風碎渣用于生態護坡磚制備的試驗研究

桂滿城,饒 磊,李幫平,劉自民,張耀輝,馬孟臣

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術中心，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

2018年中國粗鋼產量9億噸左右，冶煉產生的鋼渣約1億噸。目前，鋼渣處理方式主要有熱悶法、滾筒法、風碎法和熱潑法等[1-5]，鋼渣尾渣的主要利用途徑有制備鋼渣微粉、鋼渣混凝土、噴砂磨料及微晶玻璃等[6-14]。盡快利用途徑較多，但利用總量有限，目前仍有數億噸的鋼渣沒有得到利用。

隨著國家對自然資源保護力度加大，天然砂石資源禁采限采，導致水利工程所需的塊石、碎石及砂子原料供應緊張，因此，尋找替代材料是解決問題的關鍵。

鋼渣混凝土類制品具備工程特性良好，承載力大、堅固性好、耐冰凍體積穩定性強、耐磨性好等優點，同時，鋼渣中還含有磷、鎂等對植物有營養作用的元素，可以植生草木，因此，鋼渣用作護坡材料骨料可形成生態護岸，鋼渣替代砂石作為骨料使用，還可減少天然砂石資源消耗，目前的行業標準《港口及航道護岸工程設計與施工規范》(JTJ 300—2000)中要求護岸材料強度等級≥C20，抗凍等級≥F150。

鋼渣風碎法處理得到的風碎渣呈球狀，粒度分布較均勻，硬度高，適合用于混凝土材料的骨料。本文主要利用風碎渣代替碎石制備生態護坡磚材料，并討論風碎渣對護坡磚材料性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

鋼渣選用存放一個月以上的風碎渣，水泥采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥。風碎渣的主要化學成分詳見表1，粗細骨料的粒度分布詳見表2和表3。

表1 風碎渣的主要化學成分

表2 細骨料的粒度分布

表3 粗骨料的粒度分布

1.2 試驗方法

試樣制備以JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》為依據，設計C20強度等級的混凝土。試驗原料的配合比見表4。

表4 試驗原料配比

利用風碎渣制備的試樣力學性能按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行檢測。

試樣的凍融實驗是根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2009)執行的，試驗采用快凍法。

試樣壓蒸安定性試驗的壓力為1 MPa，溫度179.9 ℃，時間4 h。

原料的pH值測定分別取原料風碎渣和水泥各10 g，加入100 mL水中浸泡，試樣的pH值測定取試樣約4 kg，加入1 300 mL水中浸泡，每隔一段時間，采用精密pH計對水質pH值進行測試。

試樣的有害元素分析檢測執行的標準為《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)。

2 試驗結果及分析

2.1 風碎渣的結構分析

采用SEM-EDS對風碎渣微觀形貌進行分析，結果如圖1所示。

圖1 風碎渣的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of air-granulated slag

1—Ca(OH)2，2—Ca2SiO4，3—Ca3SiO4，4—Ca2Fe2O5，5—CaCO3，6—RO圖2 不同批次的風碎渣XRD分析Fig.2 XRD analysis of different batches of air-granulated slag

圖1(a)是粒徑2.5 mm的風碎渣顆粒全貌顯微圖片。由圖可見，風碎渣單個顆粒呈圓形，且顆粒中間有裂紋出現。這是因為風碎渣是在高溫下由高壓氣體急速冷卻形成的，因此急冷產生的內在應力導致了裂紋的出現。圖1(b)是放大1 000倍后的風碎渣顯微形貌，結合圖2可知，A為硅酸二鈣，B為硅酸三鈣，C為RO相(FeO、MgO和MnO生成的固溶體)，D為MgO為主的方鎂石，E為鐵酸二鈣。

2.2 試樣抗壓強度分析

試樣養護至一定齡期后，進行3天、28天抗壓強度測試，結果見表5。

從表5可以看出，試樣的3天和28天抗壓強度隨風碎渣含量的增大而逐漸增大。但是，當風碎渣含量達到47%時，試樣無法脫模。添加改性劑后，試樣強度持續增大，28天強度達到40.89 MPa。

表5 試樣3天和28天抗壓強度

試樣的抗壓強度隨風碎渣含量的升高而逐漸升高的原因主要是風碎渣具有一定的水化活性，硬度大、抗磨、吸水率低，且其呈球形可以改善干硬性混凝土拌合物的流動性，試件成型后的密實度大，有助于混凝土強度的增長。同時由于風碎渣顆粒大多呈球形，表面較為光滑，與其他骨料之間的咬合以及與水泥之間的粘結性較差。因此，風碎渣作為骨料替代碎石，當替代量小于85%時(即風碎渣含量40%)，其咬合與粘結性差的影響較小，而對強度有利的因素占主導，因此試樣強度隨風碎渣含量的升高而升高。但是，當替代量達到100%時(即風碎渣含量47%)，其咬合與粘結性差的缺點就突顯出來，導致生坯強度低。因此，當風碎渣直接替代碎石時，其最佳替代量為85%，即風碎渣含量40%。

試樣的強度變化也可從圖3試樣28天的斷面結構可知，斷面中圓形黑色顆粒即為風碎渣，1#～4#試樣致密度逐漸提高，4#試樣最致密，強度最高。

圖3 試樣斷面結構(從左往右依次是1#、2#、3#、4#試樣)Fig.3 Section structures of samples(1#、2#、3#、4# from left to right in order)

2.3 試樣凍融試驗分析

試樣凍融循環150次的質量損失率及相對動彈性模量下降率見表6，變化趨勢見圖4。

表6 樣品凍融循環150次后的變化

圖4 試樣凍融循環150次后質量損失率和相對動彈性模量下降率趨勢Fig.4 The mass loss ratio and decreasing trend of relative dynamic modulus of elasticity after 150 freeze-thaw cycles

混凝土試樣發生凍融破壞，主要是由于混凝土內部孔隙中的水在負溫下結冰后體積膨脹造成的靜水壓力和因為冰水壓力差推動未凍水向凍結區遷移造成的結果[15]，當添加風碎渣替代碎石時，風碎渣與水泥及其他骨料間結合更加致密，孔隙率低，凍融試驗時造成的體積膨脹較小。

綜上，試樣經過150次凍融循環后，其質量損失均小于5%，相對動彈性模量下降率均不高于40%，外觀亦無明顯變化。根據標準要求，試樣抗凍等級達到F150。

2.4 壓蒸實驗

風碎渣在急劇冷卻過程中氧化鈣及氧化鎂部分與水反應形成穩定態，部分固溶進硅酸二鈣、硅酸三鈣等相中形成穩定的固溶體，因此自由存在的氧化鈣及氧化鎂含量較低，壓蒸試驗幾乎不產生膨脹。

壓蒸試驗后的試樣，外觀無破損，與壓蒸前的外觀相比基本無變化。因此可以認為：風碎渣代替碎石制備的護坡磚壓蒸安定性合格。

2.5 試樣對生態水質影響分析

2.5.1 原材料及試樣的pH分析

護坡磚試樣及其原料在水中浸泡對水質pH的影響隨時間的變化趨勢如圖5所示。

圖5 原料及試樣水溶液pH隨時間變化曲線Fig.5 pH curve of raw material and sample solution with time

由圖5可見，風碎渣作為原料而言，其本身與同作為原料的水泥相比，對水體的pH值影響較弱。風碎渣制備護坡磚后，含風碎渣30%試樣水體的pH值略低于不含風碎渣試樣的，對水體的pH值影響較弱。

2.5.2 試樣的有害元素分析

試樣的有害元素檢測結果見表7。

表7 鋼渣護坡試樣浸出毒性檢測結果

從風碎渣的理化特性來看，風碎渣重金屬含量較低，且易形成固溶體，因此浸出試驗時重金屬元素不易析出，對水質無影響。

由表7可以看出，試樣的浸出毒性符合《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)的要求。

3 結論

利用風碎渣替代碎石制備生態護坡磚材料，風碎渣替代量不高于46%的條件下制備的試樣各項性能符合行業標準要求(強度等級≥C20，抗凍等級≥F150)，研究表明：

(1)制備的試樣強度較未添加風碎渣的試樣高，且試樣的強度隨風碎渣替代量的增加而逐漸提高。風碎渣含量為40%時，試樣的3天和28天抗壓強度分別為31.03 MPa和8.83 MPa。

(2)制備的試樣抗凍融等級達到F150，壓蒸安定性合格。

(3)制備的試樣及其原料對水體的pH值影響較弱，試樣的浸出毒性符合《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)的要求。