表面改性處理對(duì)鋼渣及其混合料性能影響研究

曹建寧， 高 穎， 白良義

(1.中建路橋集團(tuán)有限公司， 石家莊 050001； 2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河北 邯鄲 056107)

鋼渣具有強(qiáng)度高、密度大、耐磨性好、堅(jiān)固性強(qiáng)等特點(diǎn)，然而鋼渣中的膨脹組分遇水會(huì)引起鋼渣體積膨脹，嚴(yán)重制約其在道路工程中的應(yīng)用[1-2]。盡管國內(nèi)外學(xué)者采用自然陳化、高壓蒸汽陳化、摻礦物細(xì)摻料、調(diào)整級(jí)配等方法來提高鋼渣的穩(wěn)定性，但最終效果不盡人意，因此尋找新的抑制鋼渣體積膨脹方法是資源化利用的有效途徑。

已有研究表明[3-6]，再生骨料可通過表面改性方法提高材料的各項(xiàng)力學(xué)性能，鋼渣與再生骨料的物理力學(xué)性能相似，具有吸水率高、孔隙率大等特點(diǎn)。因此，研究者利用此技術(shù)來抑制其體積膨脹，降低鋼渣吸水能力。Sabapathy等[7]提出，鋼渣表面孔隙封閉處理可有效提高鋼渣體積安定性，但處理后的鋼渣混凝土抗壓強(qiáng)度不會(huì)得到顯著提升。曹靜[8]采用不同水灰比的水泥凈漿對(duì)鋼渣集料表面進(jìn)行了改性處理，結(jié)果表明，改性處理后的鋼渣表面附著致密的改性層，鋼渣表面孔隙得到有效填充，鋼渣的吸水率、壓碎值和磨耗值明顯降低。Huo等[9]研究表明，磷酸對(duì)鋼渣的改性效果顯著，但應(yīng)注意磷酸過量會(huì)導(dǎo)致水泥鋼渣混合料強(qiáng)度降低，要求磷酸的用量應(yīng)控制在4%以下。有機(jī)硅樹脂可在鋼渣表面形成致密的疏水薄膜，可防止因水分進(jìn)入鋼渣內(nèi)部而引起的體積膨脹[10-11]。據(jù)此，本文根據(jù)現(xiàn)有研究成果，將硅丙乳液作為表面改性劑來提高鋼渣體積穩(wěn)定性、降低吸水率，增強(qiáng)材料的物理力學(xué)性能。

本研究采用再生骨料表面改性技術(shù)來改善鋼渣體積安定性不足的問題，從改性劑濃度、浸漬時(shí)間、鋼渣粒徑等3方面探究表面改性對(duì)鋼渣吸水率、壓碎值、浸水膨脹率等物理力學(xué)性能的影響規(guī)律，以確定最佳改性劑濃度和浸漬時(shí)間，并研究表面改性技術(shù)對(duì)其混合料路用性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1) 集料

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[12]相關(guān)要求，對(duì)粒徑為4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm、19 mm～26.5 mm鋼渣粗集料及天然碎石的各項(xiàng)物理指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1、表2。

2) 水泥

采用河北省武安市某公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，檢測(cè)指標(biāo)符合該水泥強(qiáng)度等級(jí)要求。

表1 鋼渣粗集料性能檢測(cè)

表2 天然碎石性能檢測(cè)

1.2 鋼渣改性方法

將硅丙乳液稀釋到6%、9%、12%三種濃度，采用浸泡法對(duì)4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm、19 mm～26.5 mm三種粒徑的鋼渣進(jìn)行改性處理，其處理時(shí)間分為6 h、12 h、24 h。主要處理過程：先用自來水清洗鋼渣表面，然后烘干得到潔凈鋼渣，緊接著將洗好的鋼渣置于不同濃度的硅丙乳液中，最后自然風(fēng)干得到改性鋼渣。

1.3 混合料配合比設(shè)計(jì)

據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，采用級(jí)配類型為骨架密實(shí)型，取級(jí)配中值作為水泥穩(wěn)定碎石的試驗(yàn)級(jí)配，利用等體積替換法[13-14]將 4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm、19 mm～26.5 mm三種粒徑的鋼渣粗集料逐一代替所對(duì)應(yīng)規(guī)格的天然碎石，進(jìn)而得到水泥穩(wěn)定碎石鋼渣的試驗(yàn)級(jí)配，其級(jí)配設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 級(jí)配曲線

2 改性鋼渣性能研究

2.1 改性劑濃度對(duì)鋼渣性能的影響

不同改性劑濃度對(duì)鋼渣性能的影響見圖2～圖4。

由圖2可知，不同粒徑的鋼渣，在硅丙乳液24 h浸漬處理?xiàng)l件下，吸水率整體呈下降趨勢(shì)。改性劑濃度是影響鋼渣的主要因素，濃度為 3%時(shí)，鋼渣吸水率降低幅度較小，當(dāng)改性劑濃度為12%時(shí)，4.75 mm～9.5 mm 鋼渣吸水率下降幅度最大，與未改性鋼渣相比，降低了43.9%，這說明硅丙乳液具有明顯的防水作用，使得鋼渣由親水狀態(tài)變?yōu)槭杷６?.5 mm～13.2 mm和 19 mm～26.5 mm降低幅度較小，分別為28.1%、27.2%，這是由于集料粒徑越大，本身比表面積越小，吸水率較小，進(jìn)而使得經(jīng)過改性處理后的大粒徑鋼渣吸水率降低幅度變小。改性鋼渣吸水率降低的主要原因是硅丙乳液中的有機(jī)硅樹脂交聯(lián)成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后有機(jī)基團(tuán)定向排列在外面，在結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部形成一層幾個(gè)分子厚的網(wǎng)狀有機(jī)硅樹脂膜，從而阻止水分進(jìn)入，進(jìn)而起到疏水的作用。

圖2 不同硅丙乳液濃度對(duì)鋼渣24 h吸水率的影響

圖3 硅丙乳液濃度對(duì)鋼渣壓碎值的影響

由圖3可知，隨著改性劑濃度的提高，鋼渣的壓碎值先下降后提升，當(dāng)改性劑濃度為9%時(shí)，壓碎值為13.1%，相較于未改性的鋼渣下降了12.3%，下降幅度最大，而當(dāng)改性劑濃度為6%、12%時(shí)，壓碎值仍低于未改性鋼渣，但降低幅度略小，僅為3.4%、8.7%。這說明鋼渣經(jīng)過處理后，鋼渣的抗壓強(qiáng)度有所改善，原因是鋼渣在改性過程中，隨著改性劑濃度的不斷升高，使得鋼渣表面生成的水化產(chǎn)物以及有機(jī)硅樹脂包裹層逐漸增厚，在填充鋼渣孔隙的同時(shí)，提高抗壓能力，使其不被壓碎，從而降低鋼渣的壓碎指標(biāo)。

圖4 硅丙乳液濃度對(duì)鋼渣膨脹率的影響

由圖4可以看出，鋼渣浸水膨脹率受改性劑濃度影響較大，隨著改性劑濃度的增加，鋼渣膨脹率明顯減小，當(dāng)濃度達(dá)到12%時(shí)，各個(gè)粒徑的鋼渣浸水膨脹率下降幅度最大，其中4.75 mm～9.5 mm粒徑鋼渣下降了19.8%。這說明硅丙乳液可有效改善鋼渣體積穩(wěn)定不足的問題。從圖4還可見，4.75 mm～9.5 mm鋼渣在改性劑濃度為6%時(shí)，膨脹率仍大于2%，不滿足規(guī)范要求。原因：一是當(dāng)改性劑濃度較低時(shí)，鋼渣表面不能充分被硅丙乳液包裹，造成疏水層較薄，在試件成型過程中，表面疏水層剝落，導(dǎo)致疏水性能下降，鋼渣的浸水膨脹率提高；二是由于小粒徑鋼渣自身比表面積較大，經(jīng)改性處理后，仍可在富水環(huán)境下吸收少量的水分，進(jìn)而導(dǎo)致鋼渣中游離氧化鈣、游離氧化鎂等水化氧化物發(fā)生水化反應(yīng)，最終引起鋼渣體積膨脹?？傮w上，改性鋼渣浸水膨脹率低于未改性鋼渣的主因是：在高濃度改性劑下，改性鋼渣表面形成的疏水薄膜不僅可防水，還可降低改性鋼渣中膨脹組分反應(yīng)速率，阻礙鋼渣中膨脹組分與水發(fā)生反應(yīng)。

綜上所述，鋼渣改性效果隨改性劑濃度的改變而改變，當(dāng)改性劑濃度為12%時(shí)，鋼渣各項(xiàng)物理性能均有所改善，因此建議將12%濃度作為改性鋼渣的最佳濃度。

2.2 改性處理時(shí)間對(duì)鋼渣性能的影響

12%硅丙乳液改性處理不同粒徑鋼渣的條件下，鋼渣性能隨改性時(shí)間的變化規(guī)律見圖5。

(a) 吸水率及壓碎值

(b) 浸水膨脹率

由圖5可見，隨浸漬時(shí)間的延長，不同粒徑的改性鋼渣吸水率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)浸泡時(shí)間為24 h時(shí)，各粒徑吸水率下降幅度最大，其中4.75 mm～9.5 mm 鋼渣吸水率下降了17.8%，壓碎值下降了7.9%，這表明鋼渣浸漬改性處理時(shí)間對(duì)其吸水率、壓碎值的性能存在一定影響，此現(xiàn)象發(fā)生的主因在于隨著浸泡時(shí)間的增加，鋼渣表面生成的疏水層厚度和面積有所增加，表面更加致密，使得鋼渣的吸水率和壓碎值逐漸下降。當(dāng)浸漬時(shí)間為6 h時(shí)，4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm鋼渣浸水膨脹率分別為 2.3%、2.079%，均不滿足規(guī)范要求，原因是較短的浸泡時(shí)間使得鋼渣表面疏水層尚未完全形成或不夠緊密，當(dāng)進(jìn)行浸水膨脹試驗(yàn)時(shí)，鋼渣表面疏水層不能有效防止水進(jìn)入鋼渣內(nèi)部，導(dǎo)致鋼渣內(nèi)部膨脹組分與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生鋼渣體積膨脹現(xiàn)象，但其膨脹率仍低于未改性鋼渣，說明短時(shí)間浸漬處理仍可達(dá)到一定效果。

綜上所述，改性鋼渣隨著改性時(shí)間的增加，性能逐漸變得更加優(yōu)異，因此建議將24 h作為改性鋼渣的最佳浸漬時(shí)間。

3 改性鋼渣混合料性能研究

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[15](簡稱規(guī)程)確定碎石、鋼渣、改性鋼渣試驗(yàn)級(jí)配的最佳含水量和最大干密度，試驗(yàn)前將3種混合料嚴(yán)格按照規(guī)范要求配料、悶料，水泥劑量為 4%。碎石級(jí)配(A1)、鋼渣級(jí)配(B2)、改性鋼渣級(jí)配(C1、C2、C3)的最佳含水率及最大干密度見表3。

表3 4%水泥劑量的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，5種級(jí)配的最佳含水量及最大干密度差異較大，B2的最佳含水量高于其他級(jí)配，這是由于鋼渣孔隙較多，吸水能力強(qiáng)，悶料處理后，內(nèi)部存有較多水分，因此導(dǎo)致含水量升高。從表3還可知，C1的最佳含水量低于B2，但最大干密度仍高于A1，原因是經(jīng)過表面改性處理后的鋼渣具有一定的疏水性，當(dāng)與B2設(shè)定同樣的含水量時(shí)，普通鋼渣的吸水能力要大于改性鋼渣，且經(jīng)表面改性處理后，鋼渣表面形成致密的包裹層，起到填充鋼渣孔隙的作用，保證鋼渣的密度仍高于碎石。此外，在數(shù)據(jù)整理過程中發(fā)現(xiàn)，通過試驗(yàn)得來的實(shí)際含水量與試驗(yàn)前的設(shè)計(jì)含水量也存在一定的差別，尤其是設(shè)計(jì)含水量較大時(shí)，差別更加明顯。經(jīng)分析，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是含水量較高時(shí)會(huì)導(dǎo)致集料表面附著水分，在擊實(shí)過程中出現(xiàn)揮發(fā)和析出。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是表征基層力學(xué)性能的基本指標(biāo)之一，其主要影響因素有集料的性能、級(jí)配類型、水泥劑量、水泥型號(hào)等。本文按《規(guī)程》進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并按照此規(guī)范中要求的98%壓實(shí)度成型試件，將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d、28 d、60 d齡期的試件在壓力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，控制加載速度為1 mm/min，結(jié)果見圖6。

圖6 不同齡期的無側(cè)向抗壓強(qiáng)度

由圖6可見，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加而增大，與天然碎石混合料相比，未改性及改性鋼渣混合料的抗壓強(qiáng)度增長幅度較大，說明幾種級(jí)配設(shè)計(jì)下的混合料抗壓性能良好。改性與未改性鋼渣的7 d抗壓強(qiáng)度相差不大，其中C2>C3>B1>C1。發(fā)生此現(xiàn)象的原因是鋼渣表面孔隙較多，相當(dāng)一部分水泥被吸附在鋼渣表面，使其不能快速水化，強(qiáng)度形成較緩，而經(jīng)改性處理后的鋼渣表面更加致密，不僅提高了材料本身性能，還為提高其抗壓強(qiáng)度做出了顯著貢獻(xiàn)。從圖6還可見，養(yǎng)護(hù) 28 d 和 60 d 的改性鋼渣混合料抗壓強(qiáng)度要高于未改性混合料，這說明未改性鋼渣中的膠凝成分盡管參與反應(yīng)，也使混合料強(qiáng)度有所提高，但仍不如經(jīng)表面改性處理的改性鋼渣，其主因是表面改性可降低鋼渣的孔隙率，在填充鋼渣有害孔隙的同時(shí)，提高水泥水化質(zhì)量，增強(qiáng)集料之間的粘結(jié)力，因此前者具有更高的抗壓強(qiáng)度。

3.3 抗壓回彈模量

抗壓回彈模量是表征混合料剛度的重要指標(biāo)?；貜椖Ａ康拇笮∮绊懼w路面結(jié)構(gòu)的使用壽命，若回彈模量過小，當(dāng)面層在受到過大的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變時(shí)會(huì)導(dǎo)致基層開裂；若回彈模量過大，基層則會(huì)因干縮和溫縮變形而發(fā)生開裂，因此基層的抗壓回彈模量應(yīng)盡可能與面層材料的模量相匹配。根據(jù)《規(guī)程》進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d 和 60 d 試件的回彈模量結(jié)果見圖7。從圖7可見，3種級(jí)配的抗壓回彈模量與其抗壓強(qiáng)度具有同樣的增長趨勢(shì)，其中改性鋼渣混合料的模量最高，原因是鋼渣本身具有良好的堅(jiān)固性，經(jīng)改性處理后，鋼渣材料的性能得到顯著提升，且剛度高于碎石和未改性鋼渣。結(jié)合前文可知，鋼渣混合料的抗壓強(qiáng)度越高，其抗壓回彈模量也越大。

圖7 各齡期下的抗壓回彈模量

3.4 劈裂強(qiáng)度

劈裂強(qiáng)度是反映基層抗拉性能的重要指標(biāo)。水泥穩(wěn)定類基層的性能特點(diǎn)是其抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)其經(jīng)受長期荷載或周圍環(huán)境溫度變化時(shí)，容易產(chǎn)生裂縫，開裂后反射至面層，嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致路面使用壽命下降。室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水泥穩(wěn)定類基層的抗拉強(qiáng)度，常采用劈裂試驗(yàn)來評(píng)定，按《規(guī)程》試驗(yàn)，結(jié)果見圖8。由圖8可見，3種級(jí)配的劈裂強(qiáng)度呈增長趨勢(shì)，這與其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長規(guī)律一致。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，改性鋼渣混合料的劈裂強(qiáng)度高于未改性鋼渣，但增幅較小，雖然改性后的鋼渣可提高混合料的強(qiáng)度，但鋼渣前期活性較低，反應(yīng)速率較慢，生成物較少，鋼渣內(nèi)活性物質(zhì)對(duì)形成強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，加之經(jīng)改性處理后，前期形成強(qiáng)度主要靠水泥前期的水化作用，因此未改性鋼渣與改性鋼渣混合料的劈裂強(qiáng)度相差較小，但均高于 A1，這也說明鋼渣材料性能優(yōu)于碎石。

圖8 各齡期下的劈裂強(qiáng)度

4 結(jié)論

1) 表面改性處理可明顯增強(qiáng)鋼渣的疏水性，降低鋼渣吸水率，提高鋼渣各項(xiàng)物理力學(xué)性能，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料路用性能的增強(qiáng)具有積極作用。

2) 表面改性鋼渣與未改性鋼渣相比，各項(xiàng)物理性能優(yōu)于未改性鋼渣，其4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm粒徑的鋼渣經(jīng)12%濃度的硅丙乳液浸泡24 h后，吸水率分別降低了43.9%、28.7%，膨脹率分別降低了23.1%、14%，壓碎值有所改善，故確定最佳改性劑用量及浸泡時(shí)間分別為12%、24 h。

3) 鋼渣密度高于天然碎石，利用等體積替換法得到水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料中的集料級(jí)配，其中不同粒徑改性鋼渣所對(duì)應(yīng)的級(jí)配與未改性鋼渣級(jí)配相似，差異較小。

4) 水泥穩(wěn)定碎石改性鋼渣混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗壓回彈模量、劈裂抗拉強(qiáng)均優(yōu)于未改性鋼渣混合料，改性鋼渣混合料中C2路用性能優(yōu)于C1和C3，因此建議將9.5 mm～13.2 mm 鋼渣作為主要改性對(duì)象。