吳春麗，陳 哲，謝紅波，麥俊明，夏 勇

(廣東省建筑材料研究院有限公司，廣州 510000)

0 引 言

在全球氣候變暖和“雙碳”目標(biāo)背景下，碳儲(chǔ)存材料的開(kāi)發(fā)及利用逐步被提上日程。目前，工業(yè)固廢中被用作碳儲(chǔ)存研究的原材料主要集中在鋼渣范圍內(nèi)，如錢春香等[1]研究不同摻量微生物對(duì)鋼渣中主要礦物相碳化反應(yīng)速率的影響，結(jié)果表明微生物能提高鋼渣中游離氧化鈣和硅酸鹽礦物相碳化反應(yīng)速率，提高礦化產(chǎn)物的強(qiáng)度，降低孔隙率。姚恒山等[2]試驗(yàn)結(jié)果表明鋼渣碳酸化過(guò)程降低塊體的空隙率，在碳酸化7 d后，空隙率降低了10.17%，體積安定性良好。史迪等[3]和葉家元等[4]利用鋼渣的堿激發(fā)-碳化協(xié)同作用制備碳化磚，分析在堿激發(fā)條件下的碳化效果影響因素，結(jié)果表明：堿有效激發(fā)鋼渣的膠凝活性，生成的C-S-H凝膠為碳化反應(yīng)提供碳化源；同時(shí)，鋼渣細(xì)度、鋼渣摻量、堿摻量及水用量對(duì)碳化效果產(chǎn)生不同的影響。不銹鋼渣和鋼渣在礦物組成、顆粒形狀及理化性質(zhì)等方面具有相似之處，但有關(guān)不銹鋼渣作為碳儲(chǔ)存材料的潛能尚未研究。因此，本文開(kāi)展不銹鋼渣碳儲(chǔ)存方面的研究，具有利用廢渣和減少CO2的雙重意義。

不銹鋼渣是冶煉不銹鋼過(guò)程中排放的工業(yè)固體廢棄物，大部分仍以露天堆存或填埋為主，其排放量累計(jì)高達(dá)6 000萬(wàn)t，但資源化利用率不足20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，造成了一定的環(huán)境污染，并制約企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-6]。不銹鋼渣中CaO和SiO2主要以2CaO·SiO2(C2S)形式存在。通常，C2S有5種晶型：α、α＇H、α＇L、β和γ型，不銹鋼渣在緩冷過(guò)程中，α-C2S經(jīng)過(guò)一系列固相轉(zhuǎn)變成為β-C2S，隨后β-C2S部分或全部轉(zhuǎn)變成γ-C2S。其中，β-C2S是一種介穩(wěn)態(tài)晶型，向γ-C2S轉(zhuǎn)變且此轉(zhuǎn)變過(guò)程是不可逆的；同時(shí)，β-C2S與γ-C2S之間晶型結(jié)構(gòu)和密度不同導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力升高，易造成粉化現(xiàn)象，并伴隨著約10%～20%的體積增加[7]。在常溫常壓下，β-C2S的水化活性顯著高于γ-C2S；但在適宜濕度和CO2濃度環(huán)境下，γ-C2S的碳化活性顯著高于β-C2S[8-11]，可吸收一定量的CO2?；诖耍芯繉W(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注γ-C2S礦物碳化活性研究。

近些年，γ-C2S礦物碳化活性研究主要集中在化學(xué)合成領(lǐng)域，通過(guò)高溫合成γ-C2S并探討其性能特點(diǎn)。朱明等[12]通過(guò)化學(xué)合成成功制備出β-C2S和γ-C2S，經(jīng)過(guò)碳化試驗(yàn)和水化試驗(yàn)對(duì)比分析證明γ-C2S比β-C2S的碳化活性更高、水化活性更低。明心昭等[13]在化學(xué)合成γ-C2S過(guò)程中加入Al2O3，發(fā)現(xiàn)Al2O3摻雜不會(huì)改變?chǔ)?C2S的晶型，但延緩了碳化放熱，有利于碳化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，促進(jìn)碳酸鈣晶體的生長(zhǎng)，碳化程度更高。Fang等[14]采用SiO2和CaO高溫?zé)Y(jié)化學(xué)合成β-C2S和γ-C2S，通過(guò)加速碳化工藝證明γ-C2S碳化活性高于β-C2S。邱滿等[15]利用工業(yè)原料石灰石、河砂和鐵礦，高溫煅燒法合成了γ-C2S型低碳水泥，經(jīng)過(guò)與CO2反應(yīng)碳酸化后，抗壓強(qiáng)度將大大提高。上述研究成果均表明γ-C2S具備較高的碳化活性，但有關(guān)γ-C2S不銹鋼渣的碳化研究相對(duì)較少。由于不銹鋼渣在排放過(guò)程中未采用急冷工藝，在排放過(guò)程中會(huì)有大量的β-C2S轉(zhuǎn)化為γ-C2S，同時(shí)伴有粉化現(xiàn)象，因此不銹鋼渣中的主要礦物為γ-C2S，且原渣多呈粉狀，是一種γ-C2S為主要礦物的廢渣。

基于上述情況，綜合考慮不銹鋼渣的礦物組成及γ-C2S的碳化特性，本文嘗試從碳儲(chǔ)存材料的角度對(duì)不銹鋼渣進(jìn)行研究。以不銹鋼渣為主要原料，采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分析不銹鋼渣在不同影響因素下碳化特性的變化，通過(guò)分析碳化產(chǎn)物組成、微觀特性、熱重特性，進(jìn)一步探索不銹鋼渣的碳化機(jī)理，建立初步碳化模型，為不銹鋼渣用于制備碳儲(chǔ)存材料提供重要參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

不銹鋼渣取自東莞不銹鋼渣堆場(chǎng)，將不銹鋼渣破碎、粉磨后備用。依據(jù)GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試不銹鋼渣內(nèi)外放射指數(shù)，結(jié)果顯示內(nèi)外放射指數(shù)均為0.1，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。采用BT-9300S型激光粒度分布儀測(cè)試不銹鋼渣的粒徑分布(見(jiàn)圖1)。不銹鋼渣粉粒徑分布主要在2～45 μm，少量分布在75～200 μm，平均粒徑約為12 μm。

圖1 不銹鋼渣粒徑分布

依據(jù)YB/T 140—2009《鋼渣化學(xué)分析方法》標(biāo)準(zhǔn)和D8 ADVANCE-X射線衍射儀測(cè)定不銹鋼渣的化學(xué)成分(見(jiàn)表1)和礦物組成(見(jiàn)圖2)。不銹鋼渣化學(xué)組成以SiO2和CaO為主，礦物組成以γ-2CaO·SiO2(γ-C2S)為主，還含有少量的α-2CaO·SiO2(α-C2S)、β-2CaO·SiO2(β-C2S)和3CaO·SiO2(C3S)。

表1 不銹鋼渣主要化學(xué)組成

圖2 不銹鋼渣XRD譜

1.2 樣品制備及試驗(yàn)方法

稱取適量的不銹鋼渣粉，加入水后混合均勻，混合均勻的原料過(guò)2.36 mm方孔篩造粒后，立即裝入100 mm×40 mm×20 mm的模具中壓制成型，并至最大壓力時(shí)靜定30 s。壓制成型后的試塊在溫度為25 ℃、濕度為60%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)12 h，隨后放置于碳化反應(yīng)釜中。首先用真空泵抽真空，再通入100%的CO2氣體進(jìn)行碳化養(yǎng)護(hù)，考慮到設(shè)備實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，反應(yīng)釜內(nèi)CO2分壓最大設(shè)計(jì)為0.3 MPa，反應(yīng)釜中環(huán)境濕度控制在60%。

碳化制度為CO2分壓分別為0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa；碳化時(shí)間為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、120 min、240 min；液固比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%、10%、15%、20%；成型壓力為1.25 MPa、2.50 MPa、3.75 MPa、5.00 MPa。碳化后的試塊需在100～110 ℃環(huán)境下烘干至恒重后備用。

利用SHT4305微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試塊的抗壓強(qiáng)度(每種試塊分別測(cè)試6塊取平均值)，試塊的受壓面為50 mm×40 mm；采用D8 ADVANCE-X射線衍射儀、JEM-6701F型掃描電鏡和SDT Q600熱重分析儀分別測(cè)試不銹鋼渣碳化試塊的物相組成、微觀特性及熱重變化，采用Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試不銹鋼渣碳化前后分子結(jié)構(gòu)變化，測(cè)試波數(shù)范圍為250～2 500 cm-1。

1.3 碳化程度

碳化程度表征礦物碳化捕捉CO2能力的強(qiáng)弱，在一定程度上決定了被碳化礦物的結(jié)構(gòu)類型，也就決定了其性能。本文采用質(zhì)量守恒法來(lái)表征不銹鋼渣的碳化程度，不銹鋼渣試塊碳化前的質(zhì)量記為M0，試塊碳化后烘干至恒重質(zhì)量記為M1，碳化程度計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：R為碳化程度，%；M0為試塊碳化前質(zhì)量，g；M1為試塊碳化后質(zhì)量，g；α為液固比，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 液固比對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)不銹鋼渣試塊成型壓力為2.50 MPa，CO2分壓為0.3 MPa時(shí)，分析液固比(5%、10%、15%、20%)對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響情況，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在同一液固比條件下，不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度均隨碳化時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在碳化時(shí)間60 min時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，0～60 min增加較為迅速，60 min后碳化程度和抗壓強(qiáng)度基本保持不變，說(shuō)明碳化反應(yīng)在60 min基本結(jié)束；同時(shí)，當(dāng)碳化時(shí)間為60 min時(shí)，不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度已達(dá)到總體的80%。

圖3 液固比對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響

隨著液固比的增加，不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了先上升后降低的趨勢(shì)。當(dāng)液固比由5%增加到10%時(shí)，不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，且達(dá)到峰值，隨后液固比進(jìn)一步提高到15%和20%時(shí)，兩者出現(xiàn)了一定的回落?？傮w而言，液固比對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的優(yōu)化順序?yàn)椋?0%>15%>20%>5%。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能與不銹鋼渣碳化反應(yīng)過(guò)程有關(guān)。隨著液固比的增加，不銹鋼渣試塊孔隙中自由水量增加，CO2氣體擴(kuò)散至試塊內(nèi)，在適宜的水介質(zhì)環(huán)境下，礦物相與CO2快速發(fā)生碳化反應(yīng)，由于碳化反應(yīng)是從表至內(nèi)逐步發(fā)生的，表面最先碳化形成一層致密的硬化層[16-17]，阻止了CO2進(jìn)一步向內(nèi)部擴(kuò)散，造成試塊內(nèi)部CO2氣體量越來(lái)越小，阻止了碳化反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)生，這也是造成碳化程度和抗壓強(qiáng)度隨碳化時(shí)間延長(zhǎng)而增加幅度減弱的最主要原因。但隨液固比的進(jìn)一步增加，試塊含水量增加，試塊孔隙中逐步被水充盈，導(dǎo)致CO2氣體擴(kuò)散需克服的液體阻力加大，CO2氣體擴(kuò)散速度降低，碳化反應(yīng)進(jìn)程減慢。基于此，不銹鋼渣試塊碳化反應(yīng)較佳的液固比為10%。

2.2 成型壓力對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)不銹鋼渣試塊液固比為10%，CO2分壓為0.3 MPa時(shí)，分析成型壓力(1.25 MPa、2.50 MPa、3.75 MPa、5.00 MPa)對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響情況，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著成型壓力的增加，不銹鋼渣試塊的碳化程度和抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)成型壓力由1.25 MPa增加到2.50 MPa時(shí)，不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度都有增強(qiáng)，且達(dá)到峰值，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度大于碳化程度的增長(zhǎng)幅度，當(dāng)成型壓力進(jìn)一步增加到3.75 MPa和5.00 MPa時(shí)，碳化程度和抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了一定的回落?？傮w而言，成型壓力對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響大小順序?yàn)椋?.50 MPa>3.75 MPa>5.00 MPa>1.25 MPa。

圖4 成型壓力對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能與不銹鋼渣試塊孔結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。成型壓力是影響試塊孔結(jié)構(gòu)的重要因素，合適的孔結(jié)構(gòu)是確保不銹鋼渣充分碳化的先決條件[18]。在成型壓力為1.25 MPa時(shí)，試塊內(nèi)部大孔隙較多，有利于CO2向試塊內(nèi)部擴(kuò)散，不銹鋼渣能有較高的碳化程度，但在這一過(guò)程中碳化產(chǎn)物不足以填充試塊內(nèi)部較大的孔隙，未能將不銹鋼渣顆粒間較好膠結(jié)在一起，致密度不夠高，致使碳化后試塊抗壓強(qiáng)度相對(duì)不高。隨著成型壓力增加至2.50 MPa時(shí)，試塊的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,大孔隙減少,小孔隙增多，CO2擴(kuò)散至試塊內(nèi)部時(shí)與之發(fā)生碳化反應(yīng)的接觸點(diǎn)增多，加快碳化反應(yīng)的進(jìn)行，且碳化產(chǎn)物的填充及膠結(jié)效應(yīng)更為明顯，提高了試塊的致密性，致使碳化后試塊抗壓強(qiáng)度有較大提升。隨著成型壓力繼續(xù)增加至3.25 MPa和5.00 MPa時(shí)，試塊內(nèi)部顆粒間孔結(jié)構(gòu)繼續(xù)變化,孔徑進(jìn)一步變小，自身的密實(shí)度較高，一定程度上不利于CO2的擴(kuò)散以及試塊的碳化反應(yīng)，故試塊碳化程度和抗壓強(qiáng)度較成型壓力為2.50 MPa時(shí)有所降低，但仍高于成型壓力為1.25 MPa時(shí)。由此可見(jiàn)，成型壓力過(guò)高并不利于碳化反應(yīng)的進(jìn)行，較佳的成型壓力為2.50 MPa。

2.3 CO2分壓對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)不銹鋼渣試塊液固比為10%，成型壓力為2.50 MPa時(shí)，分析CO2分壓(0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa)對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響情況。

圖5為不銹鋼渣試塊在大氣環(huán)境中自然碳化情況，不銹鋼渣自然碳化程度極低，碳化時(shí)間為120 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅為7.8 MPa。圖6為CO2分壓對(duì)不銹鋼渣碳化性能的影響，由圖6可知，當(dāng)CO2分壓由0.1 MPa增加到0.3 MPa時(shí)，試塊碳化程度和抗壓強(qiáng)度均隨CO2分壓的增大而增加，相同CO2分壓下試塊碳化程度和抗壓強(qiáng)度隨碳化時(shí)間變化趨勢(shì)與圖3和圖4相似。上述分析表明，CO2分壓是影響不銹鋼渣碳化反應(yīng)的關(guān)鍵因素。

圖5 不銹鋼渣大氣環(huán)境下自然碳化情況

圖6 CO2分壓對(duì)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度的影響

在不銹鋼渣碳化過(guò)程中，試塊內(nèi)外CO2氣體濃度差是其擴(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力，隨著CO2分壓的增大，試塊內(nèi)外CO2濃度差越大，CO2向試塊內(nèi)部擴(kuò)散越快，碳化反應(yīng)也更為劇烈，碳化產(chǎn)物充填在試塊內(nèi)部孔隙間且膠結(jié)部分顆粒，試塊的碳化程度和抗壓強(qiáng)度也隨之提高。但試塊的孔隙率是一定的，前期碳化反應(yīng)導(dǎo)致試塊表面致密度高，阻礙了碳化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，致使后期碳化強(qiáng)度增幅較小。因此，不銹鋼渣試塊較佳的CO2分壓為0.3 MPa。

綜上所述，不銹鋼渣較佳的碳化制度為液固比10%，成型壓力2.50 MPa，CO2分壓0.3 MPa，在此碳化制度下探索不銹鋼渣碳化機(jī)理。

3 不銹鋼渣碳化機(jī)理分析

3.1 不銹鋼渣試塊的物相組成和微觀形貌分析

不銹鋼渣試塊碳化產(chǎn)物XRD譜如圖7所示。由圖7(a)可知，不銹鋼渣試塊碳化后出現(xiàn)了明顯的CaCO3(2θ=29.43°、39.43°、42.93°、47.52°、48.48°)衍射峰，說(shuō)明CaCO3是碳化反應(yīng)的主要結(jié)晶產(chǎn)物，且隨碳化時(shí)間增加，CaCO3衍射峰強(qiáng)度增加不明顯。除此之外，試塊碳化后還存在C3S、β-C2S、α-C2S衍射峰。通過(guò)圖7(b)中不銹鋼渣和碳化產(chǎn)物對(duì)比可知，碳化產(chǎn)物中未見(jiàn)γ-C2S衍射峰，說(shuō)明不銹鋼渣中γ-C2S碳酸化反應(yīng)基本完全。同時(shí)，碳化產(chǎn)物中C3S、β-C2S、α-C2S衍射峰強(qiáng)度與不銹鋼渣相比變化甚微，可能是C3S、β-C2S、α-C2S參與碳化反應(yīng)程度較低所致[9,19-21]。綜上所述，不銹鋼渣碳化反應(yīng)基本以γ-C2S碳酸化為主。

圖7 不銹鋼渣碳化產(chǎn)物XRD譜

不銹鋼渣試塊碳化后微觀形貌如圖8所示。由圖8可知，不銹鋼渣試塊碳化后內(nèi)部生成了片狀、顆粒狀的晶體物質(zhì)。圖9為晶粒m和n的EDS譜，表2為晶粒m、n的EDS分析結(jié)果，EDS譜證實(shí)不銹鋼渣試塊碳化后內(nèi)部生成的片狀、顆粒狀晶體為CaCO3晶體。同時(shí)，隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)，不銹鋼渣的碳化產(chǎn)物逐漸增多，且產(chǎn)物連接越來(lái)越致密。當(dāng)碳化時(shí)間為10 min時(shí)，不銹鋼渣表面碳化生成少量晶體，但晶體產(chǎn)物未能緊密連接在一起，結(jié)構(gòu)較疏松，抗壓強(qiáng)度較低。當(dāng)碳化時(shí)間為40 min時(shí)，明顯看出晶體物質(zhì)增多，產(chǎn)物相互連接在一起，致密性有很大提高。當(dāng)碳化時(shí)間增加到240 min時(shí)，受空間的局限性，晶體長(zhǎng)大為團(tuán)簇狀，總體孔隙率較小，致密性高，抗壓強(qiáng)度也較高。因此，碳化時(shí)間的增加有利于不銹鋼渣的碳化。

圖8 不銹鋼渣碳化產(chǎn)物SEM照片

圖9 樣品晶粒m和n的EDS譜

表2 樣品中晶粒m、n的EDS分析

3.2 不銹鋼渣試塊的熱重分析

不銹鋼渣試塊碳化后的DSC-TG曲線如圖10所示。由圖10分析可知，試塊在300 ℃前出現(xiàn)了少量的質(zhì)量損失，這是由于試塊內(nèi)部自由水和結(jié)合水的蒸發(fā)；同時(shí)，試塊在300～800 ℃內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)吸熱峰，并伴隨明顯的質(zhì)量損失，結(jié)合XRD和SEM分析結(jié)果可知，這可能是CaCO3的分解造成的。不銹鋼渣試塊碳化時(shí)間從10 min逐步增加到240 min時(shí)，CaCO3分解造成的質(zhì)量損失分別約為11.74%、11.78%、12.05%、12.15%、12.20%、12.36%、12.40%和12.75%，整體變化趨勢(shì)與質(zhì)量守恒法計(jì)算結(jié)果相似。在碳化時(shí)間為60 min時(shí)，依據(jù)熱重分析表明每千克不銹鋼渣經(jīng)碳化反應(yīng)大約可固化123.6 g CO2；而采取質(zhì)量守恒法計(jì)算的碳化程度為16.9%，略高于TG分析結(jié)果，這可能是質(zhì)量守恒法計(jì)算過(guò)程中未去除試塊內(nèi)部的自由水和結(jié)合水導(dǎo)致的。

圖10 不銹鋼渣碳化后DSC-TG曲線

3.3 不銹鋼渣碳化機(jī)理分析

不銹鋼渣碳化機(jī)理簡(jiǎn)易圖如圖11所示，圖11(a)為整體碳化反應(yīng)示意圖，圖11(b)為單顆粒示意圖。由圖11(b)可知，單顆粒碳化后由外到內(nèi)依次分為完全碳化區(qū)、部分碳化區(qū)和未碳化區(qū)，其中完全碳化區(qū)和部分碳化區(qū)屬于碳化反應(yīng)區(qū)，兩者碳化產(chǎn)物均填充在顆粒間孔隙中。完全碳化區(qū)的物相組成基本以CaCO3為主，此區(qū)是最先發(fā)生碳化反應(yīng)的部位，CO2氣體含量充足，碳化發(fā)生較徹底，生成的碳酸鈣在表面形成一層致密的保護(hù)層，但保護(hù)層阻礙了后期CO2向內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)散；部分碳化區(qū)的物相組成因碳化反應(yīng)發(fā)生變化，CaCO3含量由表到里逐漸減少，這是CO2氣體由表到里擴(kuò)散程度逐漸減弱，金屬鈣離子未完全參與碳化反應(yīng)造成的；未碳化區(qū)的物相組成無(wú)CaCO3，這是CO2氣體基本無(wú)法擴(kuò)散進(jìn)去，金屬鈣離子未參與碳化反應(yīng)導(dǎo)致的。分析圖7中XRD譜可知，隨著碳化時(shí)間的延長(zhǎng)，CaCO3衍射峰增加幅度較小，且圖3、圖4和圖6顯示不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度變化也隨碳化時(shí)間延長(zhǎng)趨于平緩，這兩個(gè)方面充分說(shuō)明不銹鋼渣隨碳化時(shí)間延長(zhǎng)碳化速率逐漸減弱。CO2濃度是影響碳化速率的主要因素，后期CO2氣體向不銹鋼渣孔隙內(nèi)擴(kuò)散阻力越來(lái)越大，孔隙內(nèi)部CO2濃度逐漸降低，表明不銹鋼渣碳化反應(yīng)是由表及里、由外到內(nèi)依次進(jìn)行，這部分結(jié)果與圖11(b)基本一致。

不銹鋼渣的碳化反應(yīng)過(guò)程分為兩個(gè)階段，氣相擴(kuò)散和γ-C2S化學(xué)反應(yīng)，如圖11(a)中標(biāo)注所示。具體分析如下：

圖11 不銹鋼渣碳化機(jī)理示意圖

(1)氣相擴(kuò)散。不銹鋼渣試塊周圍的CO2擴(kuò)散到表面，并在不銹鋼渣的毛細(xì)孔中與水首先反應(yīng)H2CO3，形成弱酸環(huán)境，化學(xué)反應(yīng)式如下所示：

CO2+H2O→H2CO3

(2)

(2)γ-C2S化學(xué)反應(yīng)。在酸性環(huán)境中γ-C2S礦物顆?？焖俚厝芙獬鲡}離子，鈣離子與孔溶液中的碳酸根離子結(jié)合形成碳酸鈣，產(chǎn)物包裹在顆粒表面，同時(shí)填充顆粒之間的空隙，形成一個(gè)致密的碳化產(chǎn)物層，化學(xué)反應(yīng)式如下所示：

γ-C2S+2H2CO3→2CaCO3+SiO2(gel)+2H2O

(3)

圖12 不銹鋼渣碳化前后的FT-IR譜

4 結(jié) 論

(1)不銹鋼渣礦物組成以γ-C2S為主，是碳化的主要來(lái)源，為碳儲(chǔ)存提供了有利條件；

(2)不銹鋼渣碳化程度和抗壓強(qiáng)度隨液固比和成型壓力的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，隨CO2分壓的增大逐漸增加，較佳的碳化制度為成型壓力2.50 MPa，液固比10%，CO2分壓0.3 MPa，在碳化時(shí)間60 min時(shí)，每千克不銹鋼渣大約可固化CO2氣體123.6 g；

(3)隨碳化時(shí)間增加，不銹鋼渣碳化產(chǎn)物衍射峰增加幅度較小，γ-C2S碳化反應(yīng)逐漸生成片狀、顆粒狀CaCO3晶體，呈團(tuán)簇狀，其他物相幾乎未參與碳化反應(yīng)；

(4)不銹鋼渣(礦物以γ-C2S為主)具有較好的碳化活性，具有制備碳儲(chǔ)存材料的潛力。