浸水環(huán)境下鋼渣骨料體積脹裂與強(qiáng)度劣化試驗(yàn)研究

余 浩，孟秀元,林 順，常文偉，磨煉同，肖 月

(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070；2.山西路橋集團(tuán)陽蟒高速公路有限責(zé)任公司，晉城 048100)

鋼渣是鋼鐵廠冶金過程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物，每生產(chǎn)1 t鋼鐵就會(huì)產(chǎn)生約0.15 t鋼渣。公路工程建設(shè)用集料的消耗巨大，利用鋼渣集料代替?zhèn)鹘y(tǒng)碎石骨料可實(shí)現(xiàn)鋼渣固體廢棄物的資源化再利用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-3]，然而鋼渣的體積安定性問題是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵原因。造成鋼渣體積安定性不良的主要原因是鋼渣中f-CaO與f-MgO在陳化過程中水化生成Ca(OH)2與Mg(OH)2，使體積膨脹分別增加98%與148%，產(chǎn)生較大的局部膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致鋼渣顆粒的強(qiáng)度劣化，甚至膨脹開裂[4-6]。

鋼渣體積膨脹的原因復(fù)雜，與f-CaO、f-MgO的含量與分布，生成的Ca(OH)2結(jié)構(gòu)以及RO相的固溶形態(tài)等有關(guān)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼渣體積安定性不良的問題做了大量研究。徐帥等[7]采用鋼渣集料、鋼渣微粉與橡膠瀝青制備鋼渣透水瀝青混合料并對(duì)其進(jìn)行膨脹性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鋼渣集料經(jīng)過長(zhǎng)期堆存后f-CaO得到消解，膨脹率較低，混合料體積穩(wěn)定性得到改善。侯新凱等[8]采用鋼渣微粉與水泥熟料制成鋼渣水泥在常溫長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)并檢測(cè)體積膨脹率，發(fā)現(xiàn)膨脹緩慢，前期60 d是快速膨脹階段，2～15個(gè)月是慢速膨脹階段，15個(gè)月后達(dá)到穩(wěn)定發(fā)展階段。呂楊[9]將f-CaO摻入到基準(zhǔn)水泥中，發(fā)現(xiàn)水泥凈漿試樣壓蒸膨脹率的增加速度隨f-CaO摻量的增加而呈指數(shù)級(jí)加快。Gergeo Wang等[10]依據(jù)f-CaO水化過程中的理化反應(yīng)與體積膨脹模型，建立f-CaO含量與鋼渣骨料極限膨脹率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過74 ℃熱水浸泡試驗(yàn)驗(yàn)證其膨脹率7 d可達(dá)到穩(wěn)定。金年生[11]開展鋼渣10 d水浴浸泡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼渣在第5 d后膨脹減緩并趨于穩(wěn)定。

上述文獻(xiàn)中關(guān)于鋼渣水泥、鋼渣骨料及鋼渣瀝青混凝土的研究表明，降低鋼渣骨料中f-CaO含量可很好地改善體積安定性，因此需要加強(qiáng)源頭控制f-CaO含量和破碎自然陳化處置。為了研究浸水陳化對(duì)不同鋼渣骨料中游離氧化鈣消解以及體積膨脹開裂的影響，開展了不同條件的浸水脹裂試驗(yàn)并通過鋼渣骨料的浸水體積脹裂特性和強(qiáng)度劣化研究了解鋼渣骨料水穩(wěn)定性以便優(yōu)化陳化工藝和提高體積安定性。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)采用粒徑為4.75～9.5 mm和9.5～13.2 mm的河南信陽鋼渣A、河南舞陽鋼渣B、山西太原鋼渣C和陜西鋼渣D四個(gè)不同產(chǎn)地?zé)釥F鋼渣骨料，其游離氧化鈣含量分別為2.96%，0.45%，0.89%和1.02%。因鋼渣骨料具有多孔性，為了對(duì)比鋼渣骨料多孔性對(duì)體積安定性的影響，將每種鋼渣骨料按顆粒孔隙特征人工分選為多孔型鋼渣A1、B1、C1、D1與密實(shí)型鋼渣A2、B2、C2、D2。

1.2 試驗(yàn)方法

選用粒徑為4.75～9.5 mm的代表性鋼渣骨料300顆，每一顆單獨(dú)放入冰格模具的一個(gè)方格內(nèi)。冰格模具浸泡在指定水溫的恒溫水箱內(nèi)，記錄浸泡過程中累計(jì)發(fā)生脹裂的鋼渣顆粒數(shù)量并除以浸水顆?？倲?shù)得到鋼渣骨料脹裂率，及時(shí)取出試驗(yàn)過程中發(fā)生脹裂的鋼渣顆粒用于后面XRD檢測(cè)分析。XRD物相檢測(cè)選取浸水前鋼渣顆粒樣品、浸水脹裂試驗(yàn)過程中不同時(shí)間段出現(xiàn)脹裂的鋼渣顆粒樣品以及試驗(yàn)后未發(fā)生脹裂的顆粒樣品。

浸水脹裂試驗(yàn)的浸水時(shí)間設(shè)計(jì)如下：1)25 ℃浸水脹裂試驗(yàn)時(shí)間為60 d，模擬常溫飽水條件下長(zhǎng)期陳化過程；2)60 ℃浸水脹裂試驗(yàn)時(shí)間為14 d，模擬鋼渣骨料用于道路工程時(shí)夏季高溫飽水條件下陳化反應(yīng)過程；3)90 ℃浸水脹裂試驗(yàn)時(shí)間為14 d，模擬鋼渣骨料高溫加速陳化反應(yīng)過程以檢驗(yàn)其極限抗脹裂能力。4)考慮到高溫浸水可促進(jìn)f-CaO消解，加速鋼渣骨料體積膨脹和開裂，在完成60 d的25 ℃浸水脹裂試驗(yàn)后再進(jìn)行14 d的90 ℃浸水脹裂試驗(yàn)。5)同理在完成14 d的60 ℃浸水脹裂試驗(yàn)后再進(jìn)行14 d的90 ℃浸水脹裂試驗(yàn)。

選用粒徑為9.5～13.2 mm的原樣鋼渣樣品與浸水處理14 d的鋼渣骨料樣品按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[12]的要求進(jìn)行鋼渣骨料浸水前后壓碎值試驗(yàn)。

2 脹裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 浸水溫度對(duì)鋼渣骨料脹裂的影響

圖1為河南信陽鋼渣在不同溫度下的浸水脹裂試驗(yàn)結(jié)果。從圖1可以看出，信陽鋼渣經(jīng)過25 ℃浸水14 d試驗(yàn)后未出現(xiàn)脹裂，表明常溫浸水環(huán)境下鋼渣顆粒難以發(fā)生膨脹開裂，而在溫水與高溫環(huán)境下體積安定性明顯不良，浸泡1 d時(shí)有明顯脹裂現(xiàn)象，4 d后基本達(dá)到穩(wěn)定。多孔型鋼渣A1因其多孔性加速水分滲透，促進(jìn)水分與f-CaO發(fā)生消解反應(yīng)，因此在同等溫度條件下多孔型鋼渣A1比密實(shí)型鋼渣A2更早發(fā)生脹裂且較早達(dá)到穩(wěn)定，表明f-CaO與水接觸難易程度在一定程度上影響了鋼渣骨料的浸水脹裂行為。信陽鋼渣體積安定性對(duì)不同溫度條件表現(xiàn)敏感，90 ℃浸水試驗(yàn)無論是鋼渣顆粒脹裂數(shù)量增長(zhǎng)的速率還是最終的脹裂率都明顯高于25 ℃和60 ℃浸水脹裂率。

圖2與圖3給出了河南舞陽鋼渣、太原鋼渣與陜西鋼渣在不同溫度下的浸水脹裂試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，舞陽鋼渣經(jīng)過25 ℃和60 ℃浸水14 d試驗(yàn)后均未出現(xiàn)脹裂情況，表明在正常使用的溫度環(huán)境下，舞陽鋼渣顆粒難以發(fā)生膨脹開裂。當(dāng)浸水溫度升高到90 ℃后多孔型鋼渣與密實(shí)型鋼渣在第1 d便出現(xiàn)顆粒脹裂，且前者比后者脹裂率更高?？傮w而言，舞陽鋼渣在常溫和溫水環(huán)境下體積安定性良好，這與其中f-CaO含量低有關(guān)。山西太原鋼渣C和陜西鋼渣D經(jīng)過25 ℃和60 ℃的14 d浸水試驗(yàn)后均沒有出現(xiàn)脹裂情況，特別是太原鋼渣，即使浸水溫度升高到90 ℃，在浸泡14 d后的脹裂率仍為0，表現(xiàn)出很好的浸水穩(wěn)定性。陜西鋼渣脹裂率在2～3 d即可達(dá)到穩(wěn)定，表明其發(fā)生浸水脹裂概率小。

2.2 鋼渣骨料25 ℃+90 ℃浸水脹裂試驗(yàn)結(jié)果

前面浸水脹裂試驗(yàn)結(jié)果表明不同鋼渣骨料脹裂行為對(duì)浸水溫度和時(shí)間敏感性差異大。25 ℃常溫浸水14 d未觀察到鋼渣骨料發(fā)生脹裂，為檢驗(yàn)其是否與試驗(yàn)周期過短有關(guān)，故將四種鋼渣經(jīng)25 ℃常溫浸水試驗(yàn)60 d并觀察骨料脹裂發(fā)展過程。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有鋼渣即使25 ℃浸水60 d也未出現(xiàn)脹裂，再將上述常溫浸水60 d后的鋼渣進(jìn)行14 d的90 ℃浸水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與前面直接進(jìn)行90 ℃浸水試驗(yàn)一樣，信陽鋼渣在常溫浸水60 d后再進(jìn)行90 ℃浸水試驗(yàn)的第1 d便出現(xiàn)顆粒集中脹裂，至第4 d不再出現(xiàn)脹裂鋼渣顆粒，多孔型鋼渣A1的脹裂率比密實(shí)型鋼渣A2脹裂率更高，如圖4所示。而舞陽鋼渣、太原鋼渣與陜西鋼渣在后續(xù)90 ℃浸水試驗(yàn)中的脹裂率均不超過4%，且在4 d內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，表明舞陽鋼渣、太原鋼渣與陜西鋼渣三種鋼渣骨料的f-CaO的含量低，但不同試驗(yàn)樣品的體積安定性差異較大，最終浸水脹裂率與試驗(yàn)選材有關(guān)。

2.3 鋼渣骨料60 ℃+90 ℃浸水脹裂試驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)60 ℃浸水試驗(yàn)對(duì)f-CaO消解程度以及水溫從60 ℃升高到90 ℃后鋼渣骨料的浸水穩(wěn)定性，先將四種鋼渣分別進(jìn)行14 d的60 ℃浸水試驗(yàn)后再取出放入90 ℃恒溫水浴中開展額外14 d浸水脹裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，信陽鋼渣在60 ℃浸水14 d后再開展90 ℃浸水14 d試驗(yàn)與直接90 ℃浸水14 d試驗(yàn)相同，在試驗(yàn)的第一天便出現(xiàn)脹裂顆粒，多孔型鋼渣A1最終脹裂率更高，其對(duì)溫度變化的敏感性更高。但與直接90 ℃浸水試驗(yàn)結(jié)果不同的是，信陽鋼渣第1 d并未出現(xiàn)集中脹裂行為，脹裂率一直以平緩的速度增長(zhǎng)至第3～4 d后達(dá)到穩(wěn)定。且后續(xù)90 ℃浸水脹裂率不超過5%，遠(yuǎn)低于直接90 ℃浸水試驗(yàn)的脹裂率。舞陽鋼渣在整個(gè)28 d試驗(yàn)周期內(nèi)未出現(xiàn)脹裂行為，即使溫度升高至90 ℃也表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。太原鋼渣中，多孔型鋼渣C1在90 ℃浸泡第1 d便出現(xiàn)脹裂鋼渣，且此后脹裂率一直穩(wěn)定在2%，密實(shí)型鋼渣C2則未出現(xiàn)脹裂顆粒。陜西鋼渣中，多孔型鋼渣D1在90 ℃浸泡第1 d出現(xiàn)脹裂顆粒，密實(shí)型鋼渣D2在浸泡的第2 d才出現(xiàn)脹裂顆粒，二者的最終脹裂率分別穩(wěn)定在3%與1%。上述試驗(yàn)結(jié)果表明浸水溫度從60 ℃增加至90 ℃不能使鋼渣顆粒出現(xiàn)集中脹裂，鋼渣骨料對(duì)較高范圍內(nèi)的浸水溫度變化表現(xiàn)低敏感性。60 ℃浸水條件相對(duì)溫和，f-CaO消解速度不及90 ℃浸水條件，屬于慢速消解型，但隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，鋼渣骨料中f-CaO也能得到大量消解，再經(jīng)90 ℃浸泡后能進(jìn)一步消解f-CaO從而使最終脹裂率下降。

3 鋼渣礦物組成XRD分析

為進(jìn)一步分析鋼渣在浸泡過程中f-CaO的消解反應(yīng)程度，采用在不同浸泡條件下骨料脹裂率最大的信陽鋼渣A進(jìn)行XRD檢測(cè)，開展不同浸泡時(shí)間下脹裂的信陽鋼渣樣品中礦物組成f-CaO、Ca(OH)2與CaCO3的含量變化分析。圖7所示的XRD圖譜給出了A鋼渣中CaO、Ca(OH)2與CaCO3三種礦物相對(duì)應(yīng)的特征衍射峰及其強(qiáng)度。在所有脹裂鋼渣樣品的XRD圖譜中，f-CaO相的3個(gè)衍射峰同時(shí)出現(xiàn)，表明所有鋼渣樣品中均含有f-CaO。由于原樣鋼渣未進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，XRD圖譜中未現(xiàn)明顯的Ca(OH)2相與CaCO3相的衍射峰。在第1 d脹裂鋼渣樣品、第4 d脹裂鋼渣樣品與第14 d脹裂鋼渣樣品的XRD圖譜中均出現(xiàn)Ca(OH)2相與CaCO3相衍射峰。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，f-CaO相的衍射峰強(qiáng)度持續(xù)衰減，表明鋼渣經(jīng)浸泡后f-CaO相逐漸消解。另外，在鋼渣浸泡后，隨著高活性f-CaO相的快速水解，生成的Ca(OH)2的衍射峰在第1 d就出現(xiàn)，并在第4 d達(dá)到峰值。由于在浸泡過程中Ca(OH)2相進(jìn)一步發(fā)生碳化反應(yīng)生成CaCO3，CaCO3相的衍射峰強(qiáng)度一直處于上升趨勢(shì)，表明隨著f-CaO消解和碳化反應(yīng)的進(jìn)行不斷有CaCO3生成。

4 壓碎值試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于強(qiáng)度劣化的鋼渣可通過壓碎值試驗(yàn)進(jìn)一步表征，因此分別開展了四種鋼渣25 ℃、60 ℃與90 ℃浸水處理14 d后的壓碎值試驗(yàn)，利用壓碎值增量檢驗(yàn)鋼渣強(qiáng)度劣化程度，試驗(yàn)結(jié)果見表1。不同鋼渣經(jīng)不同溫度浸水處理后的壓碎值呈增大的趨勢(shì)，且浸水溫度越高，壓碎值增量越明顯。整體而言，25 ℃浸水處理對(duì)鋼渣的壓碎值影響有限，壓碎值增量很?。?0 ℃浸水處理對(duì)鋼渣的壓碎值影響也不明顯；90 ℃浸水對(duì)鋼渣的壓碎值影響較大，特別是信陽鋼渣經(jīng)90 ℃浸水處理后壓碎值增加2.8%，增量最大。總體而言，浸水處理對(duì)鋼渣的壓碎值影響不大，即使在苛刻的90 ℃浸泡條件下，其壓碎值增量小于3%。

表1 浸水條件對(duì)鋼渣壓碎值的影響

5 結(jié) 論

a.不同產(chǎn)地鋼渣骨料的浸水脹裂行為差異較大，游離氧化鈣含量高的鋼渣更易發(fā)生脹裂，此外多孔型鋼渣比密實(shí)型鋼渣更易發(fā)生脹裂。鋼渣骨料的浸水脹裂行為對(duì)溫度和時(shí)間依賴性大。常溫浸泡60 d鋼渣骨料發(fā)生脹裂機(jī)率極小，60 ℃浸泡14 d鋼渣會(huì)出現(xiàn)明顯脹裂，而90 ℃浸泡14 d鋼渣脹裂最為顯著。

b.浸水脹裂的鋼渣骨料XRD圖譜中均出現(xiàn)顯著Ca(OH)2相與CaCO3相衍射峰，且隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，f-CaO相的衍射峰強(qiáng)度持續(xù)衰減，而Ca(OH)2和CaCO3的衍射峰逐漸增強(qiáng)，表明在浸泡過程中f-CaO發(fā)生消解導(dǎo)致骨料脹裂，且90 ℃浸泡相比60 ℃浸泡更能促進(jìn)鋼渣中游離氧化鈣的消解和骨料脹裂。

c.25 ℃和60 ℃浸泡對(duì)壓碎值影響小，而高溫90 ℃浸水處理對(duì)鋼渣的抗壓碎能力較為苛刻，因此可檢測(cè)其高溫浸水處理后的壓碎值增量來評(píng)價(jià)其體積穩(wěn)定性。

d.提高鋼渣骨料穩(wěn)定性應(yīng)從源頭處理工藝著手，延長(zhǎng)熱悶時(shí)間應(yīng)是最為有效的方法，破碎和自然堆放陳化進(jìn)程緩慢。對(duì)于穩(wěn)定性差的鋼渣，應(yīng)在延長(zhǎng)陳放時(shí)間的同時(shí)加強(qiáng)開展90 ℃浸水脹裂試驗(yàn)檢測(cè)以降低使用風(fēng)險(xiǎn)。