钢渣混合料在基层材料工程中的应用

来源：核心期刊咨询网时间：2019-01-06 11:0812

摘要：这篇材料工程师论文发表了钢渣混合料在基层材料工程中的应用，钢渣、矿渣的形成方式与生产水泥熟料的烧制过程相似, 而且它们有类似的化学成分, 使粒化高炉矿渣粉稳定钢渣混合料具有潜在水硬性，通过两种工业废渣制备半刚性材料, 取代水泥稳定碎石用于道路基

　　这篇材料工程师论文发表了钢渣混合料在基层材料工程中的应用，钢渣、矿渣的形成方式与生产水泥熟料的烧制过程相似, 而且它们有类似的化学成分, 使粒化高炉矿渣粉稳定钢渣混合料具有潜在水硬性，通过两种工业废渣制备半刚性材料, 取代水泥稳定碎石用于道路基层, 产生了良好的经济、社会和环境效益。

　　关键词：材料工程师论文,钢渣, 粒化高炉矿渣粉,道路基层材料

　　2017年全国粗钢产量为83 173万t, 同比增长57%, 钢渣排放比例占粗钢产量的1/8～1/5, 按照上述比例计算, 中国2017年的钢渣产量就达到了亿吨级, 作为10大钢铁城市之一的唐山市2017年的钢渣产量为9 120万t, 钢渣产量在4万t以上。虽然有庞大的钢渣产出量, 但综合利用率极低, 形成了大宗固体废弃物。大量钢渣随意堆放, 不仅侵占地表资源, 破坏自然环境, 而且钢渣中如果有重金属物质的浸出对土壤及地下水资源都会形成一定程度的破坏, 对人民的生活和生产造成威胁。中国的水泥生产量巨大, 而且水泥需求量也居高不下, 上述两个指标世界排名接连20多年均为首位。近年来, 水泥行业发展的新前景良好, 水泥产量也连年不断上升。2017年全国水泥总产量虽然有所回落, 也达到23.2亿t。

　　水泥的生产能耗很高, 对资源的损耗无法逆转, 还会对环境造成无法估量的破坏。据估计, 生产1t水泥熟料, 普通需要1.5t重的石灰石、还需要消耗0.2t煤和120度电, 此外生产过程中会排放约1tCO2、1.5kg氮氧化物、1kg SO2和10kg的固体微粒污染物, 而因此造成的大气破坏等一系列问题时时威胁着自然环境, 进一步导致的温室效应等更是威胁着全人类的重大难题。此外, 石灰石是珍贵的不可再生矿物, 对这些自然资源无节制的开采, 势必导致水泥原材料的枯竭, 从而导致整个水泥行业发展停滞。因此, 寻找一种能耗低、污染小的可持续发展的建筑材料成为中国乃至全世界的焦点。钢渣混合料正是这种节能环保的材料。

　　1 原材料物理化学性能

　　粒化高炉矿渣粉稳定钢渣混合料采用钢渣作为骨料, 粒化高炉矿渣粉作为结合料。

　　1.1 钢渣

　　1.1.1 钢渣的物理性质

　　各类岩石、普通钢渣磨光值及饱水极限抗压强度相应指标检测值见表1、2。

　　由表1、2可以看出:普通钢渣的抗磨性能和抗压性能优于大部分常规石料。但是钢渣的膨胀性往往成为制约钢渣作为道路基层材料骨料的因素。因此推荐选择热闷处理过的钢渣作为基层材料骨料。此外热闷处理钢渣的压碎值一般小于22%, 满足文献[1]中规定的不同交通量下各等级道路基层、底基层骨料压碎值的要求。文中试验选择唐山某钢厂热闷处理钢渣。

　　1.1.2 热闷钢渣的稳定性

　　热闷钢渣在3个指标 (游离氧化钙含量、金属铁含量、浸水膨胀率) 上都有较大的优势, 优于普通钢渣。试验用热闷钢渣稳定性指标测试结果见表3。

　　1.1.3 钢渣的化学性质

　　钢渣与水泥熟料化学成分对比见表4。

　　由表4可以看出:钢渣的化学组成与水泥熟料的化学成分极其相似, 说明钢渣本身有潜在的水硬性。国内外早有将钢渣研磨到一定比表面积的粉末, 来制备胶凝材料的先例。而将钢渣作为道路基层材料的骨料, 粒径较大, 比表面积较小, 活性较低, 需要找到一种合适的结合料才能激发出其潜在水硬性。粒化高炉矿渣粉正是这种能帮助钢渣激发其活性的材料。

　　1.2 粒化高炉矿渣粉

　　1.2.1 粒化高炉矿渣粉的化学组成

　　粒化高炉矿渣粉与水泥熟料化学成分对比见表5。

　　由表5可以看出:粒化高炉矿渣粉成分和水泥熟料相似, 有潜在水硬性。且比表面积较小, 更有助于其活性被激发出来。

　　1.2.2 粒化高炉矿渣粉的选择

　　粒化高炉矿渣是高炉炼铁时的熔融物, 经水淬粒化后所得的工业固体废弃物, 这种工业废渣其主要成分为硅酸盐和硅铝酸盐, 而且含有大量的玻璃质, 这是其具有水硬胶凝性的根本原因。文献[7]规定了粒化高炉矿渣粉活性指数的检验方法。也划分了粒化高炉矿渣粉的不同等级。综合考虑原材料的性价比, 钢渣混合料选取S95级 (比表面积≥400m2/kg) 的粒化高炉矿渣粉作为结合料。

　　2 钢渣混合料材料特性

　　2.1 试验原材料

　　文中钢渣主要选用热闷处理钢渣, 其各项指标满足相关规范要求, 结合料选择S95级粒化高炉矿渣粉。

　　2.2 力学性能试验

　　2.2.1 击实试验

　　击实试验是检测半刚性基层材料击实性能的基础试验, 能够确定钢渣混合料试件的最大干密度及其最佳含水率。试验用热闷处理钢渣主要有3种规格 (棒磨机钢渣:粒径0～5mm;低品钢渣:粒径0～10mm;预备线钢渣:粒径10～20mm) , 按照一定比例掺和形成最终级配。钢渣级配选用JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》中规定的悬浮密实型水泥稳定类集料级配 (尽量取中值) 进行击实试验, 以确定不同矿渣粉剂量下钢渣混合料的最佳含水量和最大干密度。各种规格钢渣按照一定比例形成最终级配。具体级配及击实试验结果见表6、7。

　　按照表7级配取粒化高炉矿渣粉添加剂量为5%进行击实试验。绘制出最大干密度曲线 (图1) 。由图1可以看出:钢渣混合料最大干密度曲线和水泥稳定材料相似呈抛物线形, 只是其指标稍有差异。其最大干密度为2.62g/cm3, 最佳含水率为6.1%, 而同样采用相同类型级配的水泥稳定碎石 (水泥剂量为5%) 最大干密度一般为2.4g/cm3左右, 最佳含水量为5%左右。

　　图1 最大干密度曲线 下载原图钢渣混合料最大干密度较水泥稳定碎石要大, 首要原因是钢渣的自身密度较大, 且钢渣自身有空隙, 能容纳吸附更多的液体和粉末。钢渣混合料的最佳含水量较水泥稳定碎石材料也要大一些, 这主要是由于钢渣的吸水能力和饱水能力较碎石要强很多, 归根结底主要原因还是钢渣自身有很多细小的空隙。

　　2.2.2 无侧限抗压强度试验

　　采用上述相同级配进行试验, 测定不同粒化高炉矿渣粉含量下 (2.5%～4.5%) 7d无侧限抗压强度, 按照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0805-1994要求进行试验, 结果见图2。分析图2可知:当粒化高炉矿渣粉剂量达到一定水平后, 它更能激发钢渣的活性, 与钢渣相互作用有更好的胶凝效果, 能使钢渣混合料早强抗压性能更好。根据众多试验数据和工程实际经验, 认为钢渣混合料中粒化高炉矿渣粉推荐剂量为5%。

　　为了探究钢渣混合料的抗拉性能。进行了粒化高炉矿渣粉含量 (5%) 不同龄期 (7、14、21、28d) 劈裂强度试验 (表8) 。

　　将劈裂强度与龄期进行函数拟合, 得出y=0.024 3x+0.065 (R2=0.985 7) , 可以看出劈裂强度与龄期呈线性增长关系。还可以看出21d劈裂强度能达到0.6 MPa, 而水泥稳定碎石劈裂强度 (90d) 为0.4～0.6MPa。

　　推荐阅读：《高分子材料科学与工程》(月刊)1985年创刊，本刊系经国家科委批准，公开发行的专业性学术刊物，登载与高子分子材料科学与工程领域有关的高分子化学。

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