碳酸化预处理钢渣调控其体积安定性和水化活性的机理研究

Steel slag is an industrial waste generated during the process of crude steel smelting. At this stage, steel slag has not been efficiently utilized. The dissolution of heavy metal ions during the storage also causes pollution to soil and water resources. High hardness, poor hydration activity and poor stability limit its application in cement concrete. Previous studies showed that the stability of steel slag can be improved by semi-dry carbonation curing, but the improvement of hydration activity is limited. Therefore, the subject intends to prepare high quality steel slag mineral admixture by aqueous carbonation. The problem of poor stability will be solved by optimizing the aqueous carbonation process to regulate the content of free calcium oxide and free magnesium oxide.The size and amount of nano-calcium carbonate in carbonation products will be regulated to promote the hydration of steel slag and cement. The influence of carbonation products such as carbon nano-calcium carbonate on hydration process, hydration products and microstructure of cement will be analyzed. So that the balance of stability and hydration activity of steel slag could be achieved. At the same time, the dissolution of heavy metal ions in steel slag will be reduced by carbonation pretreatment, and the dissolution characteristics of different heavy metal ions will be analyzed. The subject can not only achieve the efficient use of steel slag in cement concrete, but also can fix carbon dioxide, which has important social and economic significance.

钢渣是粗钢冶炼过程中产生的一种工业废渣，现阶段钢渣不仅没有得到有效的利用，堆存.过程中重金属离子的溶出还对土壤、水资源等产生了污染。硬度高、水化活性差、安定性不良限制了其在水泥混凝土中的应用。前期研究表明通过半干法碳酸化对钢渣进行养护可以改善其安定性，但水化活性提高有限。因此本课题拟采用湿法碳酸对钢渣进行预处理制备优质的矿物掺合料。通过优化湿法碳酸化工艺调控游离氧化钙和游离氧化镁的含量从而解决安定性不良的问题。通过调控碳酸化产物中纳米碳酸钙的尺寸、数量，促进钢渣和水泥的水化，分析碳纳米碳酸钙等碳酸化产物对水泥水化进程、水化产物和微观结构的影响，进一步提高水泥石的强度，从而使钢渣达到安定性和水化活性的平衡。同时通过碳酸化预处理降低钢渣中重金属离子的溶出，对不同重金属离子的溶出特性进行分析。本课题不仅可以实现钢渣在水泥混凝土中的高效利用，还可以固定温室气体二氧化碳，具有重要的社会效益和经济意义。

钢渣是粗钢冶炼过程中产生的工业废渣，现阶段钢渣不仅没有得到有效的利用，堆存过程中重金属离子的溶出还对土壤、水资源等产生了污染。硬度高、水化活性差、安定性不良限制了其在水泥混凝土中的应用。本课题采用CO2/钢渣协同处置的方式在改善钢渣体积安定性不良问题的基础上提高其胶凝活性。研究了不同碳化机制和碳化-水化耦合机制对钢渣固碳与胶凝性的研究，钢渣与CO2的反应速度非常快，经过30s的碳酸化预处理钢渣即可吸收3.5%的CO2气体，经过10min的碳酸化处理，钢渣的固碳量达到7.2%，碳酸化过程中形成的碳酸钙随着时间的延长颗粒尺寸逐渐增大到400nm左右。二次碳酸化制度可进一步提高钢渣的固碳效果，掺加5%经30s预处理的钢渣可使钢渣的固碳量提高16.2%，抗压强度提高55.9%。碳酸化-水化耦合制度也极大的影响了钢渣的胶凝活性，水化3d后进行碳化0.5h和2h可使3d抗压强度分别提高37.0%和50.2%，后期水化强度持续增长，7d和28d强度分别提高26.0%、24.3%和35.7%、30.2%。碳酸化预处理钢渣可制备优质的钢渣矿物掺合料/混合材，经过短时间的碳酸化预处理会形成纳米碳酸钙和C-S-H凝胶，在水泥水化过程中成为成核位点，从而提高水泥的水化速度，提高早期强度，掺加30%经预处理1min和3min的钢渣， 3d抗压强度分别增加了17.0%和5.7%，28d强度分别增加13.4%和4.0%，同时，在碳酸化预处理的过程中消耗了游离CaO和MgO使钢渣的体积安定性得到改善。但钢渣中具有水化活性的C2S、C3S矿物也可参与碳酸化反应，因此延长碳酸化预处理的时间过长会对试样的强度发展产生负面影响。低浓度二氧化碳（20%）对钢渣预处理过程中形成的碳酸钙尺寸较大，经10min和30min预处理后颗粒尺寸达到2μm和3.5μm左右，晶核效果差，使得水化活性降低。含碳酸化预处理1min和3min的钢渣砂浆试块的28d强度较对比样分别提高了8.2%和7.0%。随着碳酸化程度的增加，钢渣中 Ca离子 的浸出量显著降低但 Si 浸出量明显增加，Cr和Ni离子呈现出先降低后增加的趋势。