鋼渣土混拌基層材料試驗研究及微觀機理分析

黃偉 邱鵬 趙魯卿 唐鋼 王宗森

摘要：針對鋼渣用于基層材料易發(fā)生膨脹的問題，采用鋼渣、高爐礦渣微粉、土混拌并結合土體固化技術，制備道路基層材料鋼渣混合土。對16組不同配比土樣開展了擊實、膨脹率、無側限抗壓強度試驗。研究表明：鋼渣混合土最佳含水率受配比影響較小，均維持在12%～14%;最大干密度隨鋼渣摻量的減少而降低，隨高爐礦渣微粉摻量的增加而降低;高爐礦渣微粉的摻入可顯著降低鋼渣混合土膨脹率，提高其無側限抗壓強度;7、14、28、90 d無側限抗壓強度均隨鋼渣占比增加呈先增后減趨勢，配比為50%鋼渣、50%土時達到最大。微觀結構分析表明：土顆粒表面電荷的改變使得鋼渣混合土體結構在成型時更易受壓密實，鋼渣中游離氧化鈣（fCaO）在固化過程中的水化反應受到明顯抑制，主要與礦渣中二氧化硅（SiO2）發(fā)生消解反應生成水化硅酸鈣凝膠（C—S—H）;與此同時，鋼渣、土相互包裹的顆粒間堆疊效應及C—S—H凝膠填充混合料縫隙產生的自密實效應進一步提高了土體強度，從而制備出強度高、安定性好的鋼渣混合土。

關鍵詞：道路工程;鋼渣混合土;抗壓強度;膨脹抑制;最優(yōu)配比

中圖分類號：TU411.3;U416.1 文獻標志碼：A 文章編號：20966717（2020）04004409

收稿日期：20191020

基金項目：安徽省高校自然科學研究重大項目（KJ2018ZD006）;安徽省住房城鄉(xiāng)建設科學技術計劃（2018YF007）

作者簡介：黃偉（1963 ），男，教授，主要從事道路材料研究，Email：hwpsagd@163.com。

Received：20191020

Foundation items：Major Projects of Natural Science Research of Anhui Universities （No. KJ2018ZD006）; Anhui Housing Urban and Rural Construction Science and Technology Program Project （No. 2018YF007）

Author brief：Huang Wei （1963 ）， professor， main research interest： road materials， Email： hwpsagd@163.com.

Experimental study and micromechanism analysis of steel slagsoil mixed road base material

Huang Wei1， Qiu Peng1， Zhao Luqing2， Tang Gang1，Wang Zongsen2

（1.School of Architectural Engineering， Anhui University of Technology， Maanshan 243002， Anhui， P. R. China;2.Anhui Magang Jiahua New Building Materials Co.， Ltd.， Maanshan 243000， Anhui， P. R. China）

Abstract： In view of the problem that steel slag is prone to expand in base material， steel slag， blast furnace slag micropowder and soil were mixed to prepare a road base materialsteel slag mixed soil using soil solidification technology. The compaction， expansion rate and unconfined compressive strength tests were carried out on 16 soil samples with different mixture ratios. The results show that the optimum moisture content of the steel slag mixed soil is little affected by the mixture ratio， which maintained at 12～14%. The maximal dry density decreases with steel slag content， and decreases as the content of blast furnace slag micropowder rises. Blast furnace slag micropowder could significantly reduce the expansion rate of steel slag mixed soil and increase its unconfined compressive strength. The 7 d， 14 d， 28 d and 90 d unconfined compressive strength of steel slag mixed soil are firstly increase then decrease with steel slag content， and the strength reaches the maximum value when the mixture ratio is 50% steel slag and 50% soil. Microstructural analysis shows that the change of surface charge of soil particle enhance the compactness of steel slag mixed soil in molding process. The hydration reaction of fCaO in the steel slag was inhibited during solidification， and which conduct digestion reaction with SiO2 in the mineral slag to form hydrated calcium silicate gel （C—S—H）. At the same time， interparticle stacking effect between steel slag and soil and selfcompacting effect produced by C—S—H gel could enhance strength of steel slag mixed soil， and thus steel slag mixed soil with high strength and stability is prepared.

3試驗結果及討論

3.1擊實試驗

圖2是4組16個鋼渣混合土試件擊實試驗干密度含水率曲線測試結果。由圖2可見，16組鋼渣混合土干密度均隨著含水率增加呈先增后減趨勢，高爐礦渣微粉的摻量對其最佳含水率影響較小，且最佳含水率保持在12%～14%;由圖2可以發(fā)現(xiàn)，鋼渣混合土最大干密度隨著鋼渣摻入比例降低而不斷減小，隨著高爐礦渣微粉摻入量增加而不斷降低，具體數據見表4。

3.2膨脹率試驗

圖3是4組16個鋼渣混合土試件膨脹率試驗結果，可以看出：

1）未摻入高爐礦渣微粉的鋼渣混合土各組試件膨脹率隨試件放入高溫水浴時間的增加先期增速較快，其后增速減緩，于7 d時膨脹率值趨于穩(wěn)定;各組試件膨脹率均在前4 d超過國家規(guī)范<2%要求，10 d膨脹率值最小值已達2.5%，且隨鋼渣摻量增加，試件膨脹率增大。

2）摻入高爐礦渣微粉的鋼渣混合土各組試件膨脹率均較未摻加高爐礦渣微粉試件低很多，且摻量大抑脹效果好;隨著試件放入高溫水浴時間的增加，膨脹率總體增長緩慢，于7 d時膨脹率值趨于穩(wěn)定;各組試件10 d膨脹率值均符合國家規(guī)范<2%要求，其中最大值不超過1.5%，最小值僅為0.15%。圖4為文中選定最優(yōu)配合比土樣B3試件180 d持續(xù)觀測值，可以看出，在高溫水浴持續(xù)激發(fā)下，7 d試件膨脹率約0.25%，其后觀測值較7 d增長幾乎很小，表現(xiàn)出良好的長期安定性。

3.3無側限抗壓強度試驗

圖5為4組16個鋼渣混合土試件分別對應齡期7、14、28、90 d無側限抗壓強度變化曲線。由圖5可以看出：

1）在不同齡期下，各組試件無側限抗壓強度變化曲線分布特征相似;未摻高爐礦渣微粉試件無側限抗壓強度值均低于摻有高爐礦渣微粉試件，且差值隨齡期增長而加大;摻有高爐礦渣微粉試件7 d無側限抗壓強度最小值大于3 MPa，超過道路規(guī)范基層材料不低于2 MPa的要求，說明礦渣微粉對于混合土體強度提升起著關鍵作用。

2）未摻高爐礦渣微粉試件和不同摻量高爐礦渣微粉試件的無側限抗壓強度變化曲線分布特征不同，前者隨鋼渣摻量增加緩慢增長，后者則隨鋼渣摻量增加均呈現(xiàn)先增后減，于鋼渣摻量為50%時，試件無側限抗壓強度達到峰值，其7 d最大強度為7.45 MPa，28 d最大強度可達19 MPa，90 d高達30 MPa。

3）同一組試件無側限抗壓強度隨礦渣微粉摻量的增加而增大，但比較礦渣微粉摻量為40%、50%試件在不同齡期的強度值可以發(fā)現(xiàn)，二者均相差約0.3 MPa，由此可見，數值較為接近，說明礦渣微粉摻量增加的有益作用在降低。因此，考慮高爐礦渣微粉使用成本，認定試件B3為鋼渣混合土最優(yōu)配比。

表5為最優(yōu)配比B3試件不同齡期的無側限抗壓強度試驗值，可以看出，試件的無側限抗壓強度隨齡期增加前期增長較快，90 d后則基本穩(wěn)定。

3.4XRD分析

為探究鋼渣混合土固化前后礦物成分變化，根據無側限抗壓強度值，選擇養(yǎng)護28 d的B3鋼渣混合土試件與同配比干粉混合料分別進行XRD分析，如圖6所示。由圖6可以看出：鋼渣混合土固化后的X射線衍射圖譜中均出現(xiàn)了原材料中礦物成分，并未有新的礦物成分出現(xiàn)。固化后的鋼渣混合土X射線衍射圖譜中SiO2特征峰相較于鋼渣土干粉混合料存在明顯的降低;鋼渣土干粉混合料圖譜中有明顯fCaO特征峰（32.46°、37.68°、54.32°），固化后的鋼渣混合土fCaO特征峰消失，說明鋼渣所含的fCaO在固化過程中主要與高爐礦渣微粉中SiO2發(fā)生了消解反應，從而避免了fCaO水化形成Ca（OH）2造成土樣膨脹，與前述膨脹率試驗結果相印證。

圖7為A3、B3、C3、D3試件固化60 d X射線衍射圖譜，從圖8可以看出：4種配比土樣均未有新的礦物成分特征峰出現(xiàn);X射線衍射圖譜中，在29.4°、31.5°、50.1°、54.9°衍射角度時均有不同強度的水化硅酸鈣凝膠（C—S—H）特征峰出現(xiàn);B3試件各角度C—S—H凝膠特征峰強度值為4個試件中最高。

3.5SEM電鏡觀察

根據前述結論，最優(yōu)配比鋼渣混合土試件強度在90 d后已逐漸趨于穩(wěn)定，其內部結構基本定型。故為進一步研究鋼渣混合土微觀構造，選取養(yǎng)護周期為90 d A3、B3、C3、D3鋼渣混合土試件進行5 000、10 000倍掃描電鏡觀察，研究鋼渣混合土內部結構隨鋼渣摻量變化規(guī)律。如圖8所示，鋼渣摻量30%時，鋼渣混合土整體結構主要以混合土團聚堆疊形成，由于鋼渣摻量較低，有少量針狀C—S—H生成，該配比下的鋼渣混合土樣強度主要來源于團聚體間粘接力;鋼渣摻量40%時，鋼渣混合土結構中團聚體體積增大，由于鋼渣摻量增加，所產生的C—S—H凝膠相對于鋼渣摻量30%的鋼渣混合土

明顯增多，且凝膠物質填充于團聚體間隙，有效降低混合土的孔隙率，增加了密實度;當鋼渣摻量50%時，在高爐礦渣微粉作用下，鋼渣潛在膠凝性激發(fā)明顯，此時C—S—H凝膠已衍生為片狀網格結構，填充于團聚體孔隙間，說明凝膠在生長過程中使得混合土體更加致密，結構更為穩(wěn)定，因此，強度得以提高;但隨著鋼渣摻量進一步增加，達到60%時，雖然所生成的C—S—H凝膠產物及形成的片狀網格結構相應增加，但由于土量占比較低，所形成的混合料團聚體孔隙增多，孔徑增大，C—S—H凝膠產物與團聚體間結合后的密實度降低，相對鋼渣摻量50%時，強度會有所下降。

4機理分析

鋼渣的膨脹性主要是由于鋼渣中fCaO遭遇大量自由水發(fā)生充分水化反應，生成氫氧化鈣（Ca（OH）2），體積增大1～2倍所致。在鋼渣中摻入高爐礦渣微粉，微粉中二氧化硅（SiO2）與fCaO發(fā)生消解反應生成水化硅酸鈣凝膠（C—S—H），從而有效抑制鋼渣膨脹[19]。離子型土壤固化劑能有效破壞土顆粒表面雙層膜，改變其電荷性，降低土顆粒間排斥力使顆粒間的引力增加，土顆粒結合更為密實，從而由親水性改為憎水性[5]。采用鋼渣、土、高爐礦渣微粉、水泥混拌并結合土體固化技術，可從物理、化學雙重角度消解鋼渣中fCaO對土體的安定性影響，有效抑制鋼渣膨脹，實現(xiàn)鋼渣混合土基層材料主要性能指標滿足規(guī)范要求。高爐礦渣微粉中含有30%左右的SiO2，能使鋼渣混合土中Ca/Si得以降低，且SiO2能參與鋼渣中的fCaO水化反應并最終生成C—S—H凝膠，反應式為

但二者反應較為緩慢，鋼渣中fCaO極易與自由水發(fā)生水化反應生成氫氧化鈣（Ca（OH）2），造成體積迅速膨脹。將配比合理的各類材料充分拌合得到的鋼渣混合土中鋼渣顆粒和土顆粒相互包裹，在離子型土壤固化劑作用下，土顆粒經改性后表面呈現(xiàn)憎水性，且使得鋼渣混合土在荷載作用下土體結構更易密實，二者共同作用有利于隔絕外界自由水的持續(xù)侵入，同時配合水泥作用及其提供的堿性環(huán)境，高爐礦渣微粉中SiO2能與鋼渣在合適的環(huán)境中充分發(fā)生消解反應，促進C—S—H凝膠生成，從而消解fCaO含量，抑制鋼渣體積膨脹。

鋼渣中還含有大量與水泥熟料成分相似的硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）。高爐礦渣微粉的化學成分同鋼渣較為接近，整體均呈堿性，都具有潛在膠凝活性，配合水泥能在堿性環(huán)境下相互激發(fā)，發(fā)生水化反應從而生成膠凝物質[2021]，反應式為

結合宏觀試驗及微觀分析，獲得鋼渣混合土抑脹及增強機制，如圖9所示。鋼渣混合土的早期結構主要由土體固化后的混合料顆粒相互包裹、團聚堆疊，強度主要來源于鋼渣固化土中骨料之間的內摩擦力及混合料團聚體之間的粘聚力。在前期，水泥水化生成的C—S—H形成網狀、片狀結構，有效地填充于整體結構中，使得鋼渣混合土具有良好的早強性，隨著時間推移，鋼渣中fCaO與高爐礦渣微粉中二氧化硅（SiO2）與發(fā)生消解反應，生成水化硅酸鈣凝膠（C—S—H）;同時，鋼渣中的C2S、C3S在礦渣微粉作用下發(fā)生水化反應，并與鋼渣混合土中Ca（OH）2反應生成C—S—H膠凝產物;另外，由于礦渣微粉的成分同鋼渣相似，具有潛在的膠凝性，其水化后Ca（OH）2反過來也能與鋼渣中的活性氧化物發(fā)生火山灰反應，也可生成C—S—H膠凝產物。該凝膠產物填充于混合料團聚體之間的孔隙中，增加團聚體之間的粘聚力，使得土體結構密實。隨著反應緩慢持續(xù)進行，反應生成的C—S—H膠凝產物可不斷生長并衍變成片狀網格結構，緊密填充于團聚體孔隙間，且由于土顆粒自身塑性特征使得C—S—H膠凝產物生長變大過程中對團聚體的形成一定擠壓，進一步提升相互之間的粘聚力，土體結構更為緊密，從而實現(xiàn)鋼渣混合土強度高、膨脹率低的雙控目標。

5結論

1）通過擊實試驗，得出16組鋼渣混合土最佳含水率均維持在12%～14%，最大干密度隨著鋼渣摻量的減少而降低，隨著礦渣微粉摻量的增加而降低。

2）高爐礦渣微粉的摻入可顯著降低鋼渣混合土膨脹率，且隨其摻量增加抑脹效果更好;各組試件10 d膨脹率的值均符合國家規(guī)范小于2%的要求，其中，最大值不超過1.5%，最小值僅為0.15%。最優(yōu)配比土樣試件在高溫水浴持續(xù)激發(fā)下，7 d試件膨脹率約0.25%，其后觀測值較7 d增長幾乎很小。

3）摻有高爐礦渣微粉的4種配比鋼渣混合土在7、14、28、90 d無側限抗壓強度均隨鋼渣占比增加呈先增后減趨勢，其中，配比為50%鋼渣+50%土時達到最大;礦渣微粉對于混合土體強度提升起著關鍵作用，且隨其摻量增加而強度增大。

4）微觀結構分析表明，土顆粒表面電極的改性使得鋼渣混合土體結構在成型時更易受壓密實，鋼渣中fCaO在固化過程中水化反應受到抑制，主要與礦渣中SiO2發(fā)生消解反應生成C—S—H凝膠;借助于鋼渣、土相互包裹的顆粒間堆疊效應及C—S—H凝膠填充混合料縫隙產生的自密實效應，保證了鋼渣混合土強度高、膨脹率低的雙控目標實現(xiàn)。參考文獻：

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（編輯胡玥）