CN110282925B - 一种碳化钢渣人工多孔骨料及其制备方法 - Google Patents

一种碳化钢渣人工多孔骨料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种碳化钢渣人工多孔骨料及其制备方法，属于工业废渣利用技术领域。制备方法如下：钢渣粉的制备：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中研磨成钢渣粉；钢渣球骨料的制备：称取钢渣粉、硅酸盐水泥、砖粉和粉煤灰中的至少一种混合，加水成球，得到球状钢渣骨料；骨料预处理：对球状钢渣骨料进行预养护；钢渣骨料的碳化：将预养护后的球状钢渣骨料放入碳化釜中进行碳化，得到碳化钢渣人工多孔骨料。本发明制备的碳化钢渣人工多孔骨料具有骨料强度高，安全稳定，制备工艺及装备简单，易操作，生产成本低，效率高，低碳环保等优点。能够在满足混凝土对骨料强度的需求同时为混凝土提供内养护，减少混凝土自收缩，提高抗冻性。

Description

一种碳化钢渣人工多孔骨料及其制备方法
技术领域
本发明属于工业废渣利用技术领域，具体涉及一种碳化钢渣人工多孔骨料及其制备方法。
背景技术
钢渣为炼钢过程中产生的一种工业副产品，但由于钢渣的胶凝活性低，游离CaO和MgO含量高，会导致其作为胶凝材料安定性差，易导致混凝土膨胀开裂等，大大限制了钢渣在建材应用中的掺量。在我国，钢渣年排放量已超过一亿吨，可是因为钢渣的整体利用水平不高，大量钢渣被堆存，其中有害金属元素会进入土壤，污染可耕土壤资源，同时钢渣堆积占用了耕地。碳化作为新型钢渣处理手段，可以在制备时消耗绝大部分游离金属氧化物，更高效地利用钢渣的胶凝活性，解决钢渣安定性不良隐患，胶凝性能差的问题。
近些年来，由于大规模的建设对混凝土及其原材料的需求与天然资源缺乏之间的矛盾冲突愈发明显。天然砂石骨料资源紧缺，急需寻找新的砂石骨料来源。
由于钢铁产业的蓬勃发展，副产品钢渣的产量居高不下，环境质量深受其害。已经有少量专利针对这一难题提出了解决思路。公开号为CN105294039A的专利申请公开了一种钢渣植生混凝土，提出使用钢渣骨料，钢渣复合粉和增强剂制备植生混凝土，该专利要求钢渣原料游离氧化钙的含量小于2％，但钢渣的成分波动大，难以确保钢渣中游离氧化钙的含量控制在2％以内。公开号为CN103864326A的专利申请公开了一种钢渣骨料及其制备方法，其利用钢渣和煤渣、石灰、芒硝配合，并将烘干的混合料置于1260-1360℃的环境中煅烧并保温4h，最终得到具有胶凝活性的钢渣骨料，其压碎指标可以达到12％，利用此骨料成型的混凝土在28d的抗压强度可以达到C30混凝土的要求，该技术需要对混合料在高温下煅烧，方能得到用于C30混凝土的骨料，耗能高，考虑骨料用量大，其经济性较差，难以大规模工业化。公开号为CN108794282A的专利申请公开了一种基于碳酸化养护的肥效缓释型钢渣骨料的制备方法，具体将钢渣用于制备肥效缓释型骨料。该专利申请把有机肥料作为核心，在肥料外部裹覆钢渣粉并喷水，通过造粒得到内含有机肥料的钢渣球，最终碳化得到成品骨料，经过碳化后，骨料的重金属滤出减轻，骨料的抗压强度可以达到3.5-5.0MPa，难以满足常规混凝土以及高强混凝土对骨料质量的要求。公开号为CN106746814A的专利公开了一种钢渣骨料的制备方法。该发明将钢渣块破碎并筛选得到粒径为18-25mm的钢渣块料，在一定条件下碳化，再利用造纸淤泥，石灰，油页岩渣配合得到的混合料包裹钢渣块，之后再置于压力4-6MPa的CO2气氛下，温度40-60℃，相对湿度60-95％的环境下碳化20-50min，最后骨料的压碎指标最好可以达到12.7％。该技术中钢渣块尺寸大，难以碳化充分，存有安定性不良隐患，而且工艺繁多，CO2压力高，需要压缩高压CO2，对设备要求较高，增大了生产成本。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中存在的钢渣骨料强度不高、安定性不良隐患、成本高、工序复杂、技术工艺要求高、难以大规模工业化生产及推广应用等问题，本发明提供一种碳化钢渣人工多孔骨料及其制备方法，具有骨料强度高，安全稳定，制备工艺及装备简单，易操作，生产成本低，效率高，低碳环保等优点。
技术方案：一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一.钢渣粉的制备：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为100-280m2/g的钢渣粉；
步骤二.钢渣球骨料的制备：称取30-100质量份的钢渣粉、5-20质量份的硅酸盐水泥、0-60质量份的砖粉和粉煤灰中的至少一种混合，按水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料；
步骤三.骨料预处理：对步骤二得到的球状钢渣骨料进行预养护，保持环境相对湿度为40-98％，温度为20-60℃，养护0-7d；
步骤四.钢渣骨料的碳化：将预养护后的球状钢渣骨料放入碳化釜中，通入浓度为5-100vt.％的CO2，压力为0.052-1MPa，控制碳化时间为0.5-72h，得到碳化钢渣人工多孔骨料。
作为优选，所述步骤一中钢渣块原料为炼钢过程中的副产品钢渣。
作为优选，所述步骤一中将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为260m2/g的钢渣粉。
作为优选，所述步骤二中称取60质量份钢渣粉、10质量份硅酸盐水泥、30质量份粉煤灰混合。
作为优选，所述步骤三中保持环境相对湿度为80％，温度为20℃，养护4d。
作为优选，所述步骤四中通入浓度为99.9vt.％的CO2，压力为0.4MPa，控制碳化时间为8h。
上述方法制备的碳化钢渣人工多孔骨料。
有益效果：1)本发明使用的主要原料为钢渣、粉煤灰、二氧化碳等，钢渣堆积浪费土地资源，粉煤灰由于胶凝性差，在建材中应用有限，使其不能得到有效地处理。本发明对传统工业难以消化的固体废弃物进行资源化利用。二氧化碳作为温室气体，在捕集后不易存放，或者需要高成本进行处理，本发明在一定程度上使二氧化碳在钢渣中得到封存，防止二氧化碳释放在空气中加剧温室效应的程度。
2)本发明属于多孔骨料，可以有效降低混凝土的质量，吸水后可以为混凝土提供内养护作用，提升混凝土的后期强度，减少混凝土早期体积收缩，具体可见图3。另外，在天然骨料资源短缺的大趋势下，使用本发明所述碳化钢渣人工多孔骨料替代可以减轻对天然砂石骨料的依赖。
3)本发明的钢渣骨料具有优良的保水性能，对混凝土成型早期出现的自收缩体积变形有显著的减少效果，防止混凝土早期出现开裂，保证水泥在长期水化的过程中可以不断从骨料中获取水分，提高混凝土的强度，最高可以达到53.8MPa，高于现有技术最高可满足的C30的强度要求。
本发明使用碳化技术处理钢渣，利用二氧化碳和钢渣中的活性物质如氧化钙、氢氧化钙、硅酸钙等含钙镁矿相等进行反应，消耗膨胀组分，制备高强度碳化钢渣骨料。本发明的碳化钢渣骨料可以作为天然骨料的替代材料制备混凝土材料，不仅可以解决钢渣安定性不良隐患和胶凝性能差的问题，还可以提供内养护，减少混凝土的自收缩。碳化钢渣人工骨料的制备可以有效缓解目前骨料行业所面临的压力，促进资源循环利用，推动绿色建材的发展。
附图说明
图1为本发明碳化钢渣人工多孔骨料的制备流程图；
图2为实施例1-3及对比例3中混凝土抗压强度示意图；
图3为实施例1-3及对比例3中骨料的自收缩变形示意图；
图4为实施例1中碳化钢渣人工多孔骨料的微观形貌；
图5为实施例1中碳化钢渣人工多孔骨料的实物图；
图6为实施例1中碳化钢渣人工多孔骨料经压蒸后形态图；
图7为对比例1中未碳化的钢渣人工多孔骨料经压蒸后形态图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，参见图1，所述方法包括以下步骤：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣块放入磨机中，磨成比表面积为200m2/g的钢渣粉，称取60质量份的钢渣粉、10质量份硅酸盐水泥和30质量份粉煤灰混合，以质量水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料；然后在相对湿度50％，温度30℃的条件下对上述得到的球状钢渣骨料预养护72h。养护完成后，将具有碳化预结构的球状钢渣骨料放入碳化釜中，通入99.9vt.％浓度的二氧化碳，在0.1MPa的压力下碳化8h，得到碳化钢渣人工多孔骨料，记为S1，并使用本骨料成型混凝土，得到碳化钢渣骨料混凝土。本实施例中制备的钢渣骨料的微观形貌图参见图4，实物图参见图5，S1在216℃，压力2MPa的环境下压蒸得到的骨料外观参见图6，从图中可以看出，碳化钢渣骨料经过压蒸后完好，未出现破碎。
实施例2
一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为260m2/g的钢渣粉；称取40质量份钢渣粉、20质量份硅酸盐水泥和40质量份粉煤灰混合，以质量水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料；然后在相对湿度50％，温度20℃的条件下对上述得到的球状钢渣骨料预养护48h。养护完成后，将具有碳化预结构的球状钢渣骨料放入碳化釜中，通入100vt.％浓度的二氧化碳，在0.1MPa的压力下碳化72h，得到碳化钢渣人工多孔骨料，记为S3，并使用本骨料成型混凝土，得到碳化钢渣骨料混凝土。
实施例3
一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为260m2/g的钢渣粉；称取40质量份钢渣粉、10质量份硅酸盐水泥和50质量份粉煤灰混合，以质量水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料；然后在相对湿度60％，温度20℃的条件下对上述得到的球状钢渣骨料预养护24h。养护完成后，将具有碳化预结构的球状钢渣骨料放入碳化釜中，通入40vt.％浓度的二氧化碳，在1MPa的压力下碳化4h，得到碳化钢渣骨料，记为S6，并使用本骨料成型混凝土，得到碳化钢渣骨料混凝土。
实施例4
一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一.钢渣粉的制备：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为100m2/g的钢渣粉，其中，钢渣块原料为炼钢过程中的副产品钢渣。
步骤二.钢渣球骨料的制备：称取30质量份的钢渣粉和5质量份的硅酸盐水泥，按水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料。
步骤三.钢渣骨料的碳化：将球状钢渣骨料放入碳化釜中，通入浓度为5vt.％的CO2，压力为0.052MPa，控制碳化时间为72h，得到碳化钢渣人工多孔骨料。
实施例5
一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一.钢渣粉的制备：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为280m2/g的钢渣粉，其中，所述钢渣块原料为炼钢过程中的副产品钢渣。
步骤二.钢渣球骨料的制备：称取100质量份的钢渣粉、20质量份的硅酸盐水泥、60质量份的砖粉和粉煤灰混合物(砖粉和粉煤灰的质量比为1:1)，按水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料。
步骤三.骨料预处理：对步骤二得到的球状钢渣骨料进行预养护，保持环境相对湿度为98％，温度为60℃，养护7d。
步骤四.钢渣骨料的碳化：将预养护后的球状钢渣骨料放入碳化釜中，通入浓度为100vt.％的CO2，压力为1MPa，控制碳化时间为0.5h，得到碳化钢渣人工多孔骨料。
实施例6
一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一.钢渣粉的制备：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为260m2/g的钢渣粉，其中，钢渣块原料为炼钢过程中的副产品钢渣。
步骤二.钢渣球骨料的制备：称取60质量份的钢渣粉、10质量份的硅酸盐水泥、30质量份粉煤灰，按水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料。
步骤三.骨料预处理：对步骤二得到的球状钢渣骨料进行预养护，保持环境相对湿度为80％，温度为20℃，养护4d。
步骤四.钢渣骨料的碳化：将预养护后的球状钢渣骨料放入碳化釜中，通入浓度为99.9vt.％的CO2，压力为0.4MPa，控制碳化时间为8h，得到碳化钢渣人工多孔骨料。
对比例1
一种未碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，包括以下步骤：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为260m2/g的钢渣粉；称取40质量份钢渣粉、20质量份水泥和40质量份粉煤灰混合，以质量水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料；然后在相对湿度50％，温度20℃的条件下对上述得到的球状钢渣骨料预养护48h。得到未碳化钢渣人工多孔骨料，记为C1，其在216℃，压力2MPa的环境下压蒸得到的骨料外观参见图7，从图中可以看出，未碳化钢渣人工多孔骨料出现了粉化或破碎，破碎率达44％，对比图6和图7可以看出使用本专利中的碳化工艺可以提升钢渣骨料的体积安定性，使钢渣骨料安全使用。
对比例2
一种碳化镍渣骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：将镍渣块粉磨至比表面积为200m2/g的粉末，按质量比为镍渣粉：水泥：砖粉＝40：20：40的配比成球，得到镍渣球；然后在相对湿度50％，温度30℃的条件下养护72h。养护完成后，将镍渣球放入碳化釜中，通入100vt.％浓度的CO2，控制釜内压力为0.2MPa，碳化24h后得到碳化镍渣骨料，记为C2。
对比例3
一种天然骨料：天然骨料为破碎成9.5-19mm的石灰石骨料，记为NA。使用天然骨料成型混凝土。
实施例1-3及本对比例中混凝土抗压强度示意图参见图2，从图中可以看出，本发明实施例1-3得到的碳化骨料制备出混凝土抗压强度都可以满足C40混凝土的要求，并且最大可以达到53.8MPa。实施例1-3及本对比例中骨料的自收缩变形示意图参见图3，从图中可以看出，相对于天然骨料，碳化钢渣骨料明显可以减少混凝土的早期体积收缩。
上述实施例1-3及对比例3中混凝土的配比如下表1，其中骨料分别选用实施例1-3及对比例3制备的骨料。
表1一立方米混凝土的成型配比(kg)
Figure BDA0002106129740000061
表2的压碎指标按照GB/T14685-2011《建筑用卵石、碎石》中的方法测得。
表2钢渣骨料的压碎指标(％)
Figure BDA0002106129740000071
表2为实施例1-3和对比例1-3中骨料的压碎指标，从表中可以看出，经过碳化后的骨料压碎值相对于未碳化钢渣骨料降低了11.66％，根据标准GB/T14685-2011，实施例2的骨料可以作为Ⅰ级骨料使用。
表3钢渣骨料的堆积密度(kg/m3)
Figure BDA0002106129740000072
表3为实施例1-3及对比例1测定的骨料密度，从表中可以看出经过碳化的骨料更加密实，而且随着粉煤灰的引入，骨料的堆积密度得到减少。

Claims (6)

1.一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一.钢渣粉的制备：对钢渣块进行破碎，将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为100-280 m2/g的钢渣粉；
步骤二.钢渣球骨料的制备：称取60质量份钢渣粉、10质量份硅酸盐水泥、30质量份粉煤灰混合，按水灰比0.19加水成球，得到球状钢渣骨料；
步骤三.骨料预处理：对步骤二得到的球状钢渣骨料进行预养护，保持环境相对湿度为40-98%，温度为20-60℃，养护1-7 d；
步骤四.钢渣骨料的碳化：将预养护后的球状钢渣骨料放入碳化釜中，通入浓度为5-100 vt.%的CO2，压力为0.052-1 MPa，控制碳化时间为0.5-72 h，得到碳化钢渣人工多孔骨料。
2.根据权利要求1所述的一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中钢渣块原料为炼钢过程中的副产品钢渣。
3.根据权利要求1所述的一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中将得到的碎钢渣放入磨机中，磨至比表面积为260 m2/g的钢渣粉。
4.根据权利要求1所述的一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中保持环境相对湿度为80%，温度为20℃，养护4 d。
5.根据权利要求1所述的一种碳化钢渣人工多孔骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤四中通入浓度为99.9 vt.%的CO2，压力为0.4 MPa，控制碳化时间为8 h。
6.权利要求1-5任一所述的方法制备的碳化钢渣人工多孔骨料。
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