礦物細摻料對鋼渣集料膨脹性的抑制作用

朱光源 王元綱 黃凱健 張高勤 胡亞風

摘 要：本文針對鋼渣集料遇水膨脹，不利于工程應用的問題，研究采用礦物細摻料抑制鋼渣集料的膨脹性，以擴大鋼渣在道路工程中的應用。通過浸水膨脹率試驗和抗壓強度試驗，分析硅灰、礦渣微粉、粉煤灰和復合細摻料的摻量、復合細摻料的組成等因素對鋼渣集料膨脹性的影響。結果表明：礦物細摻料對鋼渣集料的膨脹性具有明顯的抑制作用。在鋼渣集料中分別單摻硅灰、礦渣微粉、粉煤灰或摻入復合細摻料以后，鋼渣混合料浸水膨脹率均明顯降低;在細摻料品種相同、復合細摻料組成相同的情況下，鋼渣混合料浸水膨脹率均隨著細摻料摻量的增加而降低。從抑制鋼渣集料膨脹性的效果以及適用性等方面綜合考慮，采用摻量為10%、礦渣微粉：粉煤灰：硅灰為1： 1： 2（質量比）的三元復合細摻料更為適宜。礦物細摻料能抑制鋼渣集料膨脹性的主要原因是礦物細摻料具有火山灰效應和微集料效應。

關鍵詞：礦物細摻料;鋼渣集料;膨脹性;抑制作用;浸水膨脹率

中圖分類號：U414，U416，TU521 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2019）01-0087-06

Abstract：In this paper， aiming at the problem that the expansion of steel slag aggregates by water is not good for engineering application， fine mineral admixture is used to inhibit the expansion of steel slag aggregates so as to expand the application of steel slag in road engineering. The influences of content of silica fume， slag powder， fly ash and composite fine admixture， composition of composite fine admixture and other factors on the expansibility of steel slag aggregates were analyzed through the test of immersion expansion rate and compressive strength test. The results show that the fine mineral admixture has obvious inhibition on the expansibility of steel slag aggregate. Immersion expansion rate of steel slag mixture can be significantly reduced by the addition of silica fume， slag powder， fly ash or composite fine admixture in the steel slag aggregates. Under the condition of the same variety of fine admixture and the same composition of composite fine admixture， immersion expansion rate of the steel slag mixture decreased with the increase of the content of fine admixture. Considering the effects and applicability of inhibiting the expansibility of steel slag aggregates， it is more appropriate to use a ternary component composite fine admixture with content of 10% and slag powder：fly ash：silica ash （mass ratio）equal to1：1：2. The main reason that fine mineral admixture can inhibit the expansion of steel slag aggregate is that fine mineral admixture has pozzolanic effect and microaggregate effect.

Keywords：Fine mineral admixture;steel slag aggregate;expansibility;inhibitory effect;immersion expansion rate

0引言

鋼渣是煉鋼之后排出的一種固體廢渣。大量的鋼渣需要堆放，既占用土地資源，又影響環境。國內外研究表明，鋼渣可以充分利用，并有很好的應用前景[1-2]。鋼渣顆粒具有強度高、表面粗糙、耐磨等良好性質，將鋼渣當作集料用于道路工程，既能緩解天然石料資源的消耗，又能減少對環境的影響，所以鋼渣在道路工程中有著多種應用途徑[3-5]。但鋼渣遇水后會產生明顯膨脹。如果事先未對鋼渣的膨脹問題進行處理，就會造成使用鋼渣集料的道路出現顯著變形、開裂等問題。這是影響鋼渣大規模推廣應用的主要因素。露天陳化是目前鋼鐵廠常用的處理方法，因這種方法簡單、成本低。但是陳化時間一般要半年以上，不僅時間長，而且陳化過程中鋼渣膨脹粉化，活性有所降低[6]。因此，深入研究抑制鋼渣膨脹性的方法和措施對擴大鋼渣在道路工程中的應用具有重要意義。肖琪仲認為在鋼渣中加入硅質材料，可以對鋼渣在水熱條件下產生的膨脹起到抑制作用，并產生較高的強度[7];倫云霞的研究表明，在水泥基鋼渣細集料砂漿中摻入適量的粉煤灰和磨細礦渣粉，能明顯降低砂漿試件在水熱條件下的膨脹率[8]。

礦物細摻料是指粉末狀工業廢渣或天然礦物質材料，由兩種及以上礦物細摻料按適當比例復合配制而成的復合型礦物細摻料，簡稱為復合細摻料（或復合摻合料），許多礦物細摻料都含有SiO2等活性成分，能與Ca2+、OH-發生反應。本文將硅灰、粉煤灰和磨細粒化高爐礦渣粉（俗稱礦渣微粉）等礦物細摻料，以及按適當比例配制成的復合細摻料，分別摻入到鋼渣集料中，通過浸水膨脹率試驗、抗壓強度試驗，研究這些細摻料對鋼渣集料膨脹性的抑制作用。

1 材料與試驗方法

1.1材料

鋼渣：馬鋼集團破碎磁選后自然陳化3個月的鋼渣，表觀密度為3 371 kg/m3，壓碎值為22.75%，顆粒級配見表1。

粉煤灰：南京天盛控股集團混凝土公司提供，Ⅱ級灰，表觀密度為2 130 kg/cm3，45 ?m篩篩余為12.0%，比表面積為315 m2/kg。

硅灰：貴州海天鐵合金磨料有限公司生產，SiO2含量大于90%，表觀密度為1 220 kg/cm3，比表面積為21 550 m2/kg。

礦渣微粉：南京天盛控股集團混凝土公司提供，S95級，表觀密度為2 900 kg/cm3，比表面積為400 m2/kg。

水：自來水。

各種材料的化學組成見表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 浸水膨脹率試驗

為將鋼渣用于道路路基、路面基層、瀝青路面和回填等工程，以浸水膨脹率為評價指標，參照《鋼渣穩定性試驗方法》（GB/T 24175-2009）進行試驗研究。

按《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）中所規定的方法對鋼渣混合料進行標準擊實試驗，確定各種鋼渣混合料的最佳含水率和最大干密度。按《鋼渣穩定性試驗方法》采用擊實法成型試件，圓柱形試件的直徑為152 mm，高度為120 mm;將成型后的試件放入恒溫水浴箱中，保持水面高過試件頂面，在試件頂面加上荷載片，并架上測量變形的百分表，立即讀取并記錄百分表上的初始讀數l0（mm）。

加熱水浴箱中的水，達到90℃±3℃后保持恒溫6h，然后停止加熱，待自然冷卻后，讀取并記錄百分表上的讀數li（i 為1、2、…、10，單位：mm），每天循環1次，持續10 d，即循環10次后才取出試件。試驗期間，試件及架在其上面的百分表均不能移動。

每組有三個試件，按下式計算各試件的浸水膨脹率Pi（%）。取其膨脹率的平均值作為該組試件的測定結果[9]。

式中：l為試件的初始高度，取120 mm。

1.2.2 抗壓強度試驗

浸水膨脹率試驗結束后，將已經浸水10 d的試件從水浴箱中取出，脫模并靜置15 min。脫模后試件的底面直徑為152 mm，高為120 mm，參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中的試驗方法進行抗壓試驗。試件的抗壓強度按下式計算：

式中：R 為鋼渣試件抗壓強度，MPa，計算精確至0.01 MPa;P 為試件破壞荷載，N;A 為試件承壓面積，mm2。

2 結果與分析

2.1 礦物細摻料對鋼渣體積穩定性的影響

2.1.1 單摻礦物細摻料對鋼渣體積穩定性的影響

將3種礦物細摻料分別摻入鋼渣集料中，研究礦物細摻料對鋼渣體積穩定性的影響。礦渣微粉和粉煤灰的摻量取10%、20%、30%。考慮到硅灰的比表面積非常大，活性很高，其摻量取5%、10%、15%，鋼渣混合料浸水膨脹率測定結果。

（1）SS組純鋼渣集料的膨脹性較大，10 d浸水膨脹率達到3.18%，大于標準規定限值2.0%[10]。摻入礦物細摻料以后，鋼渣混合料的膨脹率均有不同程度的降低。礦物細摻料的品種和摻量對鋼渣集料膨脹性有明顯的影響，在品種相同的情況下，礦物細摻料對膨脹性的抑制效果均隨著摻量的增加而增大。

（2）粉煤灰摻量增加到30%時，鋼渣浸水膨脹率明顯減小，10 d膨脹率只有1.56%，并且增長趨勢趨于緩和，說明粉煤灰摻量為30%時對鋼渣膨脹性的抑制作用明顯。

（3）摻礦渣微粉的鋼渣混合料10 d浸水膨脹率均小于2.0%;礦渣微粉摻量為30%時的抑制效果較顯著，10 d浸水膨脹率僅為0.36%，并且水浴4 d以后，膨脹率增加很少。

（4）摻硅灰的鋼渣混合料10 d浸水膨脹率均低于0.5%，并且膨脹率的增長主要在前3 d;硅灰摻量為10%時，鋼渣混合料的膨脹率為0.24%，遠小于單摻10%粉煤灰或礦渣微粉時的鋼渣混合料膨脹率，因此硅灰對鋼渣集料膨脹性的抑制效果最好。但是，由于硅灰非常細，比表面積很大，若摻量太大會導致配制混合料時的最佳含水量顯著增大，對實際應用會有一定影響，所以硅灰摻量宜取5%，或者采用與其他細摻料復合使用的方法比較適宜。

2.1.2 摻復合細摻料對鋼渣體積穩定性的影響

相關研究資料表明，在水泥混凝土中摻入復合細摻料以后，混凝土的微觀結構得到改善，物理力學性能和耐久性明顯提高[11-12]。因此本文將硅灰、礦渣微粉和粉煤灰分別按適當比例進行組合，配制二元復合細摻料、三元復合細摻料，并分別摻入鋼渣集料中，研究復合細摻料對鋼渣集料體積穩定性的影響。各試驗組鋼渣混合料浸水膨脹率測定結果見表3和表4。

由表3、表4可以看出：

（1）摻入復合細摻料以后，鋼渣混合料的膨脹率均比SS組純鋼渣的膨脹率明顯減小;復合細摻料的品種和摻量、細摻料之間的比例對鋼渣體積穩定性都有不同程度的影響;對同一品種復合細摻料而言，摻量從5%增加到10%時，鋼渣混合料膨脹率均明顯降低。

（2）二元復合細摻料中，粉煤灰與硅灰按比例1：2復合或礦渣微粉與硅灰按比例1：2復合的細摻料，對鋼渣混合料膨脹率的降低效果很明顯，摻量為10%時，鋼渣混合料的膨脹率均小于0.40%，比單摻5%硅灰時的膨脹率要小。

（3）摻10%三元復合細摻料的3個試驗組膨脹率均小于或等于0.30%，且膨脹率隨時間增長的幅度都不大，其中KFG（1：1：2）-10%試驗組的鋼渣混合料膨脹率最小，為0.11%，且小于單摻10%硅灰時的鋼渣混合料膨脹率。所以，三種礦物細摻料經過復合，產生了“超疊加效應”，抑制作用更為明顯。

2.2 礦物細摻料的抑制作用機理

鋼渣一般含有較多的游離氧化鈣（f-CaO）。由于f-CaO與水反應后生成Ca（OH）2，體積膨脹98%[13]，并且f-CaO是在1 600 ℃的高溫下形成的，其晶粒比較大，晶格較緊密，常溫下與水反應速度很慢，潛伏時間較長[14]，所以f-CaO是造成鋼渣體積穩定性差的主要原因。相關研究表明堿度較高的轉爐鋼渣中還含有以MgO為基體的RO相（主要由MgO與FeO、MnO固溶形成），而RO相是穩定的，一般高溫高壓條件下也不會水化[15-16]。

在鋼渣混合料中摻入一定數量的硅灰、礦渣微粉、粉煤灰（低鈣灰）以及由它們組成的復合細摻料以后，一方面，由于鋼渣集料的用量會相應減少，所以鋼渣混合料中的f-CaO含量會隨之減少，細摻料摻量越大，鋼渣混合料中f-CaO的含量就越低，因此，在細摻料品種相同的情況下，鋼渣混合料的浸水膨脹率均隨著細摻料摻量的增加而減小。

另一方面，礦物細摻料在鋼渣集料中能通過火山灰效應和微集料效應，對鋼渣集料的膨脹性產生抑制作用。

（1）鋼渣中游離氧化鈣水化形成的Ca2+、OH-與細摻料溶出的活性硅酸根離子、鋁酸根離子等發生火山灰反應，生成C-S-H凝膠、水化鋁酸鈣等產物，從而抑制了膨脹物質Ca（OH）2的生 成[6，17]。細摻料越細，活性SiO2、Al2O3等活性成分越多，與Ca2+、OH-離子的火山灰反應程度就越高，抑制膨脹的效果也就越顯著。

火山灰反應過程中生成的C-S-H凝膠、水化鋁酸鈣等產物具有膠凝性質，能夠增強鋼渣集料顆粒之間的黏結，提高鋼渣混合料的強度，使鋼渣混合料對膨脹 作用力的抵抗能力得到增強，從而使膨脹變形減小[8]。

按1.2.2抗壓強度試驗方法測定的鋼渣混合料試件抗壓強度。試驗過程發現，原狀鋼渣的試件脫模后基本上已破損，無法進行抗壓強度試驗。原因是鋼渣產生的體積膨脹很大，使試件膨脹開裂，試件完好性受到破壞。而摻礦物細摻料的鋼渣混合料試件脫模后仍然完好，可以測定出抗壓強度。

在細摻料品種相同的情況下，鋼渣混合料的強度均隨著細摻料摻量的增加而增大。在細摻料摻量均為10%的情況下，G-10%試驗組和摻復合細摻料試驗組的強度均接近或大于2.5 MPa，并且摻10%復合細摻料試驗組的強度均大于單摻10%細摻料試驗組的強度，其中FG（1：2）-10%組的強度為2.85MPa，KFG（1：1：2）-10%組、KFG（1：2：1）-10%組的強度均達到3.0 MPa。說明細摻料經過復合，提高了火山灰反應程度，生成的膠凝性水化產物多，增強了鋼渣集料顆粒之間的黏結。

對比2.1節中浸水膨脹率測定結果可知，鋼渣混合料試件抗壓強度高與浸水膨脹率小之間有著對應的關系。如KFG（1：1：2）-10%組和KFG（1：2：1）-10%組的抗壓強度最高，它們的浸水膨脹率最小，分別為0.11%、0.20%，說明提高鋼渣混合料抗壓強度對降低浸水膨脹率具有明顯作用。

（2）部分未參與火山灰反應的礦物細摻料顆粒具有微集料效應，能提高鋼渣混合料的密實性。礦物細摻料顆粒的粒徑極小，能填充到鋼渣混合料內部的孔隙中，堵塞毛細孔和大孔，使孔隙數量減少，孔徑變小[18]。由于鋼渣混合料密實性提高，使外界水分較難滲入，延緩了鋼渣顆粒內部f-CaO的水化。

3 結論

根據試驗結果與分析，得出如下主要結論：

（1）礦物細摻料對鋼渣集料的膨脹性具有明顯抑制作用。在鋼渣集料中分別單摻硅灰、礦渣微粉、粉煤灰或摻入復合細摻料以后，鋼渣混合料浸水膨脹率均明顯降低;在細摻料品種相同、復合細摻料組成相同的情況下，鋼渣混合料浸水膨脹率均隨著細摻料摻量的增加而降低。

（2）單摻硅灰對抑制鋼渣集料的膨脹性具有很好的效果。但硅灰摻量太大會導致配制混合料時的最佳含水量顯著增大，對實際應用會有一定影響，所以硅灰摻量宜取5%，或與其他細摻料復合后使用。

（3）摻入含硅灰的二元或三元復合細摻料，能夠顯著降低鋼渣混合料的浸水膨脹率，從抑制鋼渣集料膨脹性的效果以及適用性等方面綜合考慮，采用礦渣微粉：粉煤灰：硅灰為1： 1： 2（質量比）的三元復合細摻料更為適宜，最佳摻量為10%。

（5）礦物細摻料能抑制鋼渣集料膨脹性的主要原因是礦物細摻料具有火山灰效應和微集料效應。

【參 考 文 獻】

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