基于預(yù)處理的鋼渣膨脹性抑制措施及其機(jī)理研究

支鵬飛，馬紅梅，何政文

(1.甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,甘肅 蘭州 730030；2.甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730030；3.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

鋼渣作為煉鋼過(guò)程的主要副產(chǎn)物之一，其產(chǎn)量隨著工業(yè)的快速發(fā)展而迅速遞增，但對(duì)鋼渣的有效利用率仍不到50%，綜合利用現(xiàn)狀與規(guī)劃相差甚遠(yuǎn)。絕大部分鋼渣被當(dāng)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(dǎo)致大片土地被鋼渣占據(jù)，同時(shí)還對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[1]。此外，近幾十年來(lái)我國(guó)大興建設(shè)，大量地開(kāi)采石料，過(guò)程中生態(tài)環(huán)境被破壞、資源枯竭、人員傷亡等頻有發(fā)生，且目前仍有大量的公路工程在規(guī)劃中，這也使得對(duì)天然碎石需求量依舊很大。若將鋼渣進(jìn)行回收重新利用，將有效減少工程建設(shè)對(duì)石料的依賴(lài)，同時(shí)也能保護(hù)生態(tài)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(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者將鋼渣應(yīng)用于道路工程并做了大量的研究，也鋪筑了小規(guī)模的試驗(yàn)段，但并未大規(guī)模推廣應(yīng)用，其主要?dú)w因于鋼渣的體積安定性[2-5]。目前對(duì)于鋼渣陳化方式的研究主要針對(duì)鋼渣中的膨脹性組分及其抑制和轉(zhuǎn)化，大量研究人員認(rèn)為鋼渣中含有大量的f-CaO，并且其也是造成鋼渣在使用過(guò)程中產(chǎn)生膨脹的主要原因之一[6]。Juckes和Goldring[7-8]等通過(guò)研究MgO對(duì)鋼渣穩(wěn)定性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MgO以游離態(tài)的形式存在于鋼渣中時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼渣體積安定性不良，其膨脹率能夠達(dá)到1.5倍左右[9-10]，而且在應(yīng)用中會(huì)存在很長(zhǎng)的潛伏期，有時(shí)潛伏期甚至能夠達(dá)到20 a之久，因此游離態(tài)的形式才是造成后期膨脹的主要原因。

采用浸水方式能夠?qū)崿F(xiàn)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(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行消解，進(jìn)而降低鋼渣在應(yīng)用中的體積膨脹，常見(jiàn)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(guó)內(nèi)陳宗武[11-12]等人在60 ℃條件下對(duì)鋼渣進(jìn)行浸水陳化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)陳化時(shí)間達(dá)到60 d時(shí)，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(guò)蒸養(yǎng)的方式陳化鋼渣2 h后，其中游離態(tài)CaO和MgO能夠較快地被消解，應(yīng)用中潛在膨脹性的危害能夠在一定程度上被消除，同時(shí)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(zhì)材料也可用于抑制f-CaO導(dǎo)致的膨脹，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)鋼渣水化后能夠生成堿性鈣離子，其能夠與硅質(zhì)材料中的硅酸根離子發(fā)生反應(yīng)，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(shù)目前在抑制鋼渣膨脹性方面研究很少，但該技術(shù)在其他材料中的應(yīng)用證明了其潛力，近些年來(lái)，該方式才逐漸開(kāi)始進(jìn)入人們視野。

綜上可知，鋼渣體積穩(wěn)定是鋼渣在道路工程中應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，但目前對(duì)預(yù)處理方法的研究還夠深入。大多學(xué)者集中于宏觀體積膨脹性的研究，很少?gòu)奈⒂^角度出發(fā)，從組分的變化來(lái)詮釋水浴降低鋼渣膨脹性機(jī)理；對(duì)硅質(zhì)改質(zhì)劑的研究?jī)H限于宏觀性能，也很少?gòu)奈⒂^角度出發(fā)，深入研究鈣質(zhì)劑對(duì)鋼渣體積膨脹性的影響機(jī)理；此外對(duì)表面改性也有待于進(jìn)一步研究。因而深入研究鋼渣的預(yù)處理措施，為改善鋼渣體積穩(wěn)定性質(zhì)量提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料與試驗(yàn)

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(guò)率為99%,0.075 mm的通過(guò)率為85%，表觀密度為2.32 g/cm3，其主要成分和性能分別見(jiàn)表1和表2。

表1 粉煤灰化學(xué)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(zhì)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?guī)r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(dǎo)致鋼渣在對(duì)吸水率有嚴(yán)格要求的地區(qū)并不適用。此外，通過(guò)對(duì)比磨光值、壓碎值和洛杉磯磨耗值等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)度方面鋼渣要優(yōu)于碎石，說(shuō)明鋼渣擁有代替石料的潛質(zhì)。

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

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

為了研究鋼渣膨脹性的高效快速抑制方法，并進(jìn)行推廣應(yīng)用，對(duì)以下幾種預(yù)處理方法進(jìn)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(duì)各條件下預(yù)處理后的鋼渣均進(jìn)行浸水膨脹率和SEM試驗(yàn)。

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(yàn)來(lái)測(cè)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(duì)鋼渣進(jìn)行斷檔篩分，在按照所得到的級(jí)配斷檔篩分曲線基礎(chǔ)上，調(diào)整至滿足規(guī)范。利用重型擊實(shí)儀，測(cè)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(méi)。此外，為了減小水分的過(guò)快蒸發(fā)，水浴箱應(yīng)配置蓋子。而后記錄百分表初始讀數(shù)d0，然后將水溫調(diào)至(90±3) ℃并保持6 h，最后關(guān)閉開(kāi)關(guān)，使其自然冷卻，這樣便完成一次循環(huán)。每一次加熱前和冷卻后均記錄相應(yīng)百分表的數(shù)值，重復(fù)循環(huán)10 d后結(jié)束試驗(yàn)。按式(1)計(jì)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(shù)；d0為百分表初始讀數(shù)。

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(zhì)樣品座上，鍍金后對(duì)其微觀形貌進(jìn)行觀察。其主要原理[18]是通過(guò)二次電子信號(hào)的成像圖來(lái)觀測(cè)微觀顆粒的形態(tài)，通過(guò)電子束與樣品作用時(shí)產(chǎn)生不同的效應(yīng)，將得到的不同信號(hào)傳至顯像管并得到其微觀形貌圖像。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 浸水預(yù)處理鋼渣研究

2.1.1 不同試驗(yàn)溫度和時(shí)間對(duì)鋼渣浸水膨脹性的影響

以浸水膨脹率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別測(cè)試了鋼渣在常溫和60，90 ℃ 3個(gè)溫度條件下于3，7，14，28 d不同浸水時(shí)間下對(duì)應(yīng)的膨脹率，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。可知，當(dāng)鋼渣的浸水陳化溫度提高時(shí)，對(duì)應(yīng)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(duì)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(dāng)，當(dāng)陳化15 d后，膨脹率能夠降至38%左右；當(dāng)陳化溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，其對(duì)鋼渣膨脹性的抑制效果最為顯著，當(dāng)陳化7 d后，膨脹率便可降低60%。綜上所述，相比于陳化時(shí)間，陳化溫度對(duì)膨脹抑制效果的影響更為顯著，因此，可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件下，適當(dāng)提高陳化溫度來(lái)改善浸水預(yù)處理的效果。

圖1 不同浸水齡期對(duì)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(duì)鋼渣微觀特征的影響規(guī)律

鋼渣在陳化過(guò)程中的結(jié)構(gòu)微觀的變化可以通過(guò)SEM試驗(yàn)來(lái)察看，其表冠形貌變化如圖2所示。不難發(fā)現(xiàn)，在鋼渣還未陳化時(shí)，其表面并沒(méi)有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)開(kāi)始陳化后3～7 d時(shí)，可以明顯觀察到鋼渣表面開(kāi)始出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查可知，該類(lèi)擁有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)是C-S-H凝膠[19-20]，產(chǎn)生這種物質(zhì)是因?yàn)殇撛泻兴嘀械腃2S和C3S等物質(zhì)，遇水后發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)完全陳化后，發(fā)現(xiàn)生成物結(jié)構(gòu)由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變化為針棒狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)陳化終的產(chǎn)物進(jìn)行分析得到此類(lèi)物質(zhì)是鈣礬石(簡(jiǎn)稱(chēng)AFt)。綜上分析可以初步地將鋼渣浸水預(yù)處理的原理歸結(jié)為兩點(diǎn)：一方面是鋼渣中的游離CaO遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被消解；另一方面是因?yàn)殛惢a(chǎn)生的鈣礬石類(lèi)的物質(zhì)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(guò)程中的膨脹。

2.2 粉煤灰預(yù)處理鋼渣研究

2.2.1 不同的浸水溫度對(duì)鋼渣膨脹性的影響規(guī)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(jìn)行浸水膨脹率試驗(yàn)。不同含量條件下鋼渣膨脹率變化規(guī)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(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，可初步認(rèn)定粉煤灰的最佳摻量在12%左右。當(dāng)粉煤灰含量達(dá)到6%時(shí)，膨脹率僅降低了8.3%，表明較低摻量的粉煤灰對(duì)鋼渣膨脹的抑制作用并不明顯；但是當(dāng)鋼渣的含量達(dá)到12%時(shí)，其抑制效果大幅增加，能夠降低63%；當(dāng)粉煤灰含量進(jìn)一步增加時(shí)，其膨脹率降幅逐漸減小，最終含量從18%增加到24%時(shí)，降幅僅為4%，說(shuō)明鋼渣中摻入過(guò)量粉煤灰后，其抑制作用最終會(huì)達(dá)到頂峰，并且不再增加。

2.2.2 粉煤灰不同摻量對(duì)鋼渣微觀結(jié)構(gòu)的影響

選取不同摻量下的樣品，通過(guò)SEM得到的微觀形貌如圖4所示。很容易發(fā)現(xiàn)，加入粉煤灰的鋼渣陳化后，其表面出現(xiàn)了針葉狀和空間網(wǎng)狀的附著物，同時(shí)隨著摻量的增加，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的生成物含量越來(lái)越多。經(jīng)考究發(fā)現(xiàn)，生成的此類(lèi)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)是“火山灰反應(yīng)”的產(chǎn)物——不同晶體形態(tài)的C-S-H[21]。所以，粉煤灰摻入鋼渣后，化學(xué)反應(yīng)會(huì)生成多種晶體形態(tài)的C-S-H，將鋼渣的微小顆粒進(jìn)行裹覆，阻斷了鋼渣和水的接觸途徑，防止了鋼渣遇水產(chǎn)生膨脹，這也合理地解釋了當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到18%以上時(shí)，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(guān)關(guān)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(yù)處理鋼渣研究

在研究中發(fā)現(xiàn)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(guī)律，分別在不同的浸水溫度條件下選取適宜的陳化時(shí)間作為對(duì)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(duì)鋼渣進(jìn)行預(yù)處理，其結(jié)果如圖5所示。從圖中可以明顯看出耦合后對(duì)鋼渣的膨脹抑制作用效果更為顯著，這是因?yàn)榉勖夯以谟兴臈l件下，使得“火山灰反應(yīng)”更加充分，同時(shí)通過(guò)粉煤灰處理后，粉煤灰中的非活性物質(zhì)的填充進(jìn)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(yù)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(yù)處理技術(shù)研究

2.4.1 表面改性后力學(xué)性能分析

本試驗(yàn)采用樹(shù)脂和無(wú)機(jī)改質(zhì)劑2種材料共同作用的方法，這種方式不僅減小了無(wú)機(jī)改質(zhì)劑的脫落現(xiàn)象，而且降低了有機(jī)改質(zhì)劑的團(tuán)聚現(xiàn)象。不同濃度對(duì)鋼渣性能的影響如圖7所示，結(jié)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(lái)看，通過(guò)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(shí)鋼渣的磨耗也在逐漸降低，這表明鋼渣的強(qiáng)度確實(shí)有進(jìn)一步的提升。鋼渣的吸水率雖隨著改質(zhì)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?yàn)楦馁|(zhì)劑將鋼渣表面的部分空隙堵塞所導(dǎo)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(xué)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(guò)對(duì)表面改性后的鋼渣進(jìn)行浸水膨脹率試驗(yàn)得到膨脹率曲線如圖8所示。圖像表明，當(dāng)鋼渣表面改性后，其體積穩(wěn)定性得到了顯著提升。具體來(lái)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(duì)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(jī)理分析

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

通過(guò)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(jié)構(gòu)，遮擋了鋼渣表面的空隙和溝壑結(jié)構(gòu)，使其原有的形貌特征不再明顯。表面改質(zhì)劑在預(yù)處理后的鋼渣表面形成了新的膜結(jié)構(gòu)，此界面阻止了水與鋼渣的反應(yīng)，提高了鋼渣的體積穩(wěn)定性。此外，表面改質(zhì)劑的加入使得顆粒表面的似球度和抗壓強(qiáng)度得到一定程度的提高。

由以上試驗(yàn)分析可知，預(yù)處理方式對(duì)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(shí)間較長(zhǎng)；60 ℃ 浸水條件下，膨脹抑制效果相對(duì)較好，但陳化時(shí)間仍相對(duì)較長(zhǎng)；90 ℃溫度條件下陳化效果雖然顯著，但是對(duì)溫度要求過(guò)高，實(shí)際推廣應(yīng)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(jīng)濟(jì)性，最終選定摻量為12%。此外鋼渣經(jīng)過(guò)表面改質(zhì)后，鋼渣的體積穩(wěn)定性和力學(xué)性能均得到顯著的改善，但其在推廣中存在最大的問(wèn)題就是經(jīng)濟(jì)性較差。

3 結(jié)論

(1)本研究在浸水處理措施中采用不同的溫度對(duì)鋼渣進(jìn)行陳化，發(fā)現(xiàn)隨著陳化溫度的增大，鋼渣表面的水化產(chǎn)物逐漸在其表面形成致密的保護(hù)層，從而其體積穩(wěn)定性逐漸增大。

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

(3)經(jīng)表面改質(zhì)后鋼渣的潛在膨脹大幅降低，同時(shí)其力學(xué)性能均有所提升，但是經(jīng)濟(jì)性較差，在實(shí)際推廣與應(yīng)用過(guò)程中可推廣性較差。