一种低成本公路稳定碎石的制备方法

金征

（常州市建筑材料研究所有限公司，江苏 常州 213161）

0 前言

近年来，建筑装饰材料市场悄然发生着巨大的变化，石膏基建筑材料由于其微膨胀、快凝早强等优良特性，市场需求量与日俱增。在当前严峻的环保态势下，天然石膏矿的管控日趋严格，石膏基建筑材料多采用工业副产石膏为主要原料[1-3]。在各种工业副产石膏中，钛石膏中由于含有 Fe (OH)3凝胶，具有粘度大、含水量高、颜色深等特点，目前的综合利用率仅为10% 左右，是利用率最低的副产石膏之一[4]。与钛石膏类似，钢渣由于早期活性低、易磨性差、安定性不良等缺点，成为综合利用率最低的工业废渣之一[5]，其综合利用率为10% 左右，与钛石膏相当。

武汉理工大学的林宗寿等将磷石膏、矿渣、碱性激发剂复合，制备出可耗用大量磷石膏的过硫磷石膏矿渣水泥[6-8]。与磷石膏相比，钛石膏中没有导致水泥凝结时间异常的磷酸盐，且含有一定量可作为碱性激发剂的Ca(OH)2，以钛石膏为主要原料，使用碱度高的钢渣作为碱性激发剂，制备公路稳定碎石，可以解决钛石膏脱水难的问题，使综合利用率低的工业固废得到良好地利用，并且可以大幅度降低公路稳定碎石的制备成本。

1 原材料

（1）水泥：盘固 P·O42.5水泥，28d 水泥强度为48.8MPa。

（2）矿粉：友邦 S95，比表面积425m2/kg，28d 活性指数99%。

（3）钢渣粉：南钢嘉华，比表面积505m2/kg。

（4）钛石膏：江南钛白厂，含水率25%～30%。

以上材料化学组成见表1。

（5）级配碎石：公称粒径0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～26.5mm。

2 结果与讨论

2.1 钛石膏掺量对过硫水泥强度的影响

表1 水泥、矿粉、钢渣粉和钛石膏的化学组成 %

参照过硫磷石膏矿渣水泥的制备方法，采用5% 的P·O42.5水泥作为激发剂，调节钛石膏（干基）与矿粉的比例（两者比例为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4），检测过硫钛石膏水泥的力学性能，具体试验方法为首先检测钛石膏的含水率，按胶砂成型用水量为225mL（水胶比0.5）补充拌合用水，使用强力搅拌机搅拌10min 成均匀料浆，向料浆中加入矿粉、水泥和标准砂，搅拌、振实、成型、养护。测试结果见表2。

表2 过硫钛石膏矿渣水泥的力学性能测试结果

结果表明，钛石膏系胶凝材料的抗压强度随着钛石膏的掺量增大先增加后减小，当钛石膏与矿粉的比例为4:6时，过硫钛石膏矿渣水泥的抗压强度达到最高值，28d 抗压强度接近32.5MPa。由于过硫水泥的强度源自矿粉和水泥中的铝相（和铁铝相）矿物与钛石膏中的硫酸根反应生成的钙矾石以及在碱激发作用下形成的C-S-H 凝胶，该胶凝体系的水化反应产物主要为 AFt、C-S-H 和过量 CaSO4·2H2O。当钛石膏比例较低时，硫酸根含量不足导致钙矾石的生成量较低，较弱的碱激发作用下形成的 C-S-H 凝胶量较少；当钛石膏比例较高时，过剩的 CaSO4·2H2O 量增多，而可供反应的铝相（和铁铝相）矿物不足，过硫水泥的强度下降。

2.2 钢渣粉掺量对过硫水泥强度的影响

矿粉具有良好的水化活性和抗化学侵蚀性能，是一种优质的辅助性胶凝材料，2003年矿渣即从工业废弃物的名录中删除，目前已成为一种紧俏的资源，价格始终居高不下。与矿粉相比，钢渣依然是一种综合利用率极低的工业固废，在组成上，钢渣具有较高的碱度、部分“死烧”的 C3S 和 C2S 以及一定量的铝相矿物，将钢渣粉作为矿粉的替代原料（取代比例为10%、20%、30%、40%、50%、60%），保持钛石膏与矿粉（矿粉+钢渣粉）的比例为4:6，检测过硫水泥的力学性能，结果见表3。

表3 钢渣粉掺量对过硫水泥强度的影响

结果表明，当钢渣粉的掺量为10% 时，过硫水泥的抗压强度较基准有一定程度的提高，28d 抗压强度超过32.5MPa，与32.5水泥强度相当，此后随着钢渣粉掺量的提高，过硫水泥的强度逐步下降。其原因可能是钢渣粉掺量较低时，其较高的碱度起到了很好的激发作用，使胶凝材料体系的强度提升，但由于其水化活性远低于矿粉，钢渣粉取代矿粉后使得过硫水泥的力学性能下降。

2.3 过硫钛石膏矿渣水泥在公路稳定碎石中的应用

按照上述试验结果，过硫钛石膏中的物料比例为 P·O42.5水泥5%，钛石膏和矿粉的混合料为95%（其中钛石膏占混合料的40%，钢渣粉占6%，矿粉占54%），以此作为公路稳定碎石的胶凝材料，考虑到5% 水泥稳定碎石使用的 P·O42.5水泥，而过硫钛石膏矿渣水泥的强度相对较低，将过硫钛石膏矿渣水泥的用量调整至7%，公称粒径0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～26.5mm 的碎石用量分别为每方730kg、420kg、420kg、520kg，经检测，其7d 无侧限抗压强度为5.7MPa，而5% 水泥稳定碎石的7d 无侧限抗压强度为4.3MPa，过硫钛石膏矿渣水泥公路稳定碎石的性能优于5% 水泥稳定碎石，而其水泥用量仅为7%×5%=0.35%，矿粉用量仅为7%×95%×56%=3.72%，钛石膏和钢渣粉均为综合利用率极低的工业废弃物，钛石膏的价格甚至远低于碎石。因而，使用过硫钛石膏矿渣水泥可以大幅度降低公路稳定碎石的配料成本。

此外，将钛石膏制成料浆，既解决了钛石膏脱水难的问题，又避免了因烘干增加的能耗成本，使钛石膏的大规模使用成为可能。

3 结论

（1）过硫水泥的强度源自矿粉和水泥中的铝相（和铁铝相）矿物与钛石膏中的硫酸根反应生成的钙矾石以及在碱激发作用下形成的 C-S-H 凝胶，当钛石膏与矿粉的比例为4:6时，过硫钛石膏矿渣水泥的抗压强度达到最高值，28d 抗压强度接近32.5MPa。

（2）钢渣粉具有良好的碱激发作用，当钢渣粉取代矿粉的比例为10% 时，过硫水泥的抗压强度有一定程度的提高，28d 抗压强度超过32.5MPa，与32.5水泥强度相当。

（3）7% 过硫钛石膏矿渣水泥公路稳定碎石的7d无侧限抗压强度为5.7MPa，性能优于5% 水泥稳定碎石，钛石膏和钢渣粉均为综合利用率极低的工业废弃物，钛石膏的价格甚至远低于碎石，使用过硫钛石膏矿渣水泥可以大幅度降低公路稳定碎石的配料成本。