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(zé)任公司  昆明 安寧65002）

摘  要：鋼渣是鋼鐵企業(yè)的主要固體廢物，隨著我國現(xiàn)代冶金工業(yè)的發(fā)展，鋼渣總量也急劇增加，若不加以綜合利用，將對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，合理利用鋼渣對(duì)鋼鐵企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文以經(jīng)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(duì)其性能進(jìn)行了分析檢測，可為后續(xù)鋼渣透水磚的研發(fā)投入使用提供一定的數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵字：鋼渣；透水磚；性能

1 前言

鋼渣是煉鋼工業(yè)中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鋼渣的總量也急劇增加。但由于鋼渣成分復(fù)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(huì)產(chǎn)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(yán)重影響了鋼渣制品的產(chǎn)品質(zhì)量^[1]。因此，鋼渣的應(yīng)用受到了限制，而鋼渣在渣場自然堆放過程中易于風(fēng)化成為堿性粉塵，不僅占用了大量土地，對(duì)周圍環(huán)境更造成了嚴(yán)重的污染^[2]。因而，如何最大限度地處理鋼渣已成為現(xiàn)今冶金工業(yè)發(fā)展的一大難題。國內(nèi)外對(duì)鋼渣作為路面材料應(yīng)用的研究表明，鋼渣的強(qiáng)度很高，耐磨性能好，具有混凝土骨料的特點(diǎn)，且其力學(xué)性能優(yōu)于天然碎石，而且由于顆粒不規(guī)則度的增加，在路面上應(yīng)用具有更好的穩(wěn)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(qiáng)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(shí)，還能還原成地下水，使地下水資源得到及時(shí)補(bǔ)充，調(diào)節(jié)地表濕度，抑制“熱島效應(yīng)”^[4]。

近年來，我國在快速城市化的進(jìn)程中出現(xiàn)了諸多問題，每年頻發(fā)的城市內(nèi)澇問題正越來越被凸顯出現(xiàn)。而我國大多數(shù)城市路面基本上都選擇石材、混凝土或水泥磚鋪設(shè)，硬化路面雖然整齊耐用，但其最大缺點(diǎn)就是不透水^[5]。因此，“海綿城市”的建設(shè)，不僅能有效緩解城市雨澇現(xiàn)象，而且能夠降低城市熱島效應(yīng)，改善城市生態(tài)環(huán)境，提升居民生活品質(zhì)^[6-7]。作為“海綿城市”項(xiàng)目建設(shè)的基礎(chǔ)材料，透水磚的生產(chǎn)技術(shù)受到了很大關(guān)注^[8-10]。同時(shí)，鋼渣、粉煤灰等大宗工業(yè)固體廢棄物大量的排放和堆積，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，急需規(guī)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(guī)模消耗工業(yè)固廢，而且能夠?qū)崿F(xiàn)透水磚的低成本制備，具有節(jié)能環(huán)保、資源循環(huán)的特性。

本文以經(jīng)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(yè)原料，采用免燒制磚工藝制備鋼渣透水磚，并對(duì)其性能進(jìn)行分析檢測。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1. 原材料

2.1.1 鋼渣

本實(shí)驗(yàn)所用鋼渣為武鋼集團(tuán)昆鋼股份有限公司所屬安寧公司草鋪新區(qū)轉(zhuǎn)爐冶煉后池式熱悶處理后的鋼渣，其在熱處理并冷卻后，經(jīng)過破碎、磁選和篩分等初級(jí)加工而成。

2.1.2 水泥

采用昆鋼嘉華水泥有限公司生產(chǎn)的水泥，其為早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度穩(wěn)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

2.1.3 碎石

實(shí)驗(yàn)所用碎石外購于昆明西山區(qū)、安寧、富民、祿勸等地。

2.2 工藝流程

本實(shí)驗(yàn)采用全自動(dòng)混凝土免燒磚振壓成型生產(chǎn)線，按照成熟可靠的級(jí)配配方，通過將原材料混合-加水?dāng)嚢?振動(dòng)成型的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)鋼渣透水磚，其生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 鋼渣透水磚生產(chǎn)工藝流程圖

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼渣物化特性

經(jīng)篩分試驗(yàn)得知，昆鋼新區(qū)經(jīng)過熱悶磁選后的鋼渣粒度在-9.5mm～+0.42之間，粒度區(qū)間適合做鋼渣砌塊。對(duì)鋼渣進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)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(shí)，含堿量高時(shí)呈淺白色。同時(shí)鋼渣碎石具有密度大、強(qiáng)度高、表面粗糙、穩(wěn)定性好、耐磨與耐久性好等特點(diǎn)。因此，將鋼渣作為骨料，用于生產(chǎn)透水磚，具有強(qiáng)度高、透水性好等特性。

表2 鋼渣的化學(xué)分析

經(jīng)過云南省防疫站對(duì)昆鋼鋼渣進(jìn)行鐳-226、釷-232和鉀40三個(gè)項(xiàng)目的放射性比活度檢測，其I_Ra和I_y均低于國標(biāo)，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(jīng)過云南省工程質(zhì)量監(jiān)測站對(duì)鋼渣透水磚檢測鐳-226、釷-232和鉀40三個(gè)項(xiàng)目的放射性比活度檢測，其I_Ra和I_y均低于國標(biāo)，鋼渣透水磚是安全的。

3.2.2 鋼渣透水磚抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、透水系數(shù)分析

根據(jù)《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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)250×250×60mm、300×150×60mm及600×300×150mm三種不同規(guī)格的鋼渣透水磚進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、透水系數(shù)的性能檢測。測試結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，透水磚的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、透水系數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)要求。抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別高達(dá)40MPa、5MPa以上，皆高于普通大理石等路面的各項(xiàng)指標(biāo)。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(duì)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(dá)11%。綜上所述，鋼渣透水磚的透水性能可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且強(qiáng)度也比普通透水磚高，既滿足了路面的承重要求，也達(dá)到了透水的效果。

表3 鋼渣透水磚抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、透水系數(shù)檢測結(jié)果

3.2.3 鋼渣透水磚污水凈化效果分析

對(duì)1m³（每平方米按厚度60mm計(jì)算使用透水磚16.67m²）鋼渣透水磚進(jìn)行水質(zhì)過濾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。通過分析檢驗(yàn)得出鋼渣生態(tài)透水路面磚對(duì)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(jié)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(duì)偏酸性地區(qū)雨水的酸堿性具有較好的調(diào)節(jié)作用。

圖2 鋼渣透水磚污水凈化效果圖

4   結(jié)論

將鋼渣作為主要原料，配以水泥、碎石等材料，使用全自動(dòng)混凝土免燒磚振壓成型生產(chǎn)線，通過混合-加水?dāng)嚢?振動(dòng)成型制備的鋼渣透水磚具有強(qiáng)度高、透水性好且生產(chǎn)成本低等特性，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別高達(dá)40MPa、5MPa以上，孔隙率達(dá)30%，具有較高的微孔透水效果，透水率達(dá)1.1×10^-2 cm/s，路面年雨水截留量達(dá)45%。此外，鋼渣透水磚具有多種環(huán)保特性，可凈化水質(zhì)，對(duì)污水中SS、COD、TP、NH₃-N和TN有很好的去除效果?？傮w來講，將鋼渣用作綠色建材的主要原料，對(duì)于提高鋼渣再生利用率，協(xié)同消納此類鋼渣大宗固體廢棄物具有重要促進(jìn)作用，既可減少鋼渣中的有害物質(zhì)對(duì)土壤的環(huán)境污染，又可節(jié)省天然砂石的開采，為工業(yè)廢渣“變廢為寶”開辟了一條新途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 王愛國, 何懋燦, 莫立武. 碳化養(yǎng)護(hù)鋼渣制備建筑材料的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2019(17): 56-59.

[2] 蔣元海, 鄒蘇萍. 鋼渣-粉煤灰免蒸免燒制磚工藝研究和生產(chǎn)[J]. 江蘇冶金, 1993(6): 7-9.

[3] 殷寶賢, 李劍光, 劉緒洪, 等. 利用鋼渣生產(chǎn)混凝土路面磚的研究[J]. 市政公用建設(shè), 2012(6): 43-48.

[4] 施祥云, 龔潔敏. 鋼渣耐磨透水磚[J]. 建筑工人, 2012(4): 57-57.

[5] 陳捷, 湯偉. 海綿城市透水人行道在紫金港路的初步探索及應(yīng)用[J]. 中國住宅設(shè)施, 2017(11): 7-8.

[6] 李蘭, 李鋒. “海綿城市”建設(shè)的關(guān)鍵科學(xué)問題與思考[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38(7): 2599-2606.

[7] 俞孔堅(jiān), 李迪華, 袁弘, 等. “海綿城市”理論與實(shí)踐[J]. 城市規(guī)劃, 2015, 39(6): 26-36.

[8] 李珠, 劉家樂, 劉鵬, 等. 煤矸石燒結(jié)透水磚的試驗(yàn)研究[J]. 新型建筑材料, 2018, 45(4): 21-23.

[9] 李國昌, 王萍. 蒸壓法制備鎳鐵礦渣透水磚[J]. 礦產(chǎn)保護(hù)與利用, 2017(2): 101-106.

[10] Yan H D, Huang G H. Study on pervious road brick prepared by recycled aggregate concrete[J]. Key Engineering Materials, 2006, 32(3): 321-328.

[11] 何學(xué)云, 張凱峰, 楊文, 等. 硅酸鹽固體廢棄物作摻合料在混凝土中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2013, 27(1): 281-284.

[12] 涂  昆, 劉家祥, 鄧  侃. 鋼渣粉和鋼渣水泥的活性及水化機(jī)理研究[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 42(1): 62-68.

[13] Guo X L, Shi H S. Thermal treatment and utilization of flue gas desulphurization gypsum as an admixture in cement and concrete[J]. Construction & Building Materials, 2008, 22(7): 1471-1476.

[14] 唐歐靖, 陳寧. 鋼渣混凝土路面磚的研制及性能研究[J]. 新型建筑材料, 2015, 42(1): 90-93.