熱悶和熱潑鋼渣砂的體積穩(wěn)定性能研究*

劉云鵬 龐 凌 鄒瑩雪

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

鋼渣與水泥熟料有相似的礦物組成和化學(xué)成分，具有一定的潛在膠凝活性[1-4].鋼渣砂取代天然河砂作為細(xì)集料應(yīng)用于水泥砂漿或混凝土，有利于改善其強度，存在的主要問題是鋼渣砂的體積穩(wěn)定性較差[5].其中，f-CaO和MgO這兩種成分是主要因素，它們在自然環(huán)境中會水化生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，導(dǎo)致砂漿膨脹開裂而破壞，從而降低其使用壽命，但MgO含量較少且反應(yīng)很慢，所以f-CaO水化生成的Ca(OH)2對體積膨脹起主要作用.

冷達等[6]采用壓蒸法對鋼渣砂的體積安定性進行研究，發(fā)現(xiàn)f-CaO含量是影響鋼渣砂體積安定性的主要因素之一，認(rèn)為壓蒸法是檢測鋼渣砂體積安定性比較可靠的方法.倫云霞等[7]通過對鋼渣砂特性與穩(wěn)定性研究，發(fā)現(xiàn)鋼渣砂具有一定的膠凝性能，各項特性符合建筑用砂標(biāo)準(zhǔn)，f-CaO含量、RO相和顆粒自身的堅固性是影響鋼渣砂穩(wěn)定性的主要因素.倫云霞等[8]采用蒸汽和壓蒸處理方法研究鋼渣砂體積安定性，發(fā)現(xiàn)通過蒸汽和壓蒸處理能加速鋼渣砂中膨脹組分水化，改善其體積安定性，且與蒸汽處理相比，壓蒸處理能在短時間內(nèi)顯著改善鋼渣砂的安定性.

熱悶法和熱潑法是兩種主要的鋼渣處理方法，鋼渣處理量大、冷卻效率較高、金屬回收率高、f-CaO含量在短時間內(nèi)能得到顯著下降.文中通過對熱悶和熱潑鋼渣砂進行體積穩(wěn)定性評價，包括其粉化率、不同粒徑范圍鋼渣砂的f-CaO含量、浸水膨脹率等，并對這些評價方法之間的關(guān)聯(lián)性進行擬合，研究不同處理工藝鋼渣砂體積穩(wěn)定性的變化規(guī)律.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

內(nèi)蒙古熱悶鋼渣砂標(biāo)號記為NM，廣西熱潑鋼渣砂標(biāo)號記為GX，湖北河砂標(biāo)號記為HS.鋼渣砂及河砂各項基本性能指標(biāo)見表1，鋼渣砂主要化學(xué)成分及堿度見表2.

表1 鋼渣砂及河砂基本性能指標(biāo)

由表1可知，鋼渣砂的密度要比河砂大，形狀多孔且不規(guī)則，空隙率和吸水率都較河砂大，兩種不同處理工藝鋼渣砂的密度也有所差別，從細(xì)度模數(shù)判斷，三種砂都屬于Ⅱ區(qū)中砂；由表2可知，鋼渣砂來源不同，其化學(xué)成分波動較大，堿度也有所差別，內(nèi)蒙鋼渣砂堿度為2.2，屬于中堿度鋼渣砂，廣西鋼渣砂堿度為2.7，屬于高堿度鋼渣砂.

表2 鋼渣砂主要化學(xué)成分和堿度

1.2 試驗方法

1.2.1鋼渣砂粉化率

蒸汽粉化率是采用烘干后0.075～0.15，0.15～0.3，0.3～0.6，0.6～1.18，1.18～2.36 mm五種不同粒徑范圍的鋼渣砂，每份取200 g，在100 ℃的養(yǎng)護箱中蒸汽處理5 h，然后取出烘干，分別過各粒徑的下限篩進行篩分，蒸汽粉化率K為

(1)

式中：G為處理前式樣干重；G1為處理后篩上試樣干重.

壓蒸粉化率是鋼渣砂在壓蒸釜內(nèi)經(jīng)過2.0 MPa壓力、216 ℃的高溫下處理3 h后的粉化率，試驗設(shè)備為YZF-2A型壓蒸釜.根據(jù)文獻[9]，壓蒸粉化率為鋼渣在規(guī)定的壓力和時間條件下，粉化后小于1.18 mm顆粒質(zhì)量所占的比率，本試驗采用2.36～4.75 mm的鋼渣砂進行壓蒸試驗，壓蒸粉化率也可按式(1)計算得到.

1.2.2 鋼渣砂f-CaO含量的測定

試驗選取粒徑為0～0.3，0.3～0.6，0.6～2.36 mm的鋼渣砂，參考文獻[9]，采用甘油-無水乙醇化學(xué)滴定法測定鋼渣砂中f-CaO含量，每個粒徑范圍進行兩組平行試驗，f-CaO含量為

(2)

式中：TCaO為每毫升苯甲酸相當(dāng)于CaO的毫升數(shù)，mg/mL；V為滴定苯甲酸無水乙醇溶液體積，mL；G為鋼渣試樣的重量，g.

1.2.3鋼渣砂浸水膨脹率試驗

試驗參照文獻[9]中的集料粒度分布進行配料，在最佳含水率和最大干密度下進行重型擊實，在多孔頂板上加4塊半圓形荷載板，裝上百分表，并讀取百分表的初始讀數(shù)d0，然后進行90 ℃的水浴加熱，并保持6 h后停止加熱，自然冷卻，每天升溫前記錄百分表讀數(shù)di，依次進行10 d.浸水膨脹率為

(3)

式中：d0為百分表初始讀數(shù)，mm；di為浸水膨脹后百分表讀數(shù)，mm.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鋼渣砂的蒸汽粉化率和壓蒸粉化率

對各粒級鋼渣砂進行5 h蒸汽處理，對2.36～4.75 mm鋼渣砂進行3 h壓蒸處理，得到兩種鋼渣砂的蒸汽和壓蒸粉化率試驗結(jié)果見圖1.

圖1 鋼渣砂粉化率試驗結(jié)果

由圖1可知，從蒸汽粉化率看，廣西熱潑鋼渣砂各粒級蒸汽粉化率均比內(nèi)蒙熱悶鋼渣砂大，且平均蒸汽粉化率要比內(nèi)蒙鋼渣砂大30%；從壓蒸粉化率看，廣西鋼渣砂的平均粉化率要比內(nèi)蒙鋼渣砂大62%，說明壓蒸粉化率相比蒸汽粉化率更能表征鋼渣砂的體積穩(wěn)定性差異.另外壓蒸粉化率表現(xiàn)出比蒸汽粉化率更大的數(shù)值，這是因為壓蒸處理促進了鋼渣砂中f-CaO進一步轉(zhuǎn)化為Ca(OH)2以及MgO的進一步消解，使其水化更完全，從而增大了鋼渣砂顆粒的粉化程度.

2.2 鋼渣砂的f-CaO含量

f-CaO含量是影響鋼渣砂穩(wěn)定性的主要因素之一，分別對粒徑為0～0.3,0.3～0.6,0.6～2.36 mm的鋼渣砂采用甘油-無水乙醇化學(xué)滴定法測定其f-CaO含量，試驗結(jié)果見表3，鋼渣砂平均f-CaO含量和粒徑范圍之間的變化關(guān)系見圖2.

表3 不同粒徑范圍鋼渣砂f-CaO含量

圖2 鋼渣砂f-CaO含量和粒徑范圍的關(guān)系

由圖2可知，兩種鋼渣砂由于處理工藝不同，相同粒徑范圍鋼渣砂的f-CaO含量差異也較大，內(nèi)蒙鋼渣砂f-CaO含量較低，而廣西鋼渣砂相對較高,其差值隨粒徑范圍增大而減小.隨著粒徑范圍增大，兩種鋼渣砂中f-CaO含量均呈下降趨勢，廣西鋼渣砂降低趨勢較為明顯，粒徑范圍由0～0.3 mm到0.3～0.6 mm時，降低幅度約為30.0%，從0.3～0.6 mm到0.6～2.36 mm時，降低幅度約為28.5%，而內(nèi)蒙鋼渣砂降低幅度則較小，兩個階段粒徑范圍的降低幅度分別為25.4%和16.0%，表明廣西熱潑鋼渣砂中f-CaO含量受粒徑范圍影響較大.這一結(jié)果是由兩者不同的處理工藝特點決定的，內(nèi)蒙熱悶鋼渣砂是鋼渣在高溫密閉罐中經(jīng)多次周期性噴水降溫，罐內(nèi)鋼渣因急速冷卻產(chǎn)生體積形變和應(yīng)力作用而破碎開裂得到，其f-CaO消解得較為均勻和徹底；而廣西熱潑鋼渣砂是高溫爐渣經(jīng)冷水噴灑使其產(chǎn)生大于自身極限的應(yīng)力而破碎開裂得到，游離氧化鈣的水化作用使鋼渣進一步裂解，處理鋼渣的速度快、時間短，有利于機械化生產(chǎn)，但f-CaO消解得不夠均勻和徹底[10-11].

由于鋼渣砂中膨脹組分的水化作用會引起鋼渣砂顆粒的粉化解體，試驗通過相關(guān)性分析建立0～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～2.36 mm三種粒徑范圍鋼渣砂的蒸汽粉化率和相應(yīng)f-CaO含量的擬合曲線，研究這兩種評價指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系.兩種鋼渣砂對應(yīng)粒徑范圍的f-CaO含量和蒸汽粉化率指標(biāo)見表4，相應(yīng)的擬合曲線見圖3.

表4 兩種鋼渣砂對應(yīng)粒徑范圍的f-CaO含量和蒸汽粉化率指標(biāo)

圖3 擬合曲線

由圖3可知，兩種鋼渣砂的蒸汽粉化率和f-CaO含量之間均存在較好的指數(shù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.94和0.91，內(nèi)蒙熱悶鋼渣砂的相關(guān)性較大.表明5 h的蒸汽處理可以促進鋼渣砂中部分f-CaO水化，使鋼渣砂顆粒部分粉化解體，表明f-CaO含量是影響鋼渣砂蒸汽粉化率指標(biāo)的一個重要因素.

2.3 鋼渣砂的浸水膨脹率

根據(jù)文獻[9]對兩種鋼渣砂90 ℃恒溫水浴處理的浸水膨脹率進行試驗研究，鋼渣砂每天的浸水膨脹變化量試驗結(jié)果見表5，鋼渣砂浸水膨脹率隨水浴齡期的變化曲線見圖4.

表5 兩種鋼渣砂的浸水膨脹變化量指標(biāo)

圖4 鋼渣砂浸水膨脹率隨水浴齡期的變化曲線

由圖4可知，同一水浴齡期下兩種鋼渣砂的浸水膨脹率存在較大差異，浸水膨脹率大小為：GX>NM，且兩種鋼渣砂的浸水膨脹率差值隨水浴齡期的增大而逐漸增大；隨著水浴齡期增加，不同處理工藝的鋼渣砂浸水膨脹率變化曲線不同，內(nèi)蒙熱悶鋼渣砂的浸水膨脹率起始數(shù)值較小，且隨著水浴齡期增加呈現(xiàn)出平穩(wěn)小幅度增加的趨勢，水浴齡期為10 d時其浸水膨脹率僅為0.45%左右，表現(xiàn)出較好的體積穩(wěn)定性；而廣西熱潑鋼渣砂早期即表現(xiàn)出較大的膨脹率，隨著水浴齡期增加其浸水膨脹率增加幅度先較大后較小并最終趨于一個較高的數(shù)值，達到4.8%左右，約為內(nèi)蒙鋼渣砂的11倍，表現(xiàn)出較差的體積穩(wěn)定性能.

從浸水膨脹率看，兩種鋼渣砂的浸水膨脹率差值隨水浴齡期的增大而逐漸增大，為探究其浸水膨脹率差值和水浴齡期之間的內(nèi)在聯(lián)系，試驗對這兩種變量進行線性擬合.兩種鋼渣砂不同水浴齡期的浸水膨脹率差值見表6，兩種鋼渣砂浸水膨脹率差值和水浴齡期的擬合曲線見圖5.

表6 兩種鋼渣砂不同水浴齡期的浸水膨脹率差值

圖5 兩種鋼渣砂浸水膨脹率差值和水浴齡期的擬合曲線

由圖5可知，在對熱悶和熱潑鋼渣砂的浸水膨脹率差值與水浴齡期進行線性擬合后，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)為0.96，滿足大于0.90，表明水浴齡期是這兩種鋼渣砂浸水膨脹率差值的一個主要影響因素，在水浴齡期10 d內(nèi)，兩種鋼渣砂的浸水膨脹率差值和水浴齡期呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性.

3 結(jié) 論

1) 熱潑鋼渣砂的平均蒸汽粉化率和壓蒸粉化率分別比熱悶鋼渣砂大30%和62%，與蒸汽粉化率相比，壓蒸粉化率更能表征鋼渣砂的體積穩(wěn)定性差異.

2) 鋼渣砂中f-CaO含量與處理工藝及粒徑范圍有關(guān)，熱悶鋼渣砂的f-CaO含量較低，熱潑鋼渣砂含量較高；由于處理工藝不同，隨粒徑范圍增大，熱潑鋼渣砂f-CaO含量降低幅度較為明顯，受粒徑影響較大.

3) 鋼渣砂的浸水膨脹率受處理工藝影響明顯，熱悶鋼渣砂水浴齡期10 d時浸水膨脹率僅為0.45%，且隨水浴齡期增大變化幅度較小，體積穩(wěn)定性較好；而熱潑鋼渣砂水浴齡期10 d時浸水膨脹率達到4.8%，且隨水浴齡期增大變化幅度較大，體積穩(wěn)定性較差.

4) 從穩(wěn)定性評價指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性看，f-CaO含量是影響鋼渣砂蒸汽粉化率指標(biāo)的一個重要因素，水浴齡期是影響熱悶和熱潑鋼渣砂浸水膨脹率差值指標(biāo)的一個重要因素，這些變量之間表現(xiàn)出較好的相關(guān)性.

不同處理工藝的鋼渣砂普遍存在著不同程度的體積穩(wěn)定性問題，嚴(yán)重限制了其推廣應(yīng)用及大摻量使用的安全性，導(dǎo)致鋼渣砂資源化利用進程緩慢.因此，需要重視鋼渣砂的體積穩(wěn)定性評價，并針對其穩(wěn)定性程度進行一定的穩(wěn)定化處理技術(shù)改善體積穩(wěn)定性，以提高其用于水泥砂漿或混凝土的綜合性能.