钢渣比表面积与低碳建筑材料性能分析

摘要：研究了钢渣的粉磨特性及其比表面积对低碳建筑材料性能的影响。试验结果表明，随着粉磨时间的延长，钢渣的比表面积逐渐增大，但其粉磨效率逐渐降低；随着钢渣比表面积的提高，砂浆的流动度和碳化养护时间逐渐增大，LBM试样的抗折强度和抗压强度也明显增加，且比对比试样的强度增加30倍以上；综合考虑能耗和强度指标，应选用比表面积约350m2/kg的钢渣作为制备低碳建筑材料的主要胶结材，其抗折强度和抗压强度可分别超过6MPa和25MPa。

关键词：钢渣；二氧化碳；低碳建筑材料；比表面积；强度

0前言

我国每年排放大量的富含硅、铝、钙、镁等元素工业废渣，如煤矸石、电石渣、钢渣、矿渣等，其中只有矿渣得到了较好的利用，钢渣的利用率约20%[1]。这些废渣富含CaO和MgO的废渣对CO2具有良好的吸收固定作用，是制备新型低碳建筑制品良好的原材料[2-5]。因CO2和工业废渣的排放量巨大，所以任何一项减排技术首先要具备规模化的减排潜力[6-7]。与这些排放量相匹配的领域，惟有建筑材料，即只有建筑材料领域可以有效地消纳它们。我国建筑业规模十分巨大，2015年水泥和混凝土用量分别达到约25亿t和45亿m3。因此，若可在建筑材料制备过程中实现固碳，同时得到一种新型建筑材料以替代部分硅酸盐水泥基制品，则将具有非常巨大的减排潜力和广阔的市场前景，也将为水泥工业、混凝土和土木工程行业的可持续发展，以及CO2和废渣的有效利用与资源化开创一条新的技术途径。本论文的基本研究构思就是利用钢渣和CO2来制备一种新型的低碳建筑材料，同时实现化学固碳。

1试验方案

1.1原材料

（1）钢渣：宝钢不锈钢滚筒尾渣，经干态初级磁选除铁处理，其密度为3081kg/m3，（2）砂：为河砂，经过烘干、过2.5mm圆孔筛制得，其细度模数为2.3。（3）CO2：高纯度二氧化碳，装在高压钢瓶中。（4）改性剂：钙质材料与表面活性剂的复合粉。

1.2配合比

低碳建筑材料是由钢渣粉、砂和水配制而成，其中钢渣粉为胶结材，改性剂掺量为1%，集料为河砂。材料配合比设计时，固定水胶比为0.5；砂胶比为2.0。

1.3试件的成型与养护

（1）试件成型。普通试件和轻质试件的成型制备方法按照GB/T17671―1999《水泥胶砂强度试验方法》的要求。对于普通试件，经常规搅拌后就可直接浇注成型；对轻质试件，经常规搅拌后，加入制备好的泡沫，并慢搅至均匀后浇注成型。试件的尺寸为40mm×40mm×160mm。（2）养护条件。普通试件在湿度相对（60±5）%，温度相对（20±5）℃的环境中自然养护3d后脱模。每个配比试件分为两组，一组放入碳化设备中进行碳化养护，经完全碳化后得到低碳建筑材料试样（LBM）；另一批放入湿度相对（95±5）%，温度相对（20±2）℃的标准养护室中养护，其养护时间与碳化养护时间相同，作为对比试样。

1.4试验方法

（1）粉体制备方法。钢渣粉采用实验室标准小球磨机ɸ500mm×500mm进行粉磨制备，其研磨体的平均球径为44.2mm，球锻比例1.4，装载量101kg。原始钢渣每次加料5kg，粉磨时间为10~40min，每隔10min测定一次比表面积，其值控制在450m2/kg之内。（2）材料性能指标测试方法。原始钢渣的粒径分布按JGJ/52―2006《普通混凝土用砂质量及检验方法标准》砂筛析试验方法进行测定；钢渣粉体的比表面积按GB/T8074―2008《水泥比表面积测定方法》进行测定。砂浆的流动度按照GB/T2419―2005《水胶砂流动度测定方法》规定的方法测定；按照JGJ/T70―2009《砂浆试验方法》规定的方法测定新拌砂浆的密度；按照GB/T50082―2009《普通混凝土长期性和面抗性能试验方法标准》规定的方法测定试样的碳化深度；按照GB/T17671―1999规定的方法测定试样的强度。

2试验结果与讨论

2.1钢渣的理化特性

（1）化学组成。由表1可知，钢渣的碱性系数和质量系数分别为2.07和2.30，为碱性渣。更重要的是钢渣中CaO与MgO的含量较高，表明它们对CO2具有较大的、潜在的吸收固定作用，是制备LBM良好的原材料。（2）颗粒级配。对未经粉磨加工的钢渣，须通过筛分析试验测试其颗粒级配与分布，结果见表2。结果表明，原始钢渣中细粉含量较多，＜0.16mm细粉比例高达74.5%，细度模数为1.90。

2.2钢渣的粉磨特性

钢渣的比表面积与活性密切相关。其比表面积越大，化学反应活性越高，但粉磨能耗越高。本试验利用球磨机对钢渣进行粉磨处理，粉磨前把＞5mm粗颗粒筛除。粉磨时间对钢渣比表面积的影响见图1和表3，其中粉磨时间0是指未经粉磨处理，但过0.16mm筛的细粉。图1和表3的结果表明，随着粉磨时间的延长，钢渣的比表面积逐渐增大，但比表面积的增长速率或者说其粉磨效率逐渐降低。这是因为采用球磨机进行粉磨时，粉磨产生的细粉会干扰研磨体对更粗颗粒的粉磨，起到缓冲的作用。此外，当粉体细度超过一定值后，还会产生团聚现象。因此，为了提高粉磨效率和降低粉磨能耗，建议采用立磨制备钢渣微粉。

2.3流动度

钢渣比表面积对砂浆流动性的影响见表3和图2，结果表明，随着钢渣比表面积的提高，砂浆的流动度逐渐增大。该结果与水泥基材料不同，其原因可能与砂浆体系的颗粒级配有关，有待进一步分析.

2.4碳化养护时间

钢渣比表面积对砂浆碳化性能的影响见表3。结果表明，随着钢渣比表面积的增大，砂浆的碳化养护时间（完全碳化所需时间）增加。这主要是因为随着比表面积的增大，钢渣的活性提高，水化反应生成的Ca(OH)2等碱性物质增多，并且流动度增大有利于砂浆密实度的提高，都会导致碳化养护时间的延长。

2.5强度

钢渣比表面积对砂浆强度的影响见表3和图3。结果表明，对比试样的强度基本在1MPa以下，因其值太低，就不做特别的分析讨论。随着钢渣比表面积的增加，LBM试样的抗折强度和抗压强度均明显增加，但是当钢渣比表面积超过350m2/kg后，其强度增长速率明显变小；LBM试样的强度比对比试样有了显著的提升。例如，在160~350m2/kg范围内，钢渣比表面积每增加50m2/kg后，LBM试样的抗压强度就可增加4.51MPa，但比表面积＞350m2/kg后，钢渣比表面积每增加50m2/kg仅可使LBM试样的抗压强度增加0.58MPa；当钢渣比表面积为352m2/kg时，LBM试样的抗压强度和抗折强度可分别达约26MPa和6.3MPa，较对比试样强度分别增加约35倍和30倍。这主要是因为钢渣中Ca(OH)2、Mg(OH)2、CSH等水化产物在碳化养护过程中，将与CO2充分反应生成碳酸盐矿物，使砂浆结构更加致密，强度得以提升；当钢渣比表面积刚开始增大时，其活性越大，与水反应生成的碱性水化产物越多，但当比表面积超过一定值后，其水化产物增加量就很小了。综上所述，当比表面积＜350m2/kg时，钢渣的粉磨效率和其制备的LBM试样强度增加速率明显高于比表面积＞350m2/kg的钢渣。由于钢渣比表面积越大，其粉磨能耗越高，因此应选择比表面积约350m2/kg的钢渣作为制备LBM的主要胶结材。

3结论

随着粉磨时间的延长，钢渣的比表面积逐渐增大，但比表面积的增长速率或者说其粉磨效率逐渐降低。因钢渣中含量较高的CaO与MgO，是制备低碳建筑材料良好的原材料。随着钢渣比表面积的提高，砂浆的流动度和碳化养护时间逐渐增大；对比试样的强度均低于1MPa，但LBM试样的抗折强度和抗压强度均明显增加，且LBM试样的强度比对比试样有非常显著的提高。综合考虑粉磨效率、能耗和强度等性能指标，应选择比表面积约350m2/kg的钢渣作为制备LBM的主要胶结材。其制备的低碳建筑材料抗折强度和抗压强度可分别超过6MPa和25MPa。

作者：杨全兵 王文洁 单位：同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室 同济大学材料学院材料工程研究所 上海宝钢新型建材科技有限公司