田孝武，丁衛(wèi)青，謝 君,2，蔡悟陽(yáng)，鄧 騫

(1.葛洲壩武漢道路材料有限公司，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

鋼渣全組分梯級(jí)利用研究

(1.葛洲壩武漢道路材料有限公司，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

提出了一種鋼渣全組分梯級(jí)利用的方式，研究發(fā)現(xiàn)利用4.75 mm以上的鋼渣作粗集料制備AC-13瀝青混凝土，其各項(xiàng)性能與普通玄武巖AC-13基本相同；利用4.75 mm以下鋼渣作細(xì)集料制備砂漿，當(dāng)采用20%～40%的鋼渣等體積取代石灰?guī)r機(jī)制砂時(shí)，砂漿的性能與普通機(jī)制砂砂漿基本一致；將磨細(xì)鋼渣粉用作水混合材時(shí)，單摻10%～20%的鋼渣粉所制備的水泥和采用30%的鋼渣粉與20%的礦渣微粉所制備的水泥都能達(dá)到P·O 42.5水泥的標(biāo)準(zhǔn)。

鋼渣; 瀝青混凝土; 砂漿; 混合材

鋼渣排放量一般為粗鋼產(chǎn)量的10%～15%，據(jù)估計(jì)，2013年我國(guó)鋼渣排放量約為1億噸，大量鋼渣堆積，不僅占用土地，污染環(huán)境，而且鋼渣中的重金屬元素經(jīng)過(guò)雨水浸出對(duì)土壤及地下水造成嚴(yán)重的污染，給人民的生活和生存帶來(lái)了潛在的威脅。我國(guó)鋼渣處理和綜合利用發(fā)展較晚，現(xiàn)在鋼渣的有效利用率不足30%[1,2]。影響鋼渣在公路工程中利用的主要原因在于鋼渣中游離氧化鈣和氧化鎂造成的不安定因素，但研究表明，通過(guò)將鋼渣進(jìn)行自然陳放、磨細(xì)等不同方式進(jìn)行預(yù)處理可以很好地消除這些不穩(wěn)定因素[3-5]。目前鋼渣的利用主要有兩種形式，一是將塊狀鋼渣直接用于填海、工程回填料、附加值較低,這也是國(guó)內(nèi)大部分鋼渣的處理方式，資源流失比例很大，二是將鋼渣磨細(xì)后用作水泥混合材生產(chǎn)鋼渣水泥或充當(dāng)鐵質(zhì)矯正原料用于水泥熟料的煅燒，但鋼渣的用量小、利用率太低。此外，也有利用鋼渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)集料制備混凝土的研究[6,7]。文中提出了一種鋼渣全組分在公路工程中的梯級(jí)利用方式，即將鋼渣破碎成不同粒徑范圍內(nèi)的鋼渣粒料，然后根據(jù)粒徑的大小分別以不同的方式加以利用，實(shí)現(xiàn)鋼渣全組分的梯級(jí)利用。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

鋼渣：試驗(yàn)選用鋼渣為葛洲壩武漢道路材料有限公司嘉魚(yú)生產(chǎn)基地所生產(chǎn)的鋼渣集料，粒徑為16～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～0 mm，密度分別為3.157 g/cm3、3.205 g/cm3、3.21 g/cm3，試驗(yàn)所用鋼渣陳化時(shí)間均超過(guò)1年。

玄武巖：試驗(yàn)選用京山玄武巖，粒徑為16～9.5 mm、9.5～4.75 mm，密度分別為2.856 g/cm3、2.823 g/cm3。

石灰?guī)r機(jī)制砂：試驗(yàn)選用陽(yáng)新石灰?guī)r，粒徑為4.75～0 mm，密度為2.725 g/cm3。

石灰石粉：試驗(yàn)采用陽(yáng)新石灰?guī)r磨制的石粉，表觀相對(duì)密度為2.706 g/cm3，親水系數(shù)為0.8，粒徑范圍均在JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》所要求的范圍內(nèi)。

礦渣微粉：試驗(yàn)選用武漢冶金渣環(huán)保工程有限公司生產(chǎn)的S 95級(jí)礦粉。

鋼渣粉：試驗(yàn)選用經(jīng)磨細(xì)至比表面積為450～500 cm2/g的鋼渣粉。

瀝青: 試驗(yàn)選用SBS改性瀝青，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表均滿足JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

水泥：試驗(yàn)選用三峽牌P·O42.5水泥，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

1)鋼渣粗集料在瀝青混凝土中的應(yīng)用 試驗(yàn)分別選用鋼渣與玄武巖作粗集料，與石灰?guī)r細(xì)集料和石灰石粉進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化，配制AC-13瀝青混合料，并進(jìn)行最佳油石比和混合料性能對(duì)比，合成級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

2)鋼渣細(xì)集料在砂漿中的應(yīng)用 試驗(yàn)分別選用石灰?guī)r機(jī)制砂和4.75～0 mm鋼渣作為細(xì)集料來(lái)制備砂漿，并對(duì)其工作性和力學(xué)性能進(jìn)行研究。由于鋼渣與石灰?guī)r密度差別較大，試驗(yàn)擬在保證砂漿體積相同的情況下，采用鋼渣等體積取代石灰?guī)r機(jī)制砂的方式來(lái)制備砂漿，取代比例分別為0、20%、40%、60%、80%、100%，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 砂漿試驗(yàn)方案

3)鋼渣粉作為混合材在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用 由于鋼渣中含有與水泥熟料相似的C3S、C2S等具有水化活性的礦物，試驗(yàn)擬采用磨細(xì)鋼渣粉代替部分硅酸鹽熟料來(lái)制備水泥。將4.75～0 mm的鋼渣細(xì)集料單獨(dú)粉磨90 min后，其比表面積為475 cm2/g，等質(zhì)量分別取代0%、10%、20%、30%、40%、50%的熟料，研究鋼渣粉對(duì)水泥性能的影響，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 混合材試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

AC-13瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼渣AC-13各項(xiàng)性能均滿足規(guī)范要求，且與玄武巖AC-13試驗(yàn)結(jié)果非常接近。由試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼渣AC-13具有很好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。鋼渣AC-13最佳油石比略高于玄武巖AC-13，這主要是因?yàn)殇撛旨项w?？障堵事愿哂谛鋷r，在幾近相同礦料級(jí)配的情況下，鋼渣集料表面吸附的瀝青高于玄武巖，但是鋼渣集料低成本的優(yōu)勢(shì)可以充分彌補(bǔ)鋼渣AC-13油石比略高造成的成本增加，因此并不影響鋼渣在瀝青混凝土中的應(yīng)用。鋼渣AC-13的浸水膨脹率也高于玄武巖，這主要是由經(jīng)自然陳化后未完全消解的游離氧化鈣和氧化鎂造成的，但是其膨脹率也遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的上限。此外，鋼渣AC-13的水穩(wěn)定性能甚至高于玄武巖AC-13，這主要是因?yàn)殇撛鼘賶A性集料，能提高瀝青在其表面粘附力，而且鋼渣表面較玄武巖更加粗糙，增大了與瀝青接觸面積，從而提高了水穩(wěn)定性[8]。

表4 AC-13瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

2.2 鋼渣砂漿試驗(yàn)結(jié)果

鋼渣砂漿稠度的強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。采用等體積法取代石灰?guī)r機(jī)制砂的目的是保證混合料的體積不變，保證不會(huì)因混合料體積的變化對(duì)砂漿工作性能造成影響。由試驗(yàn)結(jié)果可知，砂漿的稠度和抗壓強(qiáng)度的總體趨勢(shì)是隨著鋼渣摻取代量的增加而降低。當(dāng)鋼渣摻量在20%～40%時(shí)，稠度和抗壓強(qiáng)度與純機(jī)制砂砂漿基本相同，這主要是因?yàn)殇撛屑?xì)顆粒含量高于石灰?guī)r機(jī)制砂，這些細(xì)顆粒的微集料效應(yīng)能夠改善機(jī)制砂的級(jí)配，保障砂漿的流動(dòng)性，此外也能使砂漿顆粒體系更加致密，從而保證其強(qiáng)度。隨著鋼渣摻量的繼續(xù)增加，在相同體積的情況下，細(xì)顆粒比例更大，導(dǎo)致顆粒體系總的比表面積增加，顆粒表面吸附水過(guò)多，降低了砂漿體系的有效拌合水，因此砂漿的工作性明顯降低，砂漿工作性的降低隨之降低了砂漿的成型質(zhì)量，導(dǎo)致砂漿密實(shí)度降低，因此砂漿的強(qiáng)度也明顯降低。

2.3 鋼渣混合材試驗(yàn)結(jié)果

鋼渣對(duì)水泥性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入鋼渣粉后，水泥安定性均合格，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間隨鋼渣粉摻量的提高而增加，抗折抗壓強(qiáng)度則依次降低。當(dāng)摻入10%～20%的鋼渣粉時(shí)，水泥性能達(dá)到了P·O42.5的標(biāo)準(zhǔn)。鋼渣中的C3S、C2S可認(rèn)為是過(guò)燒的熟料，其活性要遠(yuǎn)低于熟料中的C3S、C2S，往往需要通過(guò)活性材料的激發(fā)才能釋放出活性，因此在此前試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用礦渣微粉作為激發(fā)劑，取代50%的水泥進(jìn)行了礦渣與鋼渣復(fù)配的試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由結(jié)果可知，采用鋼渣與礦渣復(fù)摻代替50%的水泥時(shí)，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于單獨(dú)采用鋼渣代替50%的水泥，特別是采用30%的鋼渣和20%的鋼渣粉復(fù)配時(shí)，水泥強(qiáng)度仍然達(dá)到了P·O42.5的標(biāo)準(zhǔn)。原因在于鋼渣的膠凝性能主要來(lái)源于鋼渣中過(guò)燒的C2S 和C3S，而礦渣膠凝性主要來(lái)源于顆粒表面活性硅鈣質(zhì)玻璃體的水化。水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2與活性硅鈣質(zhì)玻璃體和過(guò)燒的C2S 和C3S發(fā)生反應(yīng)，生成低鈣型的水化硅酸鈣凝膠[9]。鋼渣與礦渣復(fù)合可以相互激發(fā)、促進(jìn)水化，從而在大量替代熟料的情況下提高水泥的強(qiáng)度。

表5 鋼渣混合材試驗(yàn)結(jié)果

表6 鋼渣-礦渣復(fù)配試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)鋼渣資源化利用往往只選用某一部分的鋼渣顆粒，導(dǎo)致鋼渣資源化利用率不足。本研究針對(duì)不同粒徑鋼渣的提出了一種鋼渣全組分梯級(jí)利用的方式，實(shí)現(xiàn)鋼渣的100%應(yīng)用于建材行業(yè)。主要思路是將4.75 mm以上的鋼渣粗顆粒充當(dāng)粗集料用于瀝青混凝土路面，將4.75 mm以下的鋼渣充當(dāng)細(xì)顆粒用于建筑砂漿行業(yè)，將鋼渣細(xì)顆粒粉磨至一定細(xì)度后用作水泥混合材。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

a.鋼渣AC-13的各項(xiàng)性能與玄武巖AC-13基本相同，且鋼渣AC-13的水穩(wěn)定性略?xún)?yōu)于玄武巖AC-13。

b.在砂漿中摻入20%～40%的鋼渣細(xì)集料時(shí)，其工作性與強(qiáng)度與普通機(jī)制砂砂漿基本相同。

c.在熟料中單獨(dú)摻入10%～20%的磨細(xì)鋼渣粉時(shí)，所制備的水泥能夠達(dá)到P·O42.5的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)采用鋼渣粉與礦渣微粉復(fù)摻代替50%的熟料時(shí)，30%的鋼渣粉和20%的礦渣微粉復(fù)摻所制備的水泥強(qiáng)度明顯高于單獨(dú)采用50%的鋼渣粉代替熟料，且仍然能夠達(dá)到P·O42.5的標(biāo)準(zhǔn)。

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Study on the Graded Utilization of All Components in Steel Slag

TIAN Xiao-wu1,DING Wei-qing1,XIE Jun1,2,CAI Wu-yang1，DENG Qian1

(1.Gezhouba Group Wuhan Road Materials Co,Ltd, Wuhan 430070, China; 2.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

The graded utilization of all components in steel slag was proposed in this paper.Results showed that AC-13 asphalt concrete, utilizing the steel slag with particle size greater than 4.75 mm as coarse aggregate, had the same performances as AC-13 general basalt concrete.Steel slag with particle size smaller than 4.75 mm was employed to prepare mortar.The properties of mortar, with 20%～40% limestone manufactured sand replaced by steel slag, and mortar prepared with manufactured sand are consistent.When the ground steel slag was utilized as admixture, the cement prepared with 10%～20% steel slag powder or with mixed addition of 30% steel slag powder and 20% fine slag powder could come up to the standard of P·O42.5 cement.

steel slag; asphalt concrete; mortar; admixture

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.006

2015-02-11.

湖北省中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃(2014DLA129).

田孝武(1989-)，助理工程師.E-mail:tianxw5615@163.com