CN116854393B - 碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石。本发明利用钢渣作为主要原料，对其进行硫化、碳化处理后用于生产钢渣基胶凝材料和骨料，其中钢渣基胶凝材料可完全替代水泥，骨料可部分替代天然碎石作为集料，通过调整级配，共同制备钢渣基稳定碎石，其抗压强度高，抗裂性能强，可广泛应用于道路施工，尤其适用于路面基层、底基层的施工，稳定性良好，实现钢渣固废和工业废气的无害化处理与价值化利用，提高环境效益和市场价值。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石。
背景技术
钢渣是炼钢过程的副产品，是经高温熔融或半熔融状态而后形成的多种矿物的集合体。确切地说，钢渣是由石灰或萤石等造渣材料、炉衬的侵蚀以及铁水中硅、铁等物质氧化而成的复合固溶体。虽然近三十年来世界各国对钢渣的综合利用进行了广泛的研究，但仍然存在大量的钢渣堆存在堆场，该大量的钢渣被丢弃处置，既占了大量的良田，污染了环境，又造成了巨大的资源浪费。传统建筑材料主要来自自然资源，自然资源并非是取之不尽用之不竭的，道路工程建设更是砂石消耗大户。作为可持续发展战略的一部分，工业固体废物的综合利用技术急待提高，钢渣作为主要的工业固体废弃物之一，如何将它合理有效地应用到道路工程中是目前研究的热点。
道路用集料的基本要求是:足够的力学性能，良好的气候稳定性、化学稳定性及稳定的施工性能。钢渣具有良好的强度、硬度、耐磨性和耐冲击性，且其中含有与硅酸盐水泥熟料相似的矿物成分（硅酸二钙和硅酸三钙），具有一定的水硬活性，这是普通砂石不具有的性能。
一般地，作为最为常用的道路工程材料，胶凝材料稳定碎石广泛应用于路面基层、底基层的建设当中。与柔性基层材料相比，胶凝材料稳定碎石强度高、承载力大、水稳性好、耐冲刷、板体性强，且能够因地制宜地利用当地砂石材料，节省建设成本。然而，传统胶凝材料稳定碎石也存在一定不足：由于刚性材料脆性较大，对于温度及湿度变化较为敏感，温缩及干缩易导致裂缝并反射至路面，造成路面服役性能大幅降低。
发明内容
为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，本发明利用钢渣作为主要原料，对其进行硫化、碳化处理后用于生产钢渣基胶凝材料和骨料，其中钢渣基胶凝材料可完全替代水泥，骨料可部分替代天然碎石作为集料，通过调整级配，共同制备钢渣基稳定碎石，其抗压强度高，抗裂性能强，可广泛应用于道路施工，尤其适用于路面基层、底基层的施工，稳定性良好，实现钢渣固废和工业废气的无害化处理与价值化利用，提高环境效益和市场价值。
具体的，本发明碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，由以下重量份原料组成：集料100份，碳化钢渣细粉2-2.5份，硫化钢渣细粉2-2.5份，水4.5-6.5份，
其中，所述集料组成为：集料A由碎石组成，粒径20-30mm且占集料总重量的20-32%；集料B由碳化钢渣：碎石按10:90重量比组成，粒径10-20mm且占集料总重量的24-36%；集料C由碳化钢渣：碎石按50:50重量比组成，粒径5-10mm且占集料总重量的12-18％；集料D由碳化钢渣组成，粒径3-5mm且占集料总重量的3-5％；集料E由碳化钢渣组成，粒径为0-3mm且占集料总重量的20-30％，
并且，集料合成级配满足：通过筛孔尺寸为31.5mm的百分率为100%、通过筛孔尺寸为26.5mm的百分率为94-98%、通过筛孔尺寸为19.0mm的百分率为75-82%、通过筛孔尺寸为9.5mm的百分率为37.7-46.8%、通过筛孔尺寸为4.75mm的百分率为25-32%、通过筛孔尺寸为2.36mm的百分率为17.5-23.2%、通过筛孔尺寸为0.6mm的百分率为11-15%以及通过筛孔尺寸为0.075mm的百分率为0-5%。
优选的，本发明钢渣来自于自然堆存的转炉钢渣。
优选的，本发明所述碳化钢渣由钢渣颗粒在压力-湿法条件下对含碳废气进行脱碳处理得到，更优选的，碳化钢渣中游离氧化钙的含量为0.1±0.05%，消除了体积不稳定性。
所述碳化钢渣细粉由碳化钢渣进行细磨得到，
所述硫化钢渣细粉由钢渣颗粒在压力-湿法条件下对含硫含碳废气进行脱硫处理处理后经细磨得到。
优选的，所述含硫含碳废气由工业废气进行脱销、除尘处理得到，所述含碳废气由钢渣颗粒在压力-湿法条件下对含硫含碳废气进行脱硫处理处理后得到。更优选的，含硫含碳废气中二氧化碳浓度为10-100%，二氧化硫浓度为1-10%。
优选的，所述工业废气为燃煤电厂废气、水泥窑废气、钢铁厂高炉尾气的至少一种。
优选的，压力-湿法条件采用盛放吸收液并设置进气管路、出气管路的加压装置。
优选的，所述吸收液为水，液固比为0.2-0.6，压力为0.2-1MPa。更优选的，本发明压力为阶梯升压方式，具体为升压-稳压-再升压-再稳压至设定值0.2-1MPa。
优选的，脱碳处理和脱硫处理时间分别为15-480min。
优选的，所述碳化钢渣细粉和硫化钢渣细粉粒径均小于0.075mm。
钢渣的化学成分与硅酸盐水泥类似，但其活性较差，且含有的游离氧化钙导致体积安定性不良，制约了其再利用，本发明通过将钢渣颗粒进行碳化，使其中氧化钙和游离氧化钙部分转换为碳酸钙，控制其游离氧化钙位于安全可控的标准以下，且碳酸钙的填充提高钢渣致密性，二氧化碳与钢渣中硅酸二钙和硅酸三钙反应激发钢渣胶凝活性，经粉磨至胶凝材料细度后大幅提高了碳化钢渣细粉的活性；并且，本发明利用钢渣颗粒中的氧化钙对烟气进行脱硫，首先节约了工业中脱硫剂的使用，并且降低了工业脱硫石膏的大量产生导致的自然堆存，再者脱硫钢渣经粉磨后制备硫化钢渣细粉与本发明制备的碳化钢渣细粉复合作为胶凝材料可作为胶凝材料完全替代水泥制备稳定碎石；并且，本发明研究表明，采用本发明钢渣颗粒经硫化和碳化后，再进行粉磨至胶凝材料粒度的硫化钢渣细粉和碳化钢渣细粉活性优于现有技术先粉磨再碳化或者硫化的方式。
本发明制备得到的以碳化钢渣细粉和硫化钢渣细粉组成的胶凝材料的初凝时间≥240min，终凝时间≥360min且≤600min，胶凝材料的7天抗压强度≥14.0MPa，7天抗折强度≥3.2MPa，可完全替代水泥作为胶凝材料制备钢渣基稳定碎石。
本发明还涉及上述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石的制备方法，具体的，包括如下步骤：将集料、碳化钢渣细粉、硫化钢渣细粉、水混合均匀，击实，即得。
本发明还涉及上述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石在道路施工中的应用。
优选的，所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石用于路面基层和/或底基层。
本发明首先将钢铁工业固废钢渣资源化利用与工业废气中二氧化碳和二氧化硫减排相集合，通过钢渣湿法捕集废气中二氧化碳和二氧化硫，以此解决钢渣资源化利用中钢渣游离氧化钙的膨胀问题和钢渣胶凝活性激发问题；其次本发明通过混合不同粒径的碳化钢渣和碎石制备混合集料，使得集料基于工业废物和废气资源化并具有更为理想的粒径分布和孔隙分布，使得该碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣-碎石的抗压强度高，同时抗裂性能强，而将碳化钢渣和碎石集料复配，不仅仅能够利用工业固体废弃物和工业废气减排，同时还可以利用二氧化碳激发钢渣胶凝活性并解决钢渣中游离氧化钙膨胀问题，降低传统交通路面施工水泥稳定碎石所需水泥用量，这将降低水泥生产过程中温室气体二氧化碳的排放和生产原材料的消耗，最终提高碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣-碎石的性能。本发明碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石可广泛应用于道路工程材料中，其抗压强度高，抗裂性能强，获得的路面稳定性佳。
具体实施方式
为表征本发明的技术效果，制备集料、碳化钢渣细粉、硫化钢渣细粉和水混合均匀后进行击实，测试材料7天无侧限抗压强度。
将燃煤电厂废气进行脱销、除尘处理后的含硫含碳废气对钢渣颗粒在液固比0.5，压力0.7MPa的压力-湿法条件下进行脱硫处理40min，得硫化钢渣和含碳废气，将硫化钢渣细磨至粒度小于0.075mm得硫化钢渣细粉，将含碳废气对钢渣颗粒在液固比0.6，压力0.8MPa的压力-湿法条件下进行脱硫处理30min，得碳化钢渣，将部分碳化钢渣细磨至粒度小于0.075mm得碳化钢渣细粉，另外部分碳化钢渣作为集料使用。
实施例
碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，由以下重量份原料组成：集料100份，碳化钢渣细粉2.5份，硫化钢渣细粉2份，水5.5份，其中，所述集料组成为：集料A由碎石组成，粒径20-30mm且占集料总重量的20%；集料B由碳化钢渣：碎石按10:90重量比组成，粒径10-20mm且占集料总重量的27%；集料C由碳化钢渣：碎石按50:50重量比组成，粒径5-10mm且占集料总重量的18％；集料D由碳化钢渣组成，粒径3-5mm且占集料总重量的5％；集料E由碳化钢渣组成，粒径为0-3mm且占集料总重量的30％，并且，集料合成级配满足：通过筛孔尺寸为31.5mm的百分率为100%、通过筛孔尺寸为26.5mm的百分率为97.1%、通过筛孔尺寸为19.0mm的百分率为80%、通过筛孔尺寸为9.5mm的百分率为45.4%、通过筛孔尺寸为4.75mm的百分率为31.6%、通过筛孔尺寸为2.36mm的百分率为21.3%、通过筛孔尺寸为0.6mm的百分率为11.6%以及通过筛孔尺寸为0.075mm的百分率为2.7%。
经检测，钢渣基稳定碎石7天无侧限抗压强度为6.0MPa。
对比例1
钢渣基稳定碎石，由以下重量份原料组成：集料100份，碳化钢渣细粉2.5份，硫化钢渣细粉2份，水5.5份，
其中，所述集料全部由碎石组成，并且，集料合成级配满足：通过筛孔尺寸为31.5mm的百分率为100%、通过筛孔尺寸为26.5mm的百分率为96.2%、通过筛孔尺寸为19.0mm的百分率为81%、通过筛孔尺寸为9.5mm的百分率为42.5%、通过筛孔尺寸为4.75mm的百分率为30.6%、通过筛孔尺寸为2.36mm的百分率为22.4%、通过筛孔尺寸为0.6mm的百分率为13.2%以及通过筛孔尺寸为0.075mm的百分率为3.1%。
经检测，钢渣基稳定碎石7天无侧限抗压强度为5.8MPa。
对比例2
钢渣基稳定碎石，由以下重量份原料组成：集料100份，P·O42.5水泥4.5份，水5.5份，其中，所述集料组成为：集料A由碎石组成，粒径20-30mm且占集料总重量的20%；集料B由碳化钢渣：碎石按10:90重量比组成，粒径10-20mm且占集料总重量的27%；集料C由碳化钢渣：碎石按50:50重量比组成，粒径5-10mm且占集料总重量的18％；集料D由碳化钢渣组成，粒径3-5mm且占集料总重量的5％；集料E由碳化钢渣组成，粒径为0-3mm且占集料总重量的30％，并且，集料合成级配满足：通过筛孔尺寸为31.5mm的百分率为100%、通过筛孔尺寸为26.5mm的百分率为97.1%、通过筛孔尺寸为19.0mm的百分率为80%、通过筛孔尺寸为9.5mm的百分率为45.4%、通过筛孔尺寸为4.75mm的百分率为31.6%、通过筛孔尺寸为2.36mm的百分率为21.3%、通过筛孔尺寸为0.6mm的百分率为11.6%以及通过筛孔尺寸为0.075mm的百分率为2.7%。
经检测，钢渣基稳定碎石7天无侧限抗压强度为5.2MPa。
对比例3
该对比例中，碳化钢渣粉和硫化钢渣粉由钢渣颗粒先经粉磨至粒径小于0.075mm，再分别进行前述碳化、硫化制得。
钢渣基稳定碎石，由以下重量份原料组成：集料100份，碳化钢渣粉2.5份，硫化钢渣粉2份，水5.5份，其中，所述集料组成为：集料A由碎石组成，粒径20-30mm且占集料总重量的20%；集料B由碳化钢渣：碎石按10:90重量比组成，粒径10-20mm且占集料总重量的27%；集料C由碳化钢渣：碎石按50:50重量比组成，粒径5-10mm且占集料总重量的18％；集料D由碳化钢渣组成，粒径3-5mm且占集料总重量的5％；集料E由碳化钢渣组成，粒径为0-3mm且占集料总重量的30％，并且，集料合成级配满足：通过筛孔尺寸为31.5mm的百分率为100%、通过筛孔尺寸为26.5mm的百分率为97.1%、通过筛孔尺寸为19.0mm的百分率为80%、通过筛孔尺寸为9.5mm的百分率为45.4%、通过筛孔尺寸为4.75mm的百分率为31.6%、通过筛孔尺寸为2.36mm的百分率为21.3%、通过筛孔尺寸为0.6mm的百分率为11.6%以及通过筛孔尺寸为0.075mm的百分率为2.7%。
经检测，钢渣基稳定碎石7天无侧限抗压强度为3.4MPa。
对比例4
钢渣基稳定碎石，由以下重量份原料组成：集料100份，碳化钢渣细粉2.5份，硫化钢渣细粉2份，水5.5份，
其中，所述集料组成为：集料A由碎石组成，粒径20-30mm且占集料总重量的10%；集料B由碳化钢渣：碎石按50:50重量比组成，粒径10-20mm且占集料总重量的20%；集料C由碳化钢渣：碎石按50:50重量比组成，粒径5-10mm且占集料总重量的30％；集料D由碳化钢渣组成，粒径3-5mm且占集料总重量的30％；集料E由碳化钢渣组成，粒径为0-3mm且占集料总重量的10％，
并且，集料合成级配满足：通过筛孔尺寸为31.5mm的百分率为100%、通过筛孔尺寸为26.5mm的百分率为98.2%、通过筛孔尺寸为19.0mm的百分率为86%、通过筛孔尺寸为9.5mm的百分率为63%、通过筛孔尺寸为4.75mm的百分率为38.2%、通过筛孔尺寸为2.36mm的百分率为9.3%、通过筛孔尺寸为0.6mm的百分率为5.5%以及通过筛孔尺寸为0.075mm的百分率为0.1%。
经检测，钢渣基稳定碎石7天无侧限抗压强度为3.8MPa。
结果表明，本发明碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石可满足路面基层和底基层的强度要求，且与采用水泥和碎石作为原料的稳定碎石性能相当，采用本发明碳化钢渣细粉、硫化钢渣细粉作为胶凝材料可替代水泥，碳化钢渣可部分取代天然骨料，并且先硫化碳化后粉磨制备的胶凝材料力学性能优于先粉磨后硫化碳化的效果。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，其特征在于，由以下重量份原料组成：集料100份，碳化钢渣细粉2-2.5份，硫化钢渣细粉2-2.5份，水4.5-6.5份，
所述集料组成为：集料A由碎石组成，粒径20-30mm且占集料总重量的20-32%；集料B由碳化钢渣：碎石按10:90重量比组成，粒径10-20mm且占集料总重量的24-36%；集料C由碳化钢渣：碎石按50:50重量比组成，粒径5-10mm且占集料总重量的12-18％；集料D由碳化钢渣组成，粒径3-5mm且占集料总重量的3-5％；集料E由碳化钢渣组成，粒径为0-3mm且占集料总重量的20-30％，
集料合成级配满足：通过筛孔尺寸为31.5mm的百分率为100%、通过筛孔尺寸为26.5mm的百分率为94-98%、通过筛孔尺寸为19.0mm的百分率为75-82%、通过筛孔尺寸为9.5mm的百分率为37.7-46.8%、通过筛孔尺寸为4.75mm的百分率为25-32%、通过筛孔尺寸为2.36mm的百分率为17.5-23.2%、通过筛孔尺寸为0.6mm的百分率为11-15%以及通过筛孔尺寸为0.075mm的百分率为0-5%，
所述碳化钢渣由钢渣颗粒在压力-湿法条件下对含碳废气进行脱碳处理得到，
所述碳化钢渣细粉由碳化钢渣进行细磨得到，
所述硫化钢渣细粉由钢渣颗粒在压力-湿法条件下对含硫含碳废气进行脱硫处理处理后经细磨得到。
2.根据权利要求1所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，其特征在于，所述含硫含碳废气由工业废气进行脱销、除尘处理得到，所述含碳废气由钢渣颗粒在压力-湿法条件下对含硫含碳废气进行脱硫处理处理后得到。
3.根据权利要求2所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，其特征在于，所述工业废气为燃煤电厂废气、水泥窑废气、钢铁厂高炉尾气的至少一种。
4.根据权利要求1所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，其特征在于，压力-湿法条件采用盛放吸收液并设置进气管路、出气管路的加压装置。
5.根据权利要求4所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，其特征在于，所述吸收液为水，液固比为0.2-0.6，压力为0.2-1MPa。
6.根据权利要求1所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，其特征在于，脱碳处理和脱硫处理时间分别为15-480min。
7.根据权利要求1所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，其特征在于，所述碳化钢渣细粉和硫化钢渣细粉粒径均小于0.075mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石，其特征在于，制备方法包括如下步骤：将集料、碳化钢渣细粉、硫化钢渣细粉、水混合均匀，击实，即得。
9.根据权利要求1-7任一项所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石在道路施工中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述碳化硫化钢渣基胶凝材料稳定碳化钢渣碎石用于路面基层、底基层。
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