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        路用鋼渣陳化處理及其性能研究

        2021-05-20 12:05:44
        西部交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:蒸壓陳化石灰?guī)r

        趙 華

        (扶綏縣公路發(fā)展中心,廣西 崇左 532299)

        0 引言

        早在20世紀(jì),很多發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼渣利用率就超過(guò)了85%,在日本,鋼渣利用率更是接近100%,而我國(guó)作為世界最大的鋼鐵生產(chǎn)及消費(fèi)國(guó),截至目前鋼渣利用率仍不足20%,為了提高鋼渣的利用率,近年來(lái)不少學(xué)者及單位都進(jìn)行了研究。

        1995—1998年,首鋼研究與開(kāi)發(fā)公司聯(lián)合北京市市政工程研究院,將鋼渣用于道路基層,結(jié)果表明試驗(yàn)路段路面基本平整,無(wú)車轍及因基層引起的爆裂[2];2000年,方衛(wèi)民等將鋼渣用于京滬高速鐵路徐滬段的不良地基處理,提高了路基土的強(qiáng)度[3];2004年,陶海生將鋼渣用于二灰鋼渣基層,研究了其早期強(qiáng)度[4];2007年,許剛對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼渣對(duì)海洋微藻生長(zhǎng)、海水水質(zhì)及海洋生物的影響進(jìn)行了研究[5];同年,張澎等研究發(fā)現(xiàn)鋼渣對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的干縮有一定的抑制作用[6];2011年,郭鵬等用轉(zhuǎn)爐鋼渣研制了鋼渣混凝土滲水道路面層材料[7];2015年,李蘭蘭研究了尾礦、鋼渣制蒸壓磚的工藝條件和養(yǎng)護(hù)制度;同年,孫朋等用不同粒度顆粒與添加造孔劑制備鋼渣多孔陶瓷吸聲材料[8];2016年,逄博研究了以碳化鋼渣為骨料的混凝土的性能,發(fā)現(xiàn)碳化鋼渣作為骨料可顯著提高混凝土力學(xué)性能[1];同年,汪亞偉以尾渣代替部分石灰和水泥制備蒸壓加氣混凝土砌塊,研究了配合比、原料細(xì)度和蒸壓過(guò)程中的主要產(chǎn)物對(duì)砌塊性能的影響[9];同年,侯克偉研究了鋼渣改性及其對(duì)水泥基材料性能的影響[10];2017年,王皓研究了鋼渣、粉煤灰等多種工業(yè)固體廢棄物復(fù)配纖維化熱熔特性[11];同年,李晉巖提出采用選擇性富集與相分離的方法來(lái)分離鋼渣中的磷酸鹽[12]。綜上所述,鋼渣在建筑、海洋、土木工程等多個(gè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用,而在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)了主導(dǎo)地位。

        鋼渣經(jīng)高溫過(guò)燒后含有一定的游離氧化鈣f-CaO與游離氧化鎂f-MgO,遇水緩慢膨脹,給鋼渣帶來(lái)體積不安定性[13-14],并且由于各地?zé)掍摬捎玫牡V石來(lái)源、鋼渣處理工藝不同,鋼渣帶有明顯的區(qū)域性特點(diǎn),這些都是制約鋼渣推廣應(yīng)用的重要原因。鑒于此,本文對(duì)防城港區(qū)域的鋼渣礦物成分、毛體積密度以及壓碎值、針片狀顆粒含量等規(guī)范要求指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究,同時(shí)對(duì)影響鋼渣穩(wěn)定性的游離氧化鈣含量、蒸壓粉化率、浸水膨脹率等指標(biāo)進(jìn)行分析研究,提出將鋼渣應(yīng)用于道路的基層中的建議,以期促進(jìn)鋼渣的利用。

        1 原材料及試驗(yàn)方案

        本研究主要的原材料為鋼渣和石灰?guī)r碎石,其中鋼渣來(lái)源于防城港某鋼鐵廠,石灰?guī)r來(lái)源于防城港茅嶺鎮(zhèn)某料場(chǎng)。

        為研究陳化處理對(duì)鋼渣礦物組成、物理力學(xué)指標(biāo)以及體積穩(wěn)定性的影響作用,本研究主要以陳化時(shí)間和陳化方法為變量,測(cè)試不同陳化處理后鋼渣的上述技術(shù)性能,為推動(dòng)鋼渣在路面基層中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

        2 陳化處理對(duì)鋼渣礦物組成的影響

        因煉鋼爐型、鋼種以及每爐鋼在冶煉階段的不同導(dǎo)致鋼渣中的各種物質(zhì)成分有所波動(dòng),防城港地區(qū)鋼渣的化學(xué)成分主要由CaO、TFe(包括Fe2O3、FeO、少量Fe等)、SiO2、MgO、MnO、Al2O3,以及少量K2O、TiO2、Na2O、P、Cu、Zn、Ni等組成,如表1所示。

        表1 鋼渣化學(xué)成分分析結(jié)果表(%)

        經(jīng)過(guò)1 000 ℃~1 100 ℃燒成的生石灰中的CaO是一種多孔結(jié)構(gòu)的細(xì)小晶粒,內(nèi)表面積大,水化能力極強(qiáng)。而經(jīng)過(guò)1 500 ℃以上高溫產(chǎn)生的鋼渣中f-CaO(游離氧化鈣)結(jié)構(gòu)致密晶粒大,晶格較緊密,水化反應(yīng)極慢,在水泥中水化時(shí)仍在發(fā)生膨脹[15]。

        為了研究鋼渣中f-CaO含量隨時(shí)間變化的情況,按《鋼渣中游離氧化鈣含量測(cè)定方法》(YB/T 4328-2012)中測(cè)定f-CaO的方法,對(duì)鋼渣中f-CaO的含量進(jìn)行12個(gè)月的連續(xù)測(cè)定。將同一批鋼渣存放在兩個(gè)料池中,兩個(gè)料池均放在露天自然環(huán)境中,對(duì)其中一個(gè)料池每天澆水一次,每次澆水保證均勻,直至有大量水從料池泄水孔溢出。對(duì)比分析澆水陳化與自然陳化兩種方法對(duì)f-CaO含量的影響,測(cè)定結(jié)果如表2所示。

        表2 不同陳化處理鋼渣的游離氧化鈣含量試驗(yàn)結(jié)果表

        由表2可知,新鋼渣(陳化0個(gè)月)f-CaO含量最高為5.78%,隨著陳化時(shí)間的增長(zhǎng),f-CaO含量有所降低,但并沒(méi)有逐月降低,而是呈現(xiàn)出波動(dòng)降低的趨勢(shì)。陳化12個(gè)月的鋼渣f-CaO含量比陳化3個(gè)月和陳化6個(gè)月的鋼渣均有所增加。這些結(jié)果說(shuō)明,鋼渣中f-CaO的分布不均勻,導(dǎo)致f-CaO含量測(cè)定結(jié)果波動(dòng)較大。同時(shí),《鋼渣中游離氧化鈣含量測(cè)定方法》中要求取樣5 kg鋼渣,將其磨細(xì)成用于游離總鈣含量滴定和Ca(OH)2含量熱重分析的鋼渣粉約1 g,這1 g鋼渣粉的測(cè)定結(jié)果顯然不足以代表整個(gè)料場(chǎng)的鋼渣f-CaO含量,因此工程實(shí)踐中應(yīng)增加取樣及試驗(yàn)次數(shù)(建議3次及以上),以多次測(cè)定結(jié)果的均值代表料場(chǎng)鋼渣的f-CaO含量。

        另對(duì)比澆水陳化和自然陳化兩種方法處理下的鋼渣f-CaO含量測(cè)定結(jié)果,澆水陳化3個(gè)月和12個(gè)月的鋼渣中f-CaO含量反而比自然陳化鋼渣大,澆水陳化6個(gè)月鋼渣中f-CaO含量?jī)H比自然陳化鋼渣小0.6%,說(shuō)明澆水陳化方法對(duì)鋼渣中f-CaO含量的影響不大,因此鋼渣出廠后并不需要進(jìn)行澆水處理。

        3 陳化處理對(duì)鋼渣物理力學(xué)指標(biāo)的影響

        3.1 鋼渣物理力學(xué)指標(biāo)研究

        根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)等規(guī)范對(duì)路面基層集料的要求,對(duì)新鋼渣和陳化3個(gè)月鋼渣的壓碎值、針片狀顆粒含量、軟石含量、塑性指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表3所示。

        表3 不同陳化鋼渣物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果表

        由表3可知,表中6項(xiàng)指標(biāo)均能夠滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20)的相關(guān)要求。經(jīng)過(guò)3個(gè)月的陳化,鋼渣的針片狀顆粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、硫酸鹽含量3項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)明顯的變化,壓碎值、軟石含量、塑性指數(shù)3項(xiàng)指標(biāo)有所增大,但也滿足規(guī)范要求。

        3.2 鋼渣密度特性研究

        為了解鋼渣的密度特性,本文以石灰?guī)r碎石為對(duì)比,按照《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E41-2005)中的試驗(yàn)來(lái)分別測(cè)試了鋼渣和石灰?guī)r碎石的毛體積密度。試驗(yàn)選取4.75~31.5 mm的石灰?guī)r碎石和鋼渣碎石來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于表面多孔鋼渣,用凡士林將其表面空隙封閉,并用干毛巾擦除多余的凡士林,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

        表4 鋼渣和石灰?guī)r碎石的毛體積密度試驗(yàn)結(jié)果表

        由表4可知,鋼渣密度均值是2.9 t/m3,石灰?guī)r密度均值是2.57 t/m3,因此在同等體積下,鋼渣的質(zhì)量比石灰?guī)r約大12.84%。由于道路基層混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)理論采用的是體積法,因此用鋼渣替換碎石時(shí),應(yīng)進(jìn)行同體積替換,即鋼渣的質(zhì)量用量要比石灰?guī)r約大12.84%才能保證做到同體積替換。

        4 陳化處理對(duì)鋼渣體積穩(wěn)定性的影響

        4.1 鋼渣浸水膨脹率研究

        為研究鋼渣混合料的穩(wěn)定性,按《鋼渣穩(wěn)定性檢測(cè)方法》(GB/T 24175-2009),對(duì)鋼渣摻量為100%和80%的陳化0個(gè)月和陳化3個(gè)月鋼渣石灰?guī)r碎石混合料進(jìn)行浸水膨脹率試驗(yàn),結(jié)果如表5及圖1所示。

        表5 不同陳化時(shí)間鋼渣膨脹率試驗(yàn)結(jié)果表

        圖1 鋼渣膨脹量變化曲線圖

        由表5可知,新鋼渣膨脹率為4.2%,經(jīng)過(guò)3個(gè)月的陳化后,鋼渣的膨脹率明顯下降,但仍然>2.0%,添加20%碎石后鋼渣膨脹率降至0.6%,降低了76.6%,因此用添加碎石的方法可有效降低鋼渣混合料的膨脹率。但由表4分析得知鋼渣中f-CaO的分布不均勻,為降低鋼渣應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn),建議陳化時(shí)間較短的鋼渣使用率不超過(guò)60%。

        由圖1可知,新鋼渣膨脹量增長(zhǎng)速率較快,且至11 d膨脹量增長(zhǎng)還沒(méi)有明顯減小的趨勢(shì),因此新鋼渣體積穩(wěn)定性較差;陳化3個(gè)月的鋼渣,膨脹量在前2 d增長(zhǎng)最快,之后膨脹量逐天減小,7 d后膨脹量增長(zhǎng)曲線的斜率接近水平,膨脹量為2.57%,試件體積趨于穩(wěn)定;陳化3個(gè)月的鋼渣添加20%碎石后,膨脹量進(jìn)一步減小,膨脹量的增長(zhǎng)率從1 d開(kāi)始就較為緩和,說(shuō)明添加碎石后混合料的體積穩(wěn)定性有了改善。

        4.2 鋼渣蒸壓粉化率研究

        鋼渣顆粒的穩(wěn)定性對(duì)混合料的級(jí)配有一定影響,為了研究鋼渣顆粒的穩(wěn)定性,按《鋼渣穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法》(GBT 24175-2009),對(duì)新鋼渣、澆水陳化5個(gè)月鋼渣以及自然陳化5個(gè)月鋼渣進(jìn)行蒸壓粉化率試驗(yàn),結(jié)果如表6所示。

        表6 不同陳化時(shí)間和方法下鋼渣蒸壓粉化率試驗(yàn)結(jié)果表

        由表6可知,鋼渣的蒸壓粉化率隨陳化時(shí)間的加長(zhǎng)而下降,說(shuō)明陳化時(shí)間加長(zhǎng)有利于鋼渣的穩(wěn)定,但澆水陳化5個(gè)月鋼渣的粉化率比自然陳化5個(gè)月的大,說(shuō)明澆水陳化處理對(duì)鋼渣穩(wěn)定性改善影響不大。由于隨著鋼渣的陳化,部分鋼渣顆粒會(huì)崩解為更小粒徑的鋼渣,即出現(xiàn)粉化,因此在鋼渣應(yīng)用過(guò)程中建議采用粒徑較小的鋼渣,以減少鋼渣粉化對(duì)混合料骨架結(jié)構(gòu)的影響。

        5 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)上述試驗(yàn)研究,可以得出以下結(jié)論:

        (1)鋼渣中f-CaO的分布不均勻,工程實(shí)踐中建議增加取樣及試驗(yàn)次數(shù)(建議3次及以上),以多次測(cè)定結(jié)果的均值代表料場(chǎng)鋼渣的f-CaO含量。

        (2)本文試驗(yàn)所取鋼渣的各項(xiàng)性能指標(biāo)基本能夠滿足原料作為基層、底基層集料的要求,但鋼渣穩(wěn)定性較差,使用時(shí)應(yīng)加以驗(yàn)證。

        (3)同等體積下,鋼渣的質(zhì)量比石灰?guī)r約大12.84%,為保證設(shè)計(jì)級(jí)配不變,用鋼渣替換碎石時(shí),應(yīng)同體積替換,建議鋼渣的質(zhì)量用量要比石灰?guī)r大12.84%。

        (4)陳化時(shí)間加長(zhǎng)有利于鋼渣的穩(wěn)定及f-CaO含量的降低,澆水陳化方法對(duì)鋼渣中f-CaO含量及鋼渣穩(wěn)定性的影響不大,因此鋼渣出廠后并不需要澆水處理。

        (5)添加碎石可有效降低鋼渣混合料的膨脹率,建議陳化時(shí)間較短的鋼渣使用率≤60%。

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