۱٫ معرفی
به طور کلی، سرباره پسماند جامدی است که در صنایع فلز، آهن و فولاد تولید می‌شود و عمدتاً از اکسیدهای سبک، سیلیکات‌ها و بورات‌ها تشکیل شده و در نتیجه چگالی کم خود روی سطح محصول مذاب تجمع می‌یابد. [
۱,
۲,
۳]. فولاد مذاب از فرآوری پیک آهن به دست آمده از سنگ آهن خام، در کوره های اکسیژن اولیه و قوس الکتریکی همراه با آلیاژها، ضایعات و شارهایی برای حذف ناخالصی ها به دست می آید. [
۴]. در نتیجه تولید فولاد، سرباره فولاد یک محصول جانبی از تبدیل آهن به فولاد در کوره اکسیژن پایه (BOF) یا ذوب قراضه برای تولید فولاد در کوره قوس الکتریکی (EAF) است. سرباره های فولادی این دو کوره بسیار شبیه به هم هستند [
۵]. با این حال، سرباره فولادی ملاقه، ناشی از پالایش بیشتر در ملاقه، با سرباره فولاد کوره متفاوت است. [
۱,
۵]. یک تصویر شماتیک از مراحل درگیر در ساخت فولاد در به تصویر کشیده شده است
شکل ۱. اکثر این زباله‌ها معمولاً در محل‌های دفن زباله ذخیره می‌شوند که می‌تواند منجر به آسیب‌های زیست‌محیطی مانند آلودگی خاک و آب و همچنین آلودگی هوا شود. [
۶]. در طول دو دهه گذشته، افزایش قابل توجهی در استفاده از سرباره فولاد وجود داشته است. سرباره فولاد به طور عمده در سراسر جهان در ساخت و ساز جاده، تولید سیمان، تثبیت خاک، کارهای هیدرولیک، تولید سیمان زیستی، و کاربردهای مهندسی مصرف می شود و همچنین در محل برای دفع ذخیره می شود. [
۷,
۸,
۹,
۱۰].
تا سال ۲۰۲۲، تولید فولاد در سراسر جهان سالانه ۱٫۸۸۵ میلیارد تن گزارش شده است. بر اساس داده های مراحل تولید، ضایعات سرباره فولاد به طور کلی ۱۵ تا ۲۰ درصد برای ۱ تن فولاد خام تولید می شود. [
۱۱,
۱۲]. با در نظر گرفتن میزان تولید فولاد در سراسر جهان، ضایعات حاصله باعث ایجاد مشکلاتی در ذخیره سازی می شود. ذخیره سازی در تاسیسات یا ذخیره سازی و استفاده از زباله در ساختمان ها بدون رعایت احتیاط باعث آسیب های زیست محیطی، آلودگی آب و مشکلات بهداشت عمومی می شود زیرا سرباره های فولادی دارای سطح قلیایی بسیار بالایی هستند. علاوه بر این، سرباره فولاد غنی از کلسیم مقادیر pH را افزایش می دهد و ممکن است به طور قابل توجهی بر غلظت فلزات کمیاب در شیرابه سرباره فولاد تأثیر بگذارد. [
۱۱,
۱۳,
۱۴,
۱۵,
۱۶].
از نظر پایداری، حداقل مصرف و حفاظت از منابع مفید طبیعی یا مصنوعی و همچنین استفاده مجدد یا بازیافت پسماندهای مضر ناشی از فرآیندهای صنعتی به نحوی که کمترین آسیب زیست محیطی را به همراه داشته باشد، اولویت دارد. [
۱۷,
۱۸]. در این راستا، کاربردهای مهندسی ژئوتکنیک تا حد زیادی به استفاده مجدد یا بازیافت ضایعات سرباره فولادی با انجام اقدامات احتیاطی در برابر اثرات مضر مانند قلیاییت و شسته شدن فلزات کمک می کند. روش های کاهش مانند پوشش قیر، اختلاط با باقیمانده های تصفیه آب (WTR) [
19] و اثر هم افزایی خاک قرمز و کاه برنج [
۲۰]، غوطه ور کردن سرباره ها در آنیون ها یا کاتیون ها (غیرفعال سازی) و بافر کردن با زیرپایه ها توسط چندین محقق استفاده شد. [
۱۱,
۱۴,
۱۶,
۲۱]و همچنین رطوبت، پیش تصفیه قلیایی [
۱۵]و رسوب کربنات ناشی از میکروبی [
۲۲] برای کاهش قلیائیت بالا و غلظت فلزات کمیاب.
مطالعات متعددی در مورد خواص مکانیکی کوره اکسیژن پایه (BOF)، کوره قوس الکتریکی (EAF) و سرباره کوره ملاقه ای (LS) وجود دارد که هدف آنها مشخص کردن و اصلاح مواد است. [
۲۱,
۲۳,
۲۴,
۲۵,
۲۶]. با وجود اینکه pH بالا و پتانسیل متعاقب آن برای شستشوی فلزات کمیاب ذکر شد، تاکنون مطالعه‌ای که تکنیک‌های اصلاح مناسب برای نگرانی‌های زیست‌محیطی مربوط به EAF و LS را ارزیابی کند، انجام نشده است. مطالعه حاضر ویژگی های مکانیکی و محیطی سرباره های فولادی قوس الکتریکی (EAF) و کوره ملاقه ای (LS) را بررسی کرد. اندازه‌گیری pH و هدایت الکتریکی (EC) روی سرباره‌های فولادی که با استفاده از ماسه ریز و درشت، کائولن، بنتونیت و خاک رس طبیعی پیش تصفیه شده بودند، انجام شد. تجزیه و تحلیل‌ها با استفاده از آزمون‌های آبشویی (WLTs) و آزمایش‌های آبشویی متوالی (SWLTs) انجام شد. علاوه بر این، تجزیه و تحلیلی برای شناسایی سطوح غلظت فلزات سنگین در شیرابه حاصل از سرباره های خالص فولاد انجام شده است. علاوه بر این، تاثیر روش های تصفیه بر غلظت آلومینیوم و آهن مورد ارزیابی قرار گرفته است.
۲٫ مواد و روشها
در آزمایش‌ها از سرباره‌های فولادی EAF و LS الک شده شماره ۱۰ استفاده شد. EAF از کوره قوس الکتریکی به دست می آید، در حالی که LS سرباره ای است که از تصفیه ثانویه فولاد مذاب از همان کوره به دست می آید. خاک های طبیعی مورد استفاده برای تصفیه EAF و LS عبارتند از: بنتونیت (B)، کائولن (K)، خاک رس طبیعی (NC)، ماسه درشت (CS) و ماسه ریز (FS). خواص فیزیکی مواد در ارائه شده است
میز ۱.
سرباره های فولادی EAF و LS درست پس از انجماد در سایت انبار عرضه شدند و بنابراین به عنوان سرباره های فولادی کهنه نشده در نظر گرفته شدند. با توجه به پیکنومتر [
۲۷] در آزمایشات، سرباره EAF به دلیل داشتن آهن دارای وزن مخصوص بالاتری نسبت به سایر مواد است. در مقابل، LS از آنجایی که تحت پردازش ثانویه قرار گرفت، ارزش وزن مخصوص کمتری نسبت به EAF نشان داد. وضعیت مشابهی در حداکثر مقادیر وزن واحد خشک به دست آمده از آزمایش های تراکم وجود دارد. طبقه بندی مواد مربوط به سیستم طبقه بندی یکپارچه خاک (USCS) و انجمن آمریکایی مقامات بزرگراه و حمل و نقل ایالتی (AASHTO) از طریق انجام تجزیه و تحلیل غربال تعیین شد. [
۲۸] و محدودیت های آتربرگ [
۲۹] تست ها بر این اساس، شن های EAF و LS با درجه بندی ضعیف (GP)، بنتونیت، کائولن، خاک رس طبیعی و رس با انعطاف پذیری بالا (CH)، و ماسه ها به عنوان دانه بندی ضعیف (SP) طبقه بندی شدند.
شکل ۲ نمایش مواد، در حالی که
شکل ۳ توزیع اندازه دانه را بر اساس تحلیل الک نشان می دهد. تجزیه و تحلیل غربال شامل عبور مواد نمونه از یک سری الک با اندازه های مختلف مش برای تعیین درصد ذرات در هر کسر اندازه است.
علاوه بر این، پارامترهای تراکم سرباره های فولادی با استفاده از انرژی استاندارد تعیین شد [
۳۰]و آزمایش ها با مشاهده آب آزاد در پایه قالب به پایان رسید. EAF، با پارامترهای تراکم
، دارای بیشترین وزن واحد خشک نسبت به سایر مواد بوده و مقادیر به دست آمده با مطالعات قبلی مطابقت دارد [
۲۳,
۲۴]. به عنوان یک روش تصفیه، اصلاحات طبیعی خاک با سرباره های فولادی EAF و LS برای کاهش pH بالای فاضلاب اعمال شد. به منظور ارزیابی تأثیر افزودنی‌های خاک، اندازه‌گیری اولیه pH برای سرباره‌های فولادی خالص انجام شد، پس از آن خاک‌ها در وزن‌های ۲۰، ۴۰ و ۶۰ درصد با سرباره‌ها مخلوط شدند و pH متعاقبا اندازه‌گیری شد. سوسپانسیون ها با نسبت جامد/مایع (S/L) 1:20 (2.5 گرم/۵۰ میلی لیتر) از طریق آب مقطر تهیه شدند. [
۳۱]. هر سوسپانسیون در لوله های ۵۰ میلی لیتری روی روتاتور قرار داده شد و با سرعت ۳۰ دور در دقیقه به مدت ۱۸ ساعت بهم زد. [
۳۲]. پس از ۱۸ ساعت هم زدن، سوسپانسیون مستقیماً به سانتریفیوژ منتقل شد و به مدت ۵ دقیقه ته نشین شد. اندازه گیری pH به سرعت پس از اتمام فرآیند انجام شد. فرآیند آزمایشات آبشویی (WLTs) در نشان داده شده است
شکل ۴.
علاوه بر این، آزمایش‌های آبشویی متوالی (SWLTs) بر روی EAF و LS خالص و تیمار شده به دنبال ASTM-D3987-12 انجام شد. مشابه WLT ها، هر سوسپانسیون با نسبت S/L:1/20 تهیه شد. سپس، سرباره فولاد خالص یا تیمار شده و مخلوط‌های مایع با استفاده از فیلترهای سرنگ و صفحات فیلتر برای استخراج شیرابه‌ها به منظور ارزیابی pH تحت فیلتراسیون قرار گرفتند. پس از اتمام فرآیند استخراج، خاک‌ها کاملاً مخلوط شدند و روش فوق تکرار شد. بنابراین، اثر رویکرد SWLT از طریق تغییر در pH مشاهده شد.
شکل ۵ طرح SWLT را به تصویر می کشد.
علاوه بر این، یک ارزیابی جامع برای تجزیه و تحلیل خصوصیات مکانیکی سرباره‌های فولادی از منظر مهندسی ژئوتکنیک، از جمله چندین آزمایش مانند برش مستقیم انجام شد. [
۳۳]، نفوذپذیری ثابت سر [
۳۴]، تست سایش لس آنجلس [
۳۵]، جذب آب [
۳۶]، چگالی ظاهری [
۳۷]، ضریب خرد شدن [
۳۸]، ضریب تاثیر [
۳۹]، و آزمایش نسبت یاتاقان کالیفرنیا (CBR) خیس نشده-آغشته شده [
۴۰].
۴٫ نتیجه گیری
ویژگی های مکانیکی و محیطی سرباره های فولادی EAF و LS در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفت و نتایج زیر به دست آمد.
EAF و LS به دلیل پارامترهای مقاومتی، انتخاب های مناسبی برای پرکردن جاده هستند و مقادیر سختی تولید شده توسط ترکیب شیمیایی آنها. به ویژه، هر دو مقدار CBR خیس شده و خیس نشده نشان می دهد که آیا این مواد می توانند به عنوان زیرپایه یا پایه استفاده شوند. علاوه بر این، هنگام در نظر گرفتن نتایج آزمایش نفوذپذیری، نمونه ها دارای قابلیت زهکشی کافی هستند. با این حال، در مورد سرباره فولاد به عنوان پرکننده، لازم است پتانسیل تورم طولانی مدت برای کاهش مسائل پایداری که ممکن است در طول عمر مواد ایجاد شود، ارزیابی شود.
شیرابه استخراج شده از EAF و LS خالص با استفاده از WLTs سطوح pH، EC و TDS بالایی را نشان داد. از این رو، می توان استنباط کرد که استفاده از EAF و LS در کاربردهای مهندسی باید اجتناب شود، مگر اینکه اقدامات مناسب برای رسیدگی به ملاحظات زیست محیطی انجام شود. در این مطالعه، روش‌های تصفیه با مخلوط کردن خاک‌های رس طبیعی، بنتونیت، کائولن و ماسه درشت با EAF و LS در درصدهای ۲۰، ۴۰، ۶۰ و ۸۰ درصد وزنی استفاده شد. با توجه به نتایج WLT، بیشترین کاهش در EAF و LS با افزودن ۶۰ درصد NC مشاهده شد که منجر به کاهش به ترتیب ۱٫۲ و ۰٫۷ امتیاز شد. مقدار pH در پلاگین شن به دلیل ماهیت بی اثر شن تا حد زیادی بدون تغییر باقی مانده است.
مطالعات تجربی نشان داده اند که سرباره های فولادی می توانند با قابلیت زهکشی کافی جایگزین سنگدانه های طبیعی در پر کردن جاده ها شوند. با این حال، انتشار فلزات سمی به دلیل قلیایی بودن بالا، خطرات زیست محیطی را به همراه دارد. آزمایش‌های متوالی شیرابه (SWLTs) برای ارزیابی اثرات زیست‌محیطی استفاده از سرباره فولادی در خاکریزهای جاده‌ها، با لایه‌های کائولن (K)، بنتونیت (B)، خاک رس طبیعی (NC) و درشت (CS) و ماسه ریز (FS) انجام شد. ) در زیر سرباره قرار گرفته است. شیرابه به دست آمده از کوره قوس الکتریکی (EAF) و سرباره کوره ملاقه ای (LS) بیشترین تأثیر را از اثرات بافر و رقت در NC تجربه کردند، که منجر به کاهش pH 2.0 نقطه برای EAF و ۰٫۹ نقطه برای LS شد. SWLTs تبادل یونی و زمان رقت و بافر طولانی‌مدت را با مقادیر pH مشابه با آزمایش‌های شیرابه استاندارد (WLTs) برای کائولن و بنتونیت بهبود بخشید. علاوه بر این، SWLTها با افزودنی NC منجر به کاهش قابل توجه ۷۷٪ و ۸۱٪ در هدایت الکتریکی (EC) برای EAF و LS، به ترتیب، به رقت تحت تأثیر خنثی بودن NC نسبت داده شد. به طور کلی، SWLT ها به دلیل افزایش زمان رقت و مدت زمان بافر منجر به کاهش EC برای همه افزودنی ها شدند.
شن و ماسه ریز به سرباره فولادی که برای پر کردن جاده به عنوان پایه یا زیرپایه در نظر گرفته شده بود، به میزان ۲۰٪، ۴۰٪، ۶۰٪ و ۸۰٪ وزنی برای کاهش ضایعات وارد شد. آزمایش‌های متوالی شیرابه (SWLTs) برای ارزیابی اثرات زیست‌محیطی، عبور از لایه‌های K، B، NC و CS در زیر سرباره انجام شد. در LS، افزودن شن و ماسه منجر به کاهش pH شد که بیشترین کاهش ۱٫۱ نقطه ای در ۸۰٪ اضافه ماسه مشاهده شد. با این حال، علیرغم کاهش، مقادیر pH در مقایسه با SWLT های درمان نشده نسبتاً بالا باقی ماند که نشان دهنده سطوح آلودگی پایدار است. هم زدن با CS بر pH در LS تاثیر نمی گذارد. برای EAF، بیشترین کاهش pH به میزان ۲٫۴ نقطه زمانی رخ داد که ۸۰ درصد نمونه های تقویت شده با شن و ماسه با NC مخلوط شدند. حضور بنتونیت تحت تأثیر پیش تیمار قرار نگرفت، اما با کاهش نسبت EAF در خاک رس کائولن، pH به تدریج کاهش یافت و به کاهش ۱٫۱ امتیاز رسید. تحریک CS هیچ تاثیری بر pH EAF درمان شده نداشت.
قلیائیت بالای سرباره های فولادی EAF و LS به تشکیل شیرابه بسیار قلیایی در هنگام تماس با آب کمک می کند که منجر به افزایش غلظت عناصر کمیاب می شود. نگرانی های زیست محیطی، مانند انتشار عناصر سمی و آلودگی آبزیان، از استفاده بی دقتی از سرباره های فولادی در کاربردهای ژئوتکنیکی به دلیل قلیایی بودن و ترکیب شیمیایی آنها ناشی می شود. تجزیه و تحلیل شیرابه‌های حاصل از سرباره‌های فولادی خالص، غلظت فلزات بالا را نشان داد، با آب‌های نشت EAF و LS که از حد تعیین‌شده برای Al و Fe فراتر رفتند. افزودن NC منجر به پایین‌ترین مقادیر pH/EC/TDS شد و ترکیبات %۱۰۰SteelSlag+NC منجر به کاهش غلظت‌ها به زیر حداقل محدودیت‌ها شد. بهبود با FS، به‌ویژه در ترکیب‌های %۸۰FS+%20SteelSlags-NC، سطوح فلزات کمیاب را زیر آستانه‌های نظارتی کاهش داد. این یافته ها بر اهمیت در نظر گرفتن مواد افزودنی با بار منفی و ظرفیت بافری مانند NC برای کاهش خطرات زیست محیطی مرتبط با استفاده از سرباره فولاد تاکید می کند.
در پایان، سرباره های فولادی EAF و LS را می توان به عنوان پایه یا زیرپایه در پرکردن جاده ها با اقدامات مناسب مورد استفاده قرار داد. از جمله این اقدامات، استفاده از کانی‌های رسی با بار منفی و با ظرفیت بافر بالا که پتانسیل کاهش pH و قلیاییت و همچنین کاهش غلظت فلزات سنگین را دارند، توصیه می‌شود.
