路用鋼渣陳化處理及其性能研究

趙 華

(扶綏縣公路發(fā)展中心，廣西 崇左 532299)

0 引言

早在20世紀(jì)，很多發(fā)達(dá)國家的鋼渣利用率就超過了85%，在日本，鋼渣利用率更是接近100%，而我國作為世界最大的鋼鐵生產(chǎn)及消費(fèi)國，截至目前鋼渣利用率仍不足20%，為了提高鋼渣的利用率，近年來不少學(xué)者及單位都進(jìn)行了研究。

1995—1998年，首鋼研究與開發(fā)公司聯(lián)合北京市市政工程研究院，將鋼渣用于道路基層，結(jié)果表明試驗(yàn)路段路面基本平整，無車轍及因基層引起的爆裂[2]；2000年，方衛(wèi)民等將鋼渣用于京滬高速鐵路徐滬段的不良地基處理，提高了路基土的強(qiáng)度[3]；2004年，陶海生將鋼渣用于二灰鋼渣基層，研究了其早期強(qiáng)度[4]；2007年，許剛對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣對(duì)海洋微藻生長、海水水質(zhì)及海洋生物的影響進(jìn)行了研究[5]；同年，張澎等研究發(fā)現(xiàn)鋼渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的干縮有一定的抑制作用[6]；2011年，郭鵬等用轉(zhuǎn)爐鋼渣研制了鋼渣混凝土滲水道路面層材料[7]；2015年，李蘭蘭研究了尾礦、鋼渣制蒸壓磚的工藝條件和養(yǎng)護(hù)制度；同年，孫朋等用不同粒度顆粒與添加造孔劑制備鋼渣多孔陶瓷吸聲材料[8]；2016年，逄博研究了以碳化鋼渣為骨料的混凝土的性能，發(fā)現(xiàn)碳化鋼渣作為骨料可顯著提高混凝土力學(xué)性能[1]；同年，汪亞偉以尾渣代替部分石灰和水泥制備蒸壓加氣混凝土砌塊，研究了配合比、原料細(xì)度和蒸壓過程中的主要產(chǎn)物對(duì)砌塊性能的影響[9]；同年，侯克偉研究了鋼渣改性及其對(duì)水泥基材料性能的影響[10]；2017年，王皓研究了鋼渣、粉煤灰等多種工業(yè)固體廢棄物復(fù)配纖維化熱熔特性[11]；同年，李晉巖提出采用選擇性富集與相分離的方法來分離鋼渣中的磷酸鹽[12]。綜上所述，鋼渣在建筑、海洋、土木工程等多個(gè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用，而在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)了主導(dǎo)地位。

鋼渣經(jīng)高溫過燒后含有一定的游離氧化鈣f-CaO與游離氧化鎂f-MgO，遇水緩慢膨脹，給鋼渣帶來體積不安定性[13-14]，并且由于各地?zé)掍摬捎玫牡V石來源、鋼渣處理工藝不同，鋼渣帶有明顯的區(qū)域性特點(diǎn)，這些都是制約鋼渣推廣應(yīng)用的重要原因。鑒于此，本文對(duì)防城港區(qū)域的鋼渣礦物成分、毛體積密度以及壓碎值、針片狀顆粒含量等規(guī)范要求指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)影響鋼渣穩(wěn)定性的游離氧化鈣含量、蒸壓粉化率、浸水膨脹率等指標(biāo)進(jìn)行分析研究，提出將鋼渣應(yīng)用于道路的基層中的建議，以期促進(jìn)鋼渣的利用。

1 原材料及試驗(yàn)方案

本研究主要的原材料為鋼渣和石灰?guī)r碎石，其中鋼渣來源于防城港某鋼鐵廠，石灰?guī)r來源于防城港茅嶺鎮(zhèn)某料場。

為研究陳化處理對(duì)鋼渣礦物組成、物理力學(xué)指標(biāo)以及體積穩(wěn)定性的影響作用，本研究主要以陳化時(shí)間和陳化方法為變量，測試不同陳化處理后鋼渣的上述技術(shù)性能，為推動(dòng)鋼渣在路面基層中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2 陳化處理對(duì)鋼渣礦物組成的影響

因煉鋼爐型、鋼種以及每爐鋼在冶煉階段的不同導(dǎo)致鋼渣中的各種物質(zhì)成分有所波動(dòng)，防城港地區(qū)鋼渣的化學(xué)成分主要由CaO、TFe(包括Fe2O3、FeO、少量Fe等)、SiO2、MgO、MnO、Al2O3，以及少量K2O、TiO2、Na2O、P、Cu、Zn、Ni等組成，如表1所示。

表1 鋼渣化學(xué)成分分析結(jié)果表(%)

經(jīng)過1 000 ℃～1 100 ℃燒成的生石灰中的CaO是一種多孔結(jié)構(gòu)的細(xì)小晶粒，內(nèi)表面積大，水化能力極強(qiáng)。而經(jīng)過1 500 ℃以上高溫產(chǎn)生的鋼渣中f-CaO(游離氧化鈣)結(jié)構(gòu)致密晶粒大，晶格較緊密，水化反應(yīng)極慢，在水泥中水化時(shí)仍在發(fā)生膨脹[15]。

為了研究鋼渣中f-CaO含量隨時(shí)間變化的情況，按《鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法》(YB/T 4328-2012)中測定f-CaO的方法，對(duì)鋼渣中f-CaO的含量進(jìn)行12個(gè)月的連續(xù)測定。將同一批鋼渣存放在兩個(gè)料池中，兩個(gè)料池均放在露天自然環(huán)境中，對(duì)其中一個(gè)料池每天澆水一次，每次澆水保證均勻，直至有大量水從料池泄水孔溢出。對(duì)比分析澆水陳化與自然陳化兩種方法對(duì)f-CaO含量的影響，測定結(jié)果如表2所示。

表2 不同陳化處理鋼渣的游離氧化鈣含量試驗(yàn)結(jié)果表

由表2可知，新鋼渣(陳化0個(gè)月)f-CaO含量最高為5.78%，隨著陳化時(shí)間的增長，f-CaO含量有所降低，但并沒有逐月降低，而是呈現(xiàn)出波動(dòng)降低的趨勢。陳化12個(gè)月的鋼渣f-CaO含量比陳化3個(gè)月和陳化6個(gè)月的鋼渣均有所增加。這些結(jié)果說明，鋼渣中f-CaO的分布不均勻，導(dǎo)致f-CaO含量測定結(jié)果波動(dòng)較大。同時(shí)，《鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法》中要求取樣5 kg鋼渣，將其磨細(xì)成用于游離總鈣含量滴定和Ca(OH)2含量熱重分析的鋼渣粉約1 g，這1 g鋼渣粉的測定結(jié)果顯然不足以代表整個(gè)料場的鋼渣f-CaO含量，因此工程實(shí)踐中應(yīng)增加取樣及試驗(yàn)次數(shù)(建議3次及以上)，以多次測定結(jié)果的均值代表料場鋼渣的f-CaO含量。

另對(duì)比澆水陳化和自然陳化兩種方法處理下的鋼渣f-CaO含量測定結(jié)果，澆水陳化3個(gè)月和12個(gè)月的鋼渣中f-CaO含量反而比自然陳化鋼渣大，澆水陳化6個(gè)月鋼渣中f-CaO含量僅比自然陳化鋼渣小0.6%，說明澆水陳化方法對(duì)鋼渣中f-CaO含量的影響不大，因此鋼渣出廠后并不需要進(jìn)行澆水處理。

3 陳化處理對(duì)鋼渣物理力學(xué)指標(biāo)的影響

3.1 鋼渣物理力學(xué)指標(biāo)研究

根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)等規(guī)范對(duì)路面基層集料的要求，對(duì)新鋼渣和陳化3個(gè)月鋼渣的壓碎值、針片狀顆粒含量、軟石含量、塑性指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果如表3所示。

表3 不同陳化鋼渣物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果表

由表3可知，表中6項(xiàng)指標(biāo)均能夠滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20)的相關(guān)要求。經(jīng)過3個(gè)月的陳化，鋼渣的針片狀顆粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、硫酸鹽含量3項(xiàng)指標(biāo)均無明顯的變化，壓碎值、軟石含量、塑性指數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)有所增大，但也滿足規(guī)范要求。

3.2 鋼渣密度特性研究

為了解鋼渣的密度特性，本文以石灰?guī)r碎石為對(duì)比，按照《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E41-2005)中的試驗(yàn)來分別測試了鋼渣和石灰?guī)r碎石的毛體積密度。試驗(yàn)選取4.75～31.5 mm的石灰?guī)r碎石和鋼渣碎石來進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于表面多孔鋼渣，用凡士林將其表面空隙封閉，并用干毛巾擦除多余的凡士林，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 鋼渣和石灰?guī)r碎石的毛體積密度試驗(yàn)結(jié)果表

由表4可知，鋼渣密度均值是2.9 t/m3，石灰?guī)r密度均值是2.57 t/m3，因此在同等體積下，鋼渣的質(zhì)量比石灰?guī)r約大12.84%。由于道路基層混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)理論采用的是體積法，因此用鋼渣替換碎石時(shí)，應(yīng)進(jìn)行同體積替換，即鋼渣的質(zhì)量用量要比石灰?guī)r約大12.84%才能保證做到同體積替換。

4 陳化處理對(duì)鋼渣體積穩(wěn)定性的影響

4.1 鋼渣浸水膨脹率研究

為研究鋼渣混合料的穩(wěn)定性，按《鋼渣穩(wěn)定性檢測方法》(GB/T 24175-2009)，對(duì)鋼渣摻量為100%和80%的陳化0個(gè)月和陳化3個(gè)月鋼渣石灰?guī)r碎石混合料進(jìn)行浸水膨脹率試驗(yàn)，結(jié)果如表5及圖1所示。

表5 不同陳化時(shí)間鋼渣膨脹率試驗(yàn)結(jié)果表

圖1 鋼渣膨脹量變化曲線圖

由表5可知，新鋼渣膨脹率為4.2%，經(jīng)過3個(gè)月的陳化后，鋼渣的膨脹率明顯下降，但仍然>2.0%，添加20%碎石后鋼渣膨脹率降至0.6%，降低了76.6%，因此用添加碎石的方法可有效降低鋼渣混合料的膨脹率。但由表4分析得知鋼渣中f-CaO的分布不均勻，為降低鋼渣應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)，建議陳化時(shí)間較短的鋼渣使用率不超過60%。

由圖1可知，新鋼渣膨脹量增長速率較快，且至11 d膨脹量增長還沒有明顯減小的趨勢，因此新鋼渣體積穩(wěn)定性較差；陳化3個(gè)月的鋼渣，膨脹量在前2 d增長最快，之后膨脹量逐天減小，7 d后膨脹量增長曲線的斜率接近水平，膨脹量為2.57%，試件體積趨于穩(wěn)定；陳化3個(gè)月的鋼渣添加20%碎石后，膨脹量進(jìn)一步減小，膨脹量的增長率從1 d開始就較為緩和，說明添加碎石后混合料的體積穩(wěn)定性有了改善。

4.2 鋼渣蒸壓粉化率研究

鋼渣顆粒的穩(wěn)定性對(duì)混合料的級(jí)配有一定影響，為了研究鋼渣顆粒的穩(wěn)定性，按《鋼渣穩(wěn)定性監(jiān)測方法》(GBT 24175-2009)，對(duì)新鋼渣、澆水陳化5個(gè)月鋼渣以及自然陳化5個(gè)月鋼渣進(jìn)行蒸壓粉化率試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

表6 不同陳化時(shí)間和方法下鋼渣蒸壓粉化率試驗(yàn)結(jié)果表

由表6可知，鋼渣的蒸壓粉化率隨陳化時(shí)間的加長而下降，說明陳化時(shí)間加長有利于鋼渣的穩(wěn)定，但澆水陳化5個(gè)月鋼渣的粉化率比自然陳化5個(gè)月的大，說明澆水陳化處理對(duì)鋼渣穩(wěn)定性改善影響不大。由于隨著鋼渣的陳化，部分鋼渣顆粒會(huì)崩解為更小粒徑的鋼渣，即出現(xiàn)粉化，因此在鋼渣應(yīng)用過程中建議采用粒徑較小的鋼渣，以減少鋼渣粉化對(duì)混合料骨架結(jié)構(gòu)的影響。

5 結(jié)語

通過上述試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)鋼渣中f-CaO的分布不均勻，工程實(shí)踐中建議增加取樣及試驗(yàn)次數(shù)(建議3次及以上)，以多次測定結(jié)果的均值代表料場鋼渣的f-CaO含量。

(2)本文試驗(yàn)所取鋼渣的各項(xiàng)性能指標(biāo)基本能夠滿足原料作為基層、底基層集料的要求，但鋼渣穩(wěn)定性較差，使用時(shí)應(yīng)加以驗(yàn)證。

(3)同等體積下，鋼渣的質(zhì)量比石灰?guī)r約大12.84%，為保證設(shè)計(jì)級(jí)配不變，用鋼渣替換碎石時(shí)，應(yīng)同體積替換，建議鋼渣的質(zhì)量用量要比石灰?guī)r大12.84%。

(4)陳化時(shí)間加長有利于鋼渣的穩(wěn)定及f-CaO含量的降低，澆水陳化方法對(duì)鋼渣中f-CaO含量及鋼渣穩(wěn)定性的影響不大，因此鋼渣出廠后并不需要澆水處理。

(5)添加碎石可有效降低鋼渣混合料的膨脹率，建議陳化時(shí)間較短的鋼渣使用率≤60%。