戴冬霽 姜永華 楊鑫博 李志芹 蔣俊
（云南天朗再生資源有限責任公司 昆明 安寧65002）
摘 要：鋼渣是鋼鐵企業的主要固體廢物，隨著我國現代冶金工業的發展，鋼渣總量也急劇增加，若不加以綜合利用，將對周圍環境造成嚴重的污染，合理利用鋼渣對鋼鐵企業的發展具有重要意義。本文以經改性后的合格熱悶鋼渣作為主要原料，配以一定的水泥、石子，采用免燒制磚工藝制備鋼渣透水磚，并對其性能進行了分析檢測，可為后續鋼渣透水磚的研發投入使用提供一定的數據參考。
關鍵字：鋼渣；透水磚；性能
1 前言
鋼渣是煉鋼工業中產生的工業廢渣。隨著我國鋼鐵工業的快速發展，鋼渣的總量也急劇增加。但由于鋼渣成分復雜并且其中含有的大量游離氧化鈣和游離氧化鎂，二者吸收水分后會產生體積膨脹，其中f-CaO 生成Ca(OH)2 體積膨脹98％，f-MgO 生成Mg(OH)2 體積膨脹148％，造成鋼渣制品的安定性不良，嚴重影響了鋼渣制品的產品質量[1]。因此，鋼渣的應用受到了限制，而鋼渣在渣場自然堆放過程中易于風化成為堿性粉塵，不僅占用了大量土地，對周圍環境更造成了嚴重的污染[2]。因而，如何最大限度地處理鋼渣已成為現今冶金工業發展的一大難題。國內外對鋼渣作為路面材料應用的研究表明，鋼渣的強度很高，耐磨性能好，具有混凝土骨料的特點，且其力學性能優于天然碎石，而且由于顆粒不規則度的增加，在路面上應用具有更好的穩定性和抗滑能力[3]。將其作為主要骨料配以天然砂石、水泥等材料制成的耐磨透水磚，不但有一定的強度，還有著一定的透水性，能使自然降水迅速滲透地表，讓道路保持良好的透水、透氣性的同時，還能還原成地下水，使地下水資源得到及時補充，調節地表濕度，抑制“熱島效應”[4]。
近年來，我國在快速城市化的進程中出現了諸多問題，每年頻發的城市內澇問題正越來越被凸顯出現。而我國大多數城市路面基本上都選擇石材、混凝土或水泥磚鋪設，硬化路面雖然整齊耐用，但其最大缺點就是不透水[5]。因此，“海綿城市”的建設，不僅能有效緩解城市雨澇現象，而且能夠降低城市熱島效應，改善城市生態環境，提升居民生活品質[6-7]。作為“海綿城市”項目建設的基礎材料，透水磚的生產技術受到了很大關注[8-10]。同時，鋼渣、粉煤灰等大宗工業固體廢棄物大量的排放和堆積，對環境造成了嚴重的污染，急需規模化、資源化綜合利用[11-13]。利用鋼渣作為骨料制備免燒透水磚，不僅能大規模消耗工業固廢，而且能夠實現透水磚的低成本制備，具有節能環保、資源循環的特性。
本文以經過改性后的合格熱悶鋼渣作為主要原料，并配以一定水泥、石子等工業原料，采用免燒制磚工藝制備鋼渣透水磚，并對其性能進行分析檢測。
2 實驗方案
2.1. 原材料
2.1.1 鋼渣
本實驗所用鋼渣為武鋼集團昆鋼股份有限公司所屬安寧公司草鋪新區轉爐冶煉后池式熱悶處理后的鋼渣，其在熱處理并冷卻后，經過破碎、磁選和篩分等初級加工而成。
2.1.2 水泥
采用昆鋼嘉華水泥有限公司生產的水泥，其為早期強度高、后期強度穩定、水化熱低的低堿水泥，其性能情況如表1所示。
表1 嘉華水泥性能表
|
水泥品種 |
比表面積（m2/kg） |
標準稠度用水量（%） |
安定性 |
凝結時間（min） |
抗折強度（MPa） |
抗壓強度（MPa） |
|||
|
初凝 |
終凝 |
3d |
28d |
3d |
28d |
||||
|
P.O 42.5 |
381 |
23.8 |
合格 |
231 |
296 |
5.2 |
8.5 |
24.6 |
48 |
2.1.3 碎石
實驗所用碎石外購于昆明西山區、安寧、富民、祿勸等地。
2.2 工藝流程
本實驗采用全自動混凝土免燒磚振壓成型生產線，按照成熟可靠的級配配方，通過將原材料混合-加水攪拌-振動成型的生產工藝生產鋼渣透水磚，其生產工藝流程如圖1 所示。
圖1 鋼渣透水磚生產工藝流程圖
3 結果與討論
3.1 鋼渣物化特性
經篩分試驗得知，昆鋼新區經過熱悶磁選后的鋼渣粒度在-9.5mm～+0.42之間，粒度區間適合做鋼渣砌塊。對鋼渣進行了化學成分分析，結果如表2所示。從表2得知，鋼渣的主要成分是CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、f-CaO等，含有5%-10%的金屬鐵，其通常含水率為3-8％。外觀上看，鋼渣一般呈灰黑色，硬密實，含堿量高時呈淺白色。同時鋼渣碎石具有密度大、強度高、表面粗糙、穩定性好、耐磨與耐久性好等特點。因此，將鋼渣作為骨料，用于生產透水磚，具有強度高、透水性好等特性。
表2 鋼渣的化學分析
|
指標 |
f-CaO |
f-MgO |
FeO |
TFe |
MFe |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
SiO2 |
P2O5 |
S |
|
樣品1 |
4.03 |
0.02 |
9.45 |
17.46 |
1.22 |
13.91 |
40.04 |
5.53 |
2.64 |
8.43 |
4.72 |
0.129 |
|
樣品2 |
3.63 |
0.15 |
- |
17.73 |
0.79 |
- |
39.53 |
8.35 |
1.09 |
8.50 |
3.20 |
0.20 |
|
樣品3 |
4.15 |
0.31 |
- |
18.15 |
1.16 |
- |
41.74 |
8.88 |
1.22 |
9.24 |
3.45 |
0.18 |
經過云南省防疫站對昆鋼鋼渣進行鐳-226、釷-232和鉀40三個項目的放射性比活度檢測，其IRa和Iy均低于國標，鋼渣自身不存在放射性。
3.2 鋼渣透水磚性能分析
3.2.1 鋼渣透水磚放射性分析
經過云南省工程質量監測站對鋼渣透水磚檢測鐳-226、釷-232和鉀40三個項目的放射性比活度檢測，其IRa和Iy均低于國標，鋼渣透水磚是安全的。
3.2.2 鋼渣透水磚抗壓強度、抗折強度、透水系數分析
根據《再生骨料地面磚和透水磚》（CJ/T 400-2012）和《透水路面磚和透水路面板》（GB/T 25993-2010）標準，對250×250×60mm、300×150×60mm及600×300×150mm三種不同規格的鋼渣透水磚進行了抗壓強度、抗折強度、透水系數的性能檢測。測試結果如表3所示。結果表明，透水磚的抗壓強度、抗折強度、透水系數均符合標準的等級要求。抗壓強度、抗折強度分別高達40MPa、5MPa以上，皆高于普通大理石等路面的各項指標。此外，鋼渣顆粒自身具有一定的孔隙率，透水磚成型后，其顆粒間的堆積骨架可以形成空隙，鋼渣自身孔隙也能對透水性帶來一定幫助，因此也能保證一定的透水性能[14]，其透水率達11%。綜上所述，鋼渣透水磚的透水性能可滿足標準要求，且強度也比普通透水磚高，既滿足了路面的承重要求，也達到了透水的效果。
表3 鋼渣透水磚抗壓強度、抗折強度、透水系數檢測結果
|
規格 |
檢測項目 |
單位 |
標準要求 |
檢驗結果 |
單項判定 |
|
|
250×250×60mm |
抗壓強度 |
平均值 |
Mpa |
/ |
41.4 |
合格 |
|
單塊最小值 |
/ |
33.2 |
||||
|
抗折強度 |
平均值 |
≥4.5 |
5.2 |
|||
|
單塊最小值 |
≥3.4 |
4.3 |
||||
|
透水系數 |
cm/s |
≥1.0×10-2 |
1.1×10-2 |
|||
|
300×150×60mm |
抗壓強度 |
平均值 |
Mpa |
/ |
47.2 |
合格 |
|
單塊最小值 |
/ |
39.7 |
||||
|
抗折強度 |
平均值 |
≥4.5 |
5.8 |
|||
|
單塊最小值 |
≥3.4 |
5.4 |
||||
|
透水系數 |
cm/s |
≥1.0×10-2 |
1.1×10-2 |
|||
|
600×300×150mm |
抗壓強度 |
平均值 |
Mpa |
/ |
44.1 |
合格 |
|
單塊最小值 |
/ |
32.6 |
||||
|
抗折強度 |
平均值 |
≥4.5 |
5.4 |
|||
|
單塊最小值 |
≥3.4 |
4.8 |
||||
|
透水系數 |
cm/s |
≥1.0×10-2 |
1.1×10-2 |
|||
3.2.3 鋼渣透水磚污水凈化效果分析
對1m3（每平方米按厚度60mm計算使用透水磚16.67m2）鋼渣透水磚進行水質過濾試驗，試驗結果如圖2所示。通過分析檢驗得出鋼渣生態透水路面磚對SS、COD、TP、NH3-N和TN的去除率分別為76.2%、24.1%、71.2%、3.25%和31.9%。結果表明，與普通天然石料透水磚相比，鋼渣透水磚能通過物理過濾截留去除雨水中的污染物、利用多孔性吸附水中剩余較小的懸浮物和部分COD、通過離子交換法沉淀去除雨水中的氮和磷，且在雨水滲透過程中對偏酸性地區雨水的酸堿性具有較好的調節作用。
圖2 鋼渣透水磚污水凈化效果圖
4 結論
將鋼渣作為主要原料，配以水泥、碎石等材料，使用全自動混凝土免燒磚振壓成型生產線，通過混合-加水攪拌-振動成型制備的鋼渣透水磚具有強度高、透水性好且生產成本低等特性，其抗壓強度、抗折強度分別高達40MPa、5MPa以上，孔隙率達30%，具有較高的微孔透水效果，透水率達1.1×10-2 cm/s，路面年雨水截留量達45%。此外，鋼渣透水磚具有多種環保特性，可凈化水質，對污水中SS、COD、TP、NH3-N和TN有很好的去除效果。總體來講，將鋼渣用作綠色建材的主要原料，對于提高鋼渣再生利用率，協同消納此類鋼渣大宗固體廢棄物具有重要促進作用，既可減少鋼渣中的有害物質對土壤的環境污染，又可節省天然砂石的開采，為工業廢渣“變廢為寶”開辟了一條新途徑。
參考文獻
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