水泥稳定钢渣基层体积膨胀性能研究

任永胜,梁 铎,苟譞文,陈美祝,慕维东

(1.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司,呼和浩特010050；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉430070)

钢渣是炼钢过程中排出的熔渣,是冶炼行业的主要固体副产物[1]。大量研究表明,钢渣具有优异的力学性质:钢渣的比重高于天然集料,钢渣坚硬耐磨,表面呈多孔结构,纹理丰富,棱角性好。经过处理后制成的不同粒径粒状渣,有作为优质集料的潜质[2,3]。钢渣资源化利用的主要途径是作为集料应用于道路材料中[4]。

钢渣具有体积膨胀性。钢渣中存在一定的游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-Mg O),这些成分遇水反应形成Ca(OH)2和Mg(OH)2,产生体积膨胀。这是引起钢渣胶凝材料体积安定性不良的主要原因,也是阻碍钢渣大规模应用的主要因素[5]。因此,钢渣体积稳定性的检验十分重要。目前钢渣体积稳定性的评价主要是钢渣集料的浸水膨胀率检测以及钢渣f-CaO 含量的测定。

研究先对热泼和热闷钢渣集料的f-CaO 含量以及浸水膨胀率进行分析,后对两种钢渣制备的水泥稳定钢渣基层材料的浸水膨胀率进行检测,研究其膨胀性能,为钢渣应用于基层材料提供一定的参考。

1 试 验

1.1 原材料

1)钢渣:所使用钢渣集料为内蒙包钢公司生产的热闷钢渣和广西盛翔公司生产的热泼钢渣。两种钢渣的矿物组成如表1所示。

2)水泥:水泥采用P.C 32.5复合硅酸盐水泥。其标准稠度用水量为26%,初凝时间为271 min,终凝时间为382 min,其3 d、28 d砂浆强度分别为16.5 MPa、42.1 MPa。

表1 包钢热泼钢渣的矿物组成

1.2 方法

1)浸水膨胀率实验:按照《钢渣稳定性试验方法》GB/T 24175—2009中规定的钢渣稳定性实验方法对两种钢渣集料的浸水膨胀率进行实验,所用钢渣集料的级配合成结果如表2所示。

表2 钢渣集料的级配合成结果

2)游离氧化钙含量的测定:按照《钢渣中游离氧化钙测定方法》YB/T 4328—2012进行两种钢渣水浴前后的f-CaO 含量测定。水浴的条件与钢渣集料浸水膨胀率实验水浴条件相同。

3)水泥稳定钢渣基层浸水膨胀率实验:水泥掺量为4.5%,水含量和钢渣与实验2)中含水率一致。将钢渣集料、水泥、水搅拌均匀后填入浸水膨胀率试模中,控制密度,静压压实,最后进行10 d浸水膨胀率实验。水浴条件与实验1)一致。

2 结果与讨论

2.1 热泼、热闷钢渣集料的浸水膨胀率

热泼、热闷两种钢渣集料的浸水膨胀率实验结果如图1所示。

由图1可以得到,热泼钢渣集料的浸水膨胀率远高于热闷钢渣,热泼钢渣10 d累计膨胀率达到了4%,处于较高水平,而热闷钢渣的10 d累计膨胀率维持在1%以内,膨胀率较低。两种钢渣的累计膨胀率随着水浴龄期的增长逐渐升高,且前5 d升高幅度较快,后5 d升高幅度逐渐缓慢,8～10 d时趋于稳定。这表明10 d水浴时间内两种钢渣中f-CaO 反应基本结束。热闷钢渣的体积稳定性能较好。

2.2 水浴前后热泼、热闷钢渣集料的f-CaO 含量分析

水浴前后热泼、热闷钢渣集料f-CaO 含量测定结果如表3所示。

表3 热泼、热闷钢渣集料浸水前后游离氧化钙含量表

由表3可以得到,水浴前热泼钢渣的f-CaO 含量为3.52%,明显高于热闷钢渣。水浴处理后,两种钢渣的f-CaO 含量均降低,热泼钢渣的f-Ca O 减少率达到50.8%,而热闷钢渣的f-CaO 减少率较低,只有20.3%。这主要由钢渣处理工艺不同决定。热闷钢渣是钢渣在高温密闭罐中经多次周期性喷水降温,罐内钢渣因急速冷却产生体积形变和应力作用而破碎开裂得到,其f-CaO 消解得较为均匀和彻底,整体f-CaO 含量较低,剩余的f-CaO 反应活性较低,水浴后f-CaO 减少率也较低[6]。

2.3 水泥稳定钢渣基层膨胀性能研究

热泼、热闷两种水泥稳定钢渣基层材料的浸水膨胀率实验结果如图2所示。

由图2可以得到,热闷钢渣基层材料的10 d浸水膨胀率只有0.68%,体积稳定性能良好,热闷钢渣基层材料的10 d浸水膨胀率为2.65%。两种钢渣基层材料的浸水膨胀率相比于纯钢渣集料有所降低。热泼钢渣基层材料10 d累计膨胀率相比于热泼钢渣集料降低了34.2%,热闷钢渣则下降了11.4%。这是由于掺入水泥稳定后,水泥水化与钢渣集料粘结,增加了集料体系整体的黏结性,形成了具有一定强度的体系,限制了钢渣集料的自由膨胀,因此制备成水泥稳定基层材料后,其浸水膨胀率有所下降。

3 结 论

a.水浴前热闷钢渣集料的f-CaO 含量仅有1.28%,10d浸水膨胀率为在1%以下,远低于热泼钢渣,热闷钢渣集料体积稳定性较好。

b.热闷钢渣基层材料的10 d浸水膨胀率只有0.68%,体积膨胀率低,热闷钢渣更适用于做基层材料的集料。