一種低成本公路穩定碎石的制備方法

金征

（常州市建筑材料研究所有限公司，江蘇 常州 213161）

0 前言

近年來，建筑裝飾材料市場悄然發生著巨大的變化，石膏基建筑材料由于其微膨脹、快凝早強等優良特性，市場需求量與日俱增。在當前嚴峻的環保態勢下，天然石膏礦的管控日趨嚴格，石膏基建筑材料多采用工業副產石膏為主要原料[1-3]。在各種工業副產石膏中，鈦石膏中由于含有 Fe (OH)3凝膠，具有粘度大、含水量高、顏色深等特點，目前的綜合利用率僅為10% 左右，是利用率最低的副產石膏之一[4]。與鈦石膏類似，鋼渣由于早期活性低、易磨性差、安定性不良等缺點，成為綜合利用率最低的工業廢渣之一[5]，其綜合利用率為10% 左右，與鈦石膏相當。

武漢理工大學的林宗壽等將磷石膏、礦渣、堿性激發劑復合，制備出可耗用大量磷石膏的過硫磷石膏礦渣水泥[6-8]。與磷石膏相比，鈦石膏中沒有導致水泥凝結時間異常的磷酸鹽，且含有一定量可作為堿性激發劑的Ca(OH)2，以鈦石膏為主要原料，使用堿度高的鋼渣作為堿性激發劑，制備公路穩定碎石，可以解決鈦石膏脫水難的問題，使綜合利用率低的工業固廢得到良好地利用，并且可以大幅度降低公路穩定碎石的制備成本。

1 原材料

（1）水泥：盤固 P·O42.5水泥，28d 水泥強度為48.8MPa。

（2）礦粉：友邦 S95，比表面積425m2/kg，28d 活性指數99%。

（3）鋼渣粉：南鋼嘉華，比表面積505m2/kg。

（4）鈦石膏：江南鈦白廠，含水率25%～30%。

以上材料化學組成見表1。

（5）級配碎石：公稱粒徑0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～26.5mm。

2 結果與討論

2.1 鈦石膏摻量對過硫水泥強度的影響

表1 水泥、礦粉、鋼渣粉和鈦石膏的化學組成 %

參照過硫磷石膏礦渣水泥的制備方法，采用5% 的P·O42.5水泥作為激發劑，調節鈦石膏（干基）與礦粉的比例（兩者比例為1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4），檢測過硫鈦石膏水泥的力學性能，具體試驗方法為首先檢測鈦石膏的含水率，按膠砂成型用水量為225mL（水膠比0.5）補充拌合用水，使用強力攪拌機攪拌10min 成均勻料漿，向料漿中加入礦粉、水泥和標準砂，攪拌、振實、成型、養護。測試結果見表2。

表2 過硫鈦石膏礦渣水泥的力學性能測試結果

結果表明，鈦石膏系膠凝材料的抗壓強度隨著鈦石膏的摻量增大先增加后減小，當鈦石膏與礦粉的比例為4:6時，過硫鈦石膏礦渣水泥的抗壓強度達到最高值，28d 抗壓強度接近32.5MPa。由于過硫水泥的強度源自礦粉和水泥中的鋁相（和鐵鋁相）礦物與鈦石膏中的硫酸根反應生成的鈣礬石以及在堿激發作用下形成的C-S-H 凝膠，該膠凝體系的水化反應產物主要為 AFt、C-S-H 和過量 CaSO4·2H2O。當鈦石膏比例較低時，硫酸根含量不足導致鈣礬石的生成量較低，較弱的堿激發作用下形成的 C-S-H 凝膠量較少；當鈦石膏比例較高時，過剩的 CaSO4·2H2O 量增多，而可供反應的鋁相（和鐵鋁相）礦物不足，過硫水泥的強度下降。

2.2 鋼渣粉摻量對過硫水泥強度的影響

礦粉具有良好的水化活性和抗化學侵蝕性能，是一種優質的輔助性膠凝材料，2003年礦渣即從工業廢棄物的名錄中刪除，目前已成為一種緊俏的資源，價格始終居高不下。與礦粉相比，鋼渣依然是一種綜合利用率極低的工業固廢，在組成上，鋼渣具有較高的堿度、部分“死燒”的 C3S 和 C2S 以及一定量的鋁相礦物，將鋼渣粉作為礦粉的替代原料（取代比例為10%、20%、30%、40%、50%、60%），保持鈦石膏與礦粉（礦粉+鋼渣粉）的比例為4:6，檢測過硫水泥的力學性能，結果見表3。

表3 鋼渣粉摻量對過硫水泥強度的影響

結果表明，當鋼渣粉的摻量為10% 時，過硫水泥的抗壓強度較基準有一定程度的提高，28d 抗壓強度超過32.5MPa，與32.5水泥強度相當，此后隨著鋼渣粉摻量的提高，過硫水泥的強度逐步下降。其原因可能是鋼渣粉摻量較低時，其較高的堿度起到了很好的激發作用，使膠凝材料體系的強度提升，但由于其水化活性遠低于礦粉，鋼渣粉取代礦粉后使得過硫水泥的力學性能下降。

2.3 過硫鈦石膏礦渣水泥在公路穩定碎石中的應用

按照上述試驗結果，過硫鈦石膏中的物料比例為 P·O42.5水泥5%，鈦石膏和礦粉的混合料為95%（其中鈦石膏占混合料的40%，鋼渣粉占6%，礦粉占54%），以此作為公路穩定碎石的膠凝材料，考慮到5% 水泥穩定碎石使用的 P·O42.5水泥，而過硫鈦石膏礦渣水泥的強度相對較低，將過硫鈦石膏礦渣水泥的用量調整至7%，公稱粒徑0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～26.5mm 的碎石用量分別為每方730kg、420kg、420kg、520kg，經檢測，其7d 無側限抗壓強度為5.7MPa，而5% 水泥穩定碎石的7d 無側限抗壓強度為4.3MPa，過硫鈦石膏礦渣水泥公路穩定碎石的性能優于5% 水泥穩定碎石，而其水泥用量僅為7%×5%=0.35%，礦粉用量僅為7%×95%×56%=3.72%，鈦石膏和鋼渣粉均為綜合利用率極低的工業廢棄物，鈦石膏的價格甚至遠低于碎石。因而，使用過硫鈦石膏礦渣水泥可以大幅度降低公路穩定碎石的配料成本。

此外，將鈦石膏制成料漿，既解決了鈦石膏脫水難的問題，又避免了因烘干增加的能耗成本，使鈦石膏的大規模使用成為可能。

3 結論

（1）過硫水泥的強度源自礦粉和水泥中的鋁相（和鐵鋁相）礦物與鈦石膏中的硫酸根反應生成的鈣礬石以及在堿激發作用下形成的 C-S-H 凝膠，當鈦石膏與礦粉的比例為4:6時，過硫鈦石膏礦渣水泥的抗壓強度達到最高值，28d 抗壓強度接近32.5MPa。

（2）鋼渣粉具有良好的堿激發作用，當鋼渣粉取代礦粉的比例為10% 時，過硫水泥的抗壓強度有一定程度的提高，28d 抗壓強度超過32.5MPa，與32.5水泥強度相當。

（3）7% 過硫鈦石膏礦渣水泥公路穩定碎石的7d無側限抗壓強度為5.7MPa，性能優于5% 水泥穩定碎石，鈦石膏和鋼渣粉均為綜合利用率極低的工業廢棄物，鈦石膏的價格甚至遠低于碎石，使用過硫鈦石膏礦渣水泥可以大幅度降低公路穩定碎石的配料成本。