CN108609882B - 一种钢渣集料安定性改良方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢渣集料安定性改良方法，该方法通过在特定温度、特定湿度的碳化箱或碳化釜中，利用二氧化碳气体对筛选分级后的钢渣施加不同的碳化强度，尽可能的改善了钢渣的安定性，经此处理后的钢渣可制作成水泥砂浆、水泥混凝土、透水混凝土或沥青混凝土集料使用，具有较好的稳定性，钢渣的利用率得以大幅度提高。

Description

一种钢渣集料安定性改良方法
技术领域
本发明涉及建筑材料与固体废弃物技术领域，具体涉及一种钢渣集料安定性改良方法。
背景技术
我国钢材产量居全球之首，占全球50％左右。2016年钢渣产生量约为1.2亿吨，但是目前其综合利用率不足15％，将其作为集料是钢渣大规模综合利用的一种实用途径。
钢渣集料具有较高的强度、耐磨性，其与水泥浆体、沥青胶浆等结合紧密，是一种优质的潜在集料，特别是用作道路混凝土具有色深、耐磨、抗滑等天然集料难以匹敌的功能。然而钢渣安定性不好，其所含的少量f-CaO是根源，唐明述等(唐明述,袁美栖,韩苏芬,等.钢渣中MgO、FeO、MnO的结晶状态与钢渣的体积安定性[J].硅酸盐学报,1979(1):37-48+109-111.)的研究证明了其中RO相不构成对钢渣安定性的影响。
为突破钢渣集料在应用中的安定性谜题，我国科研人员尝试采用热焖、陈化等多种方法进行改进但是收效甚微。安定性问题解决不了将直接导致由钢渣集料所制备的多种建筑材料都会在服役早期或中期出现膨胀破坏。究其原因，热焖法采用了H2O作为消解剂，通过增加气压使得钢渣中的CaO发生如下反应而释放膨胀：
CaO+H2O＝Ca(OH)2 (1)
然而H2O会很快变为液相并填充在钢渣空隙中，水与固相间的物理化学作用力使得外界气压相形见绌，大大弱化了高压热焖对CaO的消解促进作用。因此钢渣中有相当部分的f-CaO在多年后仍然没有得到消解，在服役过程中f-CaO的继续消解将会导致结构破坏而影响工程质量甚至带来灾难性后果。
常钧等人(CN2008101390856、钢渣吸收二氧化碳废气碳化制备建材制品，2015)开发了一种利用二氧化碳对钢渣进行碳化处理改善其安定性的方法。该方法及类似技术大多在碳化前将钢渣与蒸馏水等均匀混合，然后再放入高压二氧化碳环境中进行碳化，或者是首先制备钢渣制品，然后将其放入高压二氧化碳环境中进行碳化。这两种方法虽然都能够改善钢渣或其制品的安定性，但是普遍存在操作复杂、成本高、适用范围小等不足。
本申请不同之处在于对钢渣的预处理操作简单，采用的是当前行业技术很成熟的筛分处理方法，钢渣无需与水混合也无需加入其它原料，碳化完成后可直接作为集料在混凝土中使用，无需继续筛分，操作简单、成本低。此外，针对不同筛分粒径钢渣的养护制定了详细的碳化标准，实施性强，碳化效果好，可在实际工程、产业中大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种钢渣集料安定性改良方法，该方法将破碎、筛分、分级后的钢渣颗粒置于一定二氧化碳分压和相对湿度的环境中做碳化处理，从而提高了钢渣的稳定性解决了钢渣安定性不良的问题。碳化完成后的钢渣作为水泥砂浆、水泥混凝土中的集料使用，可大幅增强钢渣砂浆及钢渣混凝土的稳定性，提高钢渣的利用率。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种钢渣集料安定性改良方法，包括以下步骤：首先对破碎选铁后的钢渣颗粒进行筛选分级，得到不同粒径范围的钢渣；然后利用高压二氧化碳(CO2)气体对筛选分级后的钢渣进行碳化处理即可。
进一步的，所述钢渣颗粒中CaO的含量在20％以上，R2O总含量(R2O表示碱金属氧化物)不大于3％。
进一步的，碳化处理的条件为：CO2分压(0.05-25)MPa，环境相对湿度为60％-95％，碳化强度(2-200)MPa·h，室温。
进一步的，碳化过程中还需要翻动钢渣以提高碳化均匀性，翻动频次随堆高度的增加与集料粒径的减少而加强。
进一步的，分别筛选出2.36mm以下、4.75mm以下、9.5mm以下、2.36-4.75mm、4.75-9.5mm、9.5-19mm、9.5-26.5mm、19-37.5mm其中一种或几种钢渣颗粒，分别进行碳化处理。不同粒径的钢渣碳化强度不同，分级筛选能够保证碳化效果以及钢渣集料在混凝土中的表现最佳。
更进一步的，2.36mm以下钢渣颗粒碳化强度为2-10MPa·h，4.75mm以下钢渣颗粒碳化强度为2-15MPa·h，9.5mm以下钢渣颗粒碳化强度为2-18MPa·h，2.36-4.75mm之间的钢渣颗粒碳化强度为5-20MPa·h，4.75-9.5mm之间的钢渣颗粒碳化强度为10-40MPa·h，9.5-19mm之间的钢渣颗粒碳化强度为20-80MPa·h，9.5-26.5mm之间的钢渣颗粒碳化强度为30-120MPa·h，19-37.5mm之间的钢渣颗粒碳化强度为50-200MPa·h。
进一步的，碳化处理后的钢渣进一步制作成水泥砂浆、水泥混凝土、透水混凝土或沥青混凝土集料。
本申请提出采用CO2作为消解剂在高压下消解钢渣的方法，其中涉及到的反应如下：
CaO+CO2＝CaCO3 (2)
CaCO3+H2O+CO2＝Ca(HCO3)2 (3)
Ca(HCO3)2＝CaCO3+H2O+CO2 (4)。
和传统热焖法相比，本申请方法保证了钢渣中f-CaO与消解剂CO2接触的持续性，形成具有良好胶结力的CaCO3，另外CaCO3自身强度和硬度高，在集料安定性消解的同时也保持了集料性能的稳定性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)通过精确调控钢渣颗粒的大小以及碳化强度，尽可能使钢渣中的f-CaO在高压条件下与CO2反应生成CaCO3，最大限度的改善了钢渣的安定性，提高了其强度；(2)简化了工艺降低了生产成本，钢渣碳化前仅需工艺成熟的筛分预处理，无需与水或其他原料混合，更不需要将其制成钢渣制品，碳化处理过的钢渣无需继续筛分，可直接作为集料在混凝土中使用，提高了钢渣的利用率；(3)适用性广，对于各种成分的钢渣均能很好的改善其安定性，实现废物再利用；(4)可操作性强，操作过程得到简化，同时研究制定了详细的操作标准，适合在工程中大规模推广应用，产品质量稳定。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。
本发明通过对钢渣进行分级筛分处理，针对不同粒径的钢渣颗粒施加不同的碳化强度，最大限度的解决了其安定性不良的问题。碳化强度(Carbonation intensity)CI＝CO2分压×碳化时间，其中CO2分压单位为MPa，碳化时间单位为小时h。
本发明实施例所使用的钢渣为武汉钢铁厂(简称武钢)破碎选铁之后的粒状废渣，其化学组成如表1所示。
表1原料钢渣的化学组分(wt％)
原材料 Loss SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O SO<sub>3</sub>
武钢渣 -5.1 23.97 11.84 19.41 28.15 10.94 0.37 0.18 0.72
实施例1
一种钢渣集料安定性改良方法，具体步骤如下：
(1)将破碎选铁后的钢渣颗粒进行分级处理，共分为Ⅰ组2.36mm以下、Ⅱ组2.36～4.75mm、Ⅲ组4.75～9.5mm、Ⅳ组9.5～19mm、Ⅴ组19～37.5mm这五档。每档钢渣各取两份5kg的样品，其中一组作为实验组，另一组作为空白对照组。分别将两组样品置于碳化箱或碳化釜中摊匀，碳化时间选定为21d。
(2)实验组碳化箱或碳化釜的碳化强度分别设置为3MPa·h、7MPa·h、12MPa·h、22MPa·h、54MPa·h，与之对应的CO2分压强度分别为0.0059MPa、0.00139MPa、0.0238MPa、0.0437MPa和0.1071MPa。碳化箱或碳化釜内气体相对湿度为70±5％，温度控制在20±2℃。
(3)空白对照组碳化箱或碳化釜内气体相对湿度为70±5％，温度控制在20±2℃，气体组成与空气组成相同。
(4)碳化过程中每隔8h根据碳化箱或碳化釜中碳化强度值从小到大的顺序依次翻动一次，保证钢渣与碳化气体充分接触和反应，以达到最好的碳化效果。
(5)碳化反应完成后，对碳化效果即钢渣的安定性进行测试。测试方法具体如下：将碳化箱或碳化釜中的钢渣取出筛分，得到不同粒径钢渣的筛上余量γ1；然后对其作压蒸实验处理，先放入水中浸泡24h，接着将其转移至烘箱中，在4h内由室温均匀升至150℃，恒温6h后取出再次筛分，得到不同粒径钢渣的筛上余量γ2。筛余指数I的表达式如下：
I＝(γ2-γ1)/γ1×100％
分别用I1和I2表示碳化组和空白对照组钢渣的筛余指数。安定性改良率用N来表示，其表达式为：
N＝(I1-I2)/I2×100％
通过实验确定的各样品筛余指数及安定性改良率结果如下表2所示。
表2实施例1各样品筛余指数及安定性改良率结果表
粒径(mm) I<sub>1</sub> I<sub>2</sub> N
2.36以下 90.25％ 13.67％ 5.602048281
2.36～4.75 86.75％ 14.83％ 4.84962913
4.75～9.5 83.21％ 17.05％ 3.880351906
9.5～19 78.38％ 19.54％ 3.011258956
19～37.5 69.62％ 18.25％ 2.814794521
由表2可知，筛选分级后的五档钢渣按照标号从小到大的顺序，安定性改良率分别为560.20％、484.96％、388.03％、301.13％和281.48％。
实施例2
实施例2与实施例1的步骤基本相同，不同之处在于：实验组I至Ⅴ组钢渣的碳化强度分别设定为6MPa·h、12.5MPa·h、25MPa·h、50MPa·h、125MPa·h，与之对应的碳化箱或碳化釜中CO2分压强度分别为0.0119MPa、0.0248MPa、0.0496MPa、0.0992MPa和0.2480MPa。由此确定的各样品筛余指数及安定性改良率结果如表3所示。
表3实施例2各样品筛余指数及安定性改良率结果表
Figure BDA0001678700750000051
Figure BDA0001678700750000061
由表3可知，筛选分级后的五档钢渣按照标号从小到大的顺序，安定性改良率分别为615.07％、529.94％、423.15％、342.56％和316.45％。
实施例3
实施例3与实施例1的步骤基本相同，不同之处在于：实验组I至Ⅴ组钢渣的碳化强度分别设定为9MPa·h、18.5MPa·h、36MPa·h、78MPa·h、196MPa·h，与之对应的碳化箱或碳化釜中CO2分压强度分别为0.0179MPa、0.0357MPa、0.0714MPa、0.1548MPa和0.3889MPa。由此确定的各样品筛余指数及安定性改良率结果如表4所示。
表4实施例3各样品筛余指数及安定性改良率结果表
粒径(mm) I<sub>1</sub> I<sub>2</sub> N
2.36以下 98.18 12.54 6.829346093
2.36～4.75 95.26 13.82 5.892908828
4.75～9.5 92.64 16.05 4.771962617
9.5～19 87.09 18.82 3.627523911
19～37.5 79.18 17.72 3.468397291
由表4可知，筛选分级后的五档钢渣按照标号从小到大的顺序，安定性改良率分别为682.93％、589.29％、477.20％、362.75％和346.84％。
实施例4
实施例4与实施例1的步骤基本相同，不同之处在于：筛选分级后的钢渣共分为Ⅰ组2.36mm以下、Ⅱ组4.75mm以下、Ⅲ组9.5mm以下、Ⅳ组9.5～19mm、Ⅴ组9.5～26.5mm这五档。实验组I至Ⅴ组钢渣的碳化强度分别设定为6MPa·h、8MPa·h、12MPa·h、50MPa·h、75MPa·h，与之对应的碳化箱或碳化釜中CO2分压强度分别为0.0119MPa、0.0159MPa、0.0238MPa、0.0992MPa和0.1488MPa。由此确定的各样品筛余指数及安定性改良率结果如表5所示。
表5实施例4各样品筛余指数及安定性改良率结果表
Figure BDA0001678700750000062
Figure BDA0001678700750000071
由表5可知，筛选分级后的五档钢渣按照标号从小到大的顺序，安定性改良率分别为669.00％、604.01％、555.86％、356.25％和336.64％。

Claims (4)

1.一种钢渣集料安定性改良方法，其特征在于，包括以下步骤：首先对破碎选铁后的钢渣颗粒进行筛选分级，分别得到2.36mm以下、4.75mm以下、9.5mm以下、2.36-4.75mm、4.75-9.5mm、9.5-19mm、9.5-26.5mm、19-37.5mm的钢渣；然后利用高压二氧化碳气体对筛选分级后的钢渣进行碳化处理；碳化处理的条件为：CO2分压(0.05-25)MPa，环境相对湿度60％-95％，室温；其中2.36mm以下钢渣颗粒碳化强度为2-10MPa·h，4.75mm以下钢渣颗粒碳化强度为2-15MPa·h，9.5mm以下钢渣颗粒碳化强度为2-18MPa·h，2.36-4.75mm之间的钢渣颗粒碳化强度为5-20MPa·h，4.75-9.5mm之间的钢渣颗粒碳化强度为10-40MPa·h，9.5-19mm之间的钢渣颗粒碳化强度为20-80MPa·h，9.5-26.5mm之间的钢渣颗粒碳化强度为30-120MPa·h，19-37.5mm之间的钢渣颗粒碳化强度为50-200MPa·h。
2.如权利要求1所述的一种钢渣集料安定性改良方法，其特征在于：所述钢渣颗粒中CaO的含量在20％以上，R2O总含量不大于3％。
3.如权利要求1所述的一种钢渣集料安定性改良方法，其特征在于：碳化过程中还需要翻动钢渣数次。
4.如权利要求1所述的一种钢渣集料安定性改良方法，其特征在于：碳化处理后的钢渣进一步制作成水泥砂浆、水泥混凝土、透水混凝土或沥青混凝土集料。
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