基于碳酸化鋼渣集料的瀝青混凝土體積穩(wěn)定性研究

胡晨光 李恩碩 蘇 航 付佳偉

(1.華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省無機(jī)非金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210)

目前,我國高級公路中90%以上為瀝青路面[1],在瀝青路面中集料占總體積的90%～95%[2],然而國家禁止對天然砂石進(jìn)行開采,致使瀝青道路中集料緊缺問題成為限制高級公路高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸[3]。由于鋼渣具有高強(qiáng)、耐磨、抗滑等優(yōu)點(diǎn),已作為集料應(yīng)用在瀝青道路示范工程中[4-6],但鋼渣的安定性不良問題限制了其大范圍規(guī)?；瘧?yīng)用[7-8]。研究發(fā)現(xiàn),鋼渣經(jīng)過一定時(shí)間的陳化,利用空氣中的水和CO2消解鋼渣中f-CaO,可實(shí)現(xiàn)鋼渣穩(wěn)定化處理,進(jìn)而取代天然集料制備瀝青道路[9-13]。然而,陳化處理占地面積大、時(shí)間周期長,且鋼渣陳化極易造成內(nèi)部反應(yīng)不均勻、消解不徹底,致使瀝青道路存在長期性的安全隱患。

為縮短鋼渣陳化時(shí)間和提高鋼渣穩(wěn)定性,國內(nèi)外學(xué)者提出利用碳酸化技術(shù)解決鋼渣顆粒安定性不良的問題。例如,唐衛(wèi)軍等[14]利用 TG手段研究了100、300、500 和 700℃碳酸化(CO2和水蒸氣混合氣體)處理60 min的5～10 mm鋼渣中f-CaO含量的變化規(guī)律,該研究主要采用反應(yīng)性管式爐煅燒的方式在高溫下進(jìn)行碳酸化,但對碳酸化鋼渣安定性的判斷較缺乏。 KO 等[15]探討了不同溫度(100、150、200、250℃)、CO2含量(0%、10%、20%、30%、40%)和相對濕度(0%、10%、30%、60%、80%)條件下,3種粒徑(3.5～7、7～15、15～25 mm)鋼渣顆粒中礦物組成、微觀形貌和壓碎值等的變化規(guī)律,此研究也是利用煅燒的方式在高溫下進(jìn)行鋼渣碳酸化處理。吳昊澤等[16]選用XRD和SEM研究了常溫常壓、相對濕度70%～90%、CO2濃度30%～40%碳酸化6 h條件下4.75～9.5 mm鋼渣集料表觀密度、堆積密度、吸水率、壓碎值等性能,以及礦物組成和微觀形貌,并分析了鋼渣透水混凝土的力學(xué)性能和抗凍性,但此研究未涉及碳酸化鋼渣安定性的分析,且考察的溫度為常溫。何懋燦[17]對 6 種粒徑鋼渣(2.36～4.75、1.18～2.36、0.6～1.18、0.3～0.6、0.15～0.3、0.08～0.15 mm)噴水潤濕后,在常溫和0.20 MPa CO2條件下分別碳酸化1、4、8 h,分析了碳酸化鋼渣的壓蒸粉化率、增重率變化規(guī)律,及所制備水泥砂漿的力學(xué)性能和膨脹性能,此研究同樣考察的溫度為常溫?？梢?現(xiàn)有關(guān)于鋼渣集料碳酸化的研究,主要集中在常溫和利用反應(yīng)爐加熱的高溫,以及對碳酸化鋼渣及所制備水泥砂漿或混凝土的微結(jié)構(gòu)與性能等相關(guān)方面。

然而,目前關(guān)于碳酸化鋼渣集料在瀝青混凝土中應(yīng)用研究的報(bào)道還很少,尤其是碳酸化鋼渣集料瀝青混凝土體積穩(wěn)定性的研究還不深入,同時(shí),壓蒸溫度為室溫至180℃的碳酸化溫度范圍的考察也較少。因此,本文選擇室溫至180℃為壓蒸溫度范圍,利用碳酸化方式處理粒度為4.75～9.5 mm的含釩鈦熱潑鋼渣,研究碳酸化鋼渣的瀝青混凝土體積穩(wěn)定性的變化規(guī)律,分析碳酸化鋼渣安定性的變化規(guī)律和機(jī)理,為碳酸化鋼渣集料在瀝青道路中規(guī)?；瘧?yīng)用提供理論支撐。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

(1)鋼渣。取自河北鋼鐵股份有限公司承德分公司,為高堿度熱潑型含釩鈦轉(zhuǎn)爐鋼渣,經(jīng)破碎、磁選,篩選4.75～9.5 mm粒級樣為試驗(yàn)樣品。鋼渣主要化學(xué)成分分析及物理性能分別見表1、表2。

表1 鋼渣主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Results of the main chemical composition analysis for the steel slag %

表2 鋼渣物理性能Table 2 Physical properties of the steel slag

(2)去離子水為自制。

(3)CO2氣體。由唐山市坤鵬氣體有限公司提供,CO2濃度為99.99%。

(4)石料。石灰?guī)r,由唐山市博全新材料有限公司提供,粒徑為 13.2～16、9.5～13.2、2.36～4.75 mm。

(5)細(xì)集料。石灰?guī)r細(xì)集料,粒徑≤2.36 mm,由唐山市博全新材料有限公司提供。(6)礦粉。粒徑為-0.075 mm,由唐山市博全新材料有限公司提供。

(7)玄武巖纖維。常州筑威建筑材料有限公司生產(chǎn)。

(8)瀝青為廣東茂名石化東海牌70#基質(zhì)石油瀝青,具體參數(shù)見表3。

表3 基質(zhì)瀝青參數(shù)Table 3 Matrix asphalt parameters

1.2 樣品制備與性能表征

1.2.1 碳酸化鋼渣集料的制備方法

用自來水清洗4.75～9.5 mm粒徑鋼渣表面粉塵,然后在水中浸泡24 h,再將鋼渣顆粒放置于底部放有去離子水的50 L高壓反應(yīng)釜內(nèi),將高壓釜密封并抽至真空,通入1.0 MPa CO2氣體,分別控制碳酸化溫度 25、60、90、120、180℃,碳酸化時(shí)間 3、6、9、12、24 h,到達(dá)相應(yīng)時(shí)間后將碳酸化鋼渣烘干備用,具體碳酸化制度參數(shù)見表4。

表4 鋼渣碳酸化具體制度Table 4 Concrete carbonation system of steel slag

1.2.2 鋼渣瀝青混合料的制備方法

根據(jù)《公路瀝青瑪蹄脂碎石路面技術(shù)指南》(SHC F40—01—2002)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),在各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求的前提下,將4.75～9.5 mm粒徑鋼渣等質(zhì)量取代石料進(jìn)行SMA-13型瀝青混凝土的制備,其級配曲線如圖1所示。利用馬歇爾試驗(yàn)方法確定最佳油石比6.0%,其他性能指標(biāo)結(jié)果如表5所示。

圖1 瀝青混合料級配曲線Fig.1 Asphalt mixture gradation curve

表5 6.0%油石比鋼渣的瀝青混合料性能指標(biāo)Table 5 Performance index of asphalt mixture with 6.0% asphalt-aggregate ratio

1.2.3 性能測試與微結(jié)構(gòu)表征

(1)鋼渣瀝青混合料體積穩(wěn)定性測試。取鋼渣瀝青混合料的馬歇爾試件(直徑為101.6mm、高度為63.5mm)3個(gè),分別在表面3個(gè)不同位置測定試件的直徑,同時(shí)在側(cè)面對應(yīng)位置測定3個(gè)試件高度,取直徑和高度的平均值,計(jì)算混合料試件的體積,3個(gè)試件體積取平均值V0。然后,將試件放置于60℃的水中浸泡6 d,每天將試件取出按相同方法測定直徑與高度,并計(jì)算浸泡后每天的體積Vx,通過計(jì)算可以得出每天試件的體積膨脹,按照以下公式計(jì)算體積膨脹率Cx:

式中,Cx為體積膨脹率,%;Vx為浸泡后混合料體積,m3;V0為混合料初始體積,m3。

(2)碳酸化鋼渣集料的壓蒸粉化率的表征。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼渣穩(wěn)定性檢測方法》(GB 24175—2009),利用TZF-2S型數(shù)顯壓蒸釜對碳酸化鋼渣進(jìn)行壓蒸粉化率測試。

(3)碳酸化鋼渣中f-CaO含量測試。選用密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)將碳酸化前后鋼渣(4.75～9.5 mm)粉碎至-0.075 mm,依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼渣中游離氧化鈣含量測定方法》(YBT 4328—2012),使用EDTA溶液對碳酸化鋼渣進(jìn)行f-CaO含量測定。

(4)礦相分布及微觀形貌分析。利用切割機(jī)將鋼渣顆粒切開,然后選用不同細(xì)度的砂紙對鋼渣表面依次打磨,并拋光。經(jīng)拋光的鋼渣進(jìn)行碳酸化處理,隨后采用聚焦離子束場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FEI捷克有限公司的SCIOS)進(jìn)行BSE礦相分布分析,工作條件為:20 kV電壓、13 nA電流;采用SEM-EDS進(jìn)行微觀形貌和元素組成分析,工作條件為:20 kV電壓、0.8 nA電流。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳酸化處理鋼渣的瀝青混合料體積穩(wěn)定性

2.1.1 不同碳酸化溫度下鋼渣的瀝青混合料體積穩(wěn)定性

圖2為不同碳酸化溫度下鋼渣的瀝青混合料體積膨脹率。

圖2 不同碳酸化溫度鋼渣的瀝青混合料體積膨脹率Fig.2 Volume expansion rate of asphalt mixture with different carbonation temperature steel slag

由圖2可知:隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,未經(jīng)碳酸化處理鋼渣的瀝青混合料體積膨脹率大幅升高,在養(yǎng)護(hù)3 d后,混合料的膨脹率達(dá)到1.49%,接近《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求的1.5%,養(yǎng)護(hù)時(shí)間繼續(xù)延長至6 d時(shí),膨脹率達(dá)到了2.12%,并且仍呈繼續(xù)升高的趨勢,說明未經(jīng)碳酸化處理的鋼渣存在長期性不穩(wěn)定的問題。

然而,經(jīng)過不同溫度碳酸化處理鋼渣的瀝青混合料膨脹率,整體上均呈逐漸升高后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律,且均低于未碳酸化鋼渣;養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)混合料膨脹率均低于1.5%,可見,碳酸化處理方式可有效解決鋼渣安定性不良問題。與未碳酸化鋼渣相比,25℃碳酸化處理后鋼渣的瀝青混合料在養(yǎng)護(hù)3 d后,膨脹率為1.19%,降低幅度達(dá)到20.13%,同時(shí)6 d的膨脹率為1.42%,降低達(dá)33.01%,說明常溫碳酸化能大幅消解鋼渣中的f-CaO,提高鋼渣的安定性。另外,隨著碳酸化溫度的升高,混合料膨脹率均有所降低,其中60℃碳酸化溫度的膨脹率降低幅度居中,而在90、120、180℃碳酸化溫度下的膨脹率相接近,無顯著差別,其中 90℃處理后混合料3 d膨脹率為0.97%,降低幅度達(dá)34.89%,6 d膨脹率為1.16%,降低幅度高達(dá)45.28%。由此說明,碳酸化溫度升高有利于提高鋼渣的安定性,但碳酸化溫度超過一定值(90℃)后,其提高鋼渣安定性的作用并不明顯。推測原因?yàn)?當(dāng)溫度低于90℃時(shí),碳酸化過程中CO2對f-CaO消解起主導(dǎo)作用,由于CO2向鋼渣內(nèi)部傳輸緩慢,導(dǎo)致鋼渣中仍有大量f-CaO存在;當(dāng)溫度超過90℃時(shí),碳酸化過程中出現(xiàn)水蒸氣,造成水蒸氣的分壓提高,整體壓力增大,進(jìn)而在CO2和H2O蒸汽分子同時(shí)作用下,大幅提高了對f-CaO的消解作用,從而推斷在90℃碳酸化處理?xiàng)l件下4.75～9.5 mm粒徑的鋼渣安定性已趨于良好,碳酸化進(jìn)程已到達(dá)了鋼渣顆粒的中心位置,因此溫度高于90℃的碳酸化(120℃和180℃條件)下鋼渣安定性變化較小,其混合料體積穩(wěn)定性相接近。

2.1.2 不同碳酸化時(shí)間下鋼渣的瀝青混合料體積穩(wěn)定性

圖3為不同碳酸化時(shí)間下鋼渣的瀝青混合料體積膨脹率。

圖3 不同碳酸化時(shí)間鋼渣的瀝青混合料體積膨脹率Fig.3 Volume expansion rate of asphalt mixture with different carbonation time steel slag

由圖3可知:經(jīng)不同碳酸化時(shí)間處理鋼渣的瀝青混合料膨脹率均呈現(xiàn)先升高后趨于穩(wěn)定的規(guī)律,同樣在養(yǎng)護(hù)3 d時(shí),不同碳酸化時(shí)間鋼渣的混合料膨脹率均低于規(guī)范規(guī)定的1.5%。與未碳酸化鋼渣相比,90℃碳酸化3 h鋼渣的瀝青混合料3 d膨脹率為1.18%,降低幅度達(dá)20.80%;養(yǎng)護(hù)6 d的膨脹率為1.39%,降低幅度達(dá)34.43%,說明90℃碳酸化3 h已大幅消解鋼渣中f-CaO。隨著碳酸化時(shí)間的延長,混合料的膨脹率逐漸降低,其中3 h和6 h碳酸化時(shí)間下其膨脹率(養(yǎng)護(hù)3 d和6 d)降低程度均較接近,而在9、12和24 h碳酸化時(shí)間下其膨脹率(養(yǎng)護(hù)3 d和6 d)已幾乎相同。這說明延長碳酸化時(shí)間會促進(jìn)鋼渣穩(wěn)定性的提高,但碳酸化時(shí)間長于9 h,延長時(shí)間對鋼渣穩(wěn)定性的提高作用逐漸不顯著。推測原因?yàn)?當(dāng)碳酸化時(shí)間少于9 h時(shí),在90℃高溫高壓環(huán)境下,CO2和水蒸氣向鋼渣內(nèi)部傳輸速率較快,加快f-CaO的消解;碳酸化時(shí)間到達(dá)9 h時(shí),鋼渣內(nèi)部f-CaO已消解完全,繼續(xù)延長碳酸化時(shí)間對混合料膨脹率的影響較小。

2.2 碳酸化鋼渣集料的安定性研究

2.2.1 碳酸化處理后鋼渣中f-CaO含量變化規(guī)律

圖4、圖5分別顯示了碳酸化溫度、時(shí)間對鋼渣中f-CaO含量的影響。

圖4 碳酸化溫度對鋼渣中f-CaO含量的影響(碳酸化時(shí)間9 h)Fig.4 Effect of carbonation temperature on the content of f-CaO in steel slag(carbonation time of 9 h)

圖5 碳酸化時(shí)間對鋼渣中f-CaO含量的影響(碳酸化溫度90℃)Fig.5 Effect of carbonation time on the content of f-CaO in steel slag(carbonation temperature of 90℃)

由圖4可知:未碳酸化鋼渣中f-CaO含量高達(dá)5.46%,隨著碳酸化溫度升高,鋼渣中f-CaO含量呈先降低后趨于平穩(wěn)的趨勢。25℃碳酸化鋼渣中f-CaO含量下降至4.25%,說明在常溫下CO2和水可與f-CaO反應(yīng),并且由于初始CO2壓力為1 MPa,高壓將促進(jìn)CO2擴(kuò)散進(jìn)入鋼渣內(nèi)部,加快f-CaO的消解;在25～90℃范圍內(nèi)f-CaO含量大幅下降。由此可推斷,在尚未有大量水蒸氣形成的階段,溫度(100℃以內(nèi))與CO2消解f-CaO的效率成正比,符合阿倫尼烏斯公式中化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)與溫度變化的關(guān)系;但在90～180℃時(shí)f-CaO含量變化不顯著,說明在90℃碳酸化下4.75～9.5 mm鋼渣顆粒中f-CaO已消解到一定程度,鋼渣已趨于穩(wěn)定,繼續(xù)升高溫度對加速f-CaO消解作用不明顯,與瀝青混合料體積穩(wěn)定性變化一致。然而,在90～180℃碳酸化鋼渣中仍有3%左右的f-CaO,其原因可能與化學(xué)滴定過程中初始鋼渣內(nèi)部的Ca(OH)2參與反應(yīng),或部分f-CaO沒有水化活性有關(guān)。

由圖5可知:在90℃碳酸化作用下,隨著時(shí)間的延長,鋼渣中f-CaO含量也呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的規(guī)律。由此說明,90℃碳酸化9 h可使4.75～9.5 mm粒徑鋼渣中活性f-CaO完全消解,繼續(xù)延長碳酸化時(shí)間,f-CaO含量未有顯著變化。綜上可知,在90℃碳酸化9 h條件下4.75～9.5 mm鋼渣顆粒中活性f-CaO已完全消解,可達(dá)到鋼渣陳化6個(gè)月以上的消解效果。

2.2.2 碳酸化處理后鋼渣的壓蒸粉化率變化規(guī)律

圖6、圖7分別顯示了碳酸化溫度、時(shí)間對鋼渣壓蒸粉化率的影響。

圖6 碳酸化溫度對鋼渣壓蒸粉化率的影響(碳酸化時(shí)間9 h)Fig.6 Effect of carbonation temperature on autoclave pulverization rate of steel slag(carbonation time of 9 h)

圖7 碳酸化時(shí)間對鋼渣壓蒸粉化率的影響(碳酸化溫度90℃)Fig.7 Effect of carbonation time on autoclave pulverization rate of steel slag(carbonation temperature of 90℃)

由圖6可知:未碳酸化鋼渣的壓蒸粉化率可達(dá)5.85%;在相同的9 h碳酸化時(shí)間下,隨著溫度的升高,經(jīng)碳酸化處理鋼渣的壓蒸粉化率幾乎呈直線下降,其變化規(guī)律與對應(yīng)的f-CaO含量變化規(guī)律明顯不同,并未出現(xiàn)后期趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。由此說明,盡管90℃碳酸化處理可以使鋼渣達(dá)到穩(wěn)定,但180℃碳酸化鋼渣安定性更為良好。從鋼渣瀝青混合料體積膨脹率來看,碳酸化溫度高于90℃鋼渣的瀝青混合料體積已穩(wěn)定,因此利用f-CaO含量來判定鋼渣瀝青混凝土體積穩(wěn)定性具有一定的可靠性。

由圖7可知:在90℃碳酸化處理下,隨著碳酸化時(shí)間的延長,經(jīng)處理后鋼渣的壓蒸粉化率呈現(xiàn)先大幅降低,后近乎直線型下降的趨勢;同樣,其變化規(guī)律與之對應(yīng)f-CaO含量變化規(guī)律不同,也未出現(xiàn)后期趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。由此說明,在90℃碳酸化9 h內(nèi)主要消解f-CaO,而隨著時(shí)間延長,后期主要消解f-MgO或RO相,進(jìn)而推斷90℃碳酸化條件下短時(shí)間內(nèi)消解鋼渣中f-CaO,延長碳酸化時(shí)間可消解f-MgO或RO相。

2.2.3 碳酸化鋼渣中f-CaO含量與其壓蒸粉化率的關(guān)系

圖8為碳酸化鋼渣中f-CaO含量與其壓蒸粉化率的關(guān)系圖。

圖8 碳酸化鋼渣中f-CaO含量與其壓蒸粉化率的關(guān)系Fig.8 Relationship between f-CaO content in carbonated steel slag and its autoclaving pulverization rate

由圖8(a)可知:在25～90℃范圍內(nèi),鋼渣中f-CaO與壓蒸粉化率的關(guān)系呈近似直線下降相關(guān),說明在溫度低于90℃時(shí),碳酸化過程鋼渣安定性主要由f-CaO含量決定。當(dāng)碳酸化溫度高于90℃時(shí),兩者關(guān)系近乎呈垂直橫坐標(biāo)的直線,說明鋼渣經(jīng)高于90℃碳酸化處理,f-CaO消解到一定程度,鋼渣的壓蒸粉化率降低主要由f-MgO或RO相反應(yīng)膨脹所貢獻(xiàn)。

由圖8(b)可知:在90℃碳酸化時(shí)間3～9h鋼渣中f-CaO含量與壓蒸粉化率的關(guān)系,呈下凹逐漸降低的曲線相關(guān),并未出現(xiàn)直線型相關(guān),說明在90℃碳酸化下,隨著時(shí)間延長,鋼渣壓蒸粉化率降低不只是f-CaO反應(yīng)貢獻(xiàn),f-MgO或RO相也開始反應(yīng)貢獻(xiàn);同樣的規(guī)律,當(dāng)90℃碳酸化時(shí)間超過9h時(shí),兩者的關(guān)系也近似呈垂直于橫坐標(biāo)的直線相關(guān),進(jìn)而說明90℃碳酸化時(shí)間高于9 h的鋼渣壓蒸粉化率降低主要由f-MgO或RO相貢獻(xiàn)。可知,90℃碳酸化鋼渣壓蒸粉化率降低的原因,在9 h內(nèi)f-CaO、f-MgO或 RO相均起作用,但f-CaO為主導(dǎo);而超過9 h時(shí)活性f-CaO已完全消解,由f-MgO或RO相起主導(dǎo)作用。

綜上可知,經(jīng)90、120、180℃碳酸化9 h,以及在90℃碳酸化 9、12、24 h鋼渣的瀝青混合料,在60℃水浴下體積膨脹率均較接近的原因是:鋼渣中活性f-CaO已完全消解,即可保證鋼渣瀝青混凝土體積穩(wěn)定性良好。

2.3 碳酸化鋼渣微觀形貌分析

2.3.1 BSE微觀形貌分析

圖9為未碳酸化鋼渣的面掃描能譜圖像。在鈣元素分布圖中①位置不存在鈣元素,在氧、鎂、鐵元素分布圖中①位置3種元素含量較高,因此判定①位置為鐵鎂氧化物固溶體,即RO相,并且RO相中鐵含量高于鎂。相同的推斷方法可知,②位置處為硅酸鹽礦物(CxS);③位置為鐵鋁酸鈣(CAF);④位置僅有鈣和氧元素、無硅元素存在,此處為f-CaO。

圖9 未碳酸化鋼渣的EDS-mapping圖像Fig.9 EDS-mapping images of uncarbonated steel slag

利用圖9的分析方法得到碳酸化鋼渣的BSE圖(圖10)。

圖10 不同碳酸化制度下鋼渣的背散射電鏡圖像Fig.10 BSE images of steel slag with different carbonation systems

由圖10(a)可知:未碳酸化鋼渣中CxS、RO相、CAF、f-CaO等各礦物邊緣輪廓清晰、礦物間界面分明,大量RO相呈大顆粒聚集分布,f-CaO呈大顆粒集中分布。與之對比可見,圖10(b)中25℃碳酸化9 h鋼渣內(nèi)部CxS、f-CaO礦物逐漸分裂,邊緣出現(xiàn)毛刺;但RO相、CAF礦物邊緣和顆粒尺寸并未有顯著變化,說明常溫下碳酸化先易與CxS、f-CaO礦物反應(yīng),不易與RO相、CAF礦物反應(yīng)。而在90℃碳酸化3 h和9 h鋼渣內(nèi)部CxS、RO相、CAF、f-CaO各礦物均出現(xiàn)分裂、顆粒尺寸變小、邊緣出現(xiàn)鋸齒狀;并且隨碳酸化時(shí)間延長此現(xiàn)象越明顯。同樣,在180℃碳酸化9 h鋼渣內(nèi)部各礦物顆粒尺寸更加減小,各礦物呈均勻分散分布。由此可推斷,碳酸化溫度高于90℃時(shí),鋼渣中各礦物參與反應(yīng)程度提高,可能與水蒸氣參加礦物水化有關(guān);同時(shí),碳酸化時(shí)間延長,鋼渣中各礦物參加反應(yīng)程度增大。因此解釋了碳酸化溫度高于90℃和時(shí)間長于9 h,有利于鋼渣中f-CaO和RO相的消解,促進(jìn)鋼渣穩(wěn)定化。由此佐證了碳酸化鋼渣f-CaO含量與其壓蒸粉化率關(guān)系中,鋼渣中f-CaO消解到達(dá)一定值后,碳酸化鋼渣壓蒸粉化率仍能降低的原因是由RO相消解所貢獻(xiàn)。

2.3.2 SEM微觀形貌分析

圖11為不同碳酸化條件下鋼渣表面SEM圖。

圖11 不同碳酸化制度下鋼渣微觀形貌圖像Fig.11 Micro-morphology of steel slag with different carbonation systems

由圖11(a)可知:在未碳酸化鋼渣表面礦物堆積緊密,有少量顆粒分布于表層。60℃碳酸化9 h的鋼渣表面存在大量尺寸較為接近的立方體狀和板狀顆粒,結(jié)合能譜判斷其可能是CaCO3和Ca(OH)2顆粒;并且局部有少量C—S—H凝膠形成,說明60℃碳酸化條件能促進(jìn)碳酸鈣生成和硅酸鹽礦物水化。然而,在90℃碳酸化6 h鋼渣表面生成了大量大塊堆積的C—S—H凝膠,且零散分布CaCO3大顆粒和圓片狀小顆粒;在90℃碳酸化9 h鋼渣表面不僅存在大塊狀C—S—H凝膠,同時(shí)在C—S—H凝膠表面也有CaCO3形成,而且均勻分布大量尺寸不一的CaCO3或MgCO3顆粒。由此說明,溫度低于90℃碳酸化條件更利于CaCO3顆粒生成,但硅酸鹽礦物水化程度較低;達(dá)到90℃時(shí),隨溫度升高水蒸氣含量增加,不僅促進(jìn)硅酸鹽礦物水化形成C—S—H凝膠和Ca(OH)2,而且利于CaCO3或MgCO3顆粒生成,進(jìn)而推斷90℃高溫已促使f-MgO或RO相參與碳酸化反應(yīng);同時(shí),隨著碳酸化時(shí)間延長,CaCO3顆粒逐漸長大。由上可知,在高溫90℃碳酸化下,硅酸鹽礦物優(yōu)先水化形成C—S—H凝膠和小顆粒Ca(OH)2,然后再發(fā)生碳化反應(yīng)形成CaCO3顆粒,并逐漸長大。

在120℃、180℃碳酸化9 h的鋼渣表面有大量簇狀生長的短棒顆粒,呈類似“木材自然斷口”的纖維狀,且顆粒表面附著大量細(xì)小立方體顆粒,尤其是180℃條件下的最為顯著;結(jié)合能譜分析,可判斷這些細(xì)小立方體顆?？赡苁菉A雜MgCO3和FeCO3等物質(zhì)的CaCO3。由此說明,高于90℃碳酸化溫度加速鋼渣中各礦物的水化和碳化反應(yīng),促使反應(yīng)產(chǎn)物呈粗纖維狀堆積快速生長,尤其在孔洞內(nèi)生長迅速,致使鋼渣內(nèi)部體積增大,這可能是鋼渣在壓蒸條件下粉化率升高的原因。同時(shí),在溫度高于90℃碳酸化條件下有 MgCO3形成,也佐證了上文中,在鋼渣內(nèi)部f-CaO消解到一定程度下f-MgO或RO相逐漸消解,致使碳酸化鋼渣的壓蒸粉化率降低的結(jié)論,進(jìn)而解釋了90℃和9 h碳酸化鋼渣的瀝青混凝土體積穩(wěn)定性良好的原因。

3 結(jié) 論

(1)利用碳酸化處理鋼渣集料可從根本上解決鋼渣瀝青混凝土體積不穩(wěn)定的問題。隨鋼渣的碳酸化溫度升高和時(shí)間增長,其瀝青混合料體積膨脹率先逐漸降低,隨后溫度高于90℃和時(shí)間長于9 h的體積膨脹率相接近(3 d約為0.97%),均低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定養(yǎng)護(hù)3 d的1.5%,并且其膨脹率與未碳酸化鋼渣相比,降低幅度達(dá)34.89%;其6 d膨脹率(約1.16%)趨于平穩(wěn),降低幅度達(dá)45.28%,碳酸化鋼渣瀝青混凝土具有長期良好穩(wěn)定性。

(2)隨碳酸化溫度升高和時(shí)間增長,鋼渣中f-CaO含量均先降低后趨于平穩(wěn),而鋼渣的壓蒸粉化率卻逐漸下降。碳酸化溫度低于90℃主要消解鋼渣中活性f-CaO;而溫度高于90℃和時(shí)間長于9 h碳酸化制度可完全消解4.75～9.5mm鋼渣中活性f-CaO,同時(shí)消解f-MgO或RO相,碳酸化時(shí)間短于9 h的壓蒸粉化率降低由活性f-CaO起主導(dǎo)作用,而超過9 h時(shí)活性f-CaO已完全消解,由f-MgO或RO相起主導(dǎo)作用。

(3)碳酸化溫度升高和時(shí)間增長,促進(jìn)鋼渣內(nèi)部大顆粒聚集礦物向小尺寸礦物分裂和呈均勻分散重排,有利于硅酸鹽礦物水化和碳酸鹽生成。碳酸化溫度低于90℃,鋼渣中碳酸化產(chǎn)物主要為顆粒尺寸較大且均勻的立方體狀CaCO3;溫度高于90℃,碳酸鹽顆粒尺寸減小,促進(jìn)f-MgO和RO相參與反應(yīng),形成夾雜MgCO3和FeCO3等物質(zhì)的CaCO3,同時(shí)促使短棒簇狀顆粒堆積快速生長,且小尺寸碳酸鹽顆粒附著其表面。