羅華麗

(煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院 食品與生化工程系,山東 煙臺(tái) 264670)

隨著近三十年全球工業(yè)化快速發(fā)展,溫室效應(yīng)所導(dǎo)致的氣候異常日益加劇。2015年中國(guó)向世界莊嚴(yán)承諾,2030年中國(guó)CO2排放將達(dá)到峰值,2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。因此,除了傳統(tǒng)的碳減排和綠色固碳等手段,中國(guó)還需在二氧化碳固定技術(shù)等實(shí)現(xiàn)突破,以助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的偉大目標(biāo)[1]。

鋼渣是一種堿性工業(yè)廢棄物,因成本低廉和易于碳酸化處理,是一種理想的二氧化碳固定原料[2]。中國(guó)鋼渣每年產(chǎn)量巨大,但資源利用率普遍較低,這種狀況逐漸引起相關(guān)研究者關(guān)注。近年來(lái),常鈞教授[3]采取半干法碳酸化技術(shù),制備鋼渣加氣混凝土制品,不但解決了有機(jī)保溫材料耐火性差的問(wèn)題[4],而且實(shí)現(xiàn)了鋼渣的高效利用,擴(kuò)大了無(wú)機(jī)保溫材料的種類(lèi)。該技術(shù)具有原料成本低、施工時(shí)間短、工藝簡(jiǎn)單易行、耐火性能高等顯著優(yōu)勢(shì)。

本文以鋼渣為骨料,采用半干法碳酸化工藝固定二氧化碳制備綠色建材制品,不僅能大量消耗鋼渣廢棄物,而且可實(shí)現(xiàn)二氧化碳的長(zhǎng)期固定,生產(chǎn)出成本低廉、品質(zhì)優(yōu)良的碳酸化鋼渣建材制品,一箭三雕。該研究符合國(guó)家環(huán)保降碳、以廢制廢、節(jié)能減排的政策要求[5,6]。

1 材料和方法

1.1 材料

鋼渣是四川達(dá)州鋼鐵集團(tuán)出爐鋼渣;鋼渣細(xì)粉是將出爐鋼渣經(jīng)“水淬”“磁選”“破碎”等工序處理后,經(jīng)行星球磨機(jī)研磨至80 μm的鋼渣細(xì)粉。硬脂酸鈣和鋁粉等其他試劑均從國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司采購(gòu)。

1.2 方法

1.2.1 鋼渣加氣制品制備

將鋼渣細(xì)粉和穩(wěn)泡劑(硬脂酸鈣)干混60 s,按照每千克混合料添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%鋁粉,混合60 s。按每千克混合料添加0.4千克去離子水,攪拌60 s。最終,將上述混合料倒入鋼質(zhì)帶蓋模具(容積40 mm×40 mm×40 mm ),溫度控制在20±5 ℃,濕度控制在46%～50%,鋁粉發(fā)泡充分養(yǎng)護(hù)30 min。當(dāng)含水率達(dá)到25%～30%時(shí),向模具中通入0.2 MPa體積濃度99%二氧化碳,碳酸化養(yǎng)護(hù)30 min。隨后,將模具打開(kāi),將制品轉(zhuǎn)移放入烘箱干燥30 min,即得。

按照中國(guó)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T266-2011《干密度測(cè)試方法》進(jìn)行試驗(yàn),干密度ρ0計(jì)算按公式1計(jì)算。

(1)

其中：ρ0是試件未磨碎狀態(tài)下干密度;m是試件干燥后的質(zhì)量;V是試件未磨碎狀態(tài)下的體積。

1.2.2 孔隙率

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 208-2014《水泥密度測(cè)定方法》,將待測(cè)制品磨成細(xì)粉,細(xì)粉密度ρ按公式2計(jì)算;孔隙率P按公式3計(jì)算。

(2)

其中：ρ是水泥密度;m是水泥質(zhì)量;V2是李氏瓶第二讀數(shù)(mL);V1是李氏瓶第一讀數(shù)(mL)。

(3)

其中：P是孔隙率;ρ0是試件未磨碎狀態(tài)的密度;ρ是試件磨碎成細(xì)粉的密度。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度

按中國(guó)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T266-2011《抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法》對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試?？箟簭?qiáng)度按公式4計(jì)算。

(4)

1.2.4 吸水率

根據(jù)中國(guó)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T266-2011《吸水率測(cè)試方法》對(duì)鋼渣加氣混凝土制品進(jìn)行測(cè)試。吸水率按公式5計(jì)算。

(5)

其中：W是吸水率;m吸水后是試件吸水后的質(zhì)量;m未吸水是試件吸水前的質(zhì)量。

1.2.5 X射線衍射(XRD)

利用德國(guó)Bruker D8 ADVANCE型X射線衍射儀,表征礦物相態(tài)分子結(jié)構(gòu)。測(cè)試條件：CuKɑ12,λ = 0.154 nm;管電壓40 kV;管電流25 mA;2θ角為5°～80°;步長(zhǎng)0.020°;每步0.5 s。測(cè)試樣品質(zhì)量控制在1.3～1.7克(結(jié)果見(jiàn)表1)。

表1 不同礦物的相態(tài)分子結(jié)構(gòu)

1.2.6 TG-DTG 分析

采用Q500型熱重分析儀,測(cè)定熱穩(wěn)定性能,N2氣氛,升溫速度10 ℃/min,溫度50～1000 ℃。

1.2.7 傅里葉變換紅外光譜分析(FT-IR)

采用IS50型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試,掃描范圍為400～4000 cm-1,分辨率4 cm-1。

1.2.8 掃描電鏡(SEM)

采用德國(guó)SEM 8230型掃描電鏡進(jìn)行微觀形貌表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡工藝

2.1.1 鋼渣加氣制品的宏觀性能

碳酸化前后的鋼渣加氣混凝土制品宏觀性能對(duì)比見(jiàn)表2?？梢?jiàn)：碳酸化前后的鋼渣加氣混凝土制品孔隙率均高于80.0%以上,說(shuō)明鋁粉發(fā)泡性能良好。但碳酸化前后鋼渣加氣混凝土吸水率僅為13.2%和11.6%,說(shuō)明形成封閉孔隙比率高。碳酸化前后抗壓強(qiáng)度由0.64 MPa升高至1.01 MPa,說(shuō)明碳酸化鋼渣加氣混凝土制品的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗壓性能良好。

表2 鋁粉發(fā)泡鋼渣試塊抗壓能力、孔隙率和吸水率

2.1.2 XRD分析

圖1為鋼渣和鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土(48 h干燥)的XRD譜圖。通過(guò)XRD譜圖分析,可以發(fā)現(xiàn)：在2θ=38.0°附近,鋼渣XRD譜圖中出現(xiàn)了游離CaO衍射峰,但是鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土XRD游離CaO的衍射峰完全消失。在2θ=18.0°附近,鋼渣XRD譜圖中出現(xiàn)了高強(qiáng)度的CaOH的衍射峰,而鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土XRD譜圖中沒(méi)有出現(xiàn)CaOH的衍射峰;在2θ=29.2°附近,鋼渣XRD譜圖中出現(xiàn)了CaCO3的衍射峰,而鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土XRD譜圖中的CaCO3的衍射峰消失。在2θ=11.0°附近,鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土XRD譜圖中,出現(xiàn)了強(qiáng)度非常高的單碳鋁酸鈣鹽的衍射峰。

圖1 鋼渣和鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土試塊的XRD

綜上,鋁粉的添加可明顯改變鋼渣發(fā)泡混凝土的礦物組成。其中,鋼渣混凝土體系因鋁粉的加入,發(fā)生了一系列水化反應(yīng)(見(jiàn)反應(yīng)方程6-11)。

2.1.3 TG-DTG 分析

圖2為鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土試塊的TG-DTG 分析結(jié)果。經(jīng)過(guò)測(cè)定,當(dāng)溫度介于50～300 ℃時(shí),單碳鋁酸鈣鹽的質(zhì)量損失率高達(dá)9.6%,表現(xiàn)出較高的含水率。然而,當(dāng)溫度降至400～450 ℃時(shí),未發(fā)現(xiàn)氫氧化鈣的脫水現(xiàn)象,表明該物料未經(jīng)過(guò)氫氧化鈣的處理,從XRD測(cè)定的數(shù)據(jù)來(lái)看,也符合預(yù)期。

圖2 鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土試塊的 TG-DTG

2.1.4 FT-IR分析

圖3 未碳酸化的鋼渣和鋁粉發(fā)泡加氣混凝土試塊的傅里葉紅外光譜圖

2.1.5 FE-SEM分析

圖4為采用掃描電鏡(SEM)表征鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣混凝土斷面的微觀形貌。由圖4可見(jiàn)：氣泡壁表面存在大量“網(wǎng)狀骨架”(單碳型水化碳鋁酸鈣相)和“多孔凝膠鏈”(C-S-H凝膠相)共同構(gòu)成的“凝膠-骨架網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)。

以鋁粉作為發(fā)泡劑,與水反應(yīng)放熱量大,不僅促進(jìn)了單碳型水化碳鋁酸鈣的形成,也加速了鋼渣水化反應(yīng)速度,還有利于C-S-H凝膠體的大量形成。這種C-S-H 凝膠可以填充在單碳型水化碳鋁酸鈣晶體網(wǎng)絡(luò)骨架的孔隙內(nèi),形成致密的“凝膠-骨架網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu),從而大大提升了鋁粉發(fā)泡加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)泡性能。

圖4 鋁粉發(fā)泡加氣混凝土試塊氣泡壁FE-SEM圖

2.2 加速碳酸化工藝

2.2.1 加速碳酸化處理鋼渣加氣制品的宏觀性能

采用體積濃度99.9%的CO2在0.2 MPa壓力下,對(duì)鋼渣加氣混凝土加速碳酸化養(yǎng)護(hù)2小時(shí),發(fā)現(xiàn)制品抗壓強(qiáng)度與抗壓能力均明顯提升(見(jiàn)表2)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鋼渣加氣混凝土制品在經(jīng)過(guò)2小時(shí)的加速碳酸化處理后,抗壓強(qiáng)度等級(jí)由C0.5提升至C1.0(參照泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范JG/T266-2011);已經(jīng)接近高爐礦渣制備加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度[19]。干密度則達(dá)到A6 級(jí)別干密度要求。通過(guò)鋁粉、鋼渣以及碳酸化技術(shù)制備的新型加氣混凝土,不但具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、耐火性好等經(jīng)濟(jì)效益,而且具有節(jié)能環(huán)保、以廢治廢、循環(huán)利用的社會(huì)價(jià)值。

2.2.2 XRD 分析

圖5為碳酸化后鋼渣加氣混凝土的XRD圖,從中可見(jiàn)：在2θ=29.2°附近有明顯的方解石衍射峰;在2θ=24.8°附近出現(xiàn)了球霰石衍射峰;在2θ=26.5°附近出現(xiàn)了明顯的文石衍射峰。與圖1相比較,在2θ=11.0°附近,未碳酸化鋼渣加氣混凝土XRD譜圖中出現(xiàn)了高強(qiáng)度的單碳型水化碳鋁酸鈣的衍射峰,而圖5中單碳型水化碳鋁酸鈣的衍射峰消失,這說(shuō)明碳酸化后鋼渣加氣混凝土的礦物組成發(fā)生了顯著的變化,所形成新礦物具有致密的晶相微觀結(jié)構(gòu),從而大大增強(qiáng)了其抗壓強(qiáng)度。

圖5 鋼渣加氣試塊加速碳酸化處理后的 XRD 圖

2.2.3 TG-DTG分析

使用TG/DTG分析儀,按10 ℃/min速率升溫,在50～300 ℃區(qū)間測(cè)試(見(jiàn)圖 6)。由圖6 DTG曲線可見(jiàn),100 ℃附近出現(xiàn)的失重峰,這主要是由于加速碳酸化后,Al(OH)3凝膠的形成和結(jié)合水的脫去所致[20];而自450 ℃左右起始到800 ℃左右結(jié)束的失重峰,最大失重速率峰出現(xiàn)在735 ℃附近,主要是結(jié)晶好的CaCO3晶體(方解石)的分解脫碳(CO2逸出)所致[21,22]。

圖6 鋁粉發(fā)泡鋼渣加速碳酸化后試塊的TG-DTG 曲線

2.2.4 FT-IR分析

圖7 碳酸化鋼渣與鋼渣加氣試塊的FT-IR譜圖

2.2.5 FE-SEM分析

利用SEM電鏡,考察碳酸化鋼渣加氣混凝土的微觀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖8)。比較圖4和圖8,可以發(fā)現(xiàn)：未碳酸化鋼渣加氣混凝土氣泡壁是由大量的“網(wǎng)狀骨架”(單碳型水化碳鋁酸鈣)和“多孔凝膠鏈”(水化硅酸鈣凝膠相)共同構(gòu)成的“凝膠鏈接-網(wǎng)狀骨架”結(jié)構(gòu)。而碳酸化處理后鋼渣加氣混凝土氣泡壁表面,主要以鋁凝膠、硅凝膠和水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠為粘結(jié)連續(xù)相(凝膠網(wǎng)絡(luò)),以棒狀文石結(jié)構(gòu)為增強(qiáng)分散相(棒狀晶體)。棒狀的文石結(jié)構(gòu)抗壓模數(shù)高,能夠增強(qiáng)鋼渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度。鋁凝膠比表面積更大,對(duì)文石與方解石的粘結(jié)強(qiáng)度增大。因此,碳酸化處理后,鋼渣加氣混凝土形成了“凝膠網(wǎng)絡(luò)-棒狀晶體”糾纏結(jié)構(gòu),促使制品的抗壓強(qiáng)度顯著提升。

圖8 碳酸化后鋁粉發(fā)泡鋼渣加氣試塊的

3 結(jié)論

本文考察了鋁粉作為發(fā)泡劑,制備鋼渣加氣混凝土并深入討論了微觀性能對(duì)鋼渣加氣混凝土宏觀性能的影響。

主要結(jié)論如下：(1)鋼渣加氣混凝土制品采用鋁粉發(fā)泡工藝,發(fā)泡性能良好,孔隙率可達(dá)87.5%;(2)鋁粉發(fā)泡鋼渣漿體的水化過(guò)程中形成了水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠,黏附或充填在單碳型水化碳鋁酸鈣晶體網(wǎng)絡(luò)間隙,從而形成穩(wěn)定的凝膠-網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),大大增強(qiáng)了鋼渣顆粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度,提高了漿體的穩(wěn)泡能力和制品的抗壓強(qiáng)度;(3)采用加速碳酸化處理后鋼渣加氣混凝土氣泡壁表面,主要以凝膠網(wǎng)絡(luò)為粘結(jié)連續(xù)相,以棒狀文石結(jié)構(gòu)為增強(qiáng)分散相,形成了“凝膠網(wǎng)絡(luò)-棒狀晶體”糾纏結(jié)構(gòu),促進(jìn)了制品抗壓強(qiáng)度的等級(jí)顯著提升(達(dá)到C1.0級(jí)別)。

以鋼渣為骨料、采用半干法碳酸化工藝固定二氧化碳,制備綠色建材制品,不僅能大量消耗鋼渣廢棄物,而且能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的長(zhǎng)期固定,生產(chǎn)出成本低廉品質(zhì)優(yōu)良的碳酸化鋼渣建材制品,符合國(guó)家環(huán)保降碳、以廢治廢、節(jié)能減排的政策要求。