CN114538867A

CN114538867A - 一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法

Info

Publication number: CN114538867A
Application number: CN202210274516.XA
Authority: CN
Inventors: 林忠财; 李轶莎; 罗双
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2022-05-27

Abstract

一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法，制备时，在钢渣与水溶液搅拌的同时通入二氧化碳，控制搅拌速度和温度，得到碳化钢渣浆体。根据CO₂吸收率计算补水质量，将碳化后的全部浆体、补充水和水泥等材料混合搅拌制备水泥基材料。所述水泥基材料所用钢渣为粒径0～75μm的转炉钢渣，最高水泥替代率可达30％。本发明所制备的碳化钢渣复合水泥基材料与未碳化钢渣复合水泥基材料相比，28天强度提升可达15％，解决了钢渣体积安定性不良的问题，提高了钢渣利用率，同时可吸收10～16wt.％二氧化碳，具有明显的经济效益和环保价值。

Description

一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，特别是涉及一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法。

背景技术

人类活动产生了大量二氧化碳，导致全球温室效应，“碳达峰”、“碳中和”势在必行。碱性固体废弃物可以将二氧化碳固定为稳定的钙镁碳酸盐，是加速碳化固定二氧化碳的潜在原料。钢渣作为主要的碱性固体废弃物，是粗钢冶炼过程的主要副产物，其排放量约占粗钢产量的8％～15％。将钢渣作为固定二氧化碳的原料，既可吸收大量二氧化碳，缓解温室效应，同时可以解决钢渣的安定性问题，使之大量应用成为可能。

国内外已有多种碳化钢渣方式，常见的碳化方式有固体碳化和浆体碳化。固体碳化是将钢渣放在具有一定二氧化碳浓度的密闭空间中进行碳化养护，浆体碳化是按照一定的固液比将钢渣与水制成浆体，在搅拌的过程中通入二氧化碳以达到碳化钢渣的目的。浆体碳化与固体碳化相比，时间更短，碳酸钙晶型更好。

目前对于钢渣浆体碳化的技术研究主要停留在利用碳化后钢渣粉体的阶段，即将完全碳化后的浆体过滤后进行干燥处理，得到碳化钢渣粉，将其作为辅助胶凝材料以部分替代水泥。但过滤后的溶液没有得到利用，排放处理会加大资金投入和能耗消耗，对环境带来压力，且过滤及干燥处理成本较高，不利于工业化的推广。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种低成本、低资源消耗、绿色环保、工艺简单、时间周期短的碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法。为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法，包括如下步骤：

步骤一：选用研磨处理的转炉钢渣，使用孔径为75μm的筛子筛分去除未研磨充分的颗粒；

步骤二：将钢渣与水按照0.15～0.45的固液比在开放式搅拌器中混合得到浆体；

步骤三：对步骤二中的浆体进行加热处理，控制搅拌过程中温度为 20～80℃；

步骤四：向步骤三的浆体内均匀的通入二氧化碳气体并保持高速搅拌，得到碳化后的钢渣浆体。所述二氧化碳浓度为10～99.99％，气体流速为1～3L/min，所述搅拌速度为800～1200rpm/min，所述钢渣浆体搅拌时间为40～120min。

步骤五：根据步骤四得到钢渣的二氧化碳吸收量，计算出固体部分增重和补水质量，进行补水，以保证水所占份数。

步骤六：将步骤五所述浆体冷却至室温后与水泥等材料拌和得到水泥基材料。

按上述方案，步骤二所述开放式搅拌器为玻璃反应器，所述反应器下部为具备加热功能的磁力搅拌器，所述反应器内具有温度传感器。

按上述方案，步骤四所述碳化过程中，通过流量计控制通入的二氧化碳流速，所述流量计出口处接有气石，使二氧化碳扩散更加均匀。

按上述方案，步骤四所述碳化后钢渣浆体的二氧化碳吸收率为 10～16wt.％，溶液pH为6～9。

按上述方案，步骤五所述补水质量的计算公式为：

m_补水＝(CO_2吸吸(％)×m_钢渣+m_固)×w/c-m_水

其中式中CO_2吸收(％)是二氧化碳吸收率，m_钢渣是掺入钢渣的质量，m_固是所用胶凝材料部分(包括钢渣和水泥等)的总质量，w/c是水灰比，m_水是碳化所用水的质量。

按上述方案，步骤六所述水泥基材料是以水泥和碳化钢渣作为主要胶凝材料的复合材料，其钢渣替代水泥的比例为0～30％，包括但不限于水泥净浆、水泥砂浆或混凝土。

本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明提供的对钢渣进行预处理的方法，采用浆体碳化工艺对钢渣进行处理，一方面二氧化碳消耗钢渣中的游离氧化镁、游离氧化钙，使钢渣安定性达到合格；另一方面碳化后的钢渣表面和溶液中存在纳米碳酸钙颗粒，与水泥混合后，为水泥水化提供成核位点，促进水泥水化，提高早期强度。可有效避免传统方式处置钢渣周期长、稳定性差、工艺复杂等问题。

(2)本发明通过浆体碳化钢渣40～120分钟，将碳化后的整个浆体直接加入到水泥中，减少因只利用碳化后钢渣粉末而带来的过滤和干燥成本，充分利用碳化后的溶液，减少污染排放，使整个过程工艺更加简单，更加高效，更加环保，促进了工业化生产的实行。

(3)本发明中采用碳化处理钢渣技术，可吸收10～16wt.％的二氧化碳，实现了二氧化碳在建筑材料领域的资源化利用，有助于降低建筑材料全寿命周期的碳排放，具有显著的环保价值和应用前景。

附图说明

图1(a)为碳化前钢渣粉末的扫描电镜图，(b)为碳化后钢渣粉末的扫描电镜图。

图2为碳化后滤液蒸发后残留物的扫描电镜图。

实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

本实施例选用的钢渣为经过研磨处理后的转炉钢渣，中值粒径为 8.235μm。其化学成分如表1所示：

表1钢渣的化学成分(wt.％)

CaO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SiO<sub>2</sub>	MgO	MnO	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	其他
								42.09	21.72	16.50	6.71	4.83	3.48	2.18	2.49

本实施例包括以下步骤：

(1)使用孔径为75μm的筛子筛分去除未研磨充分的颗粒。

(2)将225g钢渣与600g水按0.375的固液比在搅拌器中混合得到浆体。

(3)将搅拌器中浆体温度升至38℃后进行步骤(4)。

(4)向浆体中均匀的通入浓度为99.99％的二氧化碳，流速为2L/min，搅拌器搅拌速度为1000rpm/min，碳化钢渣浆体时间为40min，整个过程中浆体温度保持在40℃±2℃，得到二氧化碳吸收率为11.54wt.％，溶液pH为8.163 的碳化钢渣浆体。

(5)根据钢渣的二氧化碳吸收量11.54wt.％，计算补水质量为10.39g，向碳化钢渣浆体中添加10.39g水，以保证水所占份数。

(6)按照水灰比为0.4，钢渣掺量为15％，计算得应加入1275g水泥，将冷却至室温后的碳化钢渣浆体和水泥加入水泥胶砂搅拌机中，低速搅拌2min，高速搅拌2min得到净浆。

(7)将净浆放入模具中在振动台均匀震动1min成型。

(8)用塑料膜覆盖水泥砂浆，在室内环境下养护24h后脱模。

按上述方案，步骤(2)所述开放式搅拌器为玻璃反应器，所述反应器下部为具备加热功能的磁力搅拌器，所述反应器内具有温度传感器。

按上述方案，步骤(4)所述碳化过程中，通过流量计控制通入的二氧化碳流速，所述流量计出口处接有气石，使二氧化碳扩散更加均匀。

对比例1：

本对比例选用的钢渣与实施例1一致。

本对比例与实施例1相比，无碳化钢渣浆体步骤(3)(4)(5)，其余步骤均相同。

对实施例1和对比例1的样品进行抗压强度测试，参照GB/T17671 —1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》，测试结果如表2。

表2实施例1和对比例1的抗压强度测试结果

组别	1天(MPa)	3天(MPa)	7天(MPa)	28天(MPa)
					实施例1	13.57	31.73	47.47	64.30
对比例1	9.20	27.00	39.57	55.90

由抗压强度的测试结果可以看出，实施例1与对比例1相比，强度有明显提升，1天和3天强度分别升高了47.50％，17.52％，7天和28天强度分别升高了19.96％，15.03％。

对实施例1和对比例1的样品进行体积安定性测试，按照GB/T 1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》进行沸煮试验，对游离氧化钙导致的体积安定性问题进行检测，当两试件煮后的增加距离的平均值不大于5.0mm时，即认为安定性合格，反之不合格。按照GB/T750-1992《水泥压蒸安定性试验方法》进行压蒸试验，对游离氧化镁导致的体积安定性问题进行检测，压蒸膨胀率不大于0.50％时，即认为体积安定性合格，反之不合格。测试结果如表3所示。

表3实施例1和对比例1的体积安定性测试结果

组别	沸煮法膨胀量(mm)	压蒸法膨胀率(％)	是否合格
				实施例1	1.635	0.30	是
对比例1	6.301	1.30	否

由上表可知，对比例1的膨胀显著高于标准的5.0mm和0.50％，而实施例1的体积安定性测试均已达到规范标准。

实施例2

本实施例选用的钢渣为经过研磨处理后的转炉钢渣，中值粒径为 14.588μm。其化学成分如表4所示：

表4钢渣的化学成分(wt.％)

CaO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SiO<sub>2</sub>	MgO	MnO	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	其他
								45.69	23.42	13.72	4.23	4.78	3.59	1.49	3.08

本实施例与实施例1的区别在于：将碳化时间延长至80分钟，得到二氧化碳吸收率为10.87wt.％，溶液pH为7.391的碳化钢渣浆体，计算补水质量为9.78g。

对比例2：

本对比例2与对比例1的区别在于：本对比例选用的钢渣与实施例2 一致，其余操作步骤与对比例1一致。

对实施例2和对比例2的样品进行抗压强度测试，测试结果见表5。

表5实施例2和对比例2的抗压强度测试结果

由抗压强度的测试结果可以看出，实施例2与对比例2相比，强度有明显提升，1天和3天强度分别升高了57.62％，26.58％，7天和28天强度分别升高了14.05％，6.50％。

对实施例1和对比例1的样品进行体积安定性测试，测试结果如表6 所示。

表6实施例2和对比例2的体积安定性测试结果

组别	沸煮法膨胀量(mm)	压蒸法膨胀率(％)	是否合格
				实施例2	1.704	0.40	是
对比例2	6.405	1.50	否

由上表可知，对比例2的膨胀显著高于标准的5.0mm和0.50％，而实施例2的体积安定性测试均已达到规范标准。

本发明的原理为：

钢渣中的游离氧化钙(f-CaO)和硅酸钙(C₃S和C₂S)，溶解出的钙离子(Ca²⁺)容易和二氧化碳发生碳化反应生成纳米级的方解石(如图1所示)，可以为C₃S的水化提供额外的成核位点，促进水泥水化反应，碳化和水化的产物可填补孔隙，使试块的微观结构更加密实，提高早期强度。碳化浆体过滤后的溶液中存在大量镁元素(见表7)，对蒸发滤液后的固体残留物进行扫描电镜分析，从图2中可以看出，残留物中存在大量的等径柱状矿物，长度几十微米，为 MgCO₃·3H₂O，证明采用浆体碳化方式碳化钢渣可以有效解决钢渣中游离氧化钙和游离氧化镁带来的体积安定性问题。在水泥水化过程中，碳化钢渣浆体中的碳酸根离子会与水泥中的铝酸盐相反应，形成碳铝酸盐，可提高式样的强度。

表7碳化后溶液中各元素浓度(mg/L)

Mg	Ca	Si	Na	K	Fe
						1133.02	583.58	127.22	84.02	9.42	0.76

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤三：对步骤二中的浆体进行加热处理，控制搅拌过程中温度为20～80℃；

步骤六：将步骤五得到的钢渣浆体冷却至室温后与水泥等材料拌合得到水泥基材料。

2.根据权利要求1所述的一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法，其特征在于：步骤四所述的碳化后钢渣浆体的二氧化碳吸收率为10-16wt.％，溶液pH为6-9。

3.根据权利要求1所述的一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法，其特征在于：步骤五所述的补水质量的计算公式为：

m_补水＝(CO_2吸吸(％)×m_钢渣+m_固)×w/c-m_水

4.根据权利要求1所述的一种利用碳化钢渣浆体制备水泥基材料的方法，其特征在于：步骤六所述的水泥基材料是以水泥和碳化钢渣作为主要胶凝材料的复合材料，其钢渣替代水泥的比例为0～30％，包括但不限于水泥净浆、水泥砂浆或混凝土。