钢渣生态水工砖制备及其性能.pdf
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1、第 14 卷第 4 期2023年8月有色金属科学与工程Nonferrous Metals Science and EngineeringVol.14,No.4Aug.2023钢渣生态水工砖制备及其性能杨志彬*1,2,3,4,程谢悦1,成洁1,苏童1,毛瑞2,麻晗2,鲁雄刚3,龙红明4,姜健5(1.江苏科技大学张家港校区 冶金与材料工程学院,江苏 张家港 215600;2.江苏沙钢集团有限公司 江苏省(沙钢)钢铁研究院,江苏 张家港 215625;3.上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444;4.冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室(安徽工业大学),安徽 马鞍山
2、 243002;5.常熟市江华新型建筑材料有限公司,江苏 常熟 215500)摘要:用钢渣作骨料制备生态水工砖,既解决了钢渣大量堆积产生的污染问题,同时又降低了对砂石骨料的过分依赖。本文用热闷处理后的钢渣代替砂石骨料制备生态水工砖,研究钢渣掺入量、钢渣粒径、骨胶比等对生态水工砖透水率、抗压和抗折强度的影响规律,分析生态水工砖透水率与抗压、抗折强度之间的相互关系。结果表明:钢渣粒径为45.5 mm时性能较好,生态水工砖透水率、抗压和抗折强度分别为5.610-2 cm/s、45.45 MPa和6.59 MPa。显气孔率直接影响透水性,高显气孔率表示材料含有较多的孔,有利于水流的通过,但也会导致抗压
3、和抗折强度下降。生态水工砖透水率与抗压强度存在负线性相关性,而与抗折强度相关性不大。剖析生态水工砖高透水性形成机制,为制备兼备高透水率和高抗压强度生态水工砖提供新思路。关键词:钢渣;生态水工砖;透水率;抗压强度;抗折强度中图分类号:TF733+.7 文献标志码:AStudy on the preparation and properties of steel slag ecological hydraulic brickYANG Zhibin*1,2,3,4,CHENG Xieyue1,CHENG Jie1,SU Tong1,MAO Rui2,MA Han2,LU Xionggang3,LON
4、G Hongming4,JIANG Jian5(1.School of Metallurgy and Materials Engineering,Zhangjiagang Campus,Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang 215600,Jiangsu,China;2.Jiangsu Shagang Group Co.,Ltd.,Institute of Research of Iron and Steel(IRIS),Zhangjiagang 215625,Jiangsu,China;3.State Key Lab
5、oratory of Advanced Special Steel,Shanghai University,Shanghai 200444,China;4.Key Laboratory of Metallurgical Emission Reduction&Resources Recycling(Anhui University of Technology),Ma anshan 243002,Anhui,China;5.Changshu Jianghua New Building Materials Co.,Ltd.,Changshu 215500,Jiangsu,China)Abstract
6、:The preparation of ecological hydraulic brick with steel slag as aggregate not only solves the pollution problem caused by the massive accumulation of steel slag but also reduces the excessive dependence on sand and gravel aggregate.In this paper,the ecological hydraulic brick was prepared by repla
7、cing sand aggregate with steel slag after heat sealing treatment.The effects of steel slag content,steel slag particle size and bone glue ratio on the water permeability,compressive strength and bending strength of ecological hydraulic brick were studied,and the relationship among the three paramete
8、rs of ecological hydraulic brick was analyzed.The results showed that when 收稿日期:2022-03-31;修回日期:2022-09-11基金项目:上海大学上海市高品质特色钢制备国家重点实验室项目(SKLASS2021-01);江苏省博士后科研资助计划(2021K183B);张家港市科技计划项目(社会发展)(ZKS2104);常熟市科技计划项目(社会发展)和冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室项目(JKF21-01)通信作者:杨志彬(1981),博士,副教授,主要从事冶金固废资源回收与利用。E-mail:文章编号:16
9、74-9669(2023)04-0481-08 DOI:10.13264/ki.ysjskx.2023.04.006引文格式:杨志彬,程谢悦,成洁,等.钢渣生态水工砖制备及其性能J.有色金属科学与工程,2023,14(4):481-488.有色金属科学与工程2023 年 8 月the particle size of steel slag was 4-5.5 mm,its performance was better,and the water permeability,compressive strength and bending strength of the ecological hy
10、draulic brick were 5.6 10-2 cm/s,45.45 MPa and 6.59 MPa,respectively.The apparent porosity directly affects the water permeability.A high apparent porosity contains more pores,which is more conducive to the passage of water,but it will lead to a decrease in the compressive and bending strengths.Ther
11、e is a negative linear correlation between water permeability and compressive strength but little correlation with bending strength.The relationship between permeability and compressive strength was explained,which would provide a new idea for preparing ecological hydraulic brick with both high perm
12、eability and high compressive strength.Keywords:steel slag;ecological hydraulic brick;water permeability;compressive strength;bending strength随着我国工业技术的快速发展,钢铁产量总量快速增长,导致钢渣总量也急剧增加。数据统计2020年我国钢渣产量约达1.3亿吨,然而由于当前技术的限制,大量的钢渣得不到有效利用,使其处于露天堆放和填埋状态,这样不仅浪费资源、占用大量土地,而且造成严重的环境污染1-5。钢渣中游离氧化钙(f-CaO)含量高是制约其应用的主要因
13、素之一,工业实际生产要求规定钢渣中f-CaO含量必须控制在3%以下才能使用6-9。生态水工砖作为一种环境友好材料,能够快速地使雨水渗透到地下,可有效缓解城市排水不足造成的内涝、城市地表下陷等诸多问题。近5年来,随着中国经济的快速发展和城市建设的多样化,生态水工砖材料因具有良好的透水、抗压、防滑、美观等优点,在海绵城市建设领域得到广泛应用10-13。利用钢渣替代传统砂石骨料制备生态水工砖,用于城市人行道、步行街、广场和住宅小区等场地的铺设,不仅能够消耗大量钢渣固废,同时又极大地减少天然砂石的开采。既提高钢渣利用率、减少环境污染、解决城市“雨岛效应”,又降低了生态水工砖的生产成本,对实现生态保护、
14、节约资源和可持续发展具有十分重要的意义14-17。近年来,钢渣生态水工砖研究较多,主要以免烧结生态水工砖实验研究为主,大量研究集中在提高生态水工砖透水率、抗压强度和抗折强度方面。如DA SILVA18研究了钢渣骨料制备透水铺路块的预制混凝土构件,因钢渣的表观密度远大于普通天然骨料,制备出的预制混凝土构件的物理、机械和环境特征与传统混凝土构件非常相似,表明其技术可行,为钢渣的废物资源利用提出了应用方向。ULLOA-MAYORGA19考察钢渣和建筑垃圾等2种不同骨料在不同压力作用下对透水砖性能的影响,结果表明,钢渣骨料制作的透水砖,抗压和抗折强度分别达35.8 MPa 和 4.2 MPa,透水率达
15、2.47 mm/s,力学和透水性能优于普通透水砖。ROQUE20研究了电炉渣代替建筑垃圾骨料制备交通基础设施中透水层材料,并对其粒级0.252.0 mm 和 2.020.0 mm 2种透水材料进行透水率分析,结果表明,电炉渣透水材料具有良好的透水率,验证了钢渣应用在透水材料的技术可行性。在钢渣生态水工砖的开发和应用方面,我国落后于国外发达国家,国外钢渣生态水工砖的研究开展得比较早,我国在20世纪90年代才开始对混凝土生态水工砖进行探索研究。如孙家瑛等10采用钢渣制备透水混凝土,研究其力学性能,结果发现制备的透水混凝土材料透水率、抗压和抗折强度分别可达10 mm/s、30 MPa和4.5 MPa
16、,钢渣透水性混凝土性能良好。李国昌等21研究镍铁矿渣为主要原料对生态水工砖的透水率、抗折强度、耐磨性和抗冻性的影响,结果表明,当镍铁矿渣掺入量为 84%时,制备的生态水工砖性能指标良好,满足工业应用要求。张雄等22研究了钢渣骨料组成、孔隙率、胶凝材料等因素对生态水工砖透水性能和力学性能的影响,并对钢渣生态水工砖成型制备工艺进行了分析。利用钢渣替代天然砂石材料制备生态水工砖,虽然在研究理论上已经逐渐完善,并逐步推广应用于实际工程,但是仍存在一些问题,如生态水工砖的透水率和机械强度存在着相互制约关系;制备的钢渣生态水工砖的机械强度不够高,使其应用区域或范围受到一定限制;生态水工砖透水性难以长时间得
17、到保证23-25。基于此,本文以江苏某钢铁企业转炉钢渣热闷处理后尾渣为研究对象,首先对其进行f-CaO 含量分析,确保其达到混凝土应用要求标准后,以其代替天然砂石材料制备钢渣生态水工砖,考察钢渣掺入量、钢渣粒度、透水率和孔隙率等参数指标对透水性、抗压和抗折强度的影响规律。研究兼备高透水性和高抗压强度透水砖工艺生产条件,为高性能透水砖制备提供技术指导。482第 14 卷 第 4 期杨志彬,等:钢渣生态水工砖制备及性能1实验部分1.1实验原料本实验制备生态水工砖所需原料有水泥、碎石和转炉钢渣。水泥型号采用P 042.5型号,其性能符合GB 1752007 通用硅酸盐水泥 技术要求。碎石采用建筑用卵
18、石碎屑,粒度控制在35 mm。钢渣是炼钢过程产生的副产物,具有硬度大、密度大、强度高、耐磨损耗小、磨光值高等优异的物理力学性能,性能与天然石材相近,可替代天然砂石材料,用于混凝土等建筑领域26-27。实验采用的转炉钢渣为江苏某大型钢铁企业经热闷处理磁选后的尾渣,对其进行化学成分分析,所得结果如表1所列。由 表 1 可 知,转 炉 钢 渣 尾 渣 约 含 38%CaO、10%MgO、16%SiO2、20%TFe,以及少量P2O5、Al2O3和MnO,碱度 2.04,其中 f-CaO 含量为 2.1%,小于 3%(GB/T 500812016),达到工业应用要求,因此可以对其进行生产使用。对转炉钢
19、渣进行XRD物相检测分析,所得结果如图 1 所示,转炉钢渣主要组成为 Ca2SiO4、FeO、Ca2SiO4 0.05Ca3(PO4)2和 Ca2Fe2O5(Srebrodolskite,铁酸二钙)等。1.2仪器设备本实验制备和分析生态水工砖所需仪器设备主要有标准筛、单卧轴搅拌机、混凝土振动成型机、压力试验机、透水率测量仪、电子分析天平、全自动压力试验机、X 射线荧光光谱仪和 X 射线衍射分析仪。1.3制备工艺流程钢渣制备生态水工砖工艺流程如图2所示,将钢渣尾渣、砂石骨料、水泥等主要原料按比例加入,混合均匀,用砌块成型机振动成型,制备成坯料,然后经养护15 d而制成生态水工砖。1.4性能检测分
20、析1.4.1透水率本实验制备的钢渣生态水工砖的透水率按GB/T 259932010 透水路面砖和透水路面板 要求方法进行分析测试。生态水工砖透水率计算公式见式(1):表1钢渣化学成分及含量Table 1Chemical composition and content of steel slag单位:%(质量分数)成分含量TFe19.98SiO216.11Al2O31.17CaO38.15MgO9.70S0.064P2O52.59MnO3.18f-CaO2.101-Ca2Fe2O52-FeO3-Ca2SiO44-Ca2SiO40.05Ca3(PO4)210 20 30 40 50 60 70 8
21、0 902/()强度/a.u.图1转炉钢渣物相组成Fig.1Phase composition of converter steel slag钢渣原材料水泥水10 min充分搅拌倒入砌块成型机的模具中高频振动压实后的样品室温放置15 d成品图2钢渣制备生态水工砖工艺流程Fig.2Process flow chart of preparing ecological hydraulic brick using steel slag483有色金属科学与工程2023 年 8 月KT=QL/AHt(1)式(1)中:KT为水温为T 时试样的透水率;Q为时间t秒内的渗出水量;L为试样的厚度;A为试样的上表面
22、面积;H为水位差;t为时间。1.4.2抗压强度生态水工砖的抗压强度测试按 GB/T 500812016 普通混凝土力学性能试验方法标准 和 GB/T 259932010 透水路面砖和透水路面板 要求方法进行分析测试。生态水工砖抗压强度计算公式见式(2):Cc=P/A(2)式(2)中:Cc为生态水工砖抗压强度;P为生态水工砖试样压碎时所受最大压力;A为透水砖试样的受压面积。1.4.3抗折强度单块生态水工砖试件的抗折强度按式(3)计算:Cf=3PL/(2bh2)(3)式(3)中:Cf为抗折强度的值,单位MPa;P为破坏载荷的值,单位N;L为两支承点之间的距离的值,单位mm;b为试件宽度的值,单位m
23、m;h为试件厚度的值,单位mm。1.4.4显气孔率显气孔率是材料中开口气孔的体积与总体积的比值。单块生态水工砖试件显气孔率按式(4)计算:B=M3-M1M3-M2 100%(4)式(4)中:B为显气孔率的值,单位%;M1为105 下恒温烧干后干燥试样的质量的值,单位g;M2为试样放入煮沸的离子水中再沸煮2 h后试样在水中的质量的值,单位g;M3为将试样从水中取出,擦去其表面水分,称取试样在空气中质量的值,单位g。2结果与讨论2.1钢渣含量对生态水工砖性能的影响钢渣因其磨耗值、强度、密度等性能接近或优于天然砂石,所以可以用钢渣取代天然砂石作为原材料,制备钢渣生态水工砖。本实验考察35 mm粒径钢
24、渣掺入量对生态水工砖透水率和抗压强度的影响,如图3所示,钢渣代替砂石骨料制备的生态水工砖对其透水率和抗压强度影响不大,但当钢渣替代量超过80%时对透水率和抗压强度影响显著。随着钢渣替代量的增大,生态水工砖机械强度显著提升,而透水率则急剧下降28-31。如当钢渣替代量从30%增至80%时,生态水工砖抗压强度由31.9 MPa缓慢升到 36.6 MPa,相应地透水率从 6.610-2 cm/s 缓慢降到 5.810-2 cm/s。钢渣替代量从 80%增至100%时,生态水工砖抗压强度由 36.6 MPa 急剧升到 52.5 MPa,而透水率则从 5.810-2 cm/s 陡降到4.110-2 cm
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