稻殼灰和鋼渣在水泥瀝青砂漿中的應用研究*

王 晨 張登峰 胡振華 周 逸 薛永杰

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室1) 武漢 430070) (武漢工大土木工程檢測公司2) 武漢 430070)

0 引 言

稻殼燃燒得到的稻殼灰中含有大量的SiO2，而且在較低的燃燒溫度下，這些SiO2是以納米形式、無定形態存在的，這說明低溫下得到的稻殼灰具有很高的火山灰活性，完全可以作為高強水泥基材料的改性劑或者增強劑[1-3]；而鋼渣作為鋼鐵工業的主要固體廢棄物，含有大量的CaO和鐵的氧化物，高堿度的鋼渣中還含有較多的C3S與C2S，也已經有許多學者研究將其應用到水泥中[4-5].

在理論上，固體廢棄物中的稻殼灰含有大量的無定型SiO2，活性相當高，而且粒度細.鋼渣中含有大量的CaO，而且還有一定數量的和水泥熟料類似的硅酸二鈣和硅酸三鈣.所以將鋼渣、稻殼灰和水泥復合成一種新型無機膠凝材料是可行的，而且已有學者對這種復合膠凝材料的性能做了驗證，認為不同摻量的復合膠凝材料可以滿足不同工作的需要[6].如果稻殼灰和鋼渣能夠成功在CA砂漿中應用，不僅可以改善CA砂漿性能，同時更實現了固體廢棄物的資源化利用.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

實驗所用稻殼灰、鋼渣化學成分的見表1～2.

表1 稻殼灰的化學成分(600 ℃)

表2 粉磨鋼渣的化學成分

此外本實驗所用的其他原材料有：水泥，陽離子乳化瀝青，符合國家標準(GB178-77)要求的ISO標準砂；聚羧酸高效減水劑，固含量為30%，減水率為20%；分析純CaSO4·2H2O(二水石膏)；水為普通自來水.

1.2 實驗方案

1.2.1水泥瀝青砂漿配合比設計

根據文獻[8]中要求，一般CA砂漿中各原材料用量的要求為：①水泥的用量在250～300 kg/m3之間；②水灰比不宜大于0.90；③乳化瀝青與水泥的比值不應小于1.40；然后通過初期部分嘗試性實驗，最終初步設定了水泥乳化瀝青砂漿中水泥、乳化瀝青、砂子和水的基本配比以及CA砂漿中稻殼灰和鋼渣的合理摻量，見表3～4.

表3 漿中各原材料用量

表4 砂漿中鋼渣和稻殼灰取代水泥比例 %

1.2.2施工性能

作為一種工程材料，首先就是需要考慮其施工性能，像CA砂漿這種組成極為復雜的有機-復合材料,在加入稻殼灰和鋼渣之后各種材料間的相互適應性和施工的順利程度是首先需要考慮和驗證的問題.CA砂漿的施工性能主要有流動度與可工作時間、表觀密度與含氣量等，下面逐一對上述不同配比的CA砂漿進行驗證.

1) 流動度 圖1為各組CA砂漿的流動度，由圖1可知，各組的流動度均在規定要求之內，能夠符合CA砂漿實現灌注施工，雖然鋼渣含量的增加會加大材料的流動度，但是稻殼灰的加入會減小材料的流動度，二者復合后由于稻殼灰的量大于鋼渣，所以CA砂漿的整體流動度在稻殼灰含量大于35%后明顯減小.在規定流動度范圍內，各組CA砂漿的可工作時間均大于30 min，也是滿足施工要求的.

圖1 CA砂漿流動度

2) 表觀密度與含氣量 CA砂漿的表觀密度反映了砂漿中孔隙體積的大小，關系著CA砂漿的物理力學性能，一般地，表觀密度小的CA砂漿其抗壓強度和彈性模量較低.CA砂漿的含氣量影響著其力學性能和耐久性能，這些氣泡有的是在攪拌的過程中產生的，也有砂漿中加入的鋁與堿反應產生H2而產生.適當的含氣量可以極好地改善砂漿的抗凍性能，也降低了砂漿的彈性模量，但如果含氣量太大，就會嚴重影響砂漿的抗壓強度，當大面積的氣泡層在砂漿的表面出現時，還會嚴重影響灌注的墊層的飽滿度，同時含氣量的大小也影響著砂漿的表觀密度，具有較大含氣量的砂漿一般表觀密度比較小[7-8].

本實驗各組CA砂漿的含氣量與表觀密度見圖2.由圖2可知，各組CA砂漿的含氣量與表觀密度相差不大，且均符合規定要求.

圖2 CA砂漿含氣量和表觀密度

2 結果與討論

2.1 物理力學性能驗證

CRTS I型板式無砟軌道所用CA砂漿為低彈模砂漿，按照文獻[9]中規定，其1 d抗壓強度不小于0.1 MPa，7d抗壓強度不小于0.7 MPa，28 d抗壓強度不小于1.8 MPa，28 d彈性模量為100～300 MPa.

圖3a)為各組砂漿在各齡期所測得的抗壓強度，圖3b)為各組砂漿28 d彈性模量情況.由圖3a)可知，除了第12抗壓強度要低于規定要求外，其他各組基本能夠滿足要求，且第1，5，8，9和11的28 d抗壓強度均大于2.0 MPa，第12組強度低可能是由于水泥過少時，鋼渣和稻殼灰反應生成的水化產物比較少，可見完全用鋼渣和稻殼灰取代水泥作為無機膠凝材料用于CA砂漿中是行不通的.由圖3b)可知，除了第12外各組CA砂漿的28 d彈性模量也是符合要求的.

圖3 CA砂漿試件抗壓強度和彈性模量

2.2 影響CA砂漿性能的機理探討

2.2.1X射線衍射分析

圖4為各組CA凈漿在養護28 d后的XRD圖譜.由圖4可知，在28 d后CA凈漿中水化的主要產物和純水泥的水化產物大體相同，主要是C—S—H，C—A—S—H，C2S，C3S，C3A等，雖然在CA漿體中水泥水化和瀝青破乳成膜相互影響，相互發展，但是無機膠凝材料水化的大體產物不會有太大變化.通過不同組間對比可以看出，摻入鋼渣和稻殼灰后，水泥石的組成發生了較大變化，水化產物的種類明顯增多，這可能是由于水化產物不僅是由水泥水化形成，還有鋼渣中的CaO和稻殼灰中的無定形SiO2進行物理化學反應形成，再加上體系中由于增加膨脹率而引入的Al，使得體系中水化產物顯得更加多樣化.

圖4 28 d各組CA凈漿XRD圖譜

2.2.2掃描電鏡分析

掃描電鏡(SEM)能夠直觀地看出在CA砂漿中，有機無機材料復合的狀態.由于CA砂漿中含有乳化瀝青，乳化瀝青中含有很多易揮發組分，圖5～7分別為各組CA砂漿的不同放大倍數的SEM圖片.由圖5a)～7a)可知，在CA砂漿中無機膠凝材料處于瀝青和砂子的包裹之中，水泥的水化在酸性瀝青乳液環境下，同樣，瀝青乳液在水泥的堿性環境中破乳成膜，最后相互膠結為網絡狀態，由于CA砂漿要求有一定的含氣量，所以微觀的CA砂漿中還有大量的氣孔存在.而由圖5b)～7 b)可知，當鋼渣含量小于20%時，無機膠凝材料的水化產物還是主要為C—S—H凝膠；當水泥被20%的鋼渣和75%的稻殼灰替代時，水化產物要明顯減少，且很容易找到像圖5中的含有鋼渣的顆粒.從各SEM圖片也可以直觀看出：(10%鋼渣、45%稻殼灰和40%水泥)CA砂漿中的強度要比第(20%鋼渣和75%稻殼灰)高.

圖5 正常CA砂漿的SEM圖片

圖6 摻10%鋼渣和35%稻殼灰的CA砂漿SEM圖片

圖7 摻10%鋼渣和45%稻殼灰的CA砂漿SEM圖片

3 結 論

1) 將性能較好的復合膠凝材料運用到CA砂漿中，當鋼渣摻量低于10%，稻殼灰摻量低于65%時，CA砂漿的施工性能和物理力學性能能夠滿足規范要求.當以10%鋼渣、45%稻殼灰和40%水泥復合的膠凝材料用于CA砂漿時的各項性能最好， 28 d強度有比較不錯的提升，在進行凍融循環100次后，強度稍有下降，下降幅度為11.31%，但是抗凍性能要比正常CA砂漿稍好.

2) 鋼渣和稻殼灰摻入CA砂漿中，對砂漿強度的影響主要是由于稻殼灰是一種比表面積大、孔隙多、粒度細并且含有大量活性SiO2的火山灰質材料，和鋼渣混合取代部分水泥時，在無機膠凝材料的水化進程中不僅有水泥的正常水化，鋼渣中活性組分CaO遇水生成的Ca(OH)2與稻殼灰中活性SiO2進行物理化學反應，生成C—S—H凝膠，從而總的水化反應后的C—S—H凝膠大量增多，再加上一些未反應的超細稻殼灰顆粒填充于水化產物的間隙之中，在宏觀上表現為無機膠凝材料的強度增大，抗凍性能增加.

[1] ROMANO J S, RODRIGUES F A. Cements obtained from rice hull: encapsulation of heavy metals[J]. Journal of hazardous materials, 2008,154(3):1075-1080.

[2] Tang Q, Wang T. Preparation of silica aerogel from rice hull ash by supercritical carbon dioxide drying[J]. The Journal of Supercritical Fluids, 2005,35(1):91-94.

[3] 歐陽東.稻殼新出路:制備混凝土用納米SiO2[J].中國農業科技導報,2003(5):62-65.

[4] 韓長菊,楊曉杰,周惠群,等.鋼渣及其在水泥行業的應用[J].材料導報,2010(2):440-443.

[5] ABDELKADER B, EL-HADJ K, KARIM E. Efficiency of granulated blast furnace slag replacement of cement according to the equivalent binder concept[J]. Cement and Concrete Composites,2010,32(3):226-231.

[6] 蔡軍.復摻鋼渣—稻殼灰復合膠凝材料性能初步探究[D].武漢：武漢理工大學,2014.

[7] 委玉奇.高速鐵路無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿研究[D].西安：長安大學,2011.

[8] 陳烜捷，羅蓉，張安富，等.集料表面改性劑對瀝青混凝土水穩定性的影響研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2017，41(4)：642-646.

[9] 鐵道部科學技術司.客運專線鐵路CRTSI型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿暫行技術條件:科技基[2008]74號[S].北京：中國鐵道科學研究院，2008.