戴冬霁 姜永华 杨鑫博 李志芹 蒋俊
（云南天朗再生资源有限责任公司 昆明 安宁65002）
摘 要：钢渣是钢铁企业的主要固体废物，随着我国现代冶金工业的发展，钢渣总量也急剧增加，若不加以综合利用，将对周围环境造成严重的污染，合理利用钢渣对钢铁企业的发展具有重要意义。本文以经改性后的合格热闷钢渣作为主要原料，配以一定的水泥、石子，采用免烧制砖工艺制备钢渣透水砖，并对其性能进行了分析检测，可为后续钢渣透水砖的研发投入使用提供一定的数据参考。
关键字：钢渣；透水砖；性能
1 前言
钢渣是炼钢工业中产生的工业废渣。随着我国钢铁工业的快速发展，钢渣的总量也急剧增加。但由于钢渣成分复杂并且其中含有的大量游离氧化钙和游离氧化镁，二者吸收水分后会产生体积膨胀，其中f-CaO 生成Ca(OH)2 体积膨胀98％，f-MgO 生成Mg(OH)2 体积膨胀148％，造成钢渣制品的安定性不良，严重影响了钢渣制品的产品质量[1]。因此，钢渣的应用受到了限制，而钢渣在渣场自然堆放过程中易于风化成为碱性粉尘，不仅占用了大量土地，对周围环境更造成了严重的污染[2]。因而，如何最大限度地处理钢渣已成为现今冶金工业发展的一大难题。国内外对钢渣作为路面材料应用的研究表明，钢渣的强度很高，耐磨性能好，具有混凝土骨料的特点，且其力学性能优于天然碎石，而且由于颗粒不规则度的增加，在路面上应用具有更好的稳定性和抗滑能力[3]。将其作为主要骨料配以天然砂石、水泥等材料制成的耐磨透水砖，不但有一定的强度，还有着一定的透水性，能使自然降水迅速渗透地表，让道路保持良好的透水、透气性的同时，还能还原成地下水，使地下水资源得到及时补充，调节地表湿度，抑制“热岛效应”[4]。
近年来，我国在快速城市化的进程中出现了诸多问题，每年频发的城市内涝问题正越来越被凸显出现。而我国大多数城市路面基本上都选择石材、混凝土或水泥砖铺设，硬化路面虽然整齐耐用，但其最大缺点就是不透水[5]。因此，“海绵城市”的建设，不仅能有效缓解城市雨涝现象，而且能够降低城市热岛效应，改善城市生态环境，提升居民生活品质[6-7]。作为“海绵城市”项目建设的基础材料，透水砖的生产技术受到了很大关注[8-10]。同时，钢渣、粉煤灰等大宗工业固体废弃物大量的排放和堆积，对环境造成了严重的污染，急需规模化、资源化综合利用[11-13]。利用钢渣作为骨料制备免烧透水砖，不仅能大规模消耗工业固废，而且能够实现透水砖的低成本制备，具有节能环保、资源循环的特性。
本文以经过改性后的合格热闷钢渣作为主要原料，并配以一定水泥、石子等工业原料，采用免烧制砖工艺制备钢渣透水砖，并对其性能进行分析检测。
2 实验方案
2.1. 原材料
2.1.1 钢渣
本实验所用钢渣为武钢集团昆钢股份有限公司所属安宁公司草铺新区转炉冶炼后池式热闷处理后的钢渣，其在热处理并冷却后，经过破碎、磁选和筛分等初级加工而成。
2.1.2 水泥
采用昆钢嘉华水泥有限公司生产的水泥，其为早期强度高、后期强度稳定、水化热低的低碱水泥，其性能情况如表1所示。
表1 嘉华水泥性能表
|
水泥品种 |
比表面积（m2/kg） |
标准稠度用水量（%） |
安定性 |
凝结时间（min） |
抗折强度（MPa） |
抗压强度（MPa） |
|||
|
初凝 |
终凝 |
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
实验所用碎石外购于昆明西山区、安宁、富民、禄劝等地。
2.2 工艺流程
本实验采用全自动混凝土免烧砖振压成型生产线，按照成熟可靠的级配配方，通过将原材料混合-加水搅拌-振动成型的生产工艺生产钢渣透水砖，其生产工艺流程如图1 所示。
图1 钢渣透水砖生产工艺流程图
3 结果与讨论
3.1 钢渣物化特性
经筛分试验得知，昆钢新区经过热闷磁选后的钢渣粒度在-9.5mm～+0.42之间，粒度区间适合做钢渣砌块。对钢渣进行了化学成分分析，结果如表2所示。从表2得知，钢渣的主要成分是CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、f-CaO等，含有5%-10%的金属铁，其通常含水率为3-8％。外观上看，钢渣一般呈灰黑色，硬密实，含碱量高时呈浅白色。同时钢渣碎石具有密度大、强度高、表面粗糙、稳定性好、耐磨与耐久性好等特点。因此，将钢渣作为骨料，用于生产透水砖，具有强度高、透水性好等特性。
表2 钢渣的化学分析
|
指标 |
f-CaO |
f-MgO |
FeO |
TFe |
MFe |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
SiO2 |
P2O5 |
S |
|
样品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 |
|
样品2 |
3.63 |
0.15 |
- |
17.73 |
0.79 |
- |
39.53 |
8.35 |
1.09 |
8.50 |
3.20 |
0.20 |
|
样品3 |
4.15 |
0.31 |
- |
18.15 |
1.16 |
- |
41.74 |
8.88 |
1.22 |
9.24 |
3.45 |
0.18 |
经过云南省防疫站对昆钢钢渣进行镭-226、钍-232和钾40三个项目的放射性比活度检测，其IRa和Iy均低于国标，钢渣自身不存在放射性。
3.2 钢渣透水砖性能分析
3.2.1 钢渣透水砖放射性分析
经过云南省工程质量监测站对钢渣透水砖检测镭-226、钍-232和钾40三个项目的放射性比活度检测，其IRa和Iy均低于国标，钢渣透水砖是安全的。
3.2.2 钢渣透水砖抗压强度、抗折强度、透水系数分析
根据《再生骨料地面砖和透水砖》（CJ/T 400-2012）和《透水路面砖和透水路面板》（GB/T 25993-2010）标准，对250×250×60mm、300×150×60mm及600×300×150mm三种不同规格的钢渣透水砖进行了抗压强度、抗折强度、透水系数的性能检测。测试结果如表3所示。结果表明，透水砖的抗压强度、抗折强度、透水系数均符合标准的等级要求。抗压强度、抗折强度分别高达40MPa、5MPa以上，皆高于普通大理石等路面的各项指标。此外，钢渣颗粒自身具有一定的孔隙率，透水砖成型后，其颗粒间的堆积骨架可以形成空隙，钢渣自身孔隙也能对透水性带来一定帮助，因此也能保证一定的透水性能[14]，其透水率达11%。综上所述，钢渣透水砖的透水性能可满足标准要求，且强度也比普通透水砖高，既满足了路面的承重要求，也达到了透水的效果。
表3 钢渣透水砖抗压强度、抗折强度、透水系数检测结果
|
规格 |
检测项目 |
单位 |
标准要求 |
检验结果 |
单项判定 |
|
|
250×250×60mm |
抗压强度 |
平均值 |
Mpa |
/ |
41.4 |
合格 |
|
单块最小值 |
/ |
33.2 |
||||
|
抗折强度 |
平均值 |
≥4.5 |
5.2 |
|||
|
单块最小值 |
≥3.4 |
4.3 |
||||
|
透水系数 |
cm/s |
≥1.0×10-2 |
1.1×10-2 |
|||
|
300×150×60mm |
抗压强度 |
平均值 |
Mpa |
/ |
47.2 |
合格 |
|
单块最小值 |
/ |
39.7 |
||||
|
抗折强度 |
平均值 |
≥4.5 |
5.8 |
|||
|
单块最小值 |
≥3.4 |
5.4 |
||||
|
透水系数 |
cm/s |
≥1.0×10-2 |
1.1×10-2 |
|||
|
600×300×150mm |
抗压强度 |
平均值 |
Mpa |
/ |
44.1 |
合格 |
|
单块最小值 |
/ |
32.6 |
||||
|
抗折强度 |
平均值 |
≥4.5 |
5.4 |
|||
|
单块最小值 |
≥3.4 |
4.8 |
||||
|
透水系数 |
cm/s |
≥1.0×10-2 |
1.1×10-2 |
|||
3.2.3 钢渣透水砖污水净化效果分析
对1m3（每平方米按厚度60mm计算使用透水砖16.67m2）钢渣透水砖进行水质过滤试验，试验结果如图2所示。通过分析检验得出钢渣生态透水路面砖对SS、COD、TP、NH3-N和TN的去除率分别为76.2%、24.1%、71.2%、3.25%和31.9%。结果表明，与普通天然石料透水砖相比，钢渣透水砖能通过物理过滤截留去除雨水中的污染物、利用多孔性吸附水中剩余较小的悬浮物和部分COD、通过离子交换法沉淀去除雨水中的氮和磷，且在雨水渗透过程中对偏酸性地区雨水的酸碱性具有较好的调节作用。
图2 钢渣透水砖污水净化效果图
4 结论
将钢渣作为主要原料，配以水泥、碎石等材料，使用全自动混凝土免烧砖振压成型生产线，通过混合-加水搅拌-振动成型制备的钢渣透水砖具有强度高、透水性好且生产成本低等特性，其抗压强度、抗折强度分别高达40MPa、5MPa以上，孔隙率达30%，具有较高的微孔透水效果，透水率达1.1×10-2 cm/s，路面年雨水截留量达45%。此外，钢渣透水砖具有多种环保特性，可净化水质，对污水中SS、COD、TP、NH3-N和TN有很好的去除效果。总体来讲，将钢渣用作绿色建材的主要原料，对于提高钢渣再生利用率，协同消纳此类钢渣大宗固体废弃物具有重要促进作用，既可减少钢渣中的有害物质对土壤的环境污染，又可节省天然砂石的开采，为工业废渣“变废为宝”开辟了一条新途径。
参考文献
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