稻殼灰和鋼渣在水泥瀝青砂漿中的應(yīng)用研究*

王 晨 張登峰 胡振華 周 逸 薛永杰

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室1) 武漢 430070) (武漢工大土木工程檢測公司2) 武漢 430070)

0 引 言

稻殼燃燒得到的稻殼灰中含有大量的SiO2，而且在較低的燃燒溫度下，這些SiO2是以納米形式、無定形態(tài)存在的，這說明低溫下得到的稻殼灰具有很高的火山灰活性，完全可以作為高強水泥基材料的改性劑或者增強劑[1-3]；而鋼渣作為鋼鐵工業(yè)的主要固體廢棄物，含有大量的CaO和鐵的氧化物，高堿度的鋼渣中還含有較多的C3S與C2S，也已經(jīng)有許多學(xué)者研究將其應(yīng)用到水泥中[4-5].

在理論上，固體廢棄物中的稻殼灰含有大量的無定型SiO2，活性相當(dāng)高，而且粒度細.鋼渣中含有大量的CaO，而且還有一定數(shù)量的和水泥熟料類似的硅酸二鈣和硅酸三鈣.所以將鋼渣、稻殼灰和水泥復(fù)合成一種新型無機膠凝材料是可行的，而且已有學(xué)者對這種復(fù)合膠凝材料的性能做了驗證，認為不同摻量的復(fù)合膠凝材料可以滿足不同工作的需要[6].如果稻殼灰和鋼渣能夠成功在CA砂漿中應(yīng)用，不僅可以改善CA砂漿性能，同時更實現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

實驗所用稻殼灰、鋼渣化學(xué)成分的見表1～2.

表1 稻殼灰的化學(xué)成分(600 ℃)

表2 粉磨鋼渣的化學(xué)成分

此外本實驗所用的其他原材料有：水泥，陽離子乳化瀝青，符合國家標(biāo)準(zhǔn)(GB178-77)要求的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；聚羧酸高效減水劑，固含量為30%，減水率為20%；分析純CaSO4·2H2O(二水石膏)；水為普通自來水.

1.2 實驗方案

1.2.1水泥瀝青砂漿配合比設(shè)計

根據(jù)文獻[8]中要求，一般CA砂漿中各原材料用量的要求為：①水泥的用量在250～300 kg/m3之間；②水灰比不宜大于0.90；③乳化瀝青與水泥的比值不應(yīng)小于1.40；然后通過初期部分嘗試性實驗，最終初步設(shè)定了水泥乳化瀝青砂漿中水泥、乳化瀝青、砂子和水的基本配比以及CA砂漿中稻殼灰和鋼渣的合理摻量，見表3～4.

表3 漿中各原材料用量

表4 砂漿中鋼渣和稻殼灰取代水泥比例 %

1.2.2施工性能

作為一種工程材料，首先就是需要考慮其施工性能，像CA砂漿這種組成極為復(fù)雜的有機-復(fù)合材料,在加入稻殼灰和鋼渣之后各種材料間的相互適應(yīng)性和施工的順利程度是首先需要考慮和驗證的問題.CA砂漿的施工性能主要有流動度與可工作時間、表觀密度與含氣量等，下面逐一對上述不同配比的CA砂漿進行驗證.

1) 流動度 圖1為各組CA砂漿的流動度，由圖1可知，各組的流動度均在規(guī)定要求之內(nèi)，能夠符合CA砂漿實現(xiàn)灌注施工，雖然鋼渣含量的增加會加大材料的流動度，但是稻殼灰的加入會減小材料的流動度，二者復(fù)合后由于稻殼灰的量大于鋼渣，所以CA砂漿的整體流動度在稻殼灰含量大于35%后明顯減小.在規(guī)定流動度范圍內(nèi)，各組CA砂漿的可工作時間均大于30 min，也是滿足施工要求的.

圖1 CA砂漿流動度

2) 表觀密度與含氣量 CA砂漿的表觀密度反映了砂漿中孔隙體積的大小，關(guān)系著CA砂漿的物理力學(xué)性能，一般地，表觀密度小的CA砂漿其抗壓強度和彈性模量較低.CA砂漿的含氣量影響著其力學(xué)性能和耐久性能，這些氣泡有的是在攪拌的過程中產(chǎn)生的，也有砂漿中加入的鋁與堿反應(yīng)產(chǎn)生H2而產(chǎn)生.適當(dāng)?shù)暮瑲饬靠梢詷O好地改善砂漿的抗凍性能，也降低了砂漿的彈性模量，但如果含氣量太大，就會嚴(yán)重影響砂漿的抗壓強度，當(dāng)大面積的氣泡層在砂漿的表面出現(xiàn)時，還會嚴(yán)重影響灌注的墊層的飽滿度，同時含氣量的大小也影響著砂漿的表觀密度，具有較大含氣量的砂漿一般表觀密度比較小[7-8].

本實驗各組CA砂漿的含氣量與表觀密度見圖2.由圖2可知，各組CA砂漿的含氣量與表觀密度相差不大，且均符合規(guī)定要求.

圖2 CA砂漿含氣量和表觀密度

2 結(jié)果與討論

2.1 物理力學(xué)性能驗證

CRTS I型板式無砟軌道所用CA砂漿為低彈模砂漿，按照文獻[9]中規(guī)定，其1 d抗壓強度不小于0.1 MPa，7d抗壓強度不小于0.7 MPa，28 d抗壓強度不小于1.8 MPa，28 d彈性模量為100～300 MPa.

圖3a)為各組砂漿在各齡期所測得的抗壓強度，圖3b)為各組砂漿28 d彈性模量情況.由圖3a)可知，除了第12抗壓強度要低于規(guī)定要求外，其他各組基本能夠滿足要求，且第1，5，8，9和11的28 d抗壓強度均大于2.0 MPa，第12組強度低可能是由于水泥過少時，鋼渣和稻殼灰反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物比較少，可見完全用鋼渣和稻殼灰取代水泥作為無機膠凝材料用于CA砂漿中是行不通的.由圖3b)可知，除了第12外各組CA砂漿的28 d彈性模量也是符合要求的.

圖3 CA砂漿試件抗壓強度和彈性模量

2.2 影響CA砂漿性能的機理探討

2.2.1X射線衍射分析

圖4為各組CA凈漿在養(yǎng)護28 d后的XRD圖譜.由圖4可知，在28 d后CA凈漿中水化的主要產(chǎn)物和純水泥的水化產(chǎn)物大體相同，主要是C—S—H，C—A—S—H，C2S，C3S，C3A等，雖然在CA漿體中水泥水化和瀝青破乳成膜相互影響，相互發(fā)展，但是無機膠凝材料水化的大體產(chǎn)物不會有太大變化.通過不同組間對比可以看出，摻入鋼渣和稻殼灰后，水泥石的組成發(fā)生了較大變化，水化產(chǎn)物的種類明顯增多，這可能是由于水化產(chǎn)物不僅是由水泥水化形成，還有鋼渣中的CaO和稻殼灰中的無定形SiO2進行物理化學(xué)反應(yīng)形成，再加上體系中由于增加膨脹率而引入的Al，使得體系中水化產(chǎn)物顯得更加多樣化.

圖4 28 d各組CA凈漿XRD圖譜

2.2.2掃描電鏡分析

掃描電鏡(SEM)能夠直觀地看出在CA砂漿中，有機無機材料復(fù)合的狀態(tài).由于CA砂漿中含有乳化瀝青，乳化瀝青中含有很多易揮發(fā)組分，圖5～7分別為各組CA砂漿的不同放大倍數(shù)的SEM圖片.由圖5a)～7a)可知，在CA砂漿中無機膠凝材料處于瀝青和砂子的包裹之中，水泥的水化在酸性瀝青乳液環(huán)境下，同樣，瀝青乳液在水泥的堿性環(huán)境中破乳成膜，最后相互膠結(jié)為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，由于CA砂漿要求有一定的含氣量，所以微觀的CA砂漿中還有大量的氣孔存在.而由圖5b)～7 b)可知，當(dāng)鋼渣含量小于20%時，無機膠凝材料的水化產(chǎn)物還是主要為C—S—H凝膠；當(dāng)水泥被20%的鋼渣和75%的稻殼灰替代時，水化產(chǎn)物要明顯減少，且很容易找到像圖5中的含有鋼渣的顆粒.從各SEM圖片也可以直觀看出：(10%鋼渣、45%稻殼灰和40%水泥)CA砂漿中的強度要比第(20%鋼渣和75%稻殼灰)高.

圖5 正常CA砂漿的SEM圖片

圖6 摻10%鋼渣和35%稻殼灰的CA砂漿SEM圖片

圖7 摻10%鋼渣和45%稻殼灰的CA砂漿SEM圖片

3 結(jié) 論

1) 將性能較好的復(fù)合膠凝材料運用到CA砂漿中，當(dāng)鋼渣摻量低于10%，稻殼灰摻量低于65%時，CA砂漿的施工性能和物理力學(xué)性能能夠滿足規(guī)范要求.當(dāng)以10%鋼渣、45%稻殼灰和40%水泥復(fù)合的膠凝材料用于CA砂漿時的各項性能最好， 28 d強度有比較不錯的提升，在進行凍融循環(huán)100次后，強度稍有下降，下降幅度為11.31%，但是抗凍性能要比正常CA砂漿稍好.

2) 鋼渣和稻殼灰摻入CA砂漿中，對砂漿強度的影響主要是由于稻殼灰是一種比表面積大、孔隙多、粒度細并且含有大量活性SiO2的火山灰質(zhì)材料，和鋼渣混合取代部分水泥時，在無機膠凝材料的水化進程中不僅有水泥的正常水化，鋼渣中活性組分CaO遇水生成的Ca(OH)2與稻殼灰中活性SiO2進行物理化學(xué)反應(yīng)，生成C—S—H凝膠，從而總的水化反應(yīng)后的C—S—H凝膠大量增多，再加上一些未反應(yīng)的超細稻殼灰顆粒填充于水化產(chǎn)物的間隙之中，在宏觀上表現(xiàn)為無機膠凝材料的強度增大，抗凍性能增加.

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[9] 鐵道部科學(xué)技術(shù)司.客運專線鐵路CRTSI型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術(shù)條件:科技基[2008]74號[S].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2008.