羅 琦， 孟凡威， 劉 旭， 賀陶安

(1.湖南省醴潭高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 株洲 412000； 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

隨著全國工業(yè)化及城市化進(jìn)程加快，人口不斷增加，對工業(yè)制造和電能的需求量日益增大，各種工業(yè)廢渣也隨之不斷增多。2018年全國粗鋼產(chǎn)量9.28億t，生產(chǎn)大量鋼鐵的同時(shí)，也產(chǎn)生大量的鋼渣(約占粗鋼產(chǎn)量的15%～20%)。而目前國內(nèi)對鋼渣的綜合利用率卻只有22%左右[1]，由此造成了數(shù)億噸鋼渣的常年堆積，這不僅占用土地、污染環(huán)境，更是對資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。高爐礦渣是冶煉生鐵時(shí)從高爐中排出的一種廢渣，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國待處理的高爐礦渣達(dá)2.51億t[2]；脫硫石膏和粉煤灰是燃煤電廠的兩大工業(yè)廢渣[3]。我國工業(yè)廢渣產(chǎn)量的增長趨勢一直呈急速上升狀態(tài)，每年未回收利用的工業(yè)廢渣總量就有5億t[4]，這表明其回收利用率不到總量的60%。

工程渣土屬于建筑垃圾的一種，主要指工程建設(shè)過程中基坑開挖、切方開挖、道路與其它工程建設(shè)換填的廢棄泥土，也包括樁基施工過程中產(chǎn)生的泥漿、盾構(gòu)土，還含有少量散落的砂漿和混凝土碎塊、剔鑿產(chǎn)生的磚石、廢金屬等廢棄物，含土比例約為60%[5]。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑業(yè)、軌道交通等行業(yè)發(fā)展迅速，導(dǎo)致城市中建筑垃圾的產(chǎn)生和排出數(shù)量也在快速增長，其中渣土就占有相當(dāng)大的比例，約占建筑垃圾總量的30%～40%[6]。

目前我國工程渣土的資源化利用水平還比較低，主要將其作為道路路基填土使用。為減小渣土的危害，李又云等[7]依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了建筑渣土的顆粒組成、擊實(shí)特性和力學(xué)特征。研究結(jié)果表明：渣土經(jīng)過一定處理后，具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等特性，通過特定的施工工藝可直接應(yīng)用于城市道路路基工程。安徽工業(yè)大學(xué)的朱偉[2]以高爐礦渣微粉及一定量的石膏、水泥、外加劑，制備出一種新型綠色膠凝材料“土壤固化劑”，并用土壤固化劑分別固化工程廢棄泥漿和渣土，使其具備了一定的工程應(yīng)用性能。昆明理工大學(xué)固體廢棄物國家工程研究中心[8]通過試驗(yàn)揭示了水泥系固化劑固化渣土強(qiáng)度增長的原理：在一定的外部壓力下，水泥基固化劑固化渣土是源于水泥與添加劑、渣土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新物質(zhì)膠結(jié)渣土顆?；蛐律晌矬w積膨脹填充渣土顆粒之間的孔隙，密實(shí)了渣土結(jié)構(gòu)，使固化渣土易于壓實(shí)成為一個(gè)整體，從而獲得良好的宏觀力學(xué)性能。屈曉暉[9]通過分析渣土的物理力學(xué)特性，提出渣土碾壓形成的地基層符合硬殼層的概念，研究了渣土的最優(yōu)顆粒級配和級配改良后渣土的最佳含水率，得到了渣土在不同密實(shí)度下浸潤作用對其強(qiáng)度的影響規(guī)律，并通過試驗(yàn)和應(yīng)用工程提出了渣土處理軟弱地基的施工控制參數(shù)。

本文利用高爐礦渣、鋼渣、脫硫石膏等工業(yè)廢渣制備出替代傳統(tǒng)無機(jī)膠凝材料的固化劑，并用于固化工程渣土，研究了固化劑的基本性能和固化渣土的力學(xué)性能，以期固化渣土能作為二級及二級以下公路或城鎮(zhèn)次干路及以下道路基層、底基層材料使用。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

1)水泥：P·C42.5水泥，經(jīng)檢驗(yàn)安定性合格，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2)鋼渣：取自湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，經(jīng)過烘干、破碎、球磨工藝后得到粉末狀鋼渣。其主要成分見表2。

表1 水泥的主要性能技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%比表面積/(m2·kg-1)凝結(jié)時(shí)間/min抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d26.8035218827523.9544.563.595.45

表2 鋼渣的主要成分%SiO2Al2O3CaOMgOFeOFe2O3MnOTiO2P2O515.455.0543.127.798.169.200.831.241.88

3)高爐礦渣：取自湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，經(jīng)過烘干、球磨工藝后得到粉末狀高爐礦渣。其主要成分見表3。

表3 高爐礦渣的主要成分%CaOSiO2Al2O3MgOFe2O3MnOSTiO240.5235.2310.057.082.201.810.87—

4)激發(fā)劑：氫氧化鈉、硫酸鈉均為分析純。

5)工程渣土：取自某建筑工地，經(jīng)烘干、敲碎、篩分得到0～4.75 mm的粉狀干土，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表4所示。

表4 工程渣土物理性質(zhì)指標(biāo)液限/%塑限/%最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)52.928.315.31.76

6)再生細(xì)集料：長沙市某建筑垃圾處理廠磚渣料，經(jīng)烘干、篩分得到0～4.75 mm的建筑垃圾再生細(xì)集料(見圖1)。

(a) 工程渣土(b)處理后的工程渣土(c) 建筑垃圾再生細(xì)集料

1.2 試驗(yàn)方案

鋼渣、高爐礦渣直接取自鋼鐵廠，未經(jīng)加工，均需通過球磨工藝磨細(xì)后加以使用，為確定最佳球磨時(shí)間，對鋼渣、高爐礦渣進(jìn)行球磨試驗(yàn)和活性指數(shù)試驗(yàn)；對固化劑進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間和膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)；對固化渣土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.2.1球磨試驗(yàn)

鋼渣粒度和硬度較大，先對其進(jìn)行破碎，使其粒度小于2.36 mm后再進(jìn)行球磨，高爐礦渣經(jīng)烘干后可直接進(jìn)行球磨。采用XQM-4行星式球磨機(jī)，控制轉(zhuǎn)速為500 r/min，鋼渣球磨時(shí)間分別為60、80、100、120 min，高爐礦渣球磨時(shí)間分別為30、40、50、60 min。球磨試驗(yàn)結(jié)束后過2.36 mm篩，除去鋼球及其他硬物。

1.2.2活性指數(shù)試驗(yàn)

鋼渣及高爐礦渣的活性指數(shù)試驗(yàn)均按《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》(GB/T 18046—2017)附錄A中礦渣粉活性指數(shù)、流動(dòng)度比和初凝時(shí)間比的測定方法進(jìn)行，活性指數(shù)為試驗(yàn)?zāi)z砂強(qiáng)度與對比膠砂強(qiáng)度的比值，膠砂齡期為7 d和28 d。

1.2.3固化劑基本性能試驗(yàn)

1)鋼渣和高爐礦渣摻量試驗(yàn)：固化劑包含主材和激發(fā)劑兩部分，主材包括鋼渣、高爐礦渣和水泥。廢渣摻量過高，固化劑早期性能較弱；廢渣摻量過低，固化劑存在成本高、易干縮開裂等問題。因此首先需確定合理的鋼渣和高爐礦渣摻量?？刂其撛透郀t礦渣的摻量為50%～70%，激發(fā)劑統(tǒng)一采用1%NaOH和2%Na2SO4。固化劑的凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)和膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)均按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420—2020)中相應(yīng)水泥的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2)激發(fā)劑用量試驗(yàn)：根據(jù)鋼渣和高爐礦渣摻量試驗(yàn)結(jié)果，對固化劑配合比進(jìn)一步優(yōu)化，研究不同激發(fā)劑用量對固化劑性能的影響，確定合理的激發(fā)劑用量。

1.2.4固化渣土力學(xué)性能試驗(yàn)

1)擊實(shí)試驗(yàn)：按照重型擊實(shí)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，固定渣土摻量為100%，固化劑用量為6%、7%、8%、9%和10%；固定固化劑用量為8%，渣土摻量為100%、90%、80%、70%和60%；分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定各組固化渣土的最佳含水率和最大干密度。

2)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：按照擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率和最大干密度成型試件，每組試件均制作6個(gè)，試件尺寸為φ100 mm×h100 mm，含水率采用擊實(shí)試驗(yàn)中的最佳含水率，按照最大干密度對應(yīng)的98%壓實(shí)度成型試件，試件制作完成后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7、28 d。養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，采用應(yīng)變控制法進(jìn)行勻速加載，控制加載速率約為1 mm/min，當(dāng)試樣破壞時(shí)停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 球磨試驗(yàn)與活性指數(shù)

將鋼渣和高爐礦渣分別按球磨試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，測定球磨后鋼渣粉和高爐礦渣粉的比表面積，結(jié)果如表5所示。

表5 不同球磨時(shí)間下鋼渣和高爐礦渣的比表面積球磨時(shí)間/min鋼渣比表面積/(m2·kg-1)高爐礦渣比表面積/(m2·kg-1)30—34540—37850—3956023740980298—100326—120342—

由表5可知，鋼渣和高爐礦渣的比表面積隨球磨時(shí)間增加而增大，這是因?yàn)殡S著球磨時(shí)間增加，鋼渣和高爐礦渣顆粒變細(xì)，相應(yīng)的比表面積就會(huì)增大；因鋼渣硬度大、較難磨細(xì)，要獲得比表面積超過340 m2/kg的微粉，鋼渣的球磨時(shí)間是高爐礦渣球磨時(shí)間的4倍。而球磨時(shí)間的增加會(huì)顯著提高生產(chǎn)成本，為進(jìn)一步確定鋼渣和高爐礦渣的合理球磨時(shí)間，分別測定了各球磨時(shí)間下鋼渣粉和高爐礦渣粉的活性指數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

(a)鋼渣

(b)高爐礦渣

由圖2(a)可知，鋼渣的7 d和28 d活性指數(shù)均隨球磨時(shí)間增加而升高，因球磨時(shí)間越長，鋼渣粉顆粒越細(xì)，其中的活性物質(zhì)水化反應(yīng)更充分，活性指數(shù)就越高；與水泥相比，鋼渣的早期水化反應(yīng)較少，因此7 d活性指數(shù)低于28 d活性指數(shù)；在球磨時(shí)間60～100 min時(shí)，鋼渣球磨時(shí)間對其活性指數(shù)的提高效果較為顯著，球磨時(shí)間每增加20 min，鋼渣的活性指數(shù)提高了10%～15%，但球磨時(shí)間從100 min增加到120 min，鋼渣活性指數(shù)僅提高3%左右。結(jié)合鋼渣比表面積和活性指數(shù)綜合來看，鋼渣最合理的球磨時(shí)間為100 min。

由圖2(b)可知，高爐礦渣的7 d和28 d活性指數(shù)均遠(yuǎn)高于鋼渣，球磨時(shí)間在40 min時(shí)，其28 d活性指數(shù)超過了95%，達(dá)到了s95礦渣的水平；當(dāng)球磨時(shí)間超過40 min，球磨時(shí)間的增加對高爐礦渣活性指數(shù)的提高效果不明顯，因此將高爐礦渣的球磨時(shí)間定為40 min。

2.2 固化劑基本性能試驗(yàn)

2.2.1鋼渣和高爐礦渣摻量試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行鋼渣和高爐礦渣摻量試驗(yàn)，固化劑具體配合比、凝結(jié)時(shí)間和膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6和圖3。

表6 固化劑配合比及凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果編號水泥/%鋼渣/%高爐礦渣/%激發(fā)劑初凝時(shí)間/min終凝時(shí)間/minM10000—188275A13010601%NaOH+2%Na2SO4162258A23020501%NaOH+2%Na2SO4147241B14010501%NaOH+2%Na2SO4167264B24020401%NaOH+2%Na2SO4148244C15010401%NaOH+2%Na2SO4169265C25020301%NaOH+2%Na2SO4152247

圖3 不同配合比固化劑膠砂抗壓強(qiáng)度隨齡期變化關(guān)系

由表6固化劑凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果可知，A、B、C 3組中2號配合比的固化劑凝結(jié)時(shí)間均小于1號配合比的固化劑凝結(jié)時(shí)間，說明鋼渣摻量從10%增加到20%后，固化劑凝結(jié)時(shí)間有所縮短，初凝時(shí)間縮短了15～19 min，終凝時(shí)間縮短了17～20 min?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g(shù)細(xì)則》(JTG F20—2015)對水泥的凝結(jié)時(shí)間要求為：初凝時(shí)間大于3 h，終凝時(shí)間大于6 h且小于10 h，后續(xù)可添加緩凝劑使固化劑凝結(jié)時(shí)間滿足規(guī)范要求。

由圖3可以看出，固化劑早期強(qiáng)度低于水泥；齡期為28 d時(shí)，部分固化劑膠砂強(qiáng)度超過水泥膠砂強(qiáng)度；齡期為90 d時(shí)，固化劑膠砂強(qiáng)度均超過水泥膠砂強(qiáng)度；這與鋼渣和高爐礦渣早期活性較低、后期活性逐漸升高有關(guān)。通過對比發(fā)現(xiàn)，A1和A2固化劑強(qiáng)度最低，原因是水泥含量較少，強(qiáng)度形成速度較慢；B1和C1固化劑強(qiáng)度最高，B2和C2固化劑強(qiáng)度次之，原因是鋼渣活性低于高爐礦渣，鋼渣摻量的提高對固化劑強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響。綜合各因素，選擇B1固化劑作為后續(xù)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，即固化劑中水泥摻量40%，鋼渣摻量10%，高爐礦渣摻量50%。

2.2.2激發(fā)劑用量試驗(yàn)

根據(jù)2.2.1節(jié)試驗(yàn)結(jié)果，對固化劑配合比進(jìn)一步優(yōu)化，添加5%脫硫石膏作為緩凝劑，表7為各固化劑配合比及其凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果。添加了5%脫硫石膏作為緩凝劑后，各固化劑初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20—2015)的要求。不同激發(fā)劑用量的固化劑膠砂抗壓強(qiáng)度隨齡期變化關(guān)系見圖4。

表7 各固化劑配合比及其凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果編號水泥/%鋼渣/%高爐礦渣/%激發(fā)劑緩凝劑初凝時(shí)間/min終凝時(shí)間/minF401050—5%脫硫石膏220383D14010501%NaOH+2%Na2SO45%脫硫石膏216374D24010502%NaOH+4%Na2SO45%脫硫石膏211368D34010503%NaOH+6%Na2SO45%脫硫石膏212362

圖4 不同激發(fā)劑用量的固化劑膠砂抗壓強(qiáng)度隨齡期變化關(guān)系

由圖4可知，添加激發(fā)劑后固化劑的各齡期強(qiáng)度均有了較明顯的提升，隨激發(fā)劑用量增加，固化劑膠砂強(qiáng)度先增大后減小，最佳用量為D2組，即2%NaOH+4%Na2SO4。NaOH為鋼渣、高爐礦渣及水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行提供了堿性環(huán)境，在固化劑水化過程中，一定的堿性環(huán)境能夠提供足夠的OH-從而快速形成 C-S-H 凝膠，致使固化劑快速凝結(jié)硬化形成具有一定強(qiáng)度的基體[10-11]，但堿性過強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。Na2SO4對固化劑活性的激發(fā)機(jī)理主要是：首先，SO42-在 Ca2+的作用下，與在固化劑顆粒表面的凝膠及溶解于液相中的AlO2-反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣Aft[12]。其次，SO42-也能置換出C-S-H 凝膠中的部分SiO42-，被置換出的SiO42-在外層又與Ca2+作用生成C-S-H，使高爐礦渣和鋼渣活性激發(fā)得以繼續(xù)進(jìn)行[13]，從而提高了固化劑的強(qiáng)度。

2.3 固化渣土力學(xué)性能

由2.2節(jié)確定了固化劑的配合比，主材為40%水泥+10%鋼渣+50%礦渣，激發(fā)劑為2%NaOH+4%Na2SO4。利用該固化劑對工程渣土進(jìn)行固化，研究了固化劑用量和渣土摻量對固化渣土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

2.3.1擊實(shí)試驗(yàn)

按照重型擊實(shí)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，固定渣土摻量為100%，固化劑用量為6%、7%、8%、9%和10%；固定固化劑用量為8%，渣土摻量為100%、90%、80%、70%和60%，各組固化渣土的最佳含水率和最大干密度如表8所示。

表8 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果編號渣土摻量/%再生細(xì)集料摻量/%固化劑用量/%最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)11000616.71.7821000716.91.8031000817.01.8241000917.11.81510001017.31.8069010816.91.8478020816.51.8587030816.31.8696040816.21.88

2.3.2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

按照擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率和最大干密度成型試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，隨固化劑用量增加，固化渣土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大；固化劑用量為8%時(shí)，固化渣土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過2 MPa，滿足二級及二級以下公路(極重、特重交通除外)和城鎮(zhèn)道路底基層材料強(qiáng)度要求。

圖5 固化劑用量對固化渣土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 再生細(xì)集料摻量對固化渣土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6可知,在固化劑用量為8%的情況下，摻入部分建筑垃圾再生細(xì)集料代替工程渣土，隨再生細(xì)集料摻量增加，固化渣土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有了明顯提高，再生細(xì)集料摻量從0增加到40%，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了0.9 MPa，提升幅度為37.7%；28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了2.1 MPa，提升幅度達(dá)到74.5%；由此可見,再生細(xì)集料的加入對提高固化渣土的后期強(qiáng)度具有非常明顯的作用。因此，為得到滿足更高等級道路材料要求的固化渣土，可使用部分建筑垃圾再生細(xì)集料代替工程渣土，這樣在保證材料強(qiáng)度的同時(shí)，能降低固化劑用量，從而降低工程成本。

3 結(jié)論

1)鋼渣硬度高，獲得相同細(xì)度的微粉，鋼渣比高爐礦渣需要更長的球磨時(shí)間，且相同細(xì)度的鋼渣活性更低；通過試驗(yàn)確定了鋼渣最佳球磨時(shí)間為100 min，高爐礦渣最佳球磨時(shí)間為40 min。

2)鋼渣摻量的提高既縮短了固化劑凝結(jié)時(shí)間，又降低了固化劑的強(qiáng)度，綜合確定固化劑中鋼渣摻量為10%、高爐礦渣摻量為50%；隨激發(fā)劑用量增加，固化劑膠砂強(qiáng)度先增后減，最佳用量為2%NaOH+4%Na2SO4。

3)隨固化劑用量增加，固化渣土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大；固化劑用量為8%時(shí)，固化渣土滿足二級及二級以下公路(極重、特重交通除外)和城鎮(zhèn)道路底基層材料強(qiáng)度要求。

4)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工程渣土本身的力學(xué)性能較差，全部使用工程渣土?xí)r，需要較高的固化劑用量，工程成本較大；通過使用一部分建筑垃圾細(xì)集料，可顯著改善固化渣土強(qiáng)度低的缺陷。