集料表面改性技術對鋼渣性能影響研究

弓社強， 高 穎， 蔡建霞

(1.邯鄲市交通運輸局， 河北 邯鄲 056006； 2.河北工程大學 土木工程學院， 河北 邯鄲 056107)

公路交通建設需消耗大量天然資源，使環(huán)境問題凸顯[1]。鋼渣作為一種工業(yè)固體廢棄物，具有良好的強度、硬度、耐磨性、棱角性，力學性能接近或優(yōu)于天然碎石，若能將鋼渣應用于公路建設中，不僅可解決大量鋼渣廢棄物因堆積而產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，還可提高公路各項性能及使用壽命[2]。但實際工程經(jīng)驗表明，鋼渣中的游離CaO遇水容易發(fā)生水化反應，生成的物質(zhì)會致使鋼渣體積膨脹，進而導致鋼渣路面發(fā)生病害。針對鋼渣膨脹問題，現(xiàn)階段抑制鋼渣體積膨脹的主要措施有：自然陳化法[3]、摻礦物摻合料法[4]、高溫重構(gòu)法[5]、碳酸化改性法[6]等，但這些方法存在一定的弊端，不但處理時間較長，需要大量人力物力，而且處理成本高昂，得不償失。抑制鋼渣體積膨脹的主要目的是消解鋼渣中的f-CaO，以提高鋼渣體積安定性，但忽略了水是與f-CaO發(fā)生反應的前提條件，若能提高鋼渣的疏水性能，則可降低鋼渣反應速率，進而達到抑制鋼渣體積膨脹的目的。為此，本文擬采用集料表面改性技術對鋼渣進行改性處理，以降低鋼渣的吸水能力，消除鋼渣與水反應的前提條件，改善鋼渣體積安定性不足的問題，為提高鋼渣資源化利用率提供依據(jù)。

1 集料表面改性方法

集料表面改性方法多用于建筑固體廢棄物再生粗骨料中，以降低材料吸水能力，提高力學性能?，F(xiàn)階段集料表面改性方法主要有無機改性和有機改性。

1) 無機改性

Zeng、Shaikh等[7-8]提出，納米改善天然骨料混凝土性能技術可應用在再生骨料中，研究表明，納米SiO2處理后的再生骨料混凝土抗壓性能、耐久性能、抗氯離子滲透力及界面寬度均有所改善。Tam等[9]采用相同濃度的HCl、H3PO4、H2SO4溶液，在溫度為20 ℃的環(huán)境下對再生骨料進行表面改性處理，結(jié)果表明改性處理后的再生骨料吸水率呈下降趨勢，SEM分析表明混凝土的界面過渡區(qū)更為致密。隨著再生骨料表面改性技術的逐漸成熟，國內(nèi)外學者將其處理技術應用到鋼渣中。閆英師等[10]認為，無機改性是目前鋼渣表面處理的主要方式。Huo等[11]研究表明，磷酸對鋼渣的改性效果顯著，但應注意磷酸過量會導致水泥鋼渣混合料強度降低，要求磷酸的用量應控制在4%以下。Sabapathy等[12]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度不會得到顯著提升。

2) 有機改性

經(jīng)文獻資料查詢，再生骨料同鋼渣一樣產(chǎn)量多、占地面積大，并且鋼渣與再生骨料的物理性質(zhì)和化學組成有諸多相似之處。Limbachiya等[13]利用XRD、XRF對再生粗骨料具有吸水能力強、孔隙率大等特點進行了分析，研究表明，有機改性劑浸漬法處理再生骨料，可起到填充孔隙提高強度的作用。Spaeth等[14]采用單摻或復摻硅烷乳液、硅氧烷乳液浸漬法對再生骨料進行表面改性處理，結(jié)果表明，單摻或復摻2種乳液均可使再生骨料吸水能力降低，其中單摻硅烷乳液改性后的再生骨料吸水率(0.5%)降低至未改性的2～9倍。有研究者認為，有機改性劑處理鋼渣可明顯提高其疏水能力。趙國等[15]早期采用硬脂酸對鋼渣集料表面進行改性，結(jié)果表明，硬脂酸改性后的鋼渣表面疏水能力增強，在水中由于水的表面張力使得鋼渣粉浮于水面；紅外光譜分析表明，鋼渣改性機理為硬脂酸通過化學鍵吸附于鋼渣表面以達到疏水目的。許博等[16]采用不同濃度的乙酸(CH3COOH)對鋼渣集料表面進行改性，結(jié)果表明CH3COOH的改性效果與其摻量正相關，當濃度達到15%時，鋼渣體積膨脹率降低幅度約在76.1%以上。Chen等[17]研究表明，有機硅樹脂可在鋼渣表面形成致密的疏水薄膜，可防止因水分進入鋼渣內(nèi)部而引起的體積膨脹。

綜上所述，有機改性可提高鋼渣粗集料的疏水性能，降低吸水能力，減少鋼渣內(nèi)部膨脹組分與外部水接觸，消除鋼渣體積膨脹的前提條件。因此，本文擬采用甲基硅酸鉀有機溶液PM(Potassium Methylsilicate)對鋼渣進行表面改性處理，以改性劑濃度、改性處理時間、鋼渣粗集料粒徑作為影響鋼渣改性效果的主要因素，測試并對比鋼渣改性前后的吸水性、抗壓性、體積安定性以及表觀形貌的變化情況，通過對比分析得到最佳的改性方式。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗原材料

1) 集料

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物理指標值見表1、表2。

2.2 鋼渣改性方法

將甲基硅酸鉀稀釋到1wt%、2wt%、3wt%三種濃度，采用浸泡法對4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm、19 mm～26.5 mm三種粒徑的鋼渣進行改性處理。主要處理過程：1) 用自來水清洗鋼渣表面；2) 烘干得到潔凈鋼渣；3) 將洗好的鋼渣置于不同濃度的甲基硅酸鉀溶液中；4) 相同濃度下，分別將鋼渣浸泡1 h、6 h、12 h、24 h；5) 取出后自然風干得到改性鋼渣。

表1 鋼渣粗集料性能檢測結(jié)果

表2 天然碎石性能檢測結(jié)果

3 甲基硅酸鉀改性鋼渣性能研究

3.1 吸水率

對不同改性劑濃度、改性劑處理時間下的鋼渣進行吸水率測試，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在不同改性劑濃度、改性處理時間下，不同粒徑鋼渣變化趨勢基本相同，均呈下降趨勢，但吸水率均低于未改性鋼渣吸水率，說明表面改性處理可降低鋼渣吸水能力， PM具有較好的斥水性。試驗表明，經(jīng)浸泡后，鋼渣表面疏水能力增強，且在相同改性處理時間下，改性劑濃度越高，改性鋼渣的吸水率越小。由圖1(a)可知，當PM濃度為3wt%、改性處理時間為24 h時，改性鋼渣吸水率為1.02%，與1wt%的PM相比，降低了4.8%，隨改性劑濃度越高，包裹在鋼渣表面的改性層越厚，進而提高了鋼渣表面的疏水能力。由圖1還可知，相同改性劑濃度下，改性鋼渣的吸水率隨著時間的變化而變化。由圖1(b)可知，當改性處理時間為6 h、24 h時，3wt%濃度下的改性鋼渣吸水率分別降低了50.6%、54.4%，其原因是較短的浸泡時間會導致改性劑未能完全附著在鋼渣表面，降低鋼渣表面改性效果。由此可見，表面改性技術可降低鋼渣吸水能力，對4.75 mm～9.5 mm粒徑鋼渣的降低效果優(yōu)于其他2種粒徑規(guī)格的鋼渣。

(a) 4.75 mm～9.5 mm

(b) 9.5 mm～13.2 mm

(c) 19 mm～26.5 mm

3.2 壓碎值

對不同改性劑濃度、改性劑處理時間下的鋼渣進行抗壓性能測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼渣壓碎值

由2可知，當改性劑濃度一定時，鋼渣壓碎值隨著改性處理時間的增加而不斷減小，說明鋼渣經(jīng)表面改性處理后，鋼渣抗壓性能有所提升，當改性劑濃度為3wt%時，改性處理時間24 h下的鋼渣壓碎值與6 h相比，降低了7.1%；當改性處理時間一定時，鋼渣壓碎值的變化規(guī)律隨著改性劑濃度的增加而逐漸減小，當改性處理時間為12 h時，3wt%濃度下的鋼渣壓碎值與1wt%相比，降低了5.7%，說明改性劑濃度越高，對鋼渣抗壓性能的提升效果越好。其原因是隨著改性處理時間的增長，鋼渣表面逐漸被改性劑和鋼渣水化反應生成的水化產(chǎn)物不斷包裹，在填充鋼渣孔隙的同時，提高了鋼渣的抗壓能力；同時因改性劑濃度越高，越增加了鋼渣表面改性層的厚度，進而提升了鋼渣的抗壓性能。

3.3 浸水膨脹率

對不同改性劑濃度、改性劑處理時間下的鋼渣進行浸水膨脹率測試，結(jié)果見表3。

表3 不同粒徑鋼渣的浸水膨脹率

由表3可知，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，當濃度為3wt%、改性處理時間為24 h時，各個粒徑的鋼渣浸水膨脹率降低幅度最大，其中4.75 mm～9.5 mm粒徑鋼渣下降了30.4%。這表明PM改性劑可有效改善鋼渣體積穩(wěn)定不足的問題。由表3還可知，4.75 mm～9.5 mm鋼渣在PM濃度為1wt%時，膨脹率仍大于2%，不滿足規(guī)范要求，原因在于當改性劑濃度較低時，鋼渣表面不能充分被PM所包裹，造成疏水層較薄，在試件成型過程中，表面疏水層剝落，導致疏水性能下降，鋼渣的浸水膨脹率提高。因此，改性鋼渣浸水膨脹率之所以低于未改性鋼渣，其主要原因是改性鋼渣表面形成的疏水薄膜不僅起到防水作用，還降低了改性鋼渣中膨脹組分反應速率，消除了鋼渣中膨脹組分與水反應的前提條件。

綜上所述，鋼渣的改性效果隨改性劑的濃度和改性處理時間的改變而改變，當改性劑濃度為3wt%、改性處理時間為24 h時，鋼渣的改性效果最佳。

3.4 表觀形貌

通過吸水率、壓碎值、浸水膨脹率等宏觀試驗可知，PM可提高鋼渣的疏水性、抗壓能力與體積安定性。為明確PM對鋼渣的表面改性機理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察改性劑濃度為3wt%、改性處理時間為24 h時，鋼渣的表面變化情況。鋼渣改性前后的SEM照片如圖3所示。

從圖3可知，未改性鋼渣具有表面粗糙、凹凸不平，有明顯溝壑的特點，而經(jīng)PM改性劑表面改性處理后，鋼渣表面附著的改性層使得鋼渣表面孔隙填充，說明PM對鋼渣表面具有一定的改性效果。由此可知，采用PM改性劑表面改性鋼渣的機理主要在于填充鋼渣表面孔隙以及在鋼渣表面附著一層疏水薄膜，最終達到阻隔或降低鋼渣吸水能力，延緩鋼渣內(nèi)部活性物質(zhì)反應速率，抑制鋼渣體積膨脹的目的。

(a) 未改性鋼渣

(b) PM改性鋼渣

4 改性劑廢液的循環(huán)利用

為研究鋼渣表面改性后的PM改性劑廢液能否進行二次或多此循環(huán)利用，將未改性鋼渣置于PM改性劑廢液中，通過測試改性鋼渣的吸水率與浸水膨脹率來確定PM改性劑廢液循環(huán)利用的次數(shù)。取1次3wt%PM改性劑溶液改性處理4.75 mm～9.5 mm粒徑鋼渣后的廢液，將鋼渣置于廢液中浸泡24 h，以后均按此方法取未改性鋼渣進行循環(huán)浸泡，各個指標測試結(jié)果見表4。

表4 5次循環(huán)浸泡后鋼渣各指標結(jié)果

從表4可知，鋼渣的吸水率和浸水膨脹率均隨著廢液循環(huán)次數(shù)的增加而增大，5次循環(huán)浸泡后的鋼渣浸水膨脹率大于規(guī)范要求的2%。這表明PM溶液經(jīng)過每次循環(huán)利用后，PM改性劑濃度下降，導致可有效附著在鋼渣表面的改性劑逐漸減少，膨脹率有所提高。由表4還可知，經(jīng)5次循環(huán)后，4.75 mm～9.5 mm粒徑鋼渣的吸水率達到1.79%，與1次改性處理后的鋼渣相比，提高了75.5%，3次循環(huán)后，提高了19.6%，說明多次廢液循環(huán)浸泡處理后所得鋼渣的疏水能力有所下降，當循環(huán)到第5次時，鋼渣改性與否，沒有較大差異。因此，建議廢液循環(huán)次數(shù)以3次為宜。

5 結(jié)論

1) 采用PM改性劑對鋼渣進行表面改性處理可明顯提高鋼渣的疏水能力、抗壓性能，當PM改性劑濃度為3wt%、改性劑處理時間為24 h時，4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm、19 mm～26.5 mm改性鋼渣的吸水率與未改性鋼渣相比降低了43.3%、54.4%、48.9%，壓碎值也由原來的14.9%降低至13%。

2) 經(jīng)PM改性劑表面改性處理后，4.75 mm～9.5 mm、9.5 mm～13.2 mm、19 mm～26.5 mm鋼渣的體積安定性得到改善，其中4.75 mm～9.5 mm鋼渣降低幅度最大，與未改性鋼渣相比降低了30.4%。

3) 通過測定PM改性劑廢液的5次循環(huán)浸泡后鋼渣的吸水率和浸水膨脹率可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，改性劑濃度逐漸降低，對鋼渣的改性效果下降，當PM劑濃度為3wt%時，第3次廢液循環(huán)利用后的鋼渣膨脹率接近規(guī)范要求限值，因此建議廢液循環(huán)利用3次為宜。