李紅衛(wèi)，李鵬冠，趙風(fēng)清

(1.石家莊建設(shè)工程安全監(jiān)督管理站，石家莊050011;2.河北科技大學(xué)化工學(xué)院，石家莊050018)

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，其對(duì)環(huán)境的危害日益嚴(yán)重，已經(jīng)引起地方各部門的廣泛重視。2013年我國(guó)鋼產(chǎn)量約7.8 億t，鋼渣產(chǎn)量約占粗鋼產(chǎn)量的11%～15%。目前積存的鋼渣已有5 億t 以上，多數(shù)仍然處于簡(jiǎn)單堆存和隨意排放狀態(tài)。大量存放的鋼渣占用大量的土地資源，并引起渣場(chǎng)周圍的水體污染。此外，由于渣場(chǎng)都是露天存放，會(huì)產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，造成周圍環(huán)境污染，危害人體健康［1－5］。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家20 世紀(jì)初期就開(kāi)始關(guān)注鋼渣的利用價(jià)值。近年來(lái)美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的鋼渣利用率都在95%以上，而我國(guó)鋼渣綜合利用率僅為30%，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家存在明顯的差距。建筑行業(yè)需要大量的建筑材料，而鋼渣的化學(xué)成分與水泥熟料相似，具有潛在的膠凝活性。這使得鋼渣在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用成為可能。

將鋼渣、尾礦和水泥按一定比例混合，通過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)制成蒸壓磚，既可保護(hù)環(huán)境，又能降低生產(chǎn)成本。但是鋼渣在替代部分尾礦和水泥的過(guò)程中，改變了蒸壓磚的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)。此時(shí)，制備工藝參數(shù)顯著影響了蒸壓磚的性能。因此，本文通過(guò)調(diào)整物料成型水量、成型壓力、蒸壓溫度和蒸壓時(shí)間等工藝參數(shù)，研究了工藝參數(shù)對(duì)鋼渣－尾礦蒸壓磚性能的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化，為鋼渣、尾礦的處理及資源化利用提供了一條有效途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料及儀器

試驗(yàn)中鋼渣、尾礦均來(lái)自唐山某礦業(yè)公司;水泥為市售42.5 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水泥;鋼渣安定性處理劑VS－I，采用市售化工原料配制。鋼渣、尾礦化學(xué)成分見(jiàn)表1，鋼渣粒徑分布見(jiàn)表2。

表1 鋼渣、尾礦化學(xué)成分 /%

表2 鋼渣粒度分布

試驗(yàn)中主要儀器為3MS01－5050 型試驗(yàn)?zāi)?、NJ－160A 型水泥凈漿攪拌機(jī)、NYL－300A 型壓力試驗(yàn)機(jī)和CS 型高溫蒸壓釜。

1.2 試驗(yàn)方法

將鋼渣放入球磨機(jī)中粉磨60min，與水泥、尾礦按質(zhì)量計(jì)量比30:7:63 混合，加入1.5%的助劑VS－I(占鋼渣質(zhì)量的百分比)。稱取一定比例的水，與物料在攪拌機(jī)中混合均勻。然后按照一定壓力壓制成型，試塊尺寸為50mm ×50mm ×50 mm。密封靜置1d 后放入蒸壓釜，按照合適的養(yǎng)護(hù)制度進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)。經(jīng)自然冷卻后出釜，觀察試塊外觀情況并進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 物料成型水量對(duì)蒸壓磚性能的影響

按照鋼渣、水泥、尾礦質(zhì)量計(jì)量比為30:7:63，成型壓力20MPa。在“升溫2h－恒溫4h(釜內(nèi)180℃蒸壓)－自然冷卻”的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下，改變物料成型水量，對(duì)試塊進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 成型水量對(duì)蒸壓磚性能的影響

由圖1 可知，隨著物料成型水量的增加，試塊抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。在用水量為9%時(shí)，試塊強(qiáng)度到達(dá)最高值23.5MPa。這是由于用水量較低時(shí)，水化不完全，從而導(dǎo)致試塊強(qiáng)度較低。當(dāng)用水量逐步增加時(shí)，膠凝材料水化速度提高，生成膠凝性礦物增多，從而抗壓強(qiáng)度上升。但是當(dāng)用水量繼續(xù)增加，會(huì)有過(guò)量的水分滯留在試塊內(nèi)。殘余水分經(jīng)高溫蒸壓后，以水蒸氣的形式逸出試塊，致使試塊體內(nèi)空隙增多，密實(shí)性下降，強(qiáng)度降低。因此，適宜的物料成型水量為9%。

2.2 成型壓力對(duì)蒸壓磚性能的影響

按照鋼渣、水泥、尾礦質(zhì)量計(jì)量比為30:7:63，物料成型水量9%。在“升溫2h－恒溫4h(釜內(nèi)180℃蒸壓)－自然冷卻”的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下，改變成型壓力。對(duì)試塊進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 成型壓力對(duì)蒸壓磚性能的影響

由圖2 可知，成型壓力在10～30MPa 時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度均高于10MPa，達(dá)到《粉煤灰磚》JC239－2001MU10 等級(jí)要求。隨著成型壓力的增大，抗壓強(qiáng)度呈快速上升趨勢(shì)。當(dāng)成型壓力高于20MPa 后，上升趨勢(shì)變緩。這是因?yàn)槌尚蛪毫^低時(shí)，試塊內(nèi)物料間的排列疏松，空隙率較大，所以試塊強(qiáng)度較低。隨著壓力的增大，物料間的排列趨于緊密，生成膠凝性礦物增多。因此，試塊抗壓強(qiáng)度升高。當(dāng)成型壓力高于20MPa 后，壓力對(duì)物料間排列的影響趨于穩(wěn)定，抗壓強(qiáng)度上升變緩。適宜的成型壓力為20MPa。

2.3 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)蒸壓磚性能的影響

按照鋼渣、水泥、尾礦質(zhì)量計(jì)量比為30:7:63，物料成型水量9%，成型壓力20MPa。在“升溫2h－恒溫4h－自然冷卻”的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下，改變釜內(nèi)蒸壓溫度。對(duì)試塊進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)蒸壓磚性能的影響

由圖3 可知，釜內(nèi)溫度為120℃時(shí)，試塊強(qiáng)度超過(guò)12MPa。隨著釜內(nèi)溫度的升高，試塊抗壓強(qiáng)度逐漸上升。當(dāng)溫度為180℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高22.5MPa。這是因?yàn)闇囟仍礁?，鋼渣中潛在活性組分獲得能量越多，活化性能更好，更易于跨過(guò)反應(yīng)能壘，生成更多的膠凝性礦物。綜合考慮蒸壓磚的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及節(jié)能需要，最適宜的釜內(nèi)蒸壓溫度為140～180℃。

2.4 恒溫蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)蒸壓磚性能的影響

按照鋼渣、水泥、尾礦質(zhì)量計(jì)量比為30:7:63，物料成型水量9%，成型壓力20MPa。在“升溫2h－釜內(nèi)160℃恒溫－自然冷卻”的蒸壓養(yǎng)護(hù)制度下，改變蒸壓恒溫時(shí)間，對(duì)試塊進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，當(dāng)恒溫時(shí)間在4h 以內(nèi)時(shí)，隨恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試塊抗壓強(qiáng)度逐漸上升。這是因?yàn)楹銣貢r(shí)間太短時(shí)，鋼渣中活性組分獲得能量不足，水化不完全，抗壓強(qiáng)度較低。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，活性組分逐漸增多，水化漸趨完全，膠凝性礦物增多，抗壓強(qiáng)度升高。從安全和節(jié)能的角度綜合考慮，適宜的養(yǎng)護(hù)條件為160℃恒溫3～4h。

圖4 恒溫時(shí)間對(duì)蒸壓磚性能的影響

2.5 鋼渣－尾礦蒸壓磚的優(yōu)化工藝條件及其效果

根據(jù)2.1－2.4，得出適宜的鋼渣－尾礦蒸壓磚工藝條件:成型水量為9%;成型壓力為20MPa;蒸養(yǎng)條件為160℃恒溫3h。與未加安定性處理劑的工藝進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化工藝條件對(duì)蒸壓磚性能的影響

從表3 可知，在未加安定性處理劑的工藝中，鋼渣最高摻量?jī)H為11%，當(dāng)摻量在12%時(shí)，試塊出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。用VS－I 對(duì)鋼渣進(jìn)行改性處理后，鋼渣摻量可達(dá)30%且試塊不產(chǎn)生裂紋。該工藝經(jīng)優(yōu)化后，適宜的養(yǎng)護(hù)條件為160℃恒溫3h，水泥摻量降為5%。試塊抗壓強(qiáng)度均達(dá)到《粉煤灰磚》JC239－2001MU15 等級(jí)要求。

3 結(jié) 論

(1)物料成型水量對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度有顯著影響。隨著成型水量的增加，試塊抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，適宜的成型水量為9%。

(2)隨著成型壓力的加大，試塊抗壓強(qiáng)度逐漸上升。綜合考慮安全使用性與生產(chǎn)成本，適宜的成型壓力為20MPa。

(3)釜內(nèi)蒸壓溫度、恒溫時(shí)間對(duì)試塊的抗壓強(qiáng)度有雙重影響。隨蒸壓溫度的升高、恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試塊抗壓強(qiáng)度均呈先上升后下降的趨勢(shì)。適宜的蒸養(yǎng)條件為160℃恒溫3h。此時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度高于15MPa，到達(dá)《粉煤灰磚》JC239－2001MU15 等級(jí)要求。

確定了成型水量9%，成型壓力20MPa，釜內(nèi)溫度160℃，恒溫時(shí)間3h 為鋼渣－尾礦蒸壓磚制品的適宜生產(chǎn)參數(shù)。以本工藝生產(chǎn)尾礦－鋼渣蒸壓磚，鋼渣摻量從原來(lái)的11%提高到30%，水泥用量由原來(lái)的7%下降到5%，產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度達(dá)到15MPa 以上。為鋼渣、尾礦的處理及資源化利用提供了一條有效途徑。

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