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摘 要： 摘要：將微生物礦化技術(shù)應(yīng)用到冶煉銅渣的資源化利用中，以水淬銅渣為主要膠凝材料與鋼渣復(fù)配，熟石灰為鈣源，提出了銅渣-熟石灰-鋼渣三元復(fù)配體系，制品強(qiáng)度接近10MPa，壓制后抗壓強(qiáng)度接近20MPa。 關(guān)鍵詞：微生物礦化;銅渣;鋼渣;碳化;建材制品 冶煉廢渣是指
摘要：將微生物礦化技術(shù)應(yīng)用到冶煉銅渣的資源化利用中，以水淬銅渣為主要膠凝材料與鋼渣復(fù)配，熟石灰為鈣源，提出了銅渣-熟石灰-鋼渣三元復(fù)配體系，制品強(qiáng)度接近10MPa，壓制后抗壓強(qiáng)度接近20MPa。
關(guān)鍵詞：微生物礦化;銅渣;鋼渣;碳化;建材制品
冶煉廢渣是指金屬制造行業(yè)冶金過(guò)程中伴隨金屬礦物冶煉而產(chǎn)生的各種固體廢棄物;涵蓋范圍廣，可以主要分為黑色金屬冶煉和有色金屬冶煉兩大類(lèi)[1-3]。冶煉廢渣的無(wú)害化治理已經(jīng)頗具成果，但如何最大限度的利用廢渣的剩余價(jià)值逐漸成為行業(yè)最為關(guān)注的問(wèn)題。微生物礦化的方式能顯著提升鋼渣制品的力學(xué)性能，其主要機(jī)制是固結(jié)二氧化碳來(lái)產(chǎn)生碳酸鹽，通過(guò)新生成的碳酸鹽填充孔徑、優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)[4-6];本研究采用利用銅渣作為主要膠凝材料，通過(guò)微生物礦化提升制品的力學(xué)性能，并研究了影響制品力學(xué)性能的相關(guān)因素。
1實(shí)驗(yàn)
1.1原材料
銅渣為南京某有色金屬冶煉廠的銅冶煉廢過(guò)程中的水淬銅渣，是煉銅過(guò)程中的高溫爐渣經(jīng)過(guò)水淬冷卻后形成的，已經(jīng)經(jīng)過(guò)破碎，粒徑1-2mm，顏色為深黑色，能夠明顯看到玻璃相。原料銅渣在球磨機(jī)中磨細(xì)兩小時(shí)后，過(guò)0.075mm的篩(200目，75μm)。取篩下渣樣用作試驗(yàn)用料，用李氏瓶與勃氏透氣比表面積儀測(cè)得其密度、比表面積分別為：3.98g/cm2，1900cm2/g。其他原材料包含固碳菌菌粉，耐受pH范圍為8-12;Ca(OH)2來(lái)源于上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，分析純;拌合用水為室溫自來(lái)水;細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)為2.8的河砂。
1.2試件制備
成型：試件依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T17671—1999)進(jìn)行成型。按照骨料、纖維、水泥、礦物摻合料的順序進(jìn)行加料，菌粉加入水中保證混合均勻，菌粉摻量以膠凝材料用量的1.5%計(jì)。試件尺寸為40mm×40mm×160mm。養(yǎng)護(hù)制度：將成型好的試件在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)48h后拆模，室內(nèi)條件下經(jīng)停24h后放入碳化箱。
本次試驗(yàn)涉及到兩種碳化養(yǎng)護(hù)方法，第一種是加壓碳化，CO2濃度為(98%±1%)，相對(duì)濕度60%，溫度20℃，本次試驗(yàn)氣體壓力為0.30MPa。第二種為標(biāo)準(zhǔn)碳化，將制品放入標(biāo)準(zhǔn)碳化箱內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)碳化條件參考《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法》(GBT50082-2009)中的碳化條件具體為：CO2濃度為20%，相對(duì)濕度(60%±1%)，溫度(20±1)℃。
1.3試驗(yàn)方法
根據(jù)國(guó)標(biāo)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T17671—1999)，分別進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1銅渣/熟石灰/鋼渣配比對(duì)于制品性能的影響
實(shí)驗(yàn)以銅渣微粉為原材料，單摻Ca(OH)2為鈣源，占膠凝材料總組分的10%、20%、30%。試驗(yàn)結(jié)果表明銅渣不具有很好的水硬性，當(dāng)熟石灰摻量低于30%時(shí)，制品1天不能拆模。隨著熟石灰摻量增加，制品的初凝時(shí)間和可拆模時(shí)間均縮短，這可能是因?yàn)镃a(OH)2能很好的破壞銅渣粉中的玻璃相，能加速水化進(jìn)程，使得試件凝結(jié)時(shí)間和初始強(qiáng)度都有所改善。
經(jīng)過(guò)加壓碳化6小時(shí)候，測(cè)Ca(OH)2摻量為10%、20%、30%和40%時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度分別為0MPa、2.2MPa、3.1MPa和4.7MPa。可見(jiàn)Ca(OH)2摻量的提升對(duì)于制品強(qiáng)度提升是有利的，這主要是因?yàn)樵诙趸甲饔孟拢珻a(OH)2轉(zhuǎn)變成為CaCO3，由于碳酸鈣晶體體積較氫氧化鈣大，對(duì)試件的孔隙起到一定的填充膠結(jié)作用，所以力學(xué)性能提升。
2.2銅渣-熟石灰-鋼渣復(fù)配對(duì)于制品性能的影響
通過(guò)固定Ca(OH)2摻量為30%，利用具有一定水硬活性的鋼渣來(lái)提升制品早期的力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明鋼渣的加入顯著減少的試件的凝結(jié)時(shí)間，且鋼渣摻量達(dá)到35%時(shí)，表面基本不泌水且其凝結(jié)時(shí)間已經(jīng)可以控制在1小時(shí)內(nèi)。推測(cè)是由于較細(xì)且活性成分較多的鋼渣能夠迅速水化凝結(jié)使得制品凝結(jié)性能改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鋼渣摻量增加，抗壓強(qiáng)度都有提升。
2.3碳化制度對(duì)制品性能的影響
為碳化制度對(duì)于制品性能影響較大，特別是之前的研究表明加壓碳化能大大縮短制品所需時(shí)間。為此，系統(tǒng)對(duì)比了加壓碳化和國(guó)標(biāo)碳化兩種方式對(duì)制品力學(xué)性能的影響。表示銅渣，SL(slakedlime)表示熟石灰用量，Slag表示鋼渣，計(jì)量依據(jù)質(zhì)量占比計(jì)算。0.3MPa指的是環(huán)境中二氧化碳?jí)毫?.3MPa，sc表示標(biāo)準(zhǔn)碳化條件。
通過(guò)比較不同碳化環(huán)境下制品的力學(xué)性能，制品力學(xué)性能隨著碳化時(shí)間的增加而增加;相對(duì)于加壓碳化，標(biāo)準(zhǔn)碳化雖然CO2濃度、分壓沒(méi)有加壓碳化高，但是在碳化時(shí)間更長(zhǎng)的時(shí)間下，碳化后的制品強(qiáng)度可以達(dá)到甚至超越加壓碳化制品的強(qiáng)度。選取35%銅渣、30%熟石灰、35%鋼渣進(jìn)行碳化深度測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)碳化三天條件下的制品都已經(jīng)完全碳化;雖然完全碳化的制品還沒(méi)有達(dá)到10MPa的基本要求，但純銅渣樣品在標(biāo)準(zhǔn)碳化下已經(jīng)具有一定的力學(xué)性能，可以用微生物加速碳化的方法固定堆場(chǎng)中的銅渣，減少銅渣堆料過(guò)程中的灰分和揚(yáng)塵。
2.4微生物對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
采用X-CT分析不加菌未碳化制品、不加菌碳化制品、加菌碳化制品的孔隙特征，分析表明碳化后試件中最大孔的體積降低，同時(shí)加菌碳化試件的最大孔的體積已經(jīng)降低至19mm3。另一方面，加菌碳化的制品其邊緣與內(nèi)部的小孔數(shù)量都較不加菌未碳化的制品少，同時(shí)也優(yōu)于碳化不加菌試件。總的來(lái)說(shuō)碳化處理后制品能利用碳化生成CaCO3進(jìn)而填補(bǔ)制品中小的孔徑，能很好降低制品小孔數(shù)量，提高制品密實(shí)度，使制品更加均勻密實(shí);而微生物的引入，利用其固碳作用，加速對(duì)二氧化碳的捕獲和固定，能顯著提升碳化速度，更有效率地優(yōu)化制品的孔隙結(jié)構(gòu)。
3結(jié)論
本章對(duì)微生物加速碳化銅渣制品進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果如下：(1)熟石灰的摻入能加速銅渣制品的凝結(jié)，同時(shí)也能對(duì)銅渣制品強(qiáng)度有一定提升作用;這主要是因?yàn)槭焓姨峁┝蒜}源，氫氧化鈣在碳化后能密實(shí)基體。(2)銅渣-熟石灰-鋼渣三元體系的制品在完全碳化后，其制品強(qiáng)度接近10MPa，采用壓制成型時(shí)強(qiáng)度更高，接近20MPa。(3)碳化養(yǎng)護(hù)制度對(duì)制品的性能影響表明，加壓碳化在短時(shí)間內(nèi)能顯著提升制品力學(xué)性能，而另一方面，標(biāo)準(zhǔn)碳化3d也能使得制品強(qiáng)度達(dá)到相同水平。(4)微生物的特殊固碳作用能在相同碳化時(shí)間下，加速制品固碳，更快的優(yōu)化孔徑，密實(shí)基體。
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