碳酸化养护钢渣混合水泥制备建材制品

方程序号
童塑堑皇鱼堕！！堕：竺兰：！１
一
２５℃４０℃
６０℃８０℃
ａ碳酸化前
ｂ碳酸化后
图２碳酸化前后钢渣制品试样的ＳＥＭ图
ห้องสมุดไป่ตู้
２．２钢渣混合水泥试样碳酸化化学过程分析
ｃｏ：以及所有的碳酸盐化合物中，碳元素都是
处于最高价态形式。一般情况下，处于最高价态形
式的含碳化合物是比较稳定的，然而ＣＯ：并非足最
稳定的。碳酸盐的标准吉布斯自由能要比ＣＯ：的
碳酸化养护钢渣？昆合水泥试样中的硅酸盐矿物 与ＣＯ：反应，生成碳酸钙晶体填充在试样空隙中， 增加制品的致密度，提高其强度进而优化制品的物 理性能。本文中所述的研究实验，在普通硅酸盐水 泥中掺入不同比例钢渣，碳酸化养护制备建材制品
万方数据
１１２
济南大学学撒（自然科学版）
第２４卷
不仅利废环保，且成本低廉，市场需求量大，工业化 生产具有巨大的经济效益。
（５）Ｍｇ（ＯＨ）２＋Ｃ０２＝ＭｇＣ０３＋Ｈ２０ （６） Ｃ２Ｓ＋２Ｈ＝１／２（Ｃ３Ｓ２Ｈ３）＋Ｉ／２ＣＨ （７） １／２Ｃ２Ｓ（ｓ）＋Ｃ０２（ｇ）＝ＣａＣ０３（ｓ）＋ｌ／２Ｓｉ０２（ｓ） （８）Ｃ３Ｓ＋１３／６Ｈ＝１／３（Ｃ４Ｓ３Ｈ¨）＋５／３ＣＨ （９） Ｌ／３Ｃ３Ｓ（ｓ）＋Ｃ０２（ｇ）＝ＣａＣ０３（ｓ）＋Ｖ３Ｓｉ０２（ｓ） （１０） Ｃ３Ａ＋９Ｈ＝Ｃ２ＡＨ８＋ＣＨ （１１） Ｃ４ＡＦ＋１０Ｈ＝Ｃ３ＡＨ６＋ＣＨ＋ＦＨ３ 表３为反应方程（１）～（１１）中所示的化学反应 在不同温度下的吉布斯自由能。 表３ 主要化学反应在不同温度下的吉布斯自由能
第２４卷第２期 ２０１０年４月
济南大学学报（自然科学版）Ｖｄ．２４№．２
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＪＩＮＡＮ（Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．）
Ａｐｔ．２０１０
文章编号：１６７１—３５５９（２００９）０２—０１１１一０４
碳酸化养护钢渣混合水泥制备建材制品
赵华磊，常钧，程新
（济南大学先进建筑材料教育部工程研究中心，山东济南２５００２２）
中图分类号：Ｕ６６８．３＋５
文献标志码：Ａ
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｗｉｔｈ Ｃａｒｂｏｎｏｔｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｓｌａｎｇ ａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔ
ＺＨＡＯ Ｈｕａ·ｌｅｉ，ＣＨＡＮＧ ｄｕｎ，ＣＨＥＮＧ Ｘｉｎ
（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊｉｎａｎ，Ｊｉｎａｎ ２５００２２，Ｃｈｉｎａ）
期强度低。所以，在水掺量较少的情况下，Ｃ３Ａ和
万方数据
第２期
赵华磊，等：碳酸化养护钢渣混合水泥制备建材制品
Ｃ，Ｓ率先水化生成Ｃａ（ＯＨ）：然后与ＣＯ：反应生成 ＣａＣＯ，；而ｃ：ｓ水化较慢，使得衍射峰下降不明显， 这也从一个方面说明矿物水化反应顺序较大程度影 响了碳酸化进行的快慢。
碳酸化反应后期反应速率大大降低，这是因为 此过程中生成的碳酸钙颗粒逐渐填充了试样中的空 隙，Ｃ—Ｓ—Ｈ凝胶会与Ｃ０２反应进行二次碳酸化， 而二次碳酸化过程是缓慢的，因而随着碳酸化反应 的进行，反应速率明显下降。而钢渣中导致安定性 不良的成分被固定在试样中并稳定存在，进一步解 决了钢渣安定性不良的难题。
℃，Ｐ（Ｈ：０）＝２ ＭＰａ的环境下对试样压蒸ｔ＝３ ｈ
后，取出试样，观察试样是否有开裂或破碎现象。 按照非烧结普通砖建材行业标准（ＪＣ／Ｔ ４２２—
２００７）对试样的抗折强度、冻融强度、吸水率、饱水
强度进行测试，利用乙二醇法对试样中的ｆ—ＣａＯ进
行测试。
通过观察试样碳酸化养护前后的矿物组分变化
和微观形貌，计算碳酸化反应热力学参数，研究钢渣
组分 Ｓｉ０２ Ａ１２０３ Ｆｅ２０３ Ｍｓｏ ＦｅＯ Ｐ２０５ Ｓ０３
Ｐ３２５水泥６５．９２ ２２．１３ ３．８２ ３．１４ ２．３７
— ０．２１
钢渣 ３８．２０ １３．３２ １．５７ ２３．１１ ７．６１
Ｉ．４７
—
１．２碳酸化实验方法
钢渣和水泥按不同质量比混合（表２），向混合
试样中喷人适量的水。川，用砂浆搅拌机搅拌均匀
标准吉布斯自由能低６０～１８０ ｋＪ·ｍｏｌ～，因此碳元
素的最稳定形式应该足碳酸盐而不是ＣＯ：。
钢渣混合水泥建材制品试样的化学组分比较复
杂，因此碳酸化养护过程复杂，在碳酸化反应过程中
主要发生的化学反应如下一一０｜：
（１） Ｃ０２ ４－Ｈ２０＝Ｈ２ｃ０３
（２）ＣａＯ十Ｈ２０＝Ｃａ（ＯＨ）ｚ
（３） Ｃａ（ＯＨ）ｚ＋ＣＯ：＝ＣａＣＯ，＋Ｈ：０
反应自发进行的趋势顺序为Ｃ３Ｓ＞ＣａＯ＞Ｃ：Ｓ＞Ｍｓｏ。当ｍ（钢渣）：ｍ（水泥）＝３：２时，试样Ｓ５的碳酸化增重率＇７为
１０．４４％。制品在碳酸化养护２ ｈ后，抗压强度为２０．０６ ＭＰａ，ｆ—ＣａＯ的质量分数由３．２５％降至０．３４％，压蒸安定性合格。
关键词：钢渣；硅酸盐水泥；碳酸化养护；建材制品；物理性能
混合水泥的碳酸化效果及机理。通过物理性能测
试，对经碳酸化养护制备的建材制品性能进行表征。
２结果与分析
２．１ 矿物组分与微观形貌分析 图１为配合比ｍ（钢渣）：ｍ（水泥）＝３：２时碳
酸化养护前后试样的ＸＲＤ图谱。对比观察可以看 出，养护后的试样中ＣａＣＯ，的衍射峰增多且峰型尖 锐，而Ｃａ（ＯＨ）：的衍射峰下降明显且基本消失，而 Ｃ，Ｓ和Ｃ：ｓ的衍射峰基本未发生变化。
图１试样碳酸化前后的ＸＲＤ图谱 在碳酸化养护过程中ＣａＯ、Ｃ３Ｓ、Ｃ２Ｓ、Ｃ，Ａ等矿 物水化牛成，以及试样中自身含有的Ｃａ（ＯＨ）：与 Ｃ０２反应生成ＣａＣ０３晶体，反应过程：Ｃ３Ｓ＋ｙＨ２０＋ （３一戈）ｃｏ，：ＣｘＳＨ’，＋（３一茗）ＣａＣＯ，。由于试样是 水泥和钢渣混合组成，水泥中主要的熟料矿物水化 顺序为：Ｃ，Ａ＞Ｃ３Ｓ＞Ｃ４ＡＦ＞Ｃ２Ｓ，钢渣中主要水化矿 物与水泥基本相似，但是，由于钢渣和水泥的形成条 件不同，钢渣的矿物结ｄ吉完整，早期水化慢，从而早
间，试样的受压面中心通过下台板球轴心，试样的成
型表面与受压面垂直。开机后试样在指定负荷速率
范围内加载破坏。抗压强度计算公式如下：
矿＝Ｆ／Ｓ
（２）
式中，ｏｒ为抗压强度，ＭＰａ；Ｆ为破坏载荷，Ｎ；Ｓ为试
样受压面积，ｎｉ２。
应用ＹＺＦ２一Ａ型水泥安定性试验用压蒸釜安
定性测试，测试时将试样放入压蒸釜。在Ｔ＝２１６
后，倒人９０ ｍｍ ｘ４５ ｍｍ的长方体模具中，在Ｐ＝３
ＭＰａ的压力下压制成型，并保压１ ｍｉｎ；称量脱模后
的试样质量记为ｍ。，将试样放入反应釜中。在反应
温度Ｔ＝７４ ｃｃ，窑尾废气压力Ｐ＝０．１５ ＭＰａ下碳酸
化养护ｔ＝１４ ｈ【８ Ｊ。并对试样进行物相分析和性能
测试。
表２钢渣水泥混合制品不同质量分数配合比设计
（４） Ｍｇｏ＋Ｈｚ０＝Ｍｇ（ＯＨ）ｚ
图２显示碳酸化养护前后钢渣的微观形貌有较 大差异。图２ａ为碳酸化养护前的钢渣，可以看出钢 渣颗粒分布不均匀，试样的空隙较大，且颗粒无规则 形貌。由图２ｂ可以看出，碳酸化养护后钢渣制品表 面有一些晶体物质生成，结合ＸＲＤ图谱可知大量的 颗粒状晶体物质为碳酸钙晶体。对比图２ａ和图２ｂ 可以看出，在微观区域内碳酸化养护后的钢渣制品 结构较致密，这是由于生成的碳酸钙晶体颗粒在碳 酸化过程中逐步填充了试样中水分蒸发剩余的空 隙，从而使得试样的物理性能得到改善。
（１）
利用碳酸化增莺率叼评价试样的碳酸化效果。 １·４性能测试
应用Ｂｕｒｋｅｒ Ｄ８ Ａｄｖａｎｃｅ Ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ） 和Ｈｉｔａｃｈｉ Ｓ一２５００扫描电镜（ＳＥＭ）分析钢渣混合
水泥试样碳酸化前后的矿物组成和微观形貌，并分 析试样碳酸化反应机理。
应用ＹＥ一３０型液压式压力试验机对试样进行
抗压实验。测试时将试样放在测试夹具上下台面之
摘要：采用碳酸化养护技术制备不同配比的钢渣／水泥混合建材制品。将原料混合加水均匀搅拌，在Ｐ＝３ ＭＰａ下压制
成型后，碳酸化养护１４ ｈ，养护温度Ｔ＝７４℃，Ｐ（ＣＯ：）＝０．１５ ＭＰａ。结果表明：碳酸化养护过程中试样表面生成较多的ＣａＣ０３
颗粒状晶体；试样的碳酸化反应比水化反应更易于自发进行；ｃ０２在水中的溶解过程是整个反应的控制步骤，主要矿物碳酸化
收稿日期：２００９—１２一０３ 基金项目：国家自然科学基金（５０８７２０４３）；济南市科学技术发展
计划匿大专项（２００８０８００８） 作者简介：赵华磊（１９８６一），女，山东济南人，硕士生；
程新（１９６３一），男，山东即墨人，教授，博士，博士生 导师。
石化燃料的利用排放出大量ＣＯ：，使其在大气 中的含量近百年内急剧上升，造成的温室效应给人 类的生存环境带来了极大危害。本文中采用的碳酸 化处理的方式用固体废弃物钢渣吸收ＣＯ：，得到稳 定的碳酸盐，不仅能永久封存ＣＯ：，还能缓解温室效 应，有利于可持续发展的要求旧。６ Ｊ。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ ｗｉｔｈ ｃｅｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎａｔｅｄ ｔｏ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．
Ａｆｔｅｒ ｍｉｘｉｎｇ，ｓａｍｐｌｅｓ ａｒｅ ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｏ ａ ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ３ ＭＰａ ｉｎ ｍｏｄｄｓ，ａｎｄ ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ ｐｌａｃｅｄ ｉｎ ａ ｃｈａｍｂｅｒ ｆｉｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｃ０２ ｇａｓ ｆｏｒ １４ ｈ ａｆｔｅｒ ｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃ０２ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｅｒｅ ７４℃ａｎｄ ０．１５ ＭＰａ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｓｏｍｅ ｃａｌｃｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｐｐｅａｒ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ；ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ－ ａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＣＯ；ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎａｔｅｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｎａｔｅｄ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｉｎｅｒａｌｓ ｉｓ Ｃ３Ｓ＞ＣａＯ＞Ｃ２Ｓ＞ＭｓＯ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍｉｘ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｌａｇ：ｃｅｍｅｎｔ＝３：２，ｗｅｉｇｈｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｓ５ ｉｓ １０．４４％．Ａｆｔｅｒ ２ ｈ ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｓ５ ｉｓ ２０．０６ ＭＰａ．ｆ－ＣａＯ ｃｏｎｔｅｎｔ ｆａｌｌｓ ｆｒｏｍ ３．２５％ｔｏ