热闷和热泼钢渣砂的体积稳定性能研究*

2020-12-17刘云鹏邹莹雪

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2020年6期

刘云鹏庞凌邹莹雪

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉 430070)

0 引言

钢渣与水泥熟料有相似的矿物组成和化学成分，具有一定的潜在胶凝活性[1-4].钢渣砂取代天然河砂作为细集料应用于水泥砂浆或混凝土，有利于改善其强度，存在的主要问题是钢渣砂的体积稳定性较差[5].其中，f-CaO和MgO这两种成分是主要因素，它们在自然环境中会水化生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，导致砂浆膨胀开裂而破坏，从而降低其使用寿命，但MgO含量较少且反应很慢，所以f-CaO水化生成的Ca(OH)2对体积膨胀起主要作用.

冷达等[6]采用压蒸法对钢渣砂的体积安定性进行研究，发现f-CaO含量是影响钢渣砂体积安定性的主要因素之一，认为压蒸法是检测钢渣砂体积安定性比较可靠的方法.伦云霞等[7]通过对钢渣砂特性与稳定性研究，发现钢渣砂具有一定的胶凝性能，各项特性符合建筑用砂标准，f-CaO含量、RO相和颗粒自身的坚固性是影响钢渣砂稳定性的主要因素.伦云霞等[8]采用蒸汽和压蒸处理方法研究钢渣砂体积安定性，发现通过蒸汽和压蒸处理能加速钢渣砂中膨胀组分水化，改善其体积安定性，且与蒸汽处理相比，压蒸处理能在短时间内显著改善钢渣砂的安定性.

热闷法和热泼法是两种主要的钢渣处理方法，钢渣处理量大、冷却效率较高、金属回收率高、f-CaO含量在短时间内能得到显著下降.文中通过对热闷和热泼钢渣砂进行体积稳定性评价，包括其粉化率、不同粒径范围钢渣砂的f-CaO含量、浸水膨胀率等，并对这些评价方法之间的关联性进行拟合，研究不同处理工艺钢渣砂体积稳定性的变化规律.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

内蒙古热闷钢渣砂标号记为NM，广西热泼钢渣砂标号记为GX，湖北河砂标号记为HS.钢渣砂及河砂各项基本性能指标见表1，钢渣砂主要化学成分及碱度见表2.

表1 钢渣砂及河砂基本性能指标

由表1可知，钢渣砂的密度要比河砂大，形状多孔且不规则，空隙率和吸水率都较河砂大，两种不同处理工艺钢渣砂的密度也有所差别，从细度模数判断，三种砂都属于Ⅱ区中砂；由表2可知，钢渣砂来源不同，其化学成分波动较大，碱度也有所差别，内蒙钢渣砂碱度为2.2，属于中碱度钢渣砂，广西钢渣砂碱度为2.7，属于高碱度钢渣砂.

表2 钢渣砂主要化学成分和碱度

1.2 试验方法

1.2.1钢渣砂粉化率

蒸汽粉化率是采用烘干后0.075～0.15，0.15～0.3，0.3～0.6，0.6～1.18，1.18～2.36 mm五种不同粒径范围的钢渣砂，每份取200 g，在100 ℃的养护箱中蒸汽处理5 h，然后取出烘干，分别过各粒径的下限筛进行筛分，蒸汽粉化率K为

(1)

式中：G为处理前式样干重；G1为处理后筛上试样干重.

压蒸粉化率是钢渣砂在压蒸釜内经过2.0 MPa压力、216 ℃的高温下处理3 h后的粉化率，试验设备为YZF-2A型压蒸釜.根据文献[9]，压蒸粉化率为钢渣在规定的压力和时间条件下，粉化后小于1.18 mm颗粒质量所占的比率，本试验采用2.36～4.75 mm的钢渣砂进行压蒸试验，压蒸粉化率也可按式(1)计算得到.

1.2.2 钢渣砂f-CaO含量的测定

试验选取粒径为0～0.3，0.3～0.6，0.6～2.36 mm的钢渣砂，参考文献[9]，采用甘油-无水乙醇化学滴定法测定钢渣砂中f-CaO含量，每个粒径范围进行两组平行试验，f-CaO含量为

(2)

式中：TCaO为每毫升苯甲酸相当于CaO的毫升数，mg/mL；V为滴定苯甲酸无水乙醇溶液体积，mL；G为钢渣试样的重量，g.

1.2.3钢渣砂浸水膨胀率试验

试验参照文献[9]中的集料粒度分布进行配料，在最佳含水率和最大干密度下进行重型击实，在多孔顶板上加4块半圆形荷载板，装上百分表，并读取百分表的初始读数d0，然后进行90 ℃的水浴加热，并保持6 h后停止加热，自然冷却，每天升温前记录百分表读数di，依次进行10 d.浸水膨胀率为

(3)

式中：d0为百分表初始读数，mm；di为浸水膨胀后百分表读数，mm.

2 试验结果与分析

2.1 钢渣砂的蒸汽粉化率和压蒸粉化率

对各粒级钢渣砂进行5 h蒸汽处理，对2.36～4.75 mm钢渣砂进行3 h压蒸处理，得到两种钢渣砂的蒸汽和压蒸粉化率试验结果见图1.

图1 钢渣砂粉化率试验结果

由图1可知，从蒸汽粉化率看，广西热泼钢渣砂各粒级蒸汽粉化率均比内蒙热闷钢渣砂大，且平均蒸汽粉化率要比内蒙钢渣砂大30%；从压蒸粉化率看，广西钢渣砂的平均粉化率要比内蒙钢渣砂大62%，说明压蒸粉化率相比蒸汽粉化率更能表征钢渣砂的体积稳定性差异.另外压蒸粉化率表现出比蒸汽粉化率更大的数值，这是因为压蒸处理促进了钢渣砂中f-CaO进一步转化为Ca(OH)2以及MgO的进一步消解，使其水化更完全，从而增大了钢渣砂颗粒的粉化程度.

2.2 钢渣砂的f-CaO含量

f-CaO含量是影响钢渣砂稳定性的主要因素之一，分别对粒径为0～0.3,0.3～0.6,0.6～2.36 mm的钢渣砂采用甘油-无水乙醇化学滴定法测定其f-CaO含量，试验结果见表3，钢渣砂平均f-CaO含量和粒径范围之间的变化关系见图2.

表3 不同粒径范围钢渣砂f-CaO含量

图2 钢渣砂f-CaO含量和粒径范围的关系

由图2可知，两种钢渣砂由于处理工艺不同，相同粒径范围钢渣砂的f-CaO含量差异也较大，内蒙钢渣砂f-CaO含量较低，而广西钢渣砂相对较高,其差值随粒径范围增大而减小.随着粒径范围增大，两种钢渣砂中f-CaO含量均呈下降趋势，广西钢渣砂降低趋势较为明显，粒径范围由0～0.3 mm到0.3～0.6 mm时，降低幅度约为30.0%，从0.3～0.6 mm到0.6～2.36 mm时，降低幅度约为28.5%，而内蒙钢渣砂降低幅度则较小，两个阶段粒径范围的降低幅度分别为25.4%和16.0%，表明广西热泼钢渣砂中f-CaO含量受粒径范围影响较大.这一结果是由两者不同的处理工艺特点决定的，内蒙热闷钢渣砂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；而广西热泼钢渣砂是高温炉渣经冷水喷洒使其产生大于自身极限的应力而破碎开裂得到，游离氧化钙的水化作用使钢渣进一步裂解，处理钢渣的速度快、时间短，有利于机械化生产，但f-CaO消解得不够均匀和彻底[10-11].

由于钢渣砂中膨胀组分的水化作用会引起钢渣砂颗粒的粉化解体，试验通过相关性分析建立0～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～2.36 mm三种粒径范围钢渣砂的蒸汽粉化率和相应f-CaO含量的拟合曲线，研究这两种评价指标之间的内在联系.两种钢渣砂对应粒径范围的f-CaO含量和蒸汽粉化率指标见表4，相应的拟合曲线见图3.

表4 两种钢渣砂对应粒径范围的f-CaO含量和蒸汽粉化率指标

图3 拟合曲线

由图3可知，两种钢渣砂的蒸汽粉化率和f-CaO含量之间均存在较好的指数相关性，相关系数分别为0.94和0.91，内蒙热闷钢渣砂的相关性较大.表明5 h的蒸汽处理可以促进钢渣砂中部分f-CaO水化，使钢渣砂颗粒部分粉化解体，表明f-CaO含量是影响钢渣砂蒸汽粉化率指标的一个重要因素.

2.3 钢渣砂的浸水膨胀率

根据文献[9]对两种钢渣砂90 ℃恒温水浴处理的浸水膨胀率进行试验研究，钢渣砂每天的浸水膨胀变化量试验结果见表5，钢渣砂浸水膨胀率随水浴龄期的变化曲线见图4.

表5 两种钢渣砂的浸水膨胀变化量指标

图4 钢渣砂浸水膨胀率随水浴龄期的变化曲线

由图4可知，同一水浴龄期下两种钢渣砂的浸水膨胀率存在较大差异，浸水膨胀率大小为：GX>NM，且两种钢渣砂的浸水膨胀率差值随水浴龄期的增大而逐渐增大；随着水浴龄期增加，不同处理工艺的钢渣砂浸水膨胀率变化曲线不同，内蒙热闷钢渣砂的浸水膨胀率起始数值较小，且随着水浴龄期增加呈现出平稳小幅度增加的趋势，水浴龄期为10 d时其浸水膨胀率仅为0.45%左右，表现出较好的体积稳定性；而广西热泼钢渣砂早期即表现出较大的膨胀率，随着水浴龄期增加其浸水膨胀率增加幅度先较大后较小并最终趋于一个较高的数值，达到4.8%左右，约为内蒙钢渣砂的11倍，表现出较差的体积稳定性能.

从浸水膨胀率看，两种钢渣砂的浸水膨胀率差值随水浴龄期的增大而逐渐增大，为探究其浸水膨胀率差值和水浴龄期之间的内在联系，试验对这两种变量进行线性拟合.两种钢渣砂不同水浴龄期的浸水膨胀率差值见表6，两种钢渣砂浸水膨胀率差值和水浴龄期的拟合曲线见图5.