桂滿城,饒 磊,李幫平,劉自民,張耀輝,馬孟臣

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

2018年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量9億噸左右，冶煉產(chǎn)生的鋼渣約1億噸。目前，鋼渣處理方式主要有熱悶法、滾筒法、風(fēng)碎法和熱潑法等[1-5]，鋼渣尾渣的主要利用途徑有制備鋼渣微粉、鋼渣混凝土、噴砂磨料及微晶玻璃等[6-14]。盡快利用途徑較多，但利用總量有限，目前仍有數(shù)億噸的鋼渣沒有得到利用。

隨著國(guó)家對(duì)自然資源保護(hù)力度加大，天然砂石資源禁采限采，導(dǎo)致水利工程所需的塊石、碎石及砂子原料供應(yīng)緊張，因此，尋找替代材料是解決問題的關(guān)鍵。

鋼渣混凝土類制品具備工程特性良好，承載力大、堅(jiān)固性好、耐冰凍體積穩(wěn)定性強(qiáng)、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，鋼渣中還含有磷、鎂等對(duì)植物有營(yíng)養(yǎng)作用的元素，可以植生草木，因此，鋼渣用作護(hù)坡材料骨料可形成生態(tài)護(hù)岸，鋼渣替代砂石作為骨料使用，還可減少天然砂石資源消耗，目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《港口及航道護(hù)岸工程設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTJ 300—2000)中要求護(hù)岸材料強(qiáng)度等級(jí)≥C20，抗凍等級(jí)≥F150。

鋼渣風(fēng)碎法處理得到的風(fēng)碎渣呈球狀，粒度分布較均勻，硬度高，適合用于混凝土材料的骨料。本文主要利用風(fēng)碎渣代替碎石制備生態(tài)護(hù)坡磚材料，并討論風(fēng)碎渣對(duì)護(hù)坡磚材料性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

鋼渣選用存放一個(gè)月以上的風(fēng)碎渣，水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥。風(fēng)碎渣的主要化學(xué)成分詳見表1，粗細(xì)骨料的粒度分布詳見表2和表3。

表1 風(fēng)碎渣的主要化學(xué)成分

表2 細(xì)骨料的粒度分布

表3 粗骨料的粒度分布

1.2 試驗(yàn)方法

試樣制備以JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》為依據(jù)，設(shè)計(jì)C20強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。試驗(yàn)原料的配合比見表4。

表4 試驗(yàn)原料配比

利用風(fēng)碎渣制備的試樣力學(xué)性能按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行檢測(cè)。

試樣的凍融實(shí)驗(yàn)是根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2009)執(zhí)行的，試驗(yàn)采用快凍法。

試樣壓蒸安定性試驗(yàn)的壓力為1 MPa，溫度179.9 ℃，時(shí)間4 h。

原料的pH值測(cè)定分別取原料風(fēng)碎渣和水泥各10 g，加入100 mL水中浸泡，試樣的pH值測(cè)定取試樣約4 kg，加入1 300 mL水中浸泡，每隔一段時(shí)間，采用精密pH計(jì)對(duì)水質(zhì)pH值進(jìn)行測(cè)試。

試樣的有害元素分析檢測(cè)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)碎渣的結(jié)構(gòu)分析

采用SEM-EDS對(duì)風(fēng)碎渣微觀形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 風(fēng)碎渣的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of air-granulated slag

1—Ca(OH)2，2—Ca2SiO4，3—Ca3SiO4，4—Ca2Fe2O5，5—CaCO3，6—RO圖2 不同批次的風(fēng)碎渣XRD分析Fig.2 XRD analysis of different batches of air-granulated slag

圖1(a)是粒徑2.5 mm的風(fēng)碎渣顆粒全貌顯微圖片。由圖可見，風(fēng)碎渣單個(gè)顆粒呈圓形，且顆粒中間有裂紋出現(xiàn)。這是因?yàn)轱L(fēng)碎渣是在高溫下由高壓氣體急速冷卻形成的，因此急冷產(chǎn)生的內(nèi)在應(yīng)力導(dǎo)致了裂紋的出現(xiàn)。圖1(b)是放大1 000倍后的風(fēng)碎渣顯微形貌，結(jié)合圖2可知，A為硅酸二鈣，B為硅酸三鈣，C為RO相(FeO、MgO和MnO生成的固溶體)，D為MgO為主的方鎂石，E為鐵酸二鈣。

2.2 試樣抗壓強(qiáng)度分析

試樣養(yǎng)護(hù)至一定齡期后，進(jìn)行3天、28天抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見表5。

從表5可以看出，試樣的3天和28天抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)碎渣含量的增大而逐漸增大。但是，當(dāng)風(fēng)碎渣含量達(dá)到47%時(shí)，試樣無(wú)法脫模。添加改性劑后，試樣強(qiáng)度持續(xù)增大，28天強(qiáng)度達(dá)到40.89 MPa。

表5 試樣3天和28天抗壓強(qiáng)度

試樣的抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)碎渣含量的升高而逐漸升高的原因主要是風(fēng)碎渣具有一定的水化活性，硬度大、抗磨、吸水率低，且其呈球形可以改善干硬性混凝土拌合物的流動(dòng)性，試件成型后的密實(shí)度大，有助于混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)。同時(shí)由于風(fēng)碎渣顆粒大多呈球形，表面較為光滑，與其他骨料之間的咬合以及與水泥之間的粘結(jié)性較差。因此，風(fēng)碎渣作為骨料替代碎石，當(dāng)替代量小于85%時(shí)(即風(fēng)碎渣含量40%)，其咬合與粘結(jié)性差的影響較小，而對(duì)強(qiáng)度有利的因素占主導(dǎo)，因此試樣強(qiáng)度隨風(fēng)碎渣含量的升高而升高。但是，當(dāng)替代量達(dá)到100%時(shí)(即風(fēng)碎渣含量47%)，其咬合與粘結(jié)性差的缺點(diǎn)就突顯出來(lái)，導(dǎo)致生坯強(qiáng)度低。因此，當(dāng)風(fēng)碎渣直接替代碎石時(shí)，其最佳替代量為85%，即風(fēng)碎渣含量40%。

試樣的強(qiáng)度變化也可從圖3試樣28天的斷面結(jié)構(gòu)可知，斷面中圓形黑色顆粒即為風(fēng)碎渣，1#～4#試樣致密度逐漸提高，4#試樣最致密，強(qiáng)度最高。

圖3 試樣斷面結(jié)構(gòu)(從左往右依次是1#、2#、3#、4#試樣)Fig.3 Section structures of samples(1#、2#、3#、4# from left to right in order)

2.3 試樣凍融試驗(yàn)分析

試樣凍融循環(huán)150次的質(zhì)量損失率及相對(duì)動(dòng)彈性模量下降率見表6，變化趨勢(shì)見圖4。

表6 樣品凍融循環(huán)150次后的變化

圖4 試樣凍融循環(huán)150次后質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量下降率趨勢(shì)Fig.4 The mass loss ratio and decreasing trend of relative dynamic modulus of elasticity after 150 freeze-thaw cycles

混凝土試樣發(fā)生凍融破壞，主要是由于混凝土內(nèi)部孔隙中的水在負(fù)溫下結(jié)冰后體積膨脹造成的靜水壓力和因?yàn)楸畨毫Σ钔苿?dòng)未凍水向凍結(jié)區(qū)遷移造成的結(jié)果[15]，當(dāng)添加風(fēng)碎渣替代碎石時(shí)，風(fēng)碎渣與水泥及其他骨料間結(jié)合更加致密，孔隙率低，凍融試驗(yàn)時(shí)造成的體積膨脹較小。

綜上，試樣經(jīng)過150次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失均小于5%，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降率均不高于40%，外觀亦無(wú)明顯變化。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，試樣抗凍等級(jí)達(dá)到F150。

2.4 壓蒸實(shí)驗(yàn)

風(fēng)碎渣在急劇冷卻過程中氧化鈣及氧化鎂部分與水反應(yīng)形成穩(wěn)定態(tài)，部分固溶進(jìn)硅酸二鈣、硅酸三鈣等相中形成穩(wěn)定的固溶體，因此自由存在的氧化鈣及氧化鎂含量較低，壓蒸試驗(yàn)幾乎不產(chǎn)生膨脹。

壓蒸試驗(yàn)后的試樣，外觀無(wú)破損，與壓蒸前的外觀相比基本無(wú)變化。因此可以認(rèn)為：風(fēng)碎渣代替碎石制備的護(hù)坡磚壓蒸安定性合格。

2.5 試樣對(duì)生態(tài)水質(zhì)影響分析

2.5.1 原材料及試樣的pH分析

護(hù)坡磚試樣及其原料在水中浸泡對(duì)水質(zhì)pH的影響隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 原料及試樣水溶液pH隨時(shí)間變化曲線Fig.5 pH curve of raw material and sample solution with time

由圖5可見，風(fēng)碎渣作為原料而言，其本身與同作為原料的水泥相比，對(duì)水體的pH值影響較弱。風(fēng)碎渣制備護(hù)坡磚后，含風(fēng)碎渣30%試樣水體的pH值略低于不含風(fēng)碎渣試樣的，對(duì)水體的pH值影響較弱。

2.5.2 試樣的有害元素分析

試樣的有害元素檢測(cè)結(jié)果見表7。

表7 鋼渣護(hù)坡試樣浸出毒性檢測(cè)結(jié)果

從風(fēng)碎渣的理化特性來(lái)看，風(fēng)碎渣重金屬含量較低，且易形成固溶體，因此浸出試驗(yàn)時(shí)重金屬元素不易析出，對(duì)水質(zhì)無(wú)影響。

由表7可以看出，試樣的浸出毒性符合《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)的要求。

3 結(jié)論

利用風(fēng)碎渣替代碎石制備生態(tài)護(hù)坡磚材料，風(fēng)碎渣替代量不高于46%的條件下制備的試樣各項(xiàng)性能符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求(強(qiáng)度等級(jí)≥C20，抗凍等級(jí)≥F150)，研究表明：

(1)制備的試樣強(qiáng)度較未添加風(fēng)碎渣的試樣高，且試樣的強(qiáng)度隨風(fēng)碎渣替代量的增加而逐漸提高。風(fēng)碎渣含量為40%時(shí)，試樣的3天和28天抗壓強(qiáng)度分別為31.03 MPa和8.83 MPa。

(2)制備的試樣抗凍融等級(jí)達(dá)到F150，壓蒸安定性合格。

(3)制備的試樣及其原料對(duì)水體的pH值影響較弱，試樣的浸出毒性符合《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)的要求。