精煉鋼渣水泥穩(wěn)定混合料性能室內(nèi)試驗(yàn)研究

張潔, 楊義， 龍澄

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004;2.廣西魚峰集團(tuán)有限公司， 廣西 柳州 545000)

鋼渣是鋼鐵冶煉過程中生成的固體殘?jiān)渲泻蓄愃朴谑一蛩嗷钚缘腃2S、C3S、C3A和C4AF等液壓材料，被認(rèn)為是一種潛在的道路建筑類材料黏合劑。日本某公司采用處理后的鋼渣作為路面材料，室內(nèi)試驗(yàn)、廠內(nèi)道路試驗(yàn)結(jié)果顯示路面平整、無膨脹。2002年，武漢鋼鐵集團(tuán)冶金渣有限責(zé)任公司在廠區(qū)內(nèi)道路進(jìn)行試驗(yàn)段鋪砌，反饋結(jié)果顯示路面表層基本保持平整，結(jié)構(gòu)深度好，顆粒均勻，無鼓拱、裂縫等缺陷，具有良好的路用性能。然而鋼渣作為道路材料在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些危害，如鋼渣的化學(xué)成分較復(fù)雜，包含易膨脹的f—CaO和f—MgO，在潮濕環(huán)境中f—CaO和f—MgO的水化作用會引起道路膨脹和開裂，導(dǎo)致體積不穩(wěn)定；同時鋼渣的pH值很高，可能含有有害的重金屬物質(zhì)，可能造成周邊環(huán)境污染。該文以廣西北海誠德不銹鋼廠的精煉鋼渣代替砂、石等天然材料應(yīng)用于路面基層水泥穩(wěn)定類材料中，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析其性能及用于道路工程的可行性。

1 試驗(yàn)原材料的物理化學(xué)性能

1.1 鋼渣的來源

取廣西北海誠德不銹鋼廠兩處廢棄鋼渣屯放點(diǎn)的鋼渣樣本，分別為A組、B組；取新產(chǎn)精煉鋼渣樣本，為C組(見圖1)。新產(chǎn)鋼渣為灰咖色，自然風(fēng)干后外觀呈灰白色。它是高爐爐渣經(jīng)水冷卻后的產(chǎn)物，由工廠統(tǒng)一生產(chǎn)、統(tǒng)一冷卻，無其他雜質(zhì)，有害雜質(zhì)較少。依據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》采用容量瓶法分別測定A、B、C 3組鋼渣的表觀密度，分別為2.32、2.64、2.88 g/cm3。

圖1 鋼渣北海取樣點(diǎn)

1.2 鋼渣的化學(xué)成分分析

1.2.1 化學(xué)成分

如表1所示，鋼渣的主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5。相對而言，這次試驗(yàn)所用鋼渣樣本的Fe2O3含量較低，分別為0.33%、0.20%、0.095%，而Al2O3、SiO2成分的比例均較高，SiO2、Al2O3后期易形成硅酸三鈣及活性礦物鋁酸鈣。3組鋼渣樣本中CaO含量分別高達(dá)52.52%、56.34%、57.54%，鋼渣成分中CaO含量越高，堿度越大。A、B、C 3 組試樣鋼渣的堿度分別為 2.214、2.314、2.32，屬于中堿度鋼渣，其活性在一定堿性環(huán)境中可被激發(fā)，能顯著加速鋼渣水化硬化，增強(qiáng)鋼渣在公路路基中的利用率。

表1 鋼渣的化學(xué)成分分析

1.2.2 X射線衍射

在道路工程建設(shè)中，鋼渣中的硫化亞鐵、硫化錳與水結(jié)合，會生成氫氧化亞鐵和氫氧化錳，其能分解硫化物，引起顆粒粉碎導(dǎo)致體積膨脹，故鋼渣中硫、錳、鈦等化合物的含量不應(yīng)超過規(guī)定值。鋼渣的質(zhì)量系數(shù)應(yīng)超過1.2，即：

(1)

樣品鋼渣的X射線衍射測試結(jié)果見圖2。經(jīng)測試，樣品鋼渣的主要礦物成分是CaSi2O4、CaF2，沒有Mn、Ti、S、SO3等元素。經(jīng)式(1)計(jì)算，樣品鋼渣A、B、C組的質(zhì)量系數(shù)分別為2.1、2.49、2.53，均大于1.2，滿足要求。

圖2 鋼渣X射線衍射測試結(jié)果

1.3 鋼渣的物理性質(zhì)

按照J(rèn)TG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》，對3組鋼渣樣品進(jìn)行篩分，結(jié)果見表2。

由表2可知：鋼渣天然顆粒粒徑及顆粒組成絕大部分在2.36～0.075 mm，顆粒細(xì)膩，分布均勻。在水化反應(yīng)中，鋼渣顆粒能與水的各方面接觸從而加速反應(yīng)，提高材料的膠凝活性，有利于水泥穩(wěn)定鋼渣混合料的壓實(shí)和強(qiáng)度的形成。

表2 鋼渣的篩分結(jié)果

按JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》測定A、B、C組鋼渣的天然含水率，然后按JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行液限、塑限試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知：屯放的鋼渣含水率較高，而新產(chǎn)的鋼渣含水率較低，但整體含水率偏高；3組鋼渣的液限、塑限指標(biāo)基本無差異，塑性指數(shù)均小于12，符合規(guī)范要求。

表3 鋼渣土的液、塑限試驗(yàn)結(jié)果

1.4 鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)

f—CaO含量是影響鋼渣穩(wěn)定性的重要因素。依據(jù)CJJ 35-90《鋼渣石灰類道路基層施工及驗(yàn)收規(guī)范》，鋼渣材料f—CaO的含量應(yīng)小于3%。將f—CaO含量超過3%的鋼渣應(yīng)用于道路工程，可能導(dǎo)致路面或路基頂包開裂，導(dǎo)致道路耐久性差。因此，在鋼渣應(yīng)用之前，依據(jù)YB/T 4382-2012《鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法》測定其f—CaO、f—MgO含量。再依據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)，初步分析鋼渣混合料用于道路工程的可行性。穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 鋼渣的穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知：f—CaO和f—MgO的含量遠(yuǎn)低于3%；鋼渣材料的自由膨脹率<40%，具有弱膨脹性。表明鋼渣具有較好的穩(wěn)定性，初步確定其應(yīng)用于道路工程可行。

1.5 鋼渣的有害物質(zhì)分析

鋼渣成分復(fù)雜，除一些氧化物外，還含有有害重金屬物質(zhì)。在道路工程中，經(jīng)雨水沖刷和浸泡，鋼渣材料中的重金屬物質(zhì)會析出，污染土壤及地下水資源，而且可能通過消化道和皮膚進(jìn)入人體。因此，將其應(yīng)用于公路工程時，根據(jù)CJJ 35-90《鋼渣石灰類道路基層施工及驗(yàn)收規(guī)范》測試其重金屬含量，結(jié)果見表5。

表5 鋼渣中重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果 mg/L

由表5可知：在純水浸出條件下，鋼渣中僅檢測到鉻金屬析出，低于污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)值；其他重金屬遠(yuǎn)低于綜合排放標(biāo)準(zhǔn)值。

2 水穩(wěn)鋼渣配合比設(shè)計(jì)及力學(xué)性能研究

綜上，3組鋼渣材料差異不大，可作為一類材料。為進(jìn)一步檢驗(yàn)鋼渣應(yīng)用于道路工程的適用性，將水泥摻量為3%、5%、8%、10%、14%的鋼渣混合料制成試塊，進(jìn)行7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直接彎拉強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證其彎拉強(qiáng)度，然后進(jìn)行干縮試驗(yàn)測試其穩(wěn)定性。

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

依據(jù)JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》，選取0～4.75 mm粒徑鋼渣，按一定比例摻合形成鋼渣混合料，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

圖3 鋼渣混合料的含水率-干密度曲線

由圖3可知：鋼渣混合料的干密度曲線呈拋物線形，最大干密度為1.632 g/cm3，最佳含水率為21.8%。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》，對不同水泥摻量的鋼渣混合料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(見圖4)，測試其7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表6、圖5。

圖4 7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試

表6 不同配比下鋼渣混合料的抗壓強(qiáng)度

圖5 不同配比下鋼渣混合料的抗壓強(qiáng)度

鋼渣中CaO和MgO的活性成分很高，而且鋼渣的表面積小于水泥顆粒，可較好地填充水泥和鋼渣顆粒中孔隙，起到微集料填充的作用，改變水泥砂漿機(jī)體的孔隙結(jié)構(gòu)，使試件結(jié)構(gòu)更緊密，強(qiáng)度也隨著增強(qiáng)。隨著水泥用量的增加，鋼渣強(qiáng)度也遞增。水泥摻量為5%以上的鋼渣水泥穩(wěn)定混合料基本滿足二級及二級以下公路的要求。14%水泥摻量下鋼渣試件強(qiáng)度高達(dá)7.20 MPa，達(dá)到極重、特重交通標(biāo)準(zhǔn)要求，且后期強(qiáng)度呈線性增加(見表7)。

表7 水泥穩(wěn)定材料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) MPa

2.3 強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)

參照J(rèn)TG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》，對水泥摻量為14%的鋼渣混合料在28、90 d齡期進(jìn)行劈裂強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)(見圖6)，進(jìn)一步探究鋼渣混合料的抗彎拉性能，結(jié)果見表8。

圖6 28、90 d直接彎拉、間接彎拉強(qiáng)度測試

表8 4#配比鋼渣混合料的彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：隨著齡期的增長，水泥穩(wěn)定鋼渣的彎拉強(qiáng)度變大，間接抗拉強(qiáng)度達(dá)到0.75 MPa，直接彎拉強(qiáng)度達(dá)到1.14 MPa，滿足路面基層設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

2.4 干縮試驗(yàn)

參照J(rèn)TG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》，制作50 mm×50 mm×200 mm鋼渣水泥穩(wěn)定混合料試件，水泥摻量為8%、14%。對試件進(jìn)行干縮試驗(yàn)(見圖7)，測試不同時間下試件的干縮量，結(jié)果見圖8。

圖7 鋼渣水泥穩(wěn)定混合料干縮試驗(yàn)

圖8 鋼渣水泥穩(wěn)定混合料的干縮變化趨勢

由圖8可知：以向上為收縮，水泥摻量越高收縮越大。因鋼渣中含有微量遇水膨脹的礦物成分，這些礦物成分在水泥硬化后繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，使鋼渣水泥穩(wěn)定試塊體積增大，能在一定程度上抑制水泥砂漿試件的干縮，故兩組試件基本呈微收縮狀況。

3 結(jié)論

(1) 鋼渣材料的主要成分為CaO，活性較高，屬于中堿度鋼渣，與硅酸鹽相似，具有一定的凝膠性。鋼渣粒徑主要為0.075～2.36 mm，呈粉狀。鋼渣的初始含水率較高，而含水率對鋼渣水穩(wěn)材料強(qiáng)度的影響較大，路基鋪筑時應(yīng)嚴(yán)格控制鋼渣的含水率。

(2) 鋼渣中f—CaO、f—MgO含量遠(yuǎn)低于規(guī)范3%的要求，且鋼渣自由膨脹率小于40%，具弱膨脹性，說明其具有一定的穩(wěn)定性。重金屬析出物僅檢測到微量鉻金屬，且其含量遠(yuǎn)低于污水排放標(biāo)準(zhǔn)，可用于道路工程。

(3) 不同水泥摻量鋼渣水泥穩(wěn)定混合料中鋼渣顆粒細(xì)膩且分布均勻，鋼渣水泥穩(wěn)定混合料整體強(qiáng)度較高。隨著水泥摻量的增加抗壓強(qiáng)度呈線性增長，5%以上水泥摻量鋼渣水泥穩(wěn)定混合料可達(dá)到二級及二級以下公路的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4) 14%水泥摻量鋼渣水泥穩(wěn)定混合料的彎拉強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；隨著齡期的延長，8%、14%水泥摻量鋼渣水泥穩(wěn)定混合料的干縮量呈上升趨勢，但整體偏小。

(5) 鋼渣代替砂石應(yīng)用于路面基層水泥穩(wěn)定材料可行。