论文总字数：18505字

摘 要

钢渣是在钢铁冶炼过程产生的废弃物，因其存在体积稳定性差、成分波动大、密度较大和金属铁含量较高等特点，钢渣在很多方面的利用率很低。大量的钢渣堆积会导致农田和地下水污染，给环境带来巨大压力。碳酸化一直是钢渣处理的热门话题，通过人为方法用钢渣捕获和收集CO₂，一方面能够解决钢渣体积稳定性差的问题，另一方面能够吸收CO₂，缓解温室效应。本论文创新性地利用钢渣为主要原料，并添加一定量的粉煤灰和水泥，在成球机的作用下制成球型颗粒，并通过碳化的方式得到轻质多孔骨料。通过对碳化钢渣骨料的表观性能测试和微观成分分析，评估其代替天然骨料用于成型混凝土的可行性。

关键词：钢渣 碳酸化 多孔骨料 废物利用

Preparation and Properties of Carbonized Steel Slag porous Aggregate

ABSTRACT

Steel slag is a kind of solid waste generated during the production of steel. Due to its poor volume stability, large fluctuations in composition, high density and high metal iron content, steel slag has a low utilization rate in many aspects. A large amount of steel slag accumulation could cause pollution of farmland and groundwater, which puts tremendous pressure on the environment. Carbonation has always been a hot topic in steel slag treatment. By artificially using steel slag to capture and store CO₂, on the one hand, it can solve the problem of poor stability of steel slag volume, on the other hand, it can absorb CO₂ and alleviate the greenhouse effect. This paper innovatively uses steel slag as the main raw material and adds a certain amount of fly ash and cement. The spherical particles are formed by the ball forming machine, and the lightweight porous aggregate is obtained by carbonization. Through the apparent performance test and micro-component analysis of carbonized steel slag aggregates, the feasibility of replacing natural aggregates for preparing concrete was evaluated.

Key Words: Steel slag; Carbonization; Porous aggregate; Waste utilization

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钢渣利用的现状 1

1.2.1 钢铁企业内回收利用 2

1.2.2 钢渣在土木建筑领域的应用 2

1.2.3 钢渣在农业中的应用 3

1.3 碳化处理的研究现状 3

1.4 碳化钢渣研究的现状 4

1.5 课题研究目的和内容 5

1.5.1 研究目的与意义 5

1.5.2 主要研究内容 5

第二章 原料选择与实验方法 6

2.1 原材料 6

2.1.1 钢渣 6

2.1.2 水泥 6

2.1.3 粉煤灰 6

2.2 实验仪器 7

2.3 实验方法 7

2.3.1骨料的制备 7

2.3.2骨料的碳化 10

2.4 骨料的表征 12

2.4.1 XRD分析 12

2.4.2 TG/DSC分析 12

2.4.3压蒸实验 12

2.4.4 MIP 13

2.4.5 压碎指标 13

2.4.6 微观结构分析 13

第三章 实验结果与分析 14

3.1 骨料碳化产物 14

3.2 骨料碳化程度 15

3.3 骨料压碎指标 16

3.4 骨料孔结构 16

3.5 骨料安定性 17

3.6 骨料微观形貌 18

3.6.1 BSE 18

3.6.2 SEM 19

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

钢渣是在炼钢过程中产生的固体废弃物，其主要化学成分包括氧化硅，氧化钙以及少量含有镁、铁、铝等金属的氧化物，钢渣的成分组成与炼钢方法和矿石原料组成等因素有很大的关系。在实际生产中，每生产1t钢铁，就会产生15%~20%的钢渣^[1]。随着社会对环境的关注和钢铁领域自身可持续发展的要求，钢渣等固体废弃物的综合利用引起人们的兴趣。但是钢渣中含有较高的游离态氧化钙和氧化镁，用其制备混凝土时将严重影响混凝土的耐久性。我国作为世界上的钢铁大国，钢铁产量和钢渣排放量均已达到世界总量的一半以上。然而，在中国仅有两成钢渣被有效利用，远远低于西方发达国家^[2]。大量的钢渣被填埋或露天堆放，不仅占用了大量宝贵的土地资源，而且钢渣中的重金属将会流入土地，对环境造成破坏^[3]。

近年来，因为大规模的建设需要，土木、建筑工程等行业对混凝土以及原材料的需求和天然资源匮乏之间的矛盾日益加剧。并且由于对天然资源认识的偏颇，出现了在缺乏基础知识和技术支持的情况下的无序开发利用，影响混凝土产品结构的质量。另一方面，化工、建筑和冶金企业大量排放二氧化碳温室气体，利用钢渣等固体废弃物通过碳化的方式储存温室气体二氧化碳，既能够有效利用工业废弃物，又可以吸收大气中的温室气体，固体废弃物经过碳化的方式能够制备出性能优良的建筑材料，变废为宝，一定程度上缓解自然资源日渐匮乏的问题。

本课题中，我们拟采用CO₂处理钢渣骨料的方法，将一定质量比的钢渣、水泥和粉煤灰在成球机的作用下喷水成球，并通过碳化的方法得到多孔钢渣骨料，作为混凝土中的骨料成分代替天然骨料。一方面，能够给钢渣的综合利用提供一个新思路，另一方面还能够替代部分的天然骨料，缓解天然骨料行业所面临的压力。

1.2 钢渣利用的现状

钢渣的主要矿物组成为硅酸三钙（3CaO·SiO₂，以C₃S表示），硅酸二钙（2CaO·SiO₂以C₂S表示），含钙、铁、锰、镁的氧化物及固溶体（RO相），蔷薇辉石（3CaO·RO·SiO₂，以C₃RS₂表示），橄榄石（CaO·RO·SiO₂，以CRS表示），铁酸二钙（2CaO·Fe₂O₃），游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）等^[4]，钢渣组分因为冶炼过程和矿石组成不同存在较大差异。根据2018年全国废钢铁学术会的数据^[5]，2018年中国废钢铁生产比2017年同比增加15%，同时预计到本世纪30年代，钢铁产业生产的废钢比例将达到30%以上，每年消耗的钢铁达到2.5亿吨以上。由这些数据可见，随着钢铁工业产量的不断上涨，钢渣的排放量明显增多，钢渣的处理和资源化利用成为人们亟待解决的问题。

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