鋼渣-粉煤灰混合料在道路基層中的應用研究綜述

李永偉，劉尊青

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.奇臺縣交通運輸局，新疆 昌吉 831800)

鋼渣是冶金過程中產(chǎn)生的大宗固廢，約占鋼產(chǎn)量12%～15%，僅2021年全國排放鋼渣超過1.2億t，且每年積存量超8 000萬 t，而目前堆存的鋼渣已超過8億 t[1]。新疆每年排放約250萬t鋼渣卻難以利用而被堆棄，阻礙了新疆生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，推進鋼渣等固廢資源化迫在眉睫。

1 鋼渣與粉煤灰的基礎研究

1.1 鋼渣

1.1.1 鋼渣的基本性質(zhì)。鋼渣的強度高、堅固性強、耐磨性好、壓碎值達標，其表面粗糙且多孔、棱角性較好等特性。鋼渣的主要成分為CaO(氧化鈣)、Fe2O3(三氧化二鐵)、SiO2(二氧化硅)、C2S(硅酸二鈣)、C3S(硅酸三鈣)等[2]，其成分較穩(wěn)定且與水泥相似度較高，而鋼渣的產(chǎn)生過程決定了它是一種“過燒的硅酸鹽水泥熟料”；C2S和C3S是鋼渣膠凝性的主要來源，也是提高混合料強度的重要成分。

1.1.2 鋼渣的處理工藝。國內(nèi)主要處理方法有熱潑、熱燜、滾筒、風淬、水淬和盤潑，前3種是主流的方法，而除了熱潑和盤潑法，其余4種工藝處理的鋼渣穩(wěn)定性較好[3]。新疆地區(qū)使用最多的是熱悶法和滾筒法，處理的鋼渣易用性較好，如安定性、粒徑和級配良好，適合替代礫石形成骨架密實型級配應用于半剛性基層。

1.1.3 鋼渣中的不安定成分。像f-CaO(游離氧化鈣)和f-MgO(游離氧化鎂)等不穩(wěn)定物質(zhì)，是限制鋼渣資源化的主要原因。對此，鋼渣處于熔融態(tài)就可使用滾筒法和熱悶法，或添加粉煤灰等調(diào)質(zhì)組分。鋼渣固化成型后還需進一步處理：①促進f-CaO水化，包括水熱陳化、蒸汽加壓等方法；②阻斷f-CaO水化，包括外摻類似于硅粉等無機改性劑，或摻入類似于有機硅等有機改性劑；③消除f-CaO，包括使用弱酸溶液的酸堿中和法、微硅粉等混合料的摻合料法[4]。對于f-MgO，閔治安認為高溫煅燒、增大f-MgO細度可以抑其水化及其體積膨脹[5]；鄭琪等人使用蒸壓技術和復合改性劑能有效消解f-MgO和f-CaO，還能實現(xiàn)兩種物質(zhì)的活性化利用[6]。

1.1.4 鋼渣活性的激發(fā)。①物理(機械)激發(fā)。即通過破碎、粉磨等方式提高鋼渣比表面積來增強反應效果。②化學激發(fā)。主要包括堿性激發(fā)和酸性激發(fā)，堿性激發(fā)是使用堿金屬的硅酸鹽、碳酸鹽等材料為鋼渣的水化創(chuàng)造堿性環(huán)境，而一些堿性激發(fā)劑還能提高鋼渣的早期水化活性；酸性激發(fā)的機理是適量的酸能中和體系中部分堿性物質(zhì)，促進未水化的鋼渣進一步溶解并水化。③復合激發(fā)。即合理地將上述的激發(fā)方法聯(lián)合使用，從而獲得更好的效果[7]。

1.2 粉煤灰

粉煤灰的主要成分與鋼渣相似，例如SiO2和Fe2O3含量較多，但Al2O3的含量遠高于鋼渣，劉全等人認為(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含量之和是拌制砂漿和混凝土及水泥活性混合材的主流指標[8]；粉煤灰里的硫多以硫酸鹽存在，適量的硫酸鹽能提高混凝土早期強度，粉煤灰中SO3含量<3%時可應用于攪拌砂漿和混凝土中；燒失量作為影響粉煤灰膠凝性能的關鍵因素之一，燒失量≤8.0%的粉煤灰可用于水泥活性混合料中；需水量比會直接影響粉煤灰混合料的強度、干縮性等多項性能，一般認為需水量比越小越好；粉煤灰應用于水泥生產(chǎn)可以改善水泥和混凝土的一些性能、提高其質(zhì)量并降低成本[9]。

1.3 粉煤灰提高鋼渣路用性能

粉煤灰在產(chǎn)生時經(jīng)歷高溫，其中大量SiO2晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，具備潛在的水化反應晶體結(jié)構(gòu)，能與水反應形成偏硅酸。粉煤灰水化反應速度取決于其粒度，將合適粒度的粉煤灰與鋼渣混合，促進粉煤灰中SiO2和Al2O3與鋼渣中f-CaO發(fā)生耦合反應，即f-CaO水化反應熱，熱力激發(fā)SiO2和Al2O3發(fā)生火山灰反應，與f-CaO水化反應物形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣而非體積劇烈膨脹的Ca(OH)2，以此提高鋼渣路用性能。

2 鋼渣與粉煤灰在基層的應用

2.1 鋼渣在半剛性基層的應用

新疆絕大多數(shù)道路都以水穩(wěn)層作為基層，而鋼渣可作為一種水化反應較弱的硅酸鹽水泥熟料應用其中。鄭武西研究鋼渣在水泥穩(wěn)定基層的應用，發(fā)現(xiàn)鋼渣的各項性能指標比優(yōu)于碎石；水泥穩(wěn)定碎石-鋼渣基層的力學性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石基層[10]；冀欣等人通過多組試驗的對照，認為鋼渣摻量為45%和65%時，水穩(wěn)混合料的多項強度指標、抗裂和抗沖刷性能良好[11]；沈金生等人認為摻入40%～60%鋼渣的混合料適用于新疆高等級公路半剛性基層建設[12]；解英明等人研究熱悶渣在新疆市政道路中的應用，提出使用鋼渣能降低成本、簡化工藝、縮短工期，提高道路質(zhì)量并減少路面病害[13]。

2.2 粉煤灰在半剛性基層的應用

蔣應軍認為由水泥、粉煤灰和碎石組成的骨架密實型混合料，其后期強度、抗裂性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石[14]。徐方等人認為10%粉煤灰等量替代碎石所形成的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層適用于高速公路[15]。周厚杰認為水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石具有以下特性：剛度與強度均會隨齡期增長而加強；抗干縮性和抗溫縮性優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石且最大；抗沖刷性與水泥穩(wěn)定碎石接近[16]。

3 鋼渣與粉煤灰應用于鹽漬土的基層

3.1 鹽漬土的概述

地表1 m內(nèi)易溶鹽的質(zhì)量分數(shù)大于0.3%的土壤為鹽漬土，這些鹽分易隨水分、溫度變化而變化，直接影響土壤的物理和力學性質(zhì)，從而嚴重影響路基的性能。新疆的鹽漬土地區(qū)分布范圍較廣，且不少道路飽受硫酸鹽的侵害[17]。

3.2 鋼渣

邢琳琳認為不同比例鋼渣均能改善混凝土的力學性能；鋼渣最佳摻量為50%[18]；還通過耐久性試驗證明摻入適量鋼渣有助于提高混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性、抗凍性、抗碳化、抗氯離子滲透和抗收縮性。馮勇等人的研究表明鋼渣粒徑影響鋼渣混凝土抗侵蝕性，鋼渣中游離活性成分隨著其粒徑減小而變少，在其配制強度不降低反而增加時，有助于提高其抗侵蝕的性能[19]。孫建偉發(fā)現(xiàn)通過堿激發(fā)鋼渣混凝土的抗早期開裂性能好，且抗硫酸鹽侵蝕性優(yōu)于水泥混凝土[20]。

3.3 粉煤灰

解詠平等人認為在礦物摻和物摻量和水膠比一定時，摻入粉煤灰和礦渣粉有助于提高混凝土的抗壓強度折損系數(shù)、降低混凝土質(zhì)量損失率并抑制硫酸鹽的侵蝕，且粉煤灰提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕的效果比礦渣粉更好[21]。史陽光等人在使用粉煤灰代替部分普通硅酸鹽水泥的試驗中，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的合理摻量為30%左右，有助于提高混合料的抗折和抗壓強度[22]。廖孟柯等人認為摻入超細粉煤灰提高水泥砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性效果明顯，且摻量越高效果越好[23]。

3.4 鋼渣-粉煤灰混合料

鋼渣和粉煤灰均有助于提高基層的路用性能和抗鹽侵蝕，因此下文對兩種固廢聯(lián)合使用的相關研究進行梳理和探討。

駱宏勛等人水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石復合基層材料的抗沖刷性能優(yōu)于單純的碎石基層，粉煤灰取代水泥50%能滿足規(guī)范對路用基層材料的要求[24]。鄭亞強認為當鋼渣∶粉煤灰為4∶1和1∶1時，分別取得最佳含水率最小和抗壓強度較大的效果[25]；當外加劑摻量為5%和2.5%時，分別達到7 d抗壓強度最大和后期(28 d)強度較大的效果；而且鋼渣粉煤灰的抗裂性優(yōu)于普通水泥穩(wěn)定碎石。張軍林等人認為鋼渣摻量為50%、水泥劑量為4%、水泥∶粉煤灰=1∶3時，水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣混合料的無側(cè)限抗壓強度滿足道路基層的規(guī)范要求[26]。張選迪認為水泥∶粉煤灰=1∶3時，混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度、90 d抗壓回彈模量與90 d劈裂強度均能達到各級道路基層、底基層的使用要求；同水泥劑量且摻鋼渣的水泥粉煤灰穩(wěn)定混合料的最大干密度降低，最佳含水量升高；而4%的水泥劑量的鋼渣-碎石復合料呈現(xiàn)最佳力學性能[27]。李斌等人在制備鋼渣蓄熱水泥砂漿時，發(fā)現(xiàn)粉煤灰替代水泥的最佳摻量為30%能改善鋼渣水泥砂漿的熱穩(wěn)定性和耐熱性，也對砂漿抗折、抗壓強度損失率皆有改善作用[28]。

4 結(jié)束語

半剛性基層混合料中摻入40%～50%鋼渣、10%～30%的粉煤灰，并輔以振動拌和[29]與微裂技術[30]，可以明顯提升半剛性基層的性能。筆者一定程度上提升了理論研究和工程實踐的關聯(lián)度，為后續(xù)科研提供了參考依據(jù)，旨在助力鋼渣等固廢資源化，保護環(huán)境、降本增效。