水泥穩定鋼渣基層體積膨脹性能研究

任永勝,梁 鐸,茍譞文,陳美祝,慕維東

(1.內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司,呼和浩特010050；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,武漢430070)

鋼渣是煉鋼過程中排出的熔渣,是冶煉行業的主要固體副產物[1]。大量研究表明,鋼渣具有優異的力學性質:鋼渣的比重高于天然集料,鋼渣堅硬耐磨,表面呈多孔結構,紋理豐富,棱角性好。經過處理后制成的不同粒徑粒狀渣,有作為優質集料的潛質[2,3]。鋼渣資源化利用的主要途徑是作為集料應用于道路材料中[4]。

鋼渣具有體積膨脹性。鋼渣中存在一定的游離氧化鈣(f-CaO)和游離氧化鎂(f-Mg O),這些成分遇水反應形成Ca(OH)2和Mg(OH)2,產生體積膨脹。這是引起鋼渣膠凝材料體積安定性不良的主要原因,也是阻礙鋼渣大規模應用的主要因素[5]。因此,鋼渣體積穩定性的檢驗十分重要。目前鋼渣體積穩定性的評價主要是鋼渣集料的浸水膨脹率檢測以及鋼渣f-CaO 含量的測定。

研究先對熱潑和熱悶鋼渣集料的f-CaO 含量以及浸水膨脹率進行分析,后對兩種鋼渣制備的水泥穩定鋼渣基層材料的浸水膨脹率進行檢測,研究其膨脹性能,為鋼渣應用于基層材料提供一定的參考。

1 試 驗

1.1 原材料

1)鋼渣:所使用鋼渣集料為內蒙包鋼公司生產的熱悶鋼渣和廣西盛翔公司生產的熱潑鋼渣。兩種鋼渣的礦物組成如表1所示。

2)水泥:水泥采用P.C 32.5復合硅酸鹽水泥。其標準稠度用水量為26%,初凝時間為271 min,終凝時間為382 min,其3 d、28 d砂漿強度分別為16.5 MPa、42.1 MPa。

表1 包鋼熱潑鋼渣的礦物組成

1.2 方法

1)浸水膨脹率實驗:按照《鋼渣穩定性試驗方法》GB/T 24175—2009中規定的鋼渣穩定性實驗方法對兩種鋼渣集料的浸水膨脹率進行實驗,所用鋼渣集料的級配合成結果如表2所示。

表2 鋼渣集料的級配合成結果

2)游離氧化鈣含量的測定:按照《鋼渣中游離氧化鈣測定方法》YB/T 4328—2012進行兩種鋼渣水浴前后的f-CaO 含量測定。水浴的條件與鋼渣集料浸水膨脹率實驗水浴條件相同。

3)水泥穩定鋼渣基層浸水膨脹率實驗:水泥摻量為4.5%,水含量和鋼渣與實驗2)中含水率一致。將鋼渣集料、水泥、水攪拌均勻后填入浸水膨脹率試模中,控制密度,靜壓壓實,最后進行10 d浸水膨脹率實驗。水浴條件與實驗1)一致。

2 結果與討論

2.1 熱潑、熱悶鋼渣集料的浸水膨脹率

熱潑、熱悶兩種鋼渣集料的浸水膨脹率實驗結果如圖1所示。

由圖1可以得到,熱潑鋼渣集料的浸水膨脹率遠高于熱悶鋼渣,熱潑鋼渣10 d累計膨脹率達到了4%,處于較高水平,而熱悶鋼渣的10 d累計膨脹率維持在1%以內,膨脹率較低。兩種鋼渣的累計膨脹率隨著水浴齡期的增長逐漸升高,且前5 d升高幅度較快,后5 d升高幅度逐漸緩慢,8～10 d時趨于穩定。這表明10 d水浴時間內兩種鋼渣中f-CaO 反應基本結束。熱悶鋼渣的體積穩定性能較好。

2.2 水浴前后熱潑、熱悶鋼渣集料的f-CaO 含量分析

水浴前后熱潑、熱悶鋼渣集料f-CaO 含量測定結果如表3所示。

表3 熱潑、熱悶鋼渣集料浸水前后游離氧化鈣含量表

由表3可以得到,水浴前熱潑鋼渣的f-CaO 含量為3.52%,明顯高于熱悶鋼渣。水浴處理后,兩種鋼渣的f-CaO 含量均降低,熱潑鋼渣的f-Ca O 減少率達到50.8%,而熱悶鋼渣的f-CaO 減少率較低,只有20.3%。這主要由鋼渣處理工藝不同決定。熱悶鋼渣是鋼渣在高溫密閉罐中經多次周期性噴水降溫,罐內鋼渣因急速冷卻產生體積形變和應力作用而破碎開裂得到,其f-CaO 消解得較為均勻和徹底,整體f-CaO 含量較低,剩余的f-CaO 反應活性較低,水浴后f-CaO 減少率也較低[6]。

2.3 水泥穩定鋼渣基層膨脹性能研究

熱潑、熱悶兩種水泥穩定鋼渣基層材料的浸水膨脹率實驗結果如圖2所示。

由圖2可以得到,熱悶鋼渣基層材料的10 d浸水膨脹率只有0.68%,體積穩定性能良好,熱悶鋼渣基層材料的10 d浸水膨脹率為2.65%。兩種鋼渣基層材料的浸水膨脹率相比于純鋼渣集料有所降低。熱潑鋼渣基層材料10 d累計膨脹率相比于熱潑鋼渣集料降低了34.2%,熱悶鋼渣則下降了11.4%。這是由于摻入水泥穩定后,水泥水化與鋼渣集料粘結,增加了集料體系整體的黏結性,形成了具有一定強度的體系,限制了鋼渣集料的自由膨脹,因此制備成水泥穩定基層材料后,其浸水膨脹率有所下降。

3 結 論

a.水浴前熱悶鋼渣集料的f-CaO 含量僅有1.28%,10d浸水膨脹率為在1%以下,遠低于熱潑鋼渣,熱悶鋼渣集料體積穩定性較好。

b.熱悶鋼渣基層材料的10 d浸水膨脹率只有0.68%,體積膨脹率低,熱悶鋼渣更適用于做基層材料的集料。