分享 | 碳化养护制备高强钢渣砖的研究

钢渣是钢铁生产过程中的一种副产物，每生产 1 t 钢铁 会产生 2~4 t 钢渣，钢渣堆积如山，占用大量的田地，同时 某些类型的钢渣中含有重金属，如砷、镉、汞等金属，渗入到土 地和水中，会造成严重的环境污染问题。钢渣中含有游离CaO 以及游离  MgO  等，含量高会使钢渣制品的安定性不良， 造成结构破坏，从而大大限制了钢渣的利用。如何有效解决 钢渣安定性不良的问题，对钢渣的资源化、高值化和无害化综 合处理和利用具有重要意义。 

加速碳化可以有效解决钢渣利用难题，为钢渣处理障碍 提供绿色解决方案，有效克服体积不稳定，重金属浸出和低水 化活性等问题。加速碳化可以消除钢渣中的膨胀化合物，使得 钢渣可以在土木工程中得到应用。碳化钢渣可以替代砂子制 备经济和环境友好的水泥混凝土制品，Fernández B M 等提 出碳酸化颗粒由于结块而变得较粗糙，可以实现在骨料中的 应用。Monkman S 和Shao Y发现碳化岩砂的 28 d 强度与普通河砂的强度相当，表明碳化岩砂可以用来制备砖石，铺路石 和空心板。掺碳化钢渣的水泥力学性能优于未碳化渣，尤其是 早强。碳酸化的钢渣可用于人造礁石，可用来恢复和发展海藻 床。碳化钢渣可以作为辅助性胶凝材料，以 方解石 形式存在 的 CaCO3 可以为水化产物的成核和生长提供有利的表面，从 而加速水化反应。 

本文以骨料和钢渣为原料，研究了钢渣掺量、水灰比、碳 化强度和碳化时间对钢渣砖力学性能的影响，利用 SEM 分析 了高强钢渣砖的微观结构。

1.1 原材料 

水泥：海螺牌 P·O32.5 复合硅酸盐水泥，其化学成分见表 1；钢渣：取自江苏淮安钢铁厂转炉热闷钢渣，使用 颚式破碎机  破碎，再经球磨机粉磨 60 min，粉磨后过 1.18 mm 方孔筛，其 主要化学成分如表 1 所示，矿物组成如图 1 所示，标准砂：厦 门艾思欧标准砂有限公司。

 

1.2 试验方法 

本文在碳化压强为 0.5 MPa，碳化时间为 2 h 的碳化条件 下，研究了钢渣掺量分别为水泥的 10%、20%、30%、40%和 50%在碳化与未碳化的状况下对钢渣砖性能的影响；研究了 水灰比分别为 0.5、0.6、0.7 和 0.8 对钢渣砖性能的影响，钢渣 砖的试验配合比如表 2 所示，以 S4 为基准试样研究了碳化时 间为 2 h，碳化压强（1.5、2.0、2.5、3.0 MPa）对钢渣砖性能的影 响；碳化压强为 0.5 MPa 下，碳化时间（1、2、3、4 h）对钢渣砖性 能的影响。

 

1.3 测试与表征 

抗压强度和抗折强度采用 40 mm×40 mm×160 mm 的三 联模，制作好的试样放入(20±2)℃，相对湿度为(95±5)%的 混凝土养护箱中养护，在 20~24h内脱模，然后将脱模后的试 样放入碳化养护釜内碳化养护。 

采用 WHY-300 电液伺服 压力试验机 测试钢渣砖的抗 压、抗折强度；采用 QUANTA200 扫描电镜观察钢渣砖的微观 形貌；采用 DX-2700X 射线衍射仪对钢渣砖进行物相分析。

2.1 钢渣掺量对钢渣砖性能的影响 

表 3 为不同配合比钢渣砖在碳化和未碳化条件下氧护龄 期为 3、7 d 的抗折和抗压强度。

由表 3 可知，随着养护龄期的延长，无论是未碳化还是碳 化条件下养护的钢渣砖的抗折强度和抗压强度都是逐渐提 高；对比养护龄期 3 d 和 7 d，可以发现钢渣砖养护龄期为 3 d 时，碳化后的钢渣砖强度提高效果较明显，表明 碳化养护对钢 渣砖的早期强度具有明显的增强效果 。此外，随着配合比中钢 渣掺量的增加，钢渣砖的强度先提高后降低，在钢渣掺量为  40% 时（S4），抗折强度和抗压强度最大，此时，养护龄期为 7 d 时，碳化后钢渣砖的抗压强度为 47.7 MPa，比未碳化的高 4.2 MPa，抗折强度为 6.9 MPa，比未碳化的高 0.3 MPa。 

2.2 水灰比对钢渣砖性能的影响

表 4 为不同水灰比下钢渣砖碳化后的 3、7 d 抗折和抗压 强度。

由表 4 可知，随着水灰比的增大，钢渣砖的抗折和抗压强 度均下降。当 水灰比为 0.5  时（S4），钢渣砖的抗折和抗压强度 最大，7 d 抗折、抗压强度分别为 7.8、48.3 MPa；当水灰比为 0.8 时，钢渣砖的抗折和抗压强度最低，7 d 抗折强度为 4.2 MPa，7 d 抗压强度为 24.8 MPa，分别比 S4 试样低 3.6 MPa 和 23.5 MPa。 

2.3 碳化压强对钢渣砖性能的影响 

表 5 为碳化时间 2 h，不同碳化压强下 S4 钢渣砖的 3、7 d 抗折和抗压强度。

由表 5 可知，随着碳化压强的提高，钢渣砖的抗折和抗压 强度逐渐提高，碳化压强为  3.0 MPa  时，钢渣砖的抗折和抗压 强度最高，7 d 抗折强度为 9.1 MPa，7d 抗压强度为 50.5 MPa， 比碳化压强为 1.5 MPa 时，分别提高了 1.5 MPa 和 7.5 MPa， 表明 在一定范围内，碳化压强的提高，可以显著提高钢渣砖的 力学性能。

2.4 碳化时间对钢渣砖性能的影响 

表 6 为碳化压强 0.5 MPa，不同碳化时间下 S4 钢渣砖的 3、7 d 抗折和抗压强度。

由表 6 可知， 随着碳化时间的延长，钢渣砖的抗折和抗压 强度先升高后下降 。当碳化时间为  3.0 h  时，钢渣砖的抗折和抗压强度最高，7 d 抗折、抗压强度分别为 8.0、43.0 MPa，比碳 化时间为 1 h 时，分别提高 1.0 MPa 和 7.2 MPa。

3.1 XRD 分析 

图 2 为 S4 试样在碳化时间 2 h，不同碳化压强下钢渣砖 的 XRD 图谱。

对比图2（a）和（b）可知，未进行碳化养护的钢渣砖的 XRD 图谱中氧化钙的峰明显较高，而碳酸钙的峰较低。经过碳化养 护后，钢渣砖的氧化钙峰明显降低，而碳酸钙的峰升高。对比图 2（b）和（c）可以发现，随着碳化压强的提高，氧化钙峰降低，碳酸 钙的峰升高。此外，对于 XRD 图谱中的石英、硅酸二钙等矿物 相未观察到发生明显变化。通过 XRD 图谱分析可以得出： 未经 碳化养护与碳化养护的钢渣砖试样的矿物组成变化主要是氧 化钙与碳酸钙 ，经过碳化养护后，其氧化钙含量减少，而碳酸钙含量增多。表明碳化养护所引入的 CO2 与钢渣中的氧化钙发生 反应，生成了碳酸钙，使得钢渣砖的力学性能得到明显的提高。一方面新生成的碳酸钙使试样内部体积变大，填补试样内部的 一部分空隙；另外一方面碳化养护减少了钢渣中易导致安定性 不良的氧化钙含量，改善了钢渣砖的安定性。 

3.2 扫描电镜分析 

图 3 为 S4 试样在碳化时间 2 h，不同碳化压强下钢渣砖 的微观形貌。

由图 3 可以看出，未碳化的钢渣砖中的絮状物明显很多， 晶体之间结合不紧密，结构松散，空隙也较多。而经过碳化养 护后的钢渣砖中，絮状物明显减少，晶体之间桥接在一起，结 构变得更紧密，空隙变小。通过能谱，我们发现絮状物主要为 氧化钙，由于氧化钙安定性不良，所以结构松散。而通过碳化 养护后，氧化钙与 CO2 反应生成了碳酸钙。所以絮状物减少， 形成整体性更好的结构，孔隙变少。而随着碳化压强的进一步 提高，更多的氧化钙与 CO2 反应生成了碳酸钙，所以试样孔 隙率进一步减小，从而提高钢渣砖的力学性能。

（1） 碳化钢渣砖的力学性能随着钢渣掺量的增加先提高 后降低，当钢渣掺量为 40%时，钢渣砖的力学性能最好，此 时，7 d 抗折强度为 6.9 MPa，抗压强度为 47.7 MPa。碳化养护 对于钢渣砖的力学性能具有明显的增强效果，尤其是对早期 力学性能具有非常明显的效果。 

（2）碳化钢渣砖的力学性能随着水灰比的增大而降低，当 水灰比为 0.5 时，钢渣砖的力学性能最好，7 d 抗折强度为 7.8 MPa，7 d 抗压强度为 48.3 MPa。 

（3）随着碳化压强的增加，钢渣砖的力学性能提高，在碳 化压强为 3 MPa 时，钢渣砖力学性能最好；随着碳化时间的增 加，钢渣砖的力学性能先提高后降低，当碳化时间为 3 h 时， 钢渣砖力学性能最好。 

（4）XRD 和 SEM 分析结果表明，碳化养护让钢渣砖的力 学性能增强的主要原因是通过碳化养护使 CO2 与 CaO 反应 生成  CaCO3 ，减小了影响安定性的 CaO 含量，使得试样结构 紧密，降低了孔隙率，提高了钢渣砖的力学性能。