路用鋼渣陳化處理及其性能研究

趙 華

(扶綏縣公路發(fā)展中心，廣西 崇左 532299)

0 引言

早在20世紀，很多發(fā)達國家的鋼渣利用率就超過了85%，在日本，鋼渣利用率更是接近100%，而我國作為世界最大的鋼鐵生產及消費國，截至目前鋼渣利用率仍不足20%，為了提高鋼渣的利用率，近年來不少學者及單位都進行了研究。

1995—1998年，首鋼研究與開發(fā)公司聯(lián)合北京市市政工程研究院，將鋼渣用于道路基層，結果表明試驗路段路面基本平整，無車轍及因基層引起的爆裂[2]；2000年，方衛(wèi)民等將鋼渣用于京滬高速鐵路徐滬段的不良地基處理，提高了路基土的強度[3]；2004年，陶海生將鋼渣用于二灰鋼渣基層，研究了其早期強度[4]；2007年，許剛對轉爐鋼渣對海洋微藻生長、海水水質及海洋生物的影響進行了研究[5]；同年，張澎等研究發(fā)現鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石的干縮有一定的抑制作用[6]；2011年，郭鵬等用轉爐鋼渣研制了鋼渣混凝土滲水道路面層材料[7]；2015年，李蘭蘭研究了尾礦、鋼渣制蒸壓磚的工藝條件和養(yǎng)護制度；同年，孫朋等用不同粒度顆粒與添加造孔劑制備鋼渣多孔陶瓷吸聲材料[8]；2016年，逄博研究了以碳化鋼渣為骨料的混凝土的性能，發(fā)現碳化鋼渣作為骨料可顯著提高混凝土力學性能[1]；同年，汪亞偉以尾渣代替部分石灰和水泥制備蒸壓加氣混凝土砌塊，研究了配合比、原料細度和蒸壓過程中的主要產物對砌塊性能的影響[9]；同年，侯克偉研究了鋼渣改性及其對水泥基材料性能的影響[10]；2017年，王皓研究了鋼渣、粉煤灰等多種工業(yè)固體廢棄物復配纖維化熱熔特性[11]；同年，李晉巖提出采用選擇性富集與相分離的方法來分離鋼渣中的磷酸鹽[12]。綜上所述，鋼渣在建筑、海洋、土木工程等多個領域均有所應用，而在土木工程領域的應用占據了主導地位。

鋼渣經高溫過燒后含有一定的游離氧化鈣f-CaO與游離氧化鎂f-MgO，遇水緩慢膨脹，給鋼渣帶來體積不安定性[13-14]，并且由于各地煉鋼采用的礦石來源、鋼渣處理工藝不同，鋼渣帶有明顯的區(qū)域性特點，這些都是制約鋼渣推廣應用的重要原因。鑒于此，本文對防城港區(qū)域的鋼渣礦物成分、毛體積密度以及壓碎值、針片狀顆粒含量等規(guī)范要求指標進行試驗研究，同時對影響鋼渣穩(wěn)定性的游離氧化鈣含量、蒸壓粉化率、浸水膨脹率等指標進行分析研究，提出將鋼渣應用于道路的基層中的建議，以期促進鋼渣的利用。

1 原材料及試驗方案

本研究主要的原材料為鋼渣和石灰?guī)r碎石，其中鋼渣來源于防城港某鋼鐵廠，石灰?guī)r來源于防城港茅嶺鎮(zhèn)某料場。

為研究陳化處理對鋼渣礦物組成、物理力學指標以及體積穩(wěn)定性的影響作用，本研究主要以陳化時間和陳化方法為變量，測試不同陳化處理后鋼渣的上述技術性能，為推動鋼渣在路面基層中的應用提供指導。

2 陳化處理對鋼渣礦物組成的影響

因煉鋼爐型、鋼種以及每爐鋼在冶煉階段的不同導致鋼渣中的各種物質成分有所波動，防城港地區(qū)鋼渣的化學成分主要由CaO、TFe(包括Fe2O3、FeO、少量Fe等)、SiO2、MgO、MnO、Al2O3，以及少量K2O、TiO2、Na2O、P、Cu、Zn、Ni等組成，如表1所示。

表1 鋼渣化學成分分析結果表(%)

經過1 000 ℃～1 100 ℃燒成的生石灰中的CaO是一種多孔結構的細小晶粒，內表面積大，水化能力極強。而經過1 500 ℃以上高溫產生的鋼渣中f-CaO(游離氧化鈣)結構致密晶粒大，晶格較緊密，水化反應極慢，在水泥中水化時仍在發(fā)生膨脹[15]。

為了研究鋼渣中f-CaO含量隨時間變化的情況，按《鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法》(YB/T 4328-2012)中測定f-CaO的方法，對鋼渣中f-CaO的含量進行12個月的連續(xù)測定。將同一批鋼渣存放在兩個料池中，兩個料池均放在露天自然環(huán)境中，對其中一個料池每天澆水一次，每次澆水保證均勻，直至有大量水從料池泄水孔溢出。對比分析澆水陳化與自然陳化兩種方法對f-CaO含量的影響，測定結果如表2所示。

表2 不同陳化處理鋼渣的游離氧化鈣含量試驗結果表

由表2可知，新鋼渣(陳化0個月)f-CaO含量最高為5.78%，隨著陳化時間的增長，f-CaO含量有所降低，但并沒有逐月降低，而是呈現出波動降低的趨勢。陳化12個月的鋼渣f-CaO含量比陳化3個月和陳化6個月的鋼渣均有所增加。這些結果說明，鋼渣中f-CaO的分布不均勻，導致f-CaO含量測定結果波動較大。同時，《鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法》中要求取樣5 kg鋼渣，將其磨細成用于游離總鈣含量滴定和Ca(OH)2含量熱重分析的鋼渣粉約1 g，這1 g鋼渣粉的測定結果顯然不足以代表整個料場的鋼渣f-CaO含量，因此工程實踐中應增加取樣及試驗次數(建議3次及以上)，以多次測定結果的均值代表料場鋼渣的f-CaO含量。

另對比澆水陳化和自然陳化兩種方法處理下的鋼渣f-CaO含量測定結果，澆水陳化3個月和12個月的鋼渣中f-CaO含量反而比自然陳化鋼渣大，澆水陳化6個月鋼渣中f-CaO含量僅比自然陳化鋼渣小0.6%，說明澆水陳化方法對鋼渣中f-CaO含量的影響不大，因此鋼渣出廠后并不需要進行澆水處理。

3 陳化處理對鋼渣物理力學指標的影響

3.1 鋼渣物理力學指標研究

根據《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)等規(guī)范對路面基層集料的要求，對新鋼渣和陳化3個月鋼渣的壓碎值、針片狀顆粒含量、軟石含量、塑性指數等指標進行測定，結果如表3所示。

表3 不同陳化鋼渣物理力學指標試驗結果表

由表3可知，表中6項指標均能夠滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20)的相關要求。經過3個月的陳化，鋼渣的針片狀顆粒含量、有機質含量、硫酸鹽含量3項指標均無明顯的變化，壓碎值、軟石含量、塑性指數3項指標有所增大，但也滿足規(guī)范要求。

3.2 鋼渣密度特性研究

為了解鋼渣的密度特性，本文以石灰?guī)r碎石為對比，按照《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG E41-2005)中的試驗來分別測試了鋼渣和石灰?guī)r碎石的毛體積密度。試驗選取4.75～31.5 mm的石灰?guī)r碎石和鋼渣碎石來進行試驗。對于表面多孔鋼渣，用凡士林將其表面空隙封閉，并用干毛巾擦除多余的凡士林，試驗結果如表4所示。

表4 鋼渣和石灰?guī)r碎石的毛體積密度試驗結果表

由表4可知，鋼渣密度均值是2.9 t/m3，石灰?guī)r密度均值是2.57 t/m3，因此在同等體積下，鋼渣的質量比石灰?guī)r約大12.84%。由于道路基層混合料的級配設計理論采用的是體積法，因此用鋼渣替換碎石時，應進行同體積替換，即鋼渣的質量用量要比石灰?guī)r約大12.84%才能保證做到同體積替換。

4 陳化處理對鋼渣體積穩(wěn)定性的影響

4.1 鋼渣浸水膨脹率研究

為研究鋼渣混合料的穩(wěn)定性，按《鋼渣穩(wěn)定性檢測方法》(GB/T 24175-2009)，對鋼渣摻量為100%和80%的陳化0個月和陳化3個月鋼渣石灰?guī)r碎石混合料進行浸水膨脹率試驗，結果如表5及圖1所示。

表5 不同陳化時間鋼渣膨脹率試驗結果表

圖1 鋼渣膨脹量變化曲線圖

由表5可知，新鋼渣膨脹率為4.2%，經過3個月的陳化后，鋼渣的膨脹率明顯下降，但仍然>2.0%，添加20%碎石后鋼渣膨脹率降至0.6%，降低了76.6%，因此用添加碎石的方法可有效降低鋼渣混合料的膨脹率。但由表4分析得知鋼渣中f-CaO的分布不均勻，為降低鋼渣應用的風險，建議陳化時間較短的鋼渣使用率不超過60%。

由圖1可知，新鋼渣膨脹量增長速率較快，且至11 d膨脹量增長還沒有明顯減小的趨勢，因此新鋼渣體積穩(wěn)定性較差；陳化3個月的鋼渣，膨脹量在前2 d增長最快，之后膨脹量逐天減小，7 d后膨脹量增長曲線的斜率接近水平，膨脹量為2.57%，試件體積趨于穩(wěn)定；陳化3個月的鋼渣添加20%碎石后，膨脹量進一步減小，膨脹量的增長率從1 d開始就較為緩和，說明添加碎石后混合料的體積穩(wěn)定性有了改善。

4.2 鋼渣蒸壓粉化率研究

鋼渣顆粒的穩(wěn)定性對混合料的級配有一定影響，為了研究鋼渣顆粒的穩(wěn)定性，按《鋼渣穩(wěn)定性監(jiān)測方法》(GBT 24175-2009)，對新鋼渣、澆水陳化5個月鋼渣以及自然陳化5個月鋼渣進行蒸壓粉化率試驗，結果如表6所示。

表6 不同陳化時間和方法下鋼渣蒸壓粉化率試驗結果表

由表6可知，鋼渣的蒸壓粉化率隨陳化時間的加長而下降，說明陳化時間加長有利于鋼渣的穩(wěn)定，但澆水陳化5個月鋼渣的粉化率比自然陳化5個月的大，說明澆水陳化處理對鋼渣穩(wěn)定性改善影響不大。由于隨著鋼渣的陳化，部分鋼渣顆粒會崩解為更小粒徑的鋼渣，即出現粉化，因此在鋼渣應用過程中建議采用粒徑較小的鋼渣，以減少鋼渣粉化對混合料骨架結構的影響。

5 結語

通過上述試驗研究，可以得出以下結論：

(1)鋼渣中f-CaO的分布不均勻，工程實踐中建議增加取樣及試驗次數(建議3次及以上)，以多次測定結果的均值代表料場鋼渣的f-CaO含量。

(2)本文試驗所取鋼渣的各項性能指標基本能夠滿足原料作為基層、底基層集料的要求，但鋼渣穩(wěn)定性較差，使用時應加以驗證。

(3)同等體積下，鋼渣的質量比石灰?guī)r約大12.84%，為保證設計級配不變，用鋼渣替換碎石時，應同體積替換，建議鋼渣的質量用量要比石灰?guī)r大12.84%。

(4)陳化時間加長有利于鋼渣的穩(wěn)定及f-CaO含量的降低，澆水陳化方法對鋼渣中f-CaO含量及鋼渣穩(wěn)定性的影響不大，因此鋼渣出廠后并不需要澆水處理。

(5)添加碎石可有效降低鋼渣混合料的膨脹率，建議陳化時間較短的鋼渣使用率≤60%。