基于預處理的鋼渣膨脹性抑制措施及其機理研究

支鵬飛，馬紅梅，何政文

(1.甘肅省交通科學研究院集團有限公司,甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省道路材料工程實驗室,甘肅 蘭州 730030；3.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

鋼渣作為煉鋼過程的主要副產物之一，其產量隨著工業的快速發展而迅速遞增，但對鋼渣的有效利用率仍不到50%，綜合利用現狀與規劃相差甚遠。絕大部分鋼渣被當作固體廢棄物直接丟棄，使得大量的鋼渣堆占土地，這不僅導致大片土地被鋼渣占據，同時還對自然生態環境造成了嚴重的污染[1]。此外，近幾十年來我國大興建設，大量地開采石料，過程中生態環境被破壞、資源枯竭、人員傷亡等頻有發生，且目前仍有大量的公路工程在規劃中，這也使得對天然碎石需求量依舊很大。若將鋼渣進行回收重新利用，將有效減少工程建設對石料的依賴，同時也能保護生態不至于被破壞，還可以解決石料資源短缺和分布不均的難題。近年來，國內外研究者將鋼渣應用于道路工程并做了大量的研究，也鋪筑了小規模的試驗段，但并未大規模推廣應用，其主要歸因于鋼渣的體積安定性[2-5]。目前對于鋼渣陳化方式的研究主要針對鋼渣中的膨脹性組分及其抑制和轉化，大量研究人員認為鋼渣中含有大量的f-CaO，并且其也是造成鋼渣在使用過程中產生膨脹的主要原因之一[6]。Juckes和Goldring[7-8]等通過研究MgO對鋼渣穩定性的影響時發現，當MgO以游離態的形式存在于鋼渣中時會導致鋼渣體積安定性不良，其膨脹率能夠達到1.5倍左右[9-10]，而且在應用中會存在很長的潛伏期，有時潛伏期甚至能夠達到20 a之久，因此游離態的形式才是造成后期膨脹的主要原因。

采用浸水方式能夠實現抑制鋼渣膨脹的目的，其主要是將鋼渣中存在膨脹性組分通過化學反應進行消解，進而降低鋼渣在應用中的體積膨脹，常見的陳化方式有溫水陳化、蒸汽陳化和蒸汽加壓陳化3種方式。國內陳宗武[11-12]等人在60 ℃條件下對鋼渣進行浸水陳化，發現當陳化時間達到60 d時，鋼渣中膨脹組分基本完全消解。NKK鋼鐵公司[13]在500 ℃條件下通過蒸養的方式陳化鋼渣2 h后，其中游離態CaO和MgO能夠較快地被消解，應用中潛在膨脹性的危害能夠在一定程度上被消除，同時提出此種條件下陳化效果能夠媲美自然陳化一年的效果。此外，粉煤灰、硅灰等硅質材料也可用于抑制f-CaO導致的膨脹，通過研究發現鋼渣水化后能夠生成堿性鈣離子，其能夠與硅質材料中的硅酸根離子發生反應，生成C-S-H凝膠，在一定程度上消除潛在膨脹[14-16]。表面改性技術目前在抑制鋼渣膨脹性方面研究很少，但該技術在其他材料中的應用證明了其潛力，近些年來，該方式才逐漸開始進入人們視野。

綜上可知，鋼渣體積穩定是鋼渣在道路工程中應用研究的熱點，但目前對預處理方法的研究還夠深入。大多學者集中于宏觀體積膨脹性的研究，很少從微觀角度出發，從組分的變化來詮釋水浴降低鋼渣膨脹性機理；對硅質改質劑的研究僅限于宏觀性能，也很少從微觀角度出發，深入研究鈣質劑對鋼渣體積膨脹性的影響機理；此外對表面改性也有待于進一步研究。因而深入研究鋼渣的預處理措施，為改善鋼渣體積穩定性質量提供理論依據和實踐指導具有現實意義。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

1.1.1 粉煤灰

本研究所采用的粉煤灰源于蘭州市西固電廠，其中0.03 mm通過率為99%,0.075 mm的通過率為85%，表觀密度為2.32 g/cm3，其主要成分和性能分別見表1和表2。

表1 粉煤灰化學成分(單位:%)Tab.1 Chemical composition of fly ash(unit:%)

表2 粉煤灰物理性能Tab.2 Physical properties of fly ash

1.1.2 鋼渣

鋼渣的物理性質如表3所示，鋼渣的表觀密度約為3.5 g/cm3，比玄武巖和石灰巖高出0.2倍，且鋼渣的吸水率相比要高出約1%，主要由于鋼渣自身的表面孔隙較大，導致鋼渣在對吸水率有嚴格要求的地區并不適用。此外，通過對比磨光值、壓碎值和洛杉磯磨耗值等指標，發現在強度方面鋼渣要優于碎石，說明鋼渣擁有代替石料的潛質。

表3 鋼渣的集料性質Tab.3 Aggregate properties of steel slag

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案

為了研究鋼渣膨脹性的高效快速抑制方法，并進行推廣應用，對以下幾種預處理方法進行研究，分別為常溫及高溫浸水、摻加粉煤灰、水與粉煤灰耦合處理、表面改性處理，對各條件下預處理后的鋼渣均進行浸水膨脹率和SEM試驗。

1.2.2 浸水膨脹率

鋼渣的殘余體積膨脹率采用浸水膨脹試驗來測定[17]。采用31.5，26.5，13.2，4.75，2.36，0.3 mm及0.075 mm的方孔篩對鋼渣進行斷檔篩分，在按照所得到的級配斷檔篩分曲線基礎上，調整至滿足規范。利用重型擊實儀，測定鋼渣的最大干密度和最佳含水率，并按照最佳含水率成型試件，而后將成型好的試件放入90 ℃條件下的恒溫水浴中，使之被水完全浸沒。此外，為了減小水分的過快蒸發，水浴箱應配置蓋子。而后記錄百分表初始讀數d0，然后將水溫調至(90±3) ℃并保持6 h，最后關閉開關，使其自然冷卻，這樣便完成一次循環。每一次加熱前和冷卻后均記錄相應百分表的數值，重復循環10 d后結束試驗。按式(1)計算浸水膨脹率：

(1)

式中，γ為浸水膨脹率終值；d10為百分表第10 d讀數；d0為百分表初始讀數。

1.2.3 掃描電子顯微鏡(SEM)

本研究首先選取粒徑尺寸為5 mm的鋼渣和鋼渣陳化后的顆粒，將其固定于掃描電子顯微鏡的銅質樣品座上，鍍金后對其微觀形貌進行觀察。其主要原理[18]是通過二次電子信號的成像圖來觀測微觀顆粒的形態，通過電子束與樣品作用時產生不同的效應，將得到的不同信號傳至顯像管并得到其微觀形貌圖像。

2 試驗結果與分析

2.1 浸水預處理鋼渣研究

2.1.1 不同試驗溫度和時間對鋼渣浸水膨脹性的影響

以浸水膨脹率為評價指標，分別測試了鋼渣在常溫和60，90 ℃ 3個溫度條件下于3，7，14，28 d不同浸水時間下對應的膨脹率，試驗結果如圖1所示。可知，當鋼渣的浸水陳化溫度提高時，對應鋼渣膨脹率逐漸降低，且降低幅度逐漸增大。其中常溫條件下鋼渣浸水陳化的效果最差，陳化28 d后膨脹率僅降低24%；60 ℃條件下陳化效果相對于常溫條件可提高一倍，陳化7 d膨脹率便可降低25%，抑制效果同常溫條件下陳化28 d后的效果相當，當陳化15 d后，膨脹率能夠降至38%左右；當陳化溫度達到90 ℃時，其對鋼渣膨脹性的抑制效果最為顯著，當陳化7 d后，膨脹率便可降低60%。綜上所述，相比于陳化時間，陳化溫度對膨脹抑制效果的影響更為顯著，因此，可以在現場實際條件下，適當提高陳化溫度來改善浸水預處理的效果。

圖1 不同浸水齡期對鋼渣膨脹性的影響Fig.1 Influence of different water immersion ages on swelling rate of steel slag

2.1.2 不同溫度對鋼渣微觀特征的影響規律

鋼渣在陳化過程中的結構微觀的變化可以通過SEM試驗來察看，其表冠形貌變化如圖2所示。不難發現，在鋼渣還未陳化時，其表面并沒有特殊的晶體結構，但是當開始陳化后3～7 d時，可以明顯觀察到鋼渣表面開始出現網狀結構。通過相關文獻的調查可知，該類擁有網狀結構的物質是C-S-H凝膠[19-20]，產生這種物質是因為鋼渣中含有水泥中的C2S和C3S等物質，遇水后發生了化學反應。當完全陳化后，發現生成物結構由網狀結構變化為針棒狀結構，通過對陳化終的產物進行分析得到此類物質是鈣礬石(簡稱AFt)。綜上分析可以初步地將鋼渣浸水預處理的原理歸結為兩點：一方面是鋼渣中的游離CaO遇水發生化學反應被消解；另一方面是因為陳化產生的鈣礬石類的物質最終附著在鋼渣的表面，阻斷了鋼渣與水的接觸。因此，浸水的方式可在一定程度上抑制鋼渣在使用過程中的膨脹。

2.2 粉煤灰預處理鋼渣研究

2.2.1 不同的浸水溫度對鋼渣膨脹性的影響規律

采用0%，6%，12%，18%，24%等5種粉煤灰劑量，將其與鋼渣混合后進行浸水膨脹率試驗。不同含量條件下鋼渣膨脹率變化規律如圖3所示，隨著粉煤灰摻量的變化，鋼渣膨脹性的抑制效果降幅呈現先增大后減小的趨勢，可初步認定粉煤灰的最佳摻量在12%左右。當粉煤灰含量達到6%時，膨脹率僅降低了8.3%，表明較低摻量的粉煤灰對鋼渣膨脹的抑制作用并不明顯；但是當鋼渣的含量達到12%時，其抑制效果大幅增加，能夠降低63%；當粉煤灰含量進一步增加時，其膨脹率降幅逐漸減小，最終含量從18%增加到24%時，降幅僅為4%，說明鋼渣中摻入過量粉煤灰后，其抑制作用最終會達到頂峰，并且不再增加。

2.2.2 粉煤灰不同摻量對鋼渣微觀結構的影響

選取不同摻量下的樣品，通過SEM得到的微觀形貌如圖4所示。很容易發現，加入粉煤灰的鋼渣陳化后，其表面出現了針葉狀和空間網狀的附著物，同時隨著摻量的增加，這類結構的生成物含量越來越多。經考究發現，生成的此類結構的物質是“火山灰反應”的產物——不同晶體形態的C-S-H[21]。所以，粉煤灰摻入鋼渣后，化學反應會生成多種晶體形態的C-S-H，將鋼渣的微小顆粒進行裹覆，阻斷了鋼渣和水的接觸途徑，防止了鋼渣遇水產生膨脹，這也合理地解釋了當粉煤灰摻量達到18%以上時，抑制膨脹效果降幅減小的原因。

圖2 鋼渣浸水后表觀形貌變化Fig.2 Microscopic morphological changes of steel slag after water immersion

圖3 粉煤灰摻量與鋼渣膨脹性的相關關系Fig.3 Correlation between fly ash content and expansion of steel slag

圖4 不同粉煤灰摻量處理后鋼渣的表觀形貌Fig.4 Apparent morphologies of steel slag after treatment with different fly ash contents

2.3 水與粉煤灰耦合預處理鋼渣研究

在研究中發現粉煤灰處理方式中存在有水與粉煤灰的耦合作用。為探究雙重條件作用下鋼渣膨脹性的變化規律，分別在不同的浸水溫度條件下選取適宜的陳化時間作為對比樣本，最終選定3種條件：常溫+28 d、60 ℃+15 d和90 ℃+7 d，分別與12%的摻量共同對鋼渣進行預處理，其結果如圖5所示。從圖中可以明顯看出耦合后對鋼渣的膨脹抑制作用效果更為顯著，這是因為粉煤灰在有水的條件下，使得“火山灰反應”更加充分，同時通過粉煤灰處理后，粉煤灰中的非活性物質的填充進一步減少了鋼渣的表面孔隙，其微觀形貌如圖6所示。

圖5 水浴與粉煤灰耦合預處理鋼渣膨脹性曲線Fig.5 Curves of steel slag expansibility pre-treated with water and fly ash

2.4 表面改性預處理技術研究

2.4.1 表面改性后力學性能分析

本試驗采用樹脂和無機改質劑2種材料共同作用的方法，這種方式不僅減小了無機改質劑的脫落現象，而且降低了有機改質劑的團聚現象。不同濃度對鋼渣性能的影響如圖7所示，結果表明表面改性的方式使得鋼渣的性能在各方面都有所提升。具體來看，通過改性后鋼渣的壓碎值有所降低，隨著濃度的增加，其壓碎值降幅逐漸減小，同時鋼渣的磨耗也在逐漸降低，這表明鋼渣的強度確實有進一步的提升。鋼渣的吸水率雖隨著改質劑濃度的增加逐漸增大，但是仍小于普通鋼渣吸水率，這是因為改質劑將鋼渣表面的部分空隙堵塞所導致的。此外，鋼渣的密度在改性前后變化并不明顯，只有輕微的減小。

圖6 粉煤灰表面改性鋼渣Fig.6 Surface modified steel slag with fly ash

圖7 表面改性后鋼渣的力學性能隨濃度的變化Fig.7 Mechanical properties of surface modified steel slag varying with concentration

2.4.2 表面改性材料膨脹性能分析

通過對表面改性后的鋼渣進行浸水膨脹率試驗得到膨脹率曲線如圖8所示。圖像表明，當鋼渣表面改性后，其體積穩定性得到了顯著提升。具體來看，鋼渣的膨脹性降低了84%，相比其他2種處理方式，表面改性劑對鋼渣處理后，膨脹抑制效果最為顯著。

圖8 不同表面改性劑濃度下鋼渣膨脹性變化曲線Fig.8 Curves of steel slag expansibility under different surface modifier concentrations

2.4.3 表面改性材料微觀機理分析

圖9 表面改性鋼渣SEMFig.9 SEM of surface modified steel slag

通過SEM觀察到的表面改性鋼渣顆粒微觀形貌如圖9所示。不難看出，表面改性處理后，鋼渣表面原有的紋理和溝壑逐漸減少，表面逐漸平滑。其主要原因是表面改性劑在鋼渣的表面形成了一層膜結構，遮擋了鋼渣表面的空隙和溝壑結構，使其原有的形貌特征不再明顯。表面改質劑在預處理后的鋼渣表面形成了新的膜結構，此界面阻止了水與鋼渣的反應，提高了鋼渣的體積穩定性。此外，表面改質劑的加入使得顆粒表面的似球度和抗壓強度得到一定程度的提高。

由以上試驗分析可知，預處理方式對鋼渣的膨脹抑制效果參差不齊，但均能夠起到抑制作用。其中常溫條件下，處理效果差，且陳化時間較長；60 ℃ 浸水條件下，膨脹抑制效果相對較好，但陳化時間仍相對較長；90 ℃溫度條件下陳化效果雖然顯著，但是對溫度要求過高，實際推廣應用較為困難；隨著粉煤灰摻量的增加，膨脹性抑制效果增幅先增大后減小，綜合考慮摻入粉煤灰的經濟性，最終選定摻量為12%。此外鋼渣經過表面改質后，鋼渣的體積穩定性和力學性能均得到顯著的改善，但其在推廣中存在最大的問題就是經濟性較差。

3 結論

(1)本研究在浸水處理措施中采用不同的溫度對鋼渣進行陳化，發現隨著陳化溫度的增大，鋼渣表面的水化產物逐漸在其表面形成致密的保護層，從而其體積穩定性逐漸增大。

(2)粉煤灰預處理方式隨其摻量的增加，其抑制效果越好，當摻量超過12%時，其膨脹性抑制降幅逐漸變小，這是由于陳化過程中生成的針葉狀和空間網狀結構的C-S-H逐漸將鋼渣包裹。此外水與粉煤灰耦合預處理的方式能夠顯著降低鋼渣的潛在膨脹。

(3)經表面改質后鋼渣的潛在膨脹大幅降低，同時其力學性能均有所提升，但是經濟性較差，在實際推廣與應用過程中可推廣性較差。