基于不同陳化工藝的水泥穩(wěn)定鋼渣基層試驗(yàn)研究

韋武舉 徐金玉 鄭炳鋒 韓 超

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司1) 南京 211112) (新型道路材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室2) 南京 211112)

0 引 言

鋼渣具有較高的密度和硬度，可以用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)石灰?guī)r碎石作為基層材料.采用鋼渣作為道路基層材料不僅可實(shí)現(xiàn)鋼渣廢棄物資源化、減物質(zhì)化或減量化，大幅度節(jié)約工程成本，還可減少對(duì)天然土石料的開(kāi)采，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[1-3].

對(duì)于鋼渣在道路工程中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究.Ahmed[4]評(píng)價(jià)了鋼渣用量對(duì)石灰碎石骨料的力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：在石灰碎石骨料中加入鋼渣可以改善其力學(xué)性能和阻力系數(shù).Maghool等[5-6]進(jìn)行了一套廣泛的工程特性測(cè)試，以評(píng)估鋼渣的工程性能，結(jié)果表明：該材料是路面基層、底基層和工程填料等道路工程應(yīng)用的理想建筑材料.李新明等[7]通過(guò)加州承載比和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了武鋼電爐渣用于公路路基的可行性.陳云飛等[8-9]采用摻加一定量硅灰的方法，對(duì)未陳化鋼渣應(yīng)用到水泥穩(wěn)定碎石基層中進(jìn)行了研究.徐方等[10]以不同陳化齡期的武鋼自然處理鋼渣作為研究對(duì)象，采用壓蒸粉化率法與壓蒸存活率法對(duì)鋼渣的安定性能進(jìn)行了分析，綜合評(píng)價(jià)了鋼渣路面基層材料的安定性能.

文中針對(duì)揚(yáng)州秦郵特鋼有限公司所產(chǎn)鋼渣，從鋼渣的物理力學(xué)性能、化學(xué)成分、體積安定性、水化產(chǎn)物、配合比等角度，結(jié)合多種試驗(yàn)手段分析鋼渣在公路基層中的應(yīng)用可行性，以期為鋼渣在公路基層中的推廣應(yīng)用提供科學(xué)參考.

1 鋼渣物理化學(xué)性能分析

鋼渣為灰白色固體，表面粗糙，棱角分明，表面孔隙較多，見(jiàn)圖1.

圖1 鋼渣集料

1.1 鋼渣的物理力學(xué)性能

鋼渣的物理力學(xué)性能是其能否被應(yīng)用到道路基層的基礎(chǔ).文中采用JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]中的相關(guān)試驗(yàn)方法對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試.鋼渣和石灰?guī)r集料的物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 鋼渣和石灰?guī)r集料的物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

由表1可知，鋼渣和石灰?guī)r的各項(xiàng)物理力學(xué)性能均滿(mǎn)足文獻(xiàn)[12]的技術(shù)指標(biāo)要求.鋼渣的壓碎值、0.075 mm以下粉塵含量與石灰?guī)r相當(dāng)，由于鋼渣表面多孔，其吸水率略大于石灰?guī)r.而鋼渣的針片狀顆粒含量遠(yuǎn)小于石灰?guī)r，這有助于提升骨料之間的摩擦力.

1.2 鋼渣的化學(xué)成分

鋼渣的化學(xué)成分及其含量是鋼渣與水泥、水等進(jìn)行水化反應(yīng)的先決條件.采用X射線(xiàn)熒光光譜儀(BRUKER S4 PIONEER)對(duì)同一料源、不同批次的鋼渣的化學(xué)成分和含量進(jìn)行測(cè)試.鋼渣的化學(xué)成分見(jiàn)表2.

表2 鋼渣化學(xué)組成

由表2可知，不同批次的鋼渣的化學(xué)成分和含量基本一致，主要是由CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO、MnO及少量P2O5、TiO2等氧化物組成，其中CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3和MgO為主要成分且達(dá)到了90%以上.但是CaO、SiO2、Al2O3等化學(xué)成分含量波動(dòng)較大，這可能與鋼渣生產(chǎn)時(shí)外摻料的添加量及后期存放的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān).因此，在鋼渣使用前必須對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，不能隨意使用.

1.3 鋼渣體積安定性

由于鋼渣中含有一定量的游離f-CaO與f-MgO，這些成分遇水后會(huì)發(fā)生體積膨脹，當(dāng)膨脹值達(dá)到一定程度，其在基體內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力將超過(guò)鋼渣的極限抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致開(kāi)裂破壞的產(chǎn)生，因此鋼渣的安定性是其能否大面積應(yīng)用的關(guān)鍵因素.因此，文中參照文獻(xiàn)[13]的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)鋼渣浸水膨脹率進(jìn)行測(cè)試，以鋼渣和水、水蒸氣發(fā)生水化反應(yīng)后的體積膨脹率來(lái)評(píng)定鋼渣的安定性.鋼渣的浸水膨脹率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.

由表3可知:鋼渣水化反應(yīng)1～2 d后體積膨脹增長(zhǎng)較慢；3～6 d增長(zhǎng)較快，累計(jì)膨脹量分別達(dá)1.90和1.72 mm.6～10 d鋼渣試件的膨脹量逐漸降低，主要是因?yàn)殇撛械膄-CaO、f-MgO含量大量減少導(dǎo)致.經(jīng)計(jì)算，鋼渣的浸水膨脹率分別為γ1=2.1%，γ2=2.0%，平均值γ=2.05%，略大于文獻(xiàn)[14]的規(guī)定值2%，因此在使用前需對(duì)其進(jìn)行陳化處理.

表3 鋼渣的浸水膨脹率測(cè)試結(jié)果

2 鋼渣不同陳化處理效果的對(duì)比

2.1 游離氧化鈣(f-CaO)含量

由于取樣時(shí)不確定鋼渣已經(jīng)發(fā)生的陳化時(shí)間，假定已陳化t個(gè)月.考慮到不同批次鋼渣的混雜堆放，試驗(yàn)取樣時(shí)盡可能確保樣品處于同一批次，并對(duì)樣品進(jìn)行分批密封處理；然后在原有t個(gè)月陳化基礎(chǔ)上，分別按1個(gè)月為增量進(jìn)行自然堆放和灑水處置兩種工藝進(jìn)行陳化處理，試驗(yàn)研究最高陳化時(shí)間為5個(gè)月，對(duì)樣品鋼渣的f-CaO含量進(jìn)行測(cè)試，f-CaO含量計(jì)算公式為

(1)

式中：TCaO為單位體積EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液與CaO質(zhì)量相當(dāng)，mg/mL，取值3.059；V為滴定時(shí)消耗苯甲酸酒精溶液的總體積，mL；G為試樣重量，g.

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 不同陳化工藝下f-CaO含量隨陳化時(shí)間的變化規(guī)律

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知：雖然樣品鋼渣初始f-CaO為3.2%，但隨著陳化進(jìn)程，f-CaO含量降速明顯，且灑水陳化的效果略?xún)?yōu)于自然陳化，陳化處理1個(gè)月后，f-CaO含量已小于3.0%，至陳化末期(5個(gè)月后)，f-CaO含量已小于0.2%.

2.2 鋼渣粒徑

對(duì)自然堆放和灑水兩種陳化處理方式的鋼渣(10～30 mm)粒徑隨陳化時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 陳化處理后粒徑變化情況

由圖3可知，不同陳化處理后鋼渣粒徑均會(huì)發(fā)生一定程度的變化.隨著鋼渣陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣粉化率會(huì)逐漸下降，且陳化初期下降趨勢(shì)較為明顯.不同陳化處理方式對(duì)于鋼渣粒徑的影響效果也有所不同，灑水陳化處理的影響更為明顯.

總體來(lái)看，自然堆放和灑水處理兩種陳化工藝對(duì)f-CaO含量的變化和鋼渣顆粒的組成都具有一定的影響，灑水陳化對(duì)鋼渣的影響更大，f-CaO含量下降也更加明顯，縮短了陳化周期，而且灑水陳化也更有助于大顆粒鋼渣的崩解，使鋼渣顆粒級(jí)配更加合理.

3 鋼渣水化產(chǎn)物及微觀形貌分析

采用X射線(xiàn)熒光光譜儀(BRUKER S4 PIONEER)[15-16]和掃描電鏡(HITACHI SU-8020)對(duì)其不同齡期的鋼渣水化產(chǎn)物和微觀形貌進(jìn)行分析[17].試驗(yàn)中首先將鋼渣加水拌和，其中水的質(zhì)量為鋼渣質(zhì)量的30%，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度在95%以上)養(yǎng)護(hù)7、28和58 d.鋼渣水化產(chǎn)物的微觀形貌及XRD圖譜分別見(jiàn)圖4～5.

圖4 不同齡期的鋼渣水化微觀形貌

由圖4可知：鋼渣水化7 d后其表面有少量片狀的凝膠類(lèi)物質(zhì)生成，此時(shí)的凝膠比較松散，并沒(méi)有完整的粘結(jié)在一起，即此時(shí)鋼渣的水化反應(yīng)屬于初級(jí)階段.而在鋼渣水化28 d后，可以看到附著在鋼渣表面的凝膠類(lèi)物質(zhì)增厚，而且其表面有一些晶體顆粒析出.凝膠彼此之間比較松散，并沒(méi)有形緊密的結(jié)合在一起.在水化齡期達(dá)到58 d時(shí)，鋼渣表面的膠凝物質(zhì)縱橫交錯(cuò)，和水化初期相比，鋼渣表面的水化產(chǎn)物顯著增多，所形成的結(jié)構(gòu)體系也更加牢固，即水化反應(yīng)隨齡期進(jìn)一步發(fā)展.

由圖5可知，隨著齡期的增長(zhǎng)，Ca(OH)2和CaCO3波峰呈明顯遞增趨勢(shì)，SiO2的波峰隨齡期呈明細(xì)下降趨勢(shì)，水化反應(yīng)逐漸進(jìn)行.同時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7 d后，Ca(OH)2和CaCO3波峰不是很明顯，說(shuō)明鋼渣的早期水化反應(yīng)程度較低，因此在進(jìn)行基層鋼渣混合料設(shè)計(jì)時(shí)，需摻入水泥等以提高混合料的早期強(qiáng)度.

圖5 鋼渣水化產(chǎn)物

4 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料設(shè)計(jì)

采用經(jīng)過(guò)灑水陳化處理3個(gè)月后的鋼渣，對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料進(jìn)行設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表4，重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表4 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的集料級(jí)配

表5 水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

重型擊實(shí)法確定的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料的最佳含水率為4.8%，最大干密度為2.348 g/cm3.

水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表6.水泥用量為4.5%時(shí)滿(mǎn)足文獻(xiàn)[12]中高速公路和一級(jí)公路重交通條件下的強(qiáng)度要求.

表6 7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

5 結(jié) 論

1) 此鋼渣的壓碎值、0.075 mm以下粉塵含量與石灰?guī)r相當(dāng)，吸水率略大于石灰?guī)r，而鋼渣的針片狀顆粒含量遠(yuǎn)小于石灰?guī)r，這有助于提升骨料之間的摩擦力.

2) 鋼渣主要成分為CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3和MgO，總含量達(dá)到90%以上，不同批次的鋼渣化學(xué)成分含量波動(dòng)較大，因此，在鋼渣在使用前必須對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn).

3) 相比自然堆放陳化工藝，灑水陳化f-CaO含量下降更快，也更有助于大顆粒鋼渣的崩解，使鋼渣顆粒級(jí)配更加合理.

4) 鋼渣水化產(chǎn)物及微觀形貌分析表明，鋼渣水化早期的凝膠類(lèi)物質(zhì)生成較少，水化反應(yīng)程度較低，因此，在進(jìn)行基層鋼渣混合料設(shè)計(jì)時(shí)需摻入水泥等以提高混合料的早期強(qiáng)度.

5) 采用經(jīng)處理后的鋼渣設(shè)計(jì)的水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料性能滿(mǎn)足規(guī)范要求，表明此鋼渣可以在相關(guān)道路基層中推廣應(yīng)用.