粉发泡钢渣加气混凝土断面的微观形貌。由图4可见：气泡壁表面存在大量“网状骨架”(单碳型水化碳铝酸钙相)和“多孔凝胶链”(C-S-H凝胶相)共同构成的“凝胶-骨架网状”结构。

以铝粉作为发泡剂,与水反应放热量大,不仅促进了单碳型水化碳铝酸钙的形成,也加速了钢渣水化反应速度,还有利于C-S-H凝胶体的大量形成。这种C-S-H 凝胶可以填充在单碳型水化碳铝酸钙晶体网络骨架的孔隙内,形成致密的“凝胶-骨架网状”结构,从而大大提升了铝粉发泡加气混凝土的抗压强度和稳泡性能。

图4 铝粉发泡加气混凝土试块气泡壁FE-SEM图

2.2 加速碳酸化工艺

2.2.1 加速碳酸化处理钢渣加气制品的宏观性能

采用体积浓度99.9%的CO2在0.2 MPa压力下,对钢渣加气混凝土加速碳酸化养护2小时,发现制品抗压强度与抗压能力均明显提升(见表2)。试验发现,钢渣加气混凝土制品在经过2小时的加速碳酸化处理后,抗压强度等级由C0.5提升至C1.0(参照泡沫混凝土标准规范JG/T266-2011);已经接近高炉矿渣制备加气混凝土的抗压强度[19]。干密度则达到A6 级别干密度要求。通过铝粉、钢渣以及碳酸化技术制备的新型加气混凝土,不但具有成本低廉、工艺简单、耐火性好等经济效益,而且具有节能环保、以废治废、循环利用的社会价值。

2.2.2 XRD 分析

图5为碳酸化后钢渣加气混凝土的XRD图,从中可见：在2θ=29.2°附近有明显的方解石衍射峰;在2θ=24.8°附近出现了球霰石衍射峰;在2θ=26.5°附近出现了明显的文石衍射峰。与图1相比较,在2θ=11.0°附近,未碳酸化钢渣加气混凝土XRD谱图中出现了高强度的单碳型水化碳铝酸钙的衍射峰,而图5中单碳型水化碳铝酸钙的衍射峰消失,这说明碳酸化后钢渣加气混凝土的矿物组成发生了显著的变化,所形成新矿物具有致密的晶相微观结构,从而大大增强了其抗压强度。

图5 钢渣加气试块加速碳酸化处理后的 XRD 图

2.2.3 TG-DTG分析

使用TG/DTG分析仪,按10 ℃/min速率升温,在50～300 ℃区间测试(见图 6)。由图6 DTG曲线可见,100 ℃附近出现的失重峰,这主要是由于加速碳酸化后,Al(OH)3凝胶的形成和结合水的脱去所致[20];而自450 ℃左右起始到800 ℃左右结束的失重峰,最大失重速率峰出现在735 ℃附近,主要是结晶好的CaCO3晶体(方解石)的分解脱碳(CO2逸出)所致[21,22]。

图6 铝粉发泡钢渣加速碳酸化后试块的TG-DTG 曲线

2.2.4 FT-IR分析

图7 碳酸化钢渣与钢渣加气试块的FT-IR谱图

2.2.5 FE-SEM分析

利用SEM电镜,考察碳酸化钢渣加气混凝土的微观结构(见图8)。比较图4和图8,可以发现：未碳酸化钢渣加气混凝土气泡壁是由大量的“网状骨架”(单碳型水化碳铝酸钙)和“多孔凝胶链”(水化硅酸钙凝胶相)共同构成的“凝胶链接-网状骨架”结构。而碳酸化处理后钢渣加气混凝土气泡壁表面,主要以铝凝胶、硅凝胶和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶为粘结连续相(凝胶网络),以棒状文石结构为增强分散相(棒状晶体)。棒状的文石结构抗压模数高,能够增强钢渣加气混凝土的抗压强度。铝凝胶比表面积更大,对文石与方解石的粘结强度增大。因此,碳酸化处理后,钢渣加气混凝土形成了“凝胶网络-棒状晶体”纠缠结构,促使制品的抗压强度显著提升。

图8 碳酸化后铝粉发泡钢渣加气试块的

3 结论

本文考察了铝粉作为发泡剂,制备钢渣加气混凝土并深入讨论了微观性能对钢渣加气混凝土宏观性能的影响。

主要结论如下：(1)钢渣加气混凝土制品采用铝粉发泡工艺,发泡性能良好,孔隙率可达87.5%;(2)铝粉发泡钢渣浆体的水化过程中形成了水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,黏附或充填在单碳型水化碳铝酸钙晶体网络间隙,从而形成稳定的凝胶-网络结构,大大增强了钢渣颗粒之间的粘结强度,提高了浆体的稳泡能力和制品的抗压强度;(3)采用加速碳酸化处理后钢渣加气混凝土气泡壁表面,主要以凝胶网络为粘结连续相,以棒状文石结构为增强分散相,形成了“凝胶网络-棒状晶体”纠缠结构,促进了制品抗压强度的等级显著提升(达到C1.0级别)。

以钢渣为骨料、采用半干法碳酸化工艺固定二氧化碳,制备绿色建材制品,不仅能大量消耗钢渣废弃物,而且能够实现二氧化碳的长期固定,生产出成本低廉品质优良的碳酸化钢渣建材制品,符合国家环保降碳、以废治废、节能减排的政策要求。