利用加速碳化技术激发钢渣活性研究

第37卷第6期V d1.37NO.6
2020年12月
Dec.2020
萍乡学院学报
Journal of Pingxiang University
利用加速碳化技术激发钢渣活性研究
陈淑梅1,庞才良1,宋杰光1;2,朱亮亮1,赖正博1,吴啥啸\陈光林3,陈平4
(1.萍乡学院江西省环保材料与装备工程技术研究中心，江西萍乡337000；2.萍乡学院萍乡市海绵城市研究院,江西萍乡337000； 3.江西博泓新材料科技有限公司，江西萍乡337004； 4.桂林理工大学广西废渣建材资源
利用工程技术研究中心，广西桂林541004)
摘要:钢渣是炼钢过程中排出的废渣，钢渣组成中的硅酸钙组分可以与CO2发生碳化反应生成大量不规则的CaCO a 和具有胶凝性的SiO2胶体，将钢渣变为具有一定强度的胶凝性材料。

文章通过通入CO2对y-C2S和钢渣进行加速碳化的方式，测试不同碳化时间对钢渣试块抗压强度的影响，结合X射线衍射和扫描电子显微镜分析其硬化机理，探索了加速碳化实现激发钢渣活性的可能性。

结果显示：加速碳化可以有效激发钢渣的活性，CO2在有水分的条件下与其中的硅酸钙组分生成CaCO3和SiO2胶体，可以增加钢渣试块的强度，有效地改善其性能。

经过24h的加速碳化强化处理，钢渣试样固碳量约为7.07%，钢渣试块的抗压强度达到58.95MPa。

关键词：Y-C2S；钢渣；碳化产物；胶凝材料；活性
中图分类号：TU528文献标识码：A
引言
钢渣是炼钢过程中产生的工业固体废物，每年在冶金行业中大量产生，大量积聚的钢渣不仅会占用土地和废物资源，而且如果排入水中，很容易引起河流淤积，并使周围的土壤碱化成盐碱地，大量有害物质也将对人类及其生活环境造成严重危害［1~2］o
目前，国内主要冶炼集团的钢渣综合利用率仅为50%至60%,其中小部分用于钢渣水泥的生产［3］。

其余大部分钢渣则主要用于道路建设，回填钢渣砖，钢渣粉和农用肥料［4~5］，施工现场大多限于钢铁厂附近，高价值利用率低，并且相当一部分不使用，直接丢弃于沿海地区或者矿物冶炼垃圾填埋场，这一部分对土地造成了相当大的危害，掩埋或堆积钢渣的土地变成盐碱地无法耕种。

这些对钢渣的利用方式是非常粗糙的，因此，探索钢渣的资源化利用方式显得非常迫切。

随着近现代科技工业水平的迅猛发展，人口的急剧
文章编号：2095-9249(2020)06-00108-05
增加，各种工业生产及能源的使用产生了大量的CO2导致温室效应越来越严重［6］，我国是人口大国，每年的碳排放量居世界前列，节能减排已经成为我国工业生产的最大需求。

因此，如何消耗并降低CO2的排放量是现在的研究热点之一⑺。

矿物碳酸化是一种有效的永久固碳方法，尤其以钢渣这种碱性的固体废弃物来固碳不仅能够缓解温室效应，还能实现钢渣的资源化利用，制造出性能更加优良的建筑材料。

本文通过通入CO2对Y-C2S 和钢渣进行加速碳化的方式，测试不同碳化时间对钢渣试块抗压强度的影响，为提高高性能钢渣水泥提供参考。

1实验方法
实验原料为江西某钢厂生产的经磁选过后废弃的转炉钢渣，化学分析如表1所示，经烘干球磨后过180目筛，得到钢渣粉末备用。

收稿日期：2020-09-07
基金项目：江西省大学生创新创业训练计划项目(S202010895006)；江西省教育厅科技项目(GJJ191159)；
江西省高等学校教学改革研究项目(JXJG-18-22-2)；萍乡学院科技基金项目(2019D0201)
作者简介：陈淑梅(2000—)，女，江西抚州人，无机非金属材料工程专业2019级本科学生。

通信作者：庞才良(1988—),男，广西北海人，助教，硕士，研究方向：钢渣建材化，E-mail：*****************。

第6期陈淑梅，庞才良，宋杰光，等：利用加速碳化技术激发钢渣活性研究•109•
表1钢渣的化学成分
原料SiO2AI2O3Fe2O3CaO MgO K2O Na?。

TiO2MnO LOI
钢渣15.52 2.5723.2141.537.480.0420.42 1.27 5.100.38
钢渣试块的制备：将钢渣粉末与水搅拌均匀，控制水料比为0.1,装入模具中，以一定的压力成型，保压30s,所得块体尺寸为直径①25mm X7mm左右，试块脱模后放入碳化反应釜中，通入CO2气体，浓度保持为80%~90%，在常温常压条件下，在分别对钢渣试块进行加速碳化以激发其活性，对碳化后钢渣试块进行测试表征。

用日本津岛AGS-X立式万能电子试验机进行样品强度测试;使用德国Bruker D8型X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析，扫描范围10°〜80。

；采用日本日立SU8010型场发射扫描电子显微镜(SEM)对Y-C2S 碳化前后的样品形貌进行分析；采用德国Netzsch综合热分析仪(STA449F3)分析样品的热学性能。

2结果与讨论
2.1Y-C2S碳化活性评价
2.1.1XRD分析
对碳化前碳化后的Y-C2S分别进行XRD分析，结果如图1所示，碳化前样品的主要矿物为Y-C2S，存在少量f-CaO未完全转为为C2S；经过加速碳化激发试样后，衍射主峰为CaCO3的特征衍射峰，f-CaO衍射峰完全消失，说明碳化环境下Y-C2S和f-CaO与CO2发生了反应，大量的CaCO3生成，同时仍有少部分Y-C2S矿物衍射峰存在，碳化反应后没有明显的SiO2衍射峰，SiO2很有可能是以非晶态形式存在。

♦-CaO
•-CaCOj
磁化后
10203040SO6070 80
2-Theta(°)
图1Y-C2S碳化前后XRD图
2.1.2TG-DSC分析
Y-C2S碳化前后TG-DSC分析如图2所示，从图2 (a)中可以看出，碳化前的Y-C2S试样基本无质量损失，Y-C2S碳化后从室温到100°C附近出现第一次质量损失为1.24%，应该为Y-C2S样品中自由水的蒸发引起质量的变化。

从360°C到870°C的质量损失约为12.39%，这一部分质量损失应为碳化后Y-C2S样品中的CaCO s 分解产生的CO2逸出的质量。

从图2(b)中可以看出，碳化前后样品的DSC曲线都在100C附近出现了热值的变化。

而碳化前Y-C2S样品在796.4C出现放峰值，对应图2(a)中TG曲线并没有发生质量的变化，此峰值应为Y-C2S发生晶型转变为oL-C z S伴随着热量的变化引起的。

而碳化后Y-C2S样品在500-800C之间出现了较大的吸热峰，在765.7C达到峰值，此应为CaCO a 发生分解，这能与图2(a)中碳化后Y-C2S样品TG
曲
•110•萍乡学院学报2020年
2.1.3SEM分析
对Y-C2S碳化前后的样品进行SEM分析，如图3所示，未碳化的Y-C2S试样棱角分明，颗粒粒径在10口m〜20gm之间，并且在颗粒之间存在着很多空隙，见图3(a)。

碳化后的Y-C2S试样内空隙减少，致密度显著提高，并且在表面出现了胶凝状物质，碳化反应完成后形状规则的Y-C2S矿物颗粒基本消失，不具有明显尺寸的矿物颗粒，形成较碳化前更为致密的结构。

碳化激发Y-C2S矿物活性原理如图4［8］所示，碳化反应前Y-C2S堆积在一起，矿物颗粒之间有较大空隙，并且Y-C2S颗粒之间没有黏结力，碳化后能够产生大量凝胶状物质，并且将矿物颗粒黏结在一起，结合XRD 结果可知，碳化后生成了大量的CaCO3。

碳化后形成大量形状不规则的CaCO3和高度聚合的SiO2凝胶填充了矿物颗粒之间的缝隙，这种结构类似于波兰特水泥水化后形成的C-S-H结构［9~10］，可以提供给材料很高的强度。

(a)Y-C2S未碳化(b)Y-C2S碳化24h
图3Y-C2S碳化前后的SEM照片；
图4碳化激发Y-C2S矿物活性原理图
2.2加速碳化激发钢渣活性
2.2.1抗压强度
将钢渣试样分别在CO2浓度为80%~90%的反应装置中反应0、2、4、8、24h，其抗压强度随时间变化曲线如图5所示。

在高浓度的CO2气氛下，与CO2接触越久的钢渣试样其抗压强度越高，但随着碳化时间越长，其抗压强度增长速度越加缓慢，未经过碳化的试样抗压强度只有碳化反应24h的12.4%，这就说明仅将钢渣磨成粉末状与水一起干压成型，虽然有一定的抗压强度，但其强度仍然很低，这从侧面可以说明钢渣粉末的水化活性很低。

在对其进行碳化2h之后，试块的抗压强度为37.59MPa，为24h的63.8%,这说明大量CO2可以很好地激发钢渣的活性，增强其强度。

而随着碳化时间的增加，试块的抗压强度增速缓慢下降，很有可能是因为钢渣中的硅酸钙组分与CO2反应生成了CaCO s，CaCO s这种产物包裹住钢渣颗粒表面，延缓了钢渣的碳化反应。

10
Q
o
o
o
O
6
$
4
3
2
04812162024
碳化时间/h
图5碳化时间对样品抗压强度的影响
2.2.2XRD分析
对碳化前碳化后的钢渣样品分别进行XRD分析,
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测试结果如图6所示：与碳化前相比，碳化后的钢渣中CaCO3衍射峰显著性增强，而C3S、C2S的衍射峰强度均产生了减弱现象，其RO相衍射峰有一定程度减弱但变化不大。

所以结合上文Y-C2S的XRD分析可以得知，钢渣在进行碳化之后影响最大的矿物相组成是其中的2.2.3TG-DSC分析
钢渣碳化前后TG-DSC图像如图7所示，根据图7 (a)将钢渣样品碳化前后的TG曲线进行分析对比可知，两者从室温到1000C均出现两次明显失重，碳化前后的钢渣样品从室温到200C质量损失分别为1.12%
硅酸钙矿物相，碳化之后产生了大量的CaCO3o
*-c/»
♦♦•CaCOj
*-CjS
*-RO
,後化确
严TUM u/a■一亠-_.亠.
1020304070 80
2-Ihcta(°)和1.92%，两者质量损失相差不大，这一部分可能是钢渣中自由水蒸发造成的质量损失。

从400C到800C之间，碳化前的钢渣样品的质量损失为1.61%，而经过碳化后的钢渣样品质量损失达7.07%，造成的质量损失应为CaCO3分解逸出的CO2的质量。

图7(b)中可见，从室温至1000C碳化前后的钢渣样品DSC曲线走势基本一致，而碳化后钢渣样品的DSC曲线在759.5C出现更明显的吸热峰，且吸收的热量增加，结合前面XRD 分析的结果，显然经过碳化后的钢渣样品中产生了更多的CaCO3基体。

正是CaCO3的生成为钢渣样品的强度提高提供了主要来源。

图6钢渣碳化前后XRD图
D sc/(iii W/iiix)
峰值.99.1°C
(b)
S.聲值・7D3.CPC
\
\峰值.759.5°C
―篠优厉
.1・1・1.■■
400BDD
图7钢渣碳化前后TG-DSC曲线
结论
通过实验结果与讨论，可以获得：加速碳化可以有效激发钢渣的活性，CO2在有水分的条件下与其中的硅酸钙组分生成CaCO3和SiO2胶体，可以增加钢渣试块的强度，有效的改善其性能。

经过24h的加速碳化强化处理，钢渣试样固碳量约为7.07%，钢渣试块的抗压强度达到58.95Mpa。

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〔责任编校：范延琛〕
Study on Stimulation of Steel Slag Activity with Accelerated Carbonization Technology CHEN Shu-mei1,PANG Cai-liang1,SONG Jie-guang1,2,ZHU Liang-liang1,LAI Zheng-bo1,WU Han-xiao1,
CHEN Guang-lin3,CHEN Ping4
(1.Jiangxi Research Center of Environmental Protecting Materials and Equipment Engineering Technology,Pingxiang University,Pingxiang Jiangxi337000;2.Pingxiang Sponge City Research Institute,Pingxiang University,Pingxiang Jiangxi337000;3.Jiangxi Bohong New Material Technology Co.,LTD;4.Guangxi Engineering Technology Research Center for Building Materials Utilization,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi541004,China) Abstract:Steel slag is a waste slag discharged from the steelmaking process,and the calcium silicate component in steel slag can undergo carbonization reaction with CO2to generate a large amount of irregular CaCO3and colloidal SiO2with cement properties,which turns steel slag into a cementitious material with certain strength.In this paper,the effect of different carbonation times on the compressive strength of steel slag specimens is tested by means of accelerated carbonation of Y-C2S and steel slag through CO2,and the hardening mechanism is analyzed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy to explore the possibility of stimulation of steel slag activity with accelerated carbonization technology.The results show that accelerated carbonation can effectively stimulate the activity of steel slag,and in the presence of water,CO2generates CaCO3and SiO2colloid with the calcium silicate in it,which can increase the strength of steel slag specimens and effectively improve their properties.After24h of accelerated carbonation strengthening treatment,the carbon fixation of steel slag specimens is about7.07%,and the compressive strength of steel slag specimens reached58.95MPa.
Key words:Y-C2S;steel slag;carbonation product;cementitious material;activity。