聚合物預(yù)浸改性鋼渣及其混合料的力學(xué)性能

高 穎，王偉赫，李彥蒼，陳 萌，汲治鵬

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲，056107）

近年來，國家公路建設(shè)消耗了大量天然集料，造成了不可再生資源的減少，環(huán)境污染問題嚴(yán)重［1］.據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 t 鋼材就會產(chǎn)生100～200 kg的鋼渣，每生產(chǎn)1 t 鐵就會產(chǎn)生300 kg 的鋼渣［2］.將鋼渣粗集料代替天然集料應(yīng)用于道路工程中，對解決環(huán)境污染、土地資源緊張、建筑材料匱乏等問題具有重要意義［3］.

鋼渣體積穩(wěn)定性的不足是導(dǎo)致鋼渣在道路工程中利用率低的主要因素［4］.現(xiàn)階段抑制鋼渣體積膨脹的方法主要有陳化改性［5-7］、碳酸化改性［8-10］、重構(gòu)改性［11-13］等.研究表明［4，14］，預(yù)浸表面改性處理后的鋼渣疏水性能顯著提高，鋼渣體積膨脹性問題得到明顯改善，該處理方法可為提高鋼渣資源化利用率提供新的思路.然而，采用預(yù)浸法表面改性處理技術(shù)來抑制鋼渣體積膨脹，并將改性后的鋼渣應(yīng)用于水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料中的研究比較少見.

本文采用2 種改性劑對鋼渣進(jìn)行表面改性處理，通過測試鋼渣改性前后的物理力學(xué)性能、浸水膨脹率、表觀形貌的變化情況來優(yōu)選出合適的改性劑摻配比例，并研究碎石、鋼渣、改性鋼渣的替代方式對水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料力學(xué)性能的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為普通硅酸鹽水泥，其基本性能指標(biāo)見表1.天然集料（NA）為邯鄲自產(chǎn)，鋼渣集料（SSA）取自邯鄲市邯鋼鋼廠，集料（粒徑d=4.75～26.50 mm）的基本性能指標(biāo)見表2.粉煤灰取自邯鄲熱電廠，燒失量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的摻量、比值等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比）為13.26%.將甲基硅酸鉀（PM）溶液稀釋為PM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)wPM=1%、2%、3%、4%的溶液；將硅丙乳液（SAE）稀釋為SAE 質(zhì)量分?jǐn)?shù)wSAE=6%、9%、12%、15%的溶液.試驗(yàn)用水均為自來水.

表1 水泥的基本性能指標(biāo)Table 1 Basic performance indexes of cement

表2 集料（粒徑d=4.75～26.5 mm）的基本性能指標(biāo)Table 2 Basic performance indexes of aggregates（d=4.75-26.50 mm）

1.2 改性鋼渣的制備

將SSA 洗凈烘干處理，分成3 組：2 組分別放置在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PM 溶液、SAE 溶液中浸泡12 h，撈出風(fēng)干5～7 h，得到甲基硅酸鉀改性鋼渣（PMSSA）、硅丙乳液改性鋼渣（SAESSA）；1 組不進(jìn)行改性處理（對照組）.鋼渣表面改性處理過程見圖1.

圖1 鋼渣表面改性處理過程Fig.1 Surface modification treatment process of steel slag

1.3 混合料的配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》對骨架密實(shí)型級配的要求，取級配中值作為水泥穩(wěn)定碎石鋼渣混合料（簡稱混合料）試件的級配.由于鋼渣密度大于天然碎石，為防止級配變異，本文采用等體積替代法，將改性鋼渣全部或部分摻入混合料中，設(shè)計(jì)了9 種替代方式：d=4.75～26.50 mm 未改性鋼渣全部替代同粒徑規(guī)格的碎石，配制成的混合料記為SSM；d=4.75～26.50 mm 甲基硅酸鉀改性鋼渣、硅丙改性鋼渣全部替代同粒徑規(guī)格的碎石，配制成的混合料分別記為PMSSM、SAESSM；d=4.75～9.50、9.50～13.20、19.00～26.50 mm 甲基硅酸鉀改性鋼渣、硅丙改性鋼渣部分替代同規(guī)格的天然碎石，當(dāng)某一規(guī)格粒徑集料為改性鋼渣時，其余2 種規(guī)格集料為碎石，配制成的混合料分別記為4.75PMSSM、9.50PMSSM、19.00PMSSM、4.75SAESSM、9.50SAESSM、19.00SAESSM.將天然集料配制的混合料作為對照組，并記為NAM.設(shè)置水泥摻量wC=5%以及wC=5%、粉煤灰摻量wFA=10%這2 種配比，將其與9 種替代方式組合，得到18種混合料.不同類型級配下混合料集料的篩孔通過率見表3.

表3 不同類型級配下混合料集料的篩孔通過率Table 3 Sieve passing ratio of aggregate of mixtures under different types of gradation

2 結(jié)果與討論

2.1 混合料的制備工藝

2.1.1 改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

改性鋼渣的基本性能指標(biāo)見表4.由表4 可見：鋼渣經(jīng)表面改性處理后，物理力學(xué)性能均有所改善.以d=9.50～13.20 mm 鋼渣為例：wPM=1%、3% 時，PMSSA 的吸水率比對照組分別降低了23.8%、52.5%；當(dāng)wSAE=6%、12%時，SAESSA 的吸水率比對照組分別降低了15.0%、48.0%.這是由于改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，包裹在鋼渣表面的改性層變厚，鋼渣表面的疏水能力提高，使得集料的吸水率降低.當(dāng)wPM=1%、wSAE=6%時，PMSSA、SAESSA 的壓碎值比對照組僅僅降低了3.40%、0.67%，而當(dāng)wPM=3%、wSAE=12% 時，其壓碎值則降低了8.70%、6.04%，這是由于鋼渣在改性過程中，表面逐漸被改性劑和鋼渣水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠包裹，增加了集料的致密性，從而降低了其壓碎值.

表4 改性鋼渣的基本性能指標(biāo)Table 4 Basic performance indexes of modified SSA

不同鋼渣粒徑的PMSSA、SAESSA 體積膨脹率隨改性劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先降低后增大的趨勢.以d=4.75～9.50 mm 鋼渣為例：當(dāng)wPM=1%、wSAE=6%時，鋼渣膨脹率下降幅度較小，隨著改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，當(dāng)wPM=3%、wSAE=12% 時，PMSSA、SAESSA 體積膨脹率比對照組降低了28%、24%，表明2 種改性劑在鋼渣表面形成的疏水薄膜可以降低改性鋼渣中膨脹組分反應(yīng)速率，進(jìn)而起到抑制鋼渣體積膨脹的作用.

當(dāng)wPM=4%、wSAE=15%時，鋼渣的吸水率、壓碎值、體積膨脹率與wPM=3%、wSAE=12%時相比，并未產(chǎn)生明顯差異，這說明增加改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并不會進(jìn)一步提高鋼渣的各項(xiàng)基本性能.考慮到經(jīng)濟(jì)性因素，后文采用wPM=3%、wSAE=12%的PMSSA、SAESSA 展開進(jìn)一步研究.

2.1.2 鋼渣表面改性機(jī)理

為更深入地研究鋼渣改性機(jī)理，從微觀角度出發(fā)，采用掃描電鏡（SEM）觀察并分析鋼渣改性處理后其結(jié)構(gòu)的變化情況.改性前后鋼渣的SEM 照片見圖2.由圖2 可見：改性前，鋼渣表面粗糙不平，且存在較多孔隙；經(jīng)2 種改性劑處理后，鋼渣表面被致密改性層包裹，表面結(jié)構(gòu)較為平整，鋼渣的疏水能力有所提高.預(yù)浸表面改性處理鋼渣的實(shí)質(zhì)是通過改性劑和鋼渣水化反應(yīng)生成的C-S-H 凝膠來填充鋼渣表面孔隙，并在鋼渣表面附著一層疏水薄膜，最終達(dá)到降低鋼渣吸水能力，延緩鋼渣內(nèi)部活性物質(zhì)反應(yīng)速率，抑制鋼渣體積膨脹的目的.

圖2 改性前后鋼渣的SEM 照片F(xiàn)ig.2 SEM images of steel slag before and after modification

2.1.3 混合料的最佳配合比

對18 種混合料進(jìn)行7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，確定其性能較優(yōu)的配合比.混合料的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖3.由圖3 可見：（1）鋼渣或改性鋼渣替代天然集料的混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于天然集料配制的混合料，說明鋼渣對水泥穩(wěn)定碎石基層抗壓性能的提升起著重要的作用.9 種替代方式下混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均大于2 MPa，滿足道路規(guī)范設(shè)計(jì)中對有關(guān)基層材料強(qiáng)度的要求.（2）水泥摻量一定時，向混合料中加入粉煤灰有利于提高其抗壓強(qiáng)度，此現(xiàn)象在SSM 中尤為明顯，摻入粉煤灰后，SSM 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值提高了16.4%，這是由于粉煤灰可以促進(jìn)鋼渣的水化反應(yīng)，水化生成物C-S-H 凝膠、Ca（OH）2使得未改性鋼渣表面變得更加粗糙，集料間形成有效的嵌擠結(jié)構(gòu)，提高了混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.（3）混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受鋼渣替代方式影響較大，改性鋼渣部分替代d=4.75～9.50、9.50～13.20 mm 碎石時混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高，而當(dāng)2 種改性鋼渣全部替代碎石時，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均低于對照組，粉煤灰摻入后，PMSSM、SAESSM 抗壓強(qiáng)度值也僅為3.7、3.8 MPa，這是由于鋼渣經(jīng)預(yù)浸表面改性處理后，其表面由粗糙變?yōu)槠秸杷杂捎H水變?yōu)槭杷?，若將改性鋼渣全部替代天然集料，則會影響水泥與集料的黏結(jié)作用，不利于混合料強(qiáng)度的提升.

圖3 混合料的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 Unconfined compressive strength of mixtures at 7 d

綜上所述，通過對比分析不同配比下混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可知，改性鋼渣部分替代天然碎石的方式與全部替代方式相比，前者對提高混合料的抗壓強(qiáng)度更加有效，因此，本文后續(xù)將針對NAM、SSM、4.75PMSSM、9.50PMSSM、4.75SAESSM、9.50SAESSM 這6 種替代方式，wC=5%以及wC=5%、wFA=10%這2 種配比，共12 種混合料展開進(jìn)一步研究.

2.2 混合料的力學(xué)性能

2.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將混合料標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28、60 d，測得其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖4.由圖4（a）可見：當(dāng)齡期為28 d 時，9.50PMSSM、9.50SAESSM 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比NAM 分別提高了29.8%、26.3%，這是由于改性鋼渣表面較為致密，使得材料本身抗壓能力有所提升，進(jìn)而提高了混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；60 d 齡期時，SSM的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比4.75PMSSM 低12.8%，這可能是因?yàn)殡S著齡期的增長水化反應(yīng)逐漸加快，鋼渣水化產(chǎn)物增多，體積發(fā)生膨脹，導(dǎo)致混合料內(nèi)部出現(xiàn)損傷，使得SSM 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低.由圖4（b）可見：當(dāng)齡期為60 d時，4.75PMSSM、4.75SAESSM 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比其在28 d時分別提高了14.6%、18.9%，這是由于隨著齡期的延長，鋼渣水化反應(yīng)速率有所提高，與水反應(yīng)的生成物將使得混合料強(qiáng)度的提升速率加快；60 d 齡期時，4.75PMSSM、4.75SAESSM 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比SSM 低2.7%、5.3%，這是由于改性鋼渣表面較為平整，粉煤灰對鋼渣水化反應(yīng)的促進(jìn)作用較小，集料與水泥的黏結(jié)性較低，荷載作用時，使得未改性鋼渣混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于改性鋼渣混合料.

圖4 混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.4 Unconfined compressive strength of mixtures

2.2.2 間接抗拉強(qiáng)度

混合料的間接抗拉強(qiáng)度見圖5.由圖5 可見，混合料的間接抗拉強(qiáng)度均隨著齡期的延長而增加.對圖5（a）中的4.75SAESSM 而言：60 d 齡期下混合料間接抗拉強(qiáng)度比其在28 d 時提高了8.9%，這是由于齡期越長，鋼渣與水泥的水化反應(yīng)越充分，混合料的抗拉能力越強(qiáng)；28 d 齡期時，SSM 的間接抗拉強(qiáng)度比4.75PMSSM 低24.4%，這是由于未改性鋼渣表面孔隙較多，對水泥具有一定的吸附性，導(dǎo)致能參與反應(yīng)的水泥量減少，降低了混合料的抗拉強(qiáng)度.對圖5（b）中的4.75SAESSM 而言：60 d 齡期下混合料的間接抗拉強(qiáng)度比SSM 低6.0%，這說明預(yù)浸法表面改性雖可提高材料的性能，但過于致密平整的表面不利于鋼渣與膠凝材料的黏結(jié)，會造成集料嵌擠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不足，影響混合料的抗拉能力.摻入粉煤灰后，SSM的間接抗拉強(qiáng)度比9.50PMSSM、9.50SAESSM 高3.2%、9.1%，這一方面是由于粉煤灰可促進(jìn)鋼渣的水化反應(yīng)，反應(yīng)生成的C-S-H 凝膠可提高集料間的黏結(jié)力，提高混合料的抗拉性能；另一方面，結(jié)合表4 可知，此類混合料中d=9.50～13.20 mm 粒徑鋼渣占比大于其他粒徑，改性鋼渣水化反應(yīng)速率較慢，導(dǎo)致改性鋼渣混合料抗拉強(qiáng)度不及未改性鋼渣混合料.

圖5 混合料的間接抗拉強(qiáng)度Fig.5 Indirect tensile strength of mixtures

2.2.3 抗壓回彈模量

混合料的抗壓回彈模量見圖6.由圖6（a）可知，60 d 齡期下，4.75PMSSM 的抗壓回彈模量比4.75SAESSM 高6.3%，這是由于鋼渣經(jīng)硅丙乳液改性處理后，其表面過于平整致密，導(dǎo)致混合料中集料與集料、集料與水泥石之間容易發(fā)生滑移，使得混合料剛度減小，抗變形能力降低.由圖6還可見，當(dāng)wC=5%，齡期為28 d 時，SSM 的抗壓回彈模量比4.75PMSSAM 低1.6%，而后隨著粉煤灰的摻入以及養(yǎng)護(hù)齡期的延長，SSM 的抗壓回彈模量達(dá)到最大值2 495 MPa，比4.75PMSSM、4.75SAESSAM 分別高7.08%、9.14%，這是由于鋼渣前期活性較低，后期因水化速率加快，集料之間黏結(jié)能力增強(qiáng)，混合料剛度有所提高，但改性鋼渣表面的改性層會降低鋼渣水化速率，影響混合料后期強(qiáng)度形成，最終導(dǎo)致改性鋼渣混合料的回彈模量低于未改性鋼渣混合料.

圖6 混合料的抗壓回彈模量Fig.6 Compressive resilience modulus of mixtures

2.3 混合料的抗凍性能

對wC=5%、wFA=10% 的6 種混合料進(jìn)行抗凍性能測試，結(jié)果見表5.由表5 可見：混合料抗凍系數(shù)均隨著齡期的延長而增大，60 d 齡期下SSM的抗凍系數(shù)比其在28 d 時提高了2.5%，這是由于鋼渣自身紋理較為豐富，水泥的水化產(chǎn)物與其黏結(jié)強(qiáng)度較高，限制了凍融條件下試件內(nèi)部裂縫的發(fā)展，提高了混合料的抗凍性能；當(dāng)齡期為60 d時，9.50PMSSM、9.50SAESSM 的抗凍系數(shù)比SSM 下降了1.3%、2.8%，這是由于改性鋼渣表面較為平整光滑，導(dǎo)致鋼渣與水泥的黏結(jié)能力下降，當(dāng)混合料受到凍融循環(huán)作用時，水在混合料的孔隙中擴(kuò)散遷移而產(chǎn)生水壓力，水結(jié)冰時也會產(chǎn)生張拉應(yīng)力，這些力的作用會導(dǎo)致水泥和改性鋼渣界面產(chǎn)生微裂縫，使混合料的抗壓能力降低；9.5PMSSM 凍融前的抗壓強(qiáng)度與凍融后相比下降了3.1%，而9.5SAESSM 下降了4.5%，這與鋼渣的改性效果有關(guān)，甲基硅酸鉀改性處理后的鋼渣抗壓能力有所提升，凍融循環(huán)作用后，混合料強(qiáng)度降低幅度較小.

表5 混合料的抗凍性能Table 5 Frost resistance of mixtures

3 結(jié)論

（1）經(jīng)甲基硅酸鉀溶液、硅丙乳液溶度預(yù)浸改性處理后，鋼渣的吸水率、壓碎值、膨脹率均明顯降低，集料品質(zhì)有所提升.建議甲基硅酸鉀溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、硅丙乳液溶度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%.

（2）改性鋼渣替代方式對混合料的抗壓性能影響較大，由改性鋼渣全部替代天然集料后，改性鋼渣混合料抗壓性能不及未改性鋼渣混合料，因此不宜采取全部替代的方式.

（3）部分替代方式下，3%甲基硅酸鉀改性鋼渣混合料的力學(xué)性能優(yōu)于12%硅丙改性鋼渣混合料，前者短期內(nèi)可有效提升混合料的抗凍能力，由4.75～9.50 mm 甲基硅酸鉀改性鋼渣配制成的混合料表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能.

（4）建議采用4.75～9.50 mm 的甲基硅酸鉀改性鋼渣部分替代天然集料的方式制備改性鋼渣混合料.