草酸處理鋼渣粗集料在瀝青混合料中的應(yīng)用

黃小明,顏 峰,郭榮鑫,羅 程,張 帥,馮明杰

(昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650500)

1 前 言

瀝青混合料是路面建筑中重要的材料,瀝青路面噪音低、舒適性高、易修復(fù)等優(yōu)點(diǎn),較普通路面具有更優(yōu)良的路用性能,因此我國(guó)高速公路多為瀝青路面[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2021末,我國(guó)高速公路路段已達(dá)16 萬公里,高速公路的建設(shè)會(huì)消耗大量不可再生骨料,固廢再利用成為發(fā)展趨勢(shì)[2]。鋼渣作為煉鋼產(chǎn)生的固體廢物,較普通石料具有高磨光值、低磨耗和壓碎值、與瀝青黏附性好等優(yōu)異的性能。我國(guó)鋼渣年產(chǎn)量約為粗鋼年產(chǎn)量的15%[3],產(chǎn)量大,利用率低,其中道路利用率不到10%,但歐美發(fā)達(dá)國(guó)家如英國(guó),美國(guó)等,其鋼渣在道路的利用率高達(dá)32.4%～49.7%[4]。國(guó)內(nèi)鋼渣利用率低的主要原因是各鋼廠產(chǎn)出的鋼渣其礦物成分復(fù)雜,存在大量可導(dǎo)致鋼渣膨脹的物質(zhì),如:游離氧化鈣(f-CaO)、游離氧化鎂(f-MgO)和RO 相等,在一定條件下會(huì)使鋼渣體積膨脹,引起開裂破壞[5],若不對(duì)其進(jìn)行處理,應(yīng)用在工程上具有安全隱患,經(jīng)處理后的鋼渣若能大量應(yīng)用于道路工程的建設(shè)中,能推動(dòng)綠色技術(shù)發(fā)展,減少廢棄物的堆積和常規(guī)集料開采導(dǎo)致的環(huán)境污染[6]。

經(jīng)體積安定性處理后的鋼渣集料可用作瀝青混合料中的骨料,同時(shí)較傳統(tǒng)瀝青混合料的路用性能都有所提升。牛哲[7]研究發(fā)現(xiàn)鋼渣較其他材料更粗糙和堅(jiān)硬,鋼渣和瀝青的結(jié)合力很強(qiáng),加入鋼渣可以增強(qiáng)瀝青混合料在高溫下的穩(wěn)定性、低溫下的抗裂性和抗滑性等。而我國(guó)目前堆積的鋼渣大多體積安定性不合格,故對(duì)鋼渣的處理顯得格外重要[8]。王川[9]經(jīng)過研究表明,通過特殊的制備方法,制作改性材料對(duì)鋼渣表面進(jìn)行改性,發(fā)現(xiàn)這可以抑制鋼渣中f-CaO 與水的反應(yīng)以此減少鋼渣的體積膨脹率。陳宗武及其團(tuán)隊(duì)[10]則采用了兩種不同的方式,一種是用硅樹脂對(duì)鋼渣進(jìn)行浸泡以及固化(FHS),同時(shí)利用水合有機(jī)硅樹脂對(duì)鋼渣進(jìn)行改性處理(HSS),結(jié)果發(fā)現(xiàn)未處理鋼渣體積膨脹率為FHS以及HSS的5.1 倍和7.7 倍,鋼渣瀝青混合料的體積穩(wěn)定性、抗?jié)裥跃幸欢ǔ潭鹊奶岣摺Ａ硗?他們也利用噴涂硅樹脂的方式對(duì)風(fēng)化鋼渣粗骨料(SSCA)進(jìn)行有機(jī)改性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率低于0.6%,效果較好[11]。而馬麗莉等[12]則是采用水泥漿、硅酮防水劑、硅烷偶聯(lián)劑三種不同的物質(zhì)對(duì)鋼渣表面進(jìn)行處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種方法都能在一定程度上降低鋼渣的體積膨脹率,其中有機(jī)硅防水劑的處理效果最好,膨脹率降低了34%,同時(shí),采用有機(jī)硅防水劑處理后的鋼渣混合料水穩(wěn)定性也有大幅度提高。Ding等[13]則是對(duì)鋼渣進(jìn)行摩擦和草酸作用的方式來消除鋼渣中的f-CaO,使鋼渣細(xì)骨料膨脹率降低至0.16%,處理后鋼渣用于混凝土中其力學(xué)性能有著很大的提升。Singh等[14]研究表明草酸能提高混凝土的致密性及力學(xué)性能。

以往的鋼渣改性大多針對(duì)鋼渣表面,通過制備表面膜的形式來抑制鋼渣的體積膨脹,并未對(duì)引起鋼渣膨脹的物質(zhì)f-CaO 的消除進(jìn)行探究。為了達(dá)到這一目的,以此降低鋼渣粗集料及瀝青混合料的膨脹率,并驗(yàn)證其可行性,本研究通過配制草酸溶液對(duì)鋼渣進(jìn)行改性處理,消除鋼渣中的f-CaO,對(duì)鋼渣集料的基本物理特性進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)將改性鋼渣(OCT:草酸螯合處理)用作瀝青混合料中的粗骨料,測(cè)試了改性鋼渣瀝青混合料的基本路用性能,并對(duì)比原始鋼渣(UT:未處理)以及石灰?guī)r瀝青混合料,最后對(duì)改性機(jī)理進(jìn)行了分析。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原料

本研究以鋼渣粗集料、石灰?guī)r粗集料、石灰?guī)r細(xì)集料和SBS(I-D)聚合物改性瀝青為原料。改性材料為工業(yè)級(jí)草酸分析純,化學(xué)式為C2H2O4·2H2O,試劑含量不少于99.5%,為無色透明的結(jié)晶或粉末。表1,2和3分別為鋼渣的主要化學(xué)成分,石灰?guī)r物理特性指標(biāo)和SBS改性瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)。

表1 鋼渣化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of steel slag %

表2 鋼渣的物理特性Table 2 Physical property of steel slag

表3 SBS改性瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of SBS polymer modified asphalt

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本研究主要針對(duì)鋼渣作為瀝青混合料中粗骨料使用,故取4.75～16 mm 的鋼渣進(jìn)行改性處理。基于作者前期的試驗(yàn)[15],確定最佳處理工藝為:0.4 mol/L的草酸螯合溶液,將所取鋼渣放入配制完成的常溫溶液中進(jìn)行螯合處理84 h。

采用X 射線衍射儀(XRD)和 X 射線熒光光譜分析儀(XRF)對(duì)材料的礦物成分進(jìn)行測(cè)定,采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鋼渣微觀形貌,熱重(TG)對(duì)鋼渣中Ca(OH)2含量變化進(jìn)行測(cè)定,而鋼渣中f-CaO含量則是采用乙二醇-EDTA-TG 差熱分析法進(jìn)行測(cè)定[16]。

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)對(duì)鋼渣基本性能和鋼渣瀝青混合料膨脹率進(jìn)行測(cè)試,鋼渣瀝青混合料膨脹率的計(jì)算公式見式(1)。以最佳配合比制備出標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件,數(shù)量不低于3 個(gè),計(jì)算其體積V1,將試件放在60 ℃的水浴條件下浸泡72 h,結(jié)束后取出,冷卻至室溫,觀察是否有裂縫或鼓包現(xiàn)象,計(jì)算其體積V2。

式中:C為鋼渣瀝青混合料膨脹率,%;V1為水浴浸泡前試件體積,cm3;V2為水浴浸泡后試件體積,cm3。

SBS改性瀝青基本性能測(cè)試參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011),根據(jù)《鋼渣穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T 24175-2009)對(duì)鋼渣的膨脹率進(jìn)行測(cè)試,在最佳含水量的條件下將鋼渣進(jìn)行混合,通過標(biāo)準(zhǔn)重型壓實(shí)儀對(duì)其進(jìn)行壓實(shí),隨后放入骨料體積膨脹率的測(cè)試模具中,如圖1所示。首先讀取初始百分表示數(shù),將模具放入90 ℃水浴箱中浸泡6 h,并使試樣完全浸沒,通過讀取每日百分表讀數(shù)來獲取試樣高度變化情況,但需要在升溫前記錄,持續(xù)10 d。膨脹率計(jì)算見式(2):

圖1 浸水膨脹率測(cè)定裝置示意圖Fig.1 Steel slag volume expansion test setup

式中:γ為浸水膨脹率,%;120為試件原始高度,mm;d10為百分表終讀數(shù),mm;d0為百分表初讀數(shù)。

2.3 瀝青混合料配和比設(shè)計(jì)

混合料的配合比設(shè)計(jì)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行,采取AC-13C型馬歇爾方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與制備,并對(duì)比了改性前后鋼渣和石灰?guī)r瀝青混合料的基本路用性能。粗集料分別采用原始鋼渣、改性鋼渣和石灰?guī)r三種集料,細(xì)集料則采用石灰?guī)r。原始鋼渣、改性鋼渣和石灰?guī)r的合成級(jí)配如圖2所示。由于需要評(píng)價(jià)改性鋼渣瀝青混合料,故在滿足級(jí)配上下限的情況下,確定一種級(jí)配制備馬歇爾試件,確定級(jí)配如表4所示。通過選取已確定的級(jí)配來確定瀝青混合料的最佳油石比,并使用了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油石比(4.3%,4.8%,5.3%,5.8%,6.3%),通過測(cè)試原始鋼渣瀝青混合料、改性鋼渣瀝青混合料和石灰?guī)r瀝青混合料的毛體積密度、穩(wěn)定度、流值和體積指標(biāo)來確定其最佳油石比,分別為5.2%、5.0%和4.3%。由于鋼渣為表面多孔結(jié)構(gòu),孔隙率遠(yuǎn)大于天然集料,同時(shí),鋼渣為堿性集料,能與瀝青中的酸性基團(tuán)反應(yīng),結(jié)合力更強(qiáng),故鋼渣瀝青混合料的最佳油石比高于石灰?guī)r瀝青混合料的油石比[4]。

圖2 瀝青混合料級(jí)配曲線Fig.2 Asphalt mixture grading curves

表4 級(jí)配篩孔質(zhì)量通過百分率Table 4 Mass passing percentage of graded sieve

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼渣物理特性和體積安定性

表5所示結(jié)果表明,鋼渣在改性處理后,表觀相對(duì)密度和毛體積相對(duì)密度有所增加,吸水率則是由2.76%降至1.5%,壓碎值和洛杉磯磨耗值都有所降低,這主要是因?yàn)殇撛砻娲嬖诘奶妓徕}(CaCO3)、硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)等在草酸溶液作用下,大量鈣離子(Ca2+)溶出后與草酸生成具有強(qiáng)度的沉淀物草酸鈣(CaC2O4),附著在鋼渣表面,同時(shí)鋼渣表面的軟弱顆粒被CaC2O4所替代,孔隙也被CaC2O4所填充[13]。

表5 鋼渣物理特性對(duì)比Table 5 Comparison of physical properties of steel slag

表6顯示改性鋼渣中的游離總鈣由原始鋼渣的4.851%降至2.348%;f-CaO 含量由4.841%降至2.325%,降低了52%,有研究認(rèn)為引起鋼渣膨脹主要因素為f-CaO,f-CaO 水化生成Ca(OH)2的過程體積膨脹91.7%[9,17]。鋼渣在草酸溶液的處理過程中,f-CaO 水化速度增加,導(dǎo)致Ca(OH)2含量增多,同時(shí),部分f-CaO 會(huì)與草酸進(jìn)行反應(yīng),最終導(dǎo)致f-CaO 含量降低,這為鋼渣膨脹性的抑制提供了理論依據(jù)[13]。

表6 f-CaO 含量對(duì)比Table 6 Comparison of f-CaO contents %

如圖3所示,在0～700 ℃的范圍內(nèi),對(duì)改性和原始鋼渣中的Ca(OH)2進(jìn)行質(zhì)量損耗分析。400～550 ℃表示為Ca(OH)2的水解,質(zhì)量的損失變化代表Ca(OH)2的水解程度[18]。在此段過程中,改性鋼渣的Ca(OH)2質(zhì)量損失比原始鋼渣增加了127.3%,這也表明改性鋼渣中的Ca(OH)2含量有所提升,這一結(jié)論與前文中關(guān)于f-CaO 含量的測(cè)量結(jié)果一致,即Ca(OH)2含量有顯著提高。

圖3 Ca(OH)2 質(zhì)量損失對(duì)比圖Fig.3 Mass loss comparison of Ca(OH)2

圖4顯示三個(gè)原始鋼渣試樣的浸水膨脹率均不滿足規(guī)范要求,平均為3.44%。經(jīng)過螯合劑改性處理后,三個(gè)試樣鋼渣膨脹率均低于2%,平均為1.69%,滿足規(guī)范要求。鋼渣在經(jīng)改性處理過程中,鋼渣中的f-CaO 會(huì)因?yàn)椴菟岬拇嬖?快速水化,生成Ca(OH)2,部分f-CaO 會(huì)與草酸進(jìn)行反應(yīng),起到了消除f-CaO 的效果,熱重分析中鋼渣f-CaO 含量處理后由4.851%降至2.348%,降低約51.6%。浸水膨脹率則降低約51%,兩者結(jié)果相符,這表明鋼渣的浸水膨脹率與f-CaO 含量具有較大的關(guān)系,f-CaO 含量越低,膨脹率則越低。

圖4 鋼渣膨脹率對(duì)比圖 (a)原始鋼渣;(b)改性鋼渣Fig.4 Comparison of steel slag expansion rates (a)UT;(b)OCT

3.2 鋼渣礦物成分和微觀形貌變化規(guī)律

如圖5所示,通過對(duì)鋼渣進(jìn)行改性處理,觀察到新的衍射峰,其中主要是CaC2O4衍射峰,而一些C2S和C3S的衍射峰則有所減弱或消失。另外,原本存在的CaO 衍射峰則轉(zhuǎn)變?yōu)镃a(OH)2。由于草酸的存在,使得鋼渣系統(tǒng)內(nèi)的酸堿平衡被破壞,導(dǎo)致一部分C2S和C3S與草酸結(jié)合形成CaC2O4化合物。在改性過程當(dāng)中,f-CaO 迅速發(fā)生水化作用并生成Ca(OH)2,而在封閉環(huán)境下,空氣中的CO2并未參與此反應(yīng),因此在處理完成之后仍然存留著Ca(OH)2,這與上文提到的Ca(OH)2的質(zhì)量損失分析結(jié)果相一致。圖6顯示原始鋼渣斷面與表面復(fù)雜多樣,表面多為球形軟弱顆粒(CaCO3等)[19]。對(duì)比原始鋼渣,改性鋼渣斷面孔隙中出現(xiàn)針狀物,由于鋼渣是多孔結(jié)構(gòu),草酸螯合劑的浸入會(huì)使得孔隙中的f-CaO 快速水化生成大量Ca(OH)2,鋼渣表面CaCO3、C2S、C3S等中的Ca2+則在草酸螯合劑作用下溶出與草酸反應(yīng)生成塊狀Ca2C2O4[20-21],軟弱顆粒被草酸鈣替代,發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化,鋼渣表面密實(shí)度增加,這與XRD 分析中Ca2C2O4衍射峰的生成結(jié)果相符。

圖5 XRD衍射圖Fig.5 XRD Patterns

圖6 鋼渣處理前后SEM 對(duì)比圖 (a)原始鋼渣斷面;(b)原始鋼渣表面;(c),(d)改性鋼渣斷面;(e),(f)改性鋼渣表面Fig.6 SEM images of steel slag before and after modification, (a)section of original steel slag;(b)surface of original steel slag;(c), (d)section of modified steel slag;(e),(f)surface of modified steel slag

3.3 瀝青混合料體積膨脹性

成型的馬歇爾試件在60 ℃水浴箱中浸泡3 d,以此評(píng)價(jià)瀝青混合料的體積膨脹性。圖7顯示原始鋼渣瀝青混合料在經(jīng)過3 d 的浸泡后,體積膨脹率高達(dá)1.8%。鋼渣在經(jīng)過改性處理后,體積膨脹性得到改善,膨脹率下降至0.4%,滿足規(guī)范要求,石灰?guī)r瀝青混合料則基本沒有體積膨脹性。圖8顯示原始鋼渣表面出現(xiàn)裂縫并發(fā)生集料反應(yīng),這是因?yàn)樵间撛写嬖谶^多的f-CaO,在遇水條件下水化生成Ca(OH)2的過程會(huì)導(dǎo)致鋼渣膨脹,導(dǎo)致瀝青混合料膨脹開裂[17],圖8(a)中的集料反應(yīng)則是水化產(chǎn)物Ca(OH)2生成的結(jié)果,改性鋼渣與石灰?guī)r瀝青混合料表面均未出現(xiàn)裂縫。采用草酸螯合劑對(duì)鋼渣進(jìn)行改性處理,消除了鋼渣中存在的大量f-CaO,使得鋼渣瀝青混合料膨脹率下降,試件的表面結(jié)構(gòu)完好,與集料的膨脹率結(jié)果相符合。

圖7 瀝青混合料浸水膨脹率Fig.7 Water expansion of asphalt mixture

圖8 瀝青混合料表面開裂情況 (a)原始鋼渣;(b)石灰?guī)r;(c)改性鋼渣Fig.8 Surface cracking of asphalt mixture (a)UT;(b)limestone;(c)OCT

3.4 水穩(wěn)定性

評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要依據(jù)是浸水殘留穩(wěn)定度(%)和凍融劈裂強(qiáng)度比(%),這主要是通過浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。對(duì)成型的馬歇爾試件進(jìn)行穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度測(cè)試,結(jié)果表明,改性鋼渣瀝青混合料0.5 h 穩(wěn)定度及48 h穩(wěn)定度達(dá)到20.9 和19.2 KN,較原始鋼渣均有提高,遠(yuǎn)大于石灰?guī)r瀝青混合料,其中未凍融劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂強(qiáng)度高達(dá)2.3和2.21 MPa,較原始鋼渣瀝青混合料分別提升了67%、73%,具體試驗(yàn)結(jié)果見表7。如圖9所示,改性鋼渣的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比都有明顯的提高,均大于90%,較原始鋼渣分別提高了5.2%和4.8%。鋼渣瀝青混合料在經(jīng)過48 h/24 h的60 ℃水浴作用下,由于原始鋼渣中存在過多的f-CaO,成型的馬歇爾試件遇水后發(fā)生水化反應(yīng),生成Ca(OH)2造成體積膨脹,破壞了混合料結(jié)構(gòu),水浴時(shí)間越長(zhǎng),其水化產(chǎn)物越多,混合料的結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重,故原始鋼渣瀝青混合料的穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度較低。經(jīng)過草酸的螯合改性處理,改性鋼渣中存在的大部分f-CaO 已水化結(jié)束,在經(jīng)過48 h/24 h的水浴作用后,鋼渣中的f-CaO 含量過少,膨脹效應(yīng)較低;同時(shí)鋼渣在經(jīng)過改性處理后,草酸溶液的酸性足以與鋼渣表面的CaCO3、C2S、C3S等物質(zhì)溶出的Ca2+反應(yīng),生成具有強(qiáng)度CaC2O4絡(luò)合物,軟弱顆粒(CaCO3等)被草酸鈣替代,鋼渣表面物質(zhì)發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化,強(qiáng)度提升[22-23],使得改性鋼渣瀝青混合料的穩(wěn)定度和浸水殘留穩(wěn)定度較高,同時(shí)也獲得了更高的凍融劈裂強(qiáng)度與凍融劈裂強(qiáng)度比。

圖9 瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比Fig.9 Residual stability and freeze-thaw splitting strength ratio of asphalt mixture

表7 穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of stability and freeze-thaw splitting strength

3.5 高溫穩(wěn)定性

采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,測(cè)試其動(dòng)穩(wěn)定度。研究表明,與石灰?guī)r瀝青混合料相比,鋼渣瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性更強(qiáng),改性后鋼渣瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定性達(dá)到了9 103 次/mm,如圖10所示。高溫車轍實(shí)驗(yàn)中,混合料的強(qiáng)度及車轍板密實(shí)度決定動(dòng)穩(wěn)定度大小,強(qiáng)度越大,密實(shí)度越高,動(dòng)穩(wěn)定度越高[12]。鋼渣集料較石灰?guī)r具有更高的強(qiáng)度;同時(shí)由于鋼渣在經(jīng)過改性處理后,大量CaC2O4絡(luò)合物生成附著在鋼渣表面及孔隙中,降低了鋼渣的孔隙率,提高了瀝青混合料的強(qiáng)度以及密實(shí)度,故改性后的鋼渣瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度更高。

圖10 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度Fig.10 Dynamic stability of asphalt mixture

4 機(jī)理分析

草酸可促進(jìn)鋼渣中f-CaO 的水化,也可與部分f-CaO 發(fā)生反應(yīng),鋼渣水溶液呈堿性,草酸的存在打破了原體系的平衡,f-CaO 會(huì)快速水化,水化產(chǎn)物Ca(OH)2繼續(xù)與草酸反應(yīng),同時(shí),鋼渣表面的CaCO3、Ca2SiO4、Ca3SiO5等 軟 弱 顆 粒 物 質(zhì) 在 草 酸 螯合劑的作用下,大部分Ca2+溶出后會(huì)與草酸根生成具有強(qiáng)度的CaC2O4絡(luò)合物,發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化,去除鋼渣中膨脹物質(zhì)的同時(shí)填滿了鋼渣的孔隙,有效抑制了鋼渣的膨脹性,應(yīng)用在瀝青混合料中能有效阻止水的浸入。

反應(yīng)原理如下:

在草酸處理劑作用下,鋼渣中大量的Ca2+溶出,然后與草酸反應(yīng),反應(yīng)式見式(3):

草酸也可促進(jìn)水化,反應(yīng)式為(4),(5):

有研究表明[24-26],鋼渣本身可作為吸附材料,溶出的Ca2+會(huì)由于鋼渣的吸附性附著在鋼渣表面。由于草酸中的C2O42-與H+的電離是化學(xué)鍵的斷裂,而鋼渣表面的Ca2+與C2O42-結(jié)合是化學(xué)鍵的生成,化學(xué)鍵的斷裂及生成帶來的分子作用力使得CaC2O4的生成發(fā)生在鋼渣表面,且新生成的CaC2O4化學(xué)鍵更加穩(wěn)定[27]。同時(shí)所選鋼渣存放條件有限,大部分鋼渣表面附著一層白色物質(zhì),這是因?yàn)殇撛砻娴腃aO 與空氣中的水反應(yīng)生成Ca(OH)2,從而繼續(xù)與空氣的CO2反應(yīng)生成CaCO3,如式(6),(7)所示。草酸改性處理的過程中,鋼渣表面的CaCO3與草酸反應(yīng)生成CaC2O4,更穩(wěn)定的CaC2O4代替CaCO3附著在鋼渣孔隙及表面,發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化,形成保護(hù)層,提供一定的強(qiáng)度。在草酸處理劑處理過程中,CaC2O4配合物結(jié)晶的過程需要場(chǎng)所,故鋼渣表面成為了配合物生成的必要條件。CaCO3與H2C2O4反應(yīng)為放熱反應(yīng),放出的熱量使得H2C2O4分子能量增大,達(dá)到化學(xué)鍵斷裂與生成所需的化學(xué)能,鋼渣表面的化學(xué)吸附越來越明顯[28-29]。

5 結(jié) 論

采用草酸螯合劑對(duì)鋼渣粗集料進(jìn)行改性處理,草酸會(huì)促進(jìn)鋼渣中f-CaO 的水化反應(yīng),部分f-CaO 會(huì)與草酸反應(yīng),有效地消除了f-CaO 效果,處理后鋼渣中f-CaO 含量由4.851%降至2.325%,鋼渣集料及瀝青混合料膨脹率分別降至1.69%,0.4%。

鋼渣在經(jīng)過草酸螯合劑處理過程中,表面的CaCO3、Ca2SiO4、Ca3SiO5等中的大部分Ca2+會(huì)溶出與H2C2O4反應(yīng),生成高強(qiáng)度的CaC2O4。f-CaO 會(huì)提前水化,部分水化產(chǎn)物將繼續(xù)與草酸反應(yīng)生成CaC2O4,由于化學(xué)吸附作用,CaC2O4的生成均發(fā)生在鋼渣表面,發(fā)生沉淀轉(zhuǎn)化,表面更加密實(shí),鋼渣集料性能有所提升。

經(jīng)過改性處理后的鋼渣瀝青混合料其基本路用性能有所提升,特別是在混合料的水穩(wěn)定性和體積膨脹性方面。此外,鋼渣瀝青混合料的基本路用性能明顯優(yōu)于天然集料石灰?guī)r瀝青混合料。經(jīng)草酸改性處理后的鋼渣具備了替代天然集料的潛能,解決了鋼渣體積安定性難題。