CN111732404A - 一种钢渣固化剂及利用其制备的钢渣路面基层材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒料类固化剂，它为以石膏粉、碱性催化剂、硅灰、早期膨胀剂、氧化镁和氯化钙为主要原料制成的粉末状试剂。本发明将钢渣用作河沙和碎石等集料并完全取代细粒土制备路面基层材料，并且利用水泥、钢渣以及激发剂等水化形成的CSH凝胶和含铝相水化产物固化钢渣中的六价铬和镍等重金属，解决重金属污染问题。将所述粒料类固化剂应用于制备路面基层材料，具有优异的力学性能、抗水稳定性能、抗裂性能和耐久性，并具有优异的节能环保特性，可有效降低工程造价，还可普遍适用于道路基层、软基处理等领域，具有广泛的应用前景。

Description

一种钢渣固化剂及利用其制备的钢渣路面基层材料

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种钢渣固化剂及利用其制备的钢渣路面基层材料。

背景技术

水泥是传统水泥稳定土中最主要的胶结相，水泥水化在常温下很难直接胶结钢渣颗粒，应用于路面基层存在强度低、水稳性能差、收缩大、易开裂等问题。传统水泥土通常需要引入细粒土等粘土特性，存在需要额外挖方和土壤资源等问题，而钢渣作为工业废弃物，尝试将其用作集料并同时完全取代细粒土等，具有重要的工业前景。

目前，钢渣通常应用于路基填料，且由于钢渣本身活性不高等问题，造成钢渣在建筑材料中的掺量也较低，达不到大宗量利用钢渣的目的。影响钢渣在建材行业应用的主要问题包括：1)水硬活性问题；钢渣中活性相对较高的硅酸盐矿物及铁铝酸盐矿物含量较少，仅占到水泥熟料的40-70％；2)处理工艺问题；钢渣的处理工艺对其矿物组成和水硬活性有较大影响，相同化学组成的钢渣，处理工艺不同，其矿物组成和水硬活性也有较大差异；目前国内各大钢厂多采用湿法处理工艺，这些水淬、焖渣等湿法工艺，不但使处理后钢渣的活性低、质量差，难以利用，而且造成水资源的浪费、环境的污染和大量热能的消耗等，违背国家合理化利用资源、建设和谐社会的发展战略；3)水泥是传统水泥稳定土中最主要的胶结相，水泥水化在常温下很难直接胶结土壤颗粒与建筑垃圾，应用于路面基层存在强度低，不能满足路面基层对于承重的使用。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种钢渣固化剂，对钢渣进行固化，达到大宗量利用钢渣的目的；将其应用于制备钢渣路面基层材料，具有强度高、抗水稳定性能优异、收缩小等特点，且涉及的制备方法简单，对钢渣适用性广，具有重要的经济和环境效益。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种钢渣固化剂，各组分及其所占质量百分比包括：碱性催化剂25～27％，石膏粉19～22％，硅灰18～21％，氯化钙14～16％，膨胀剂9～12％，氧化镁7～9％

上述方案中，所述硅灰中，其SiO₂含量≥93wt％，比表面积≥21500m²/kg，含水率≤0.6％，需水量比≥125％，烧失量≤3.7％。

上述方案中，所述膨胀剂为II型硫铝酸钙-氧化钙型膨胀剂(EA AC II，7d水中限制膨胀率0.08％)。

上述方案中，所述氯化钙，为化学分析纯，纯度在99.5％以上。

上述方案中，所述氧化镁，为化学分析纯，纯度在99.5％以上。

上述方案中，所述碱性催化剂氢氧化钠或硅酸钠，为化学分析纯，纯度在99.5％以上。

本发明还提供了一种利用钢渣固化剂制备的钢渣路面基层材料，各固相组分及其所占质量百分比包括：钢渣固化剂3.0～4.0％，水泥7.0～10.0％，钢渣86.0～90.0％；摄入含水量取无机结合料击实试验测最佳含水量。

上述方案中，所述钢渣的液限为34.5～39.6％，塑限为24.1～28.2％，相对表观密度为2320～2740kg/m³，颗粒粒径在15mm以下，5mm以下颗粒占70wt％以上(粉质钢渣)。

上述方案中，所述水泥为P·O42.5水泥，比表面积≥380m²/kg。

上述方案中，采用的水为自来水。

上述一种钢渣路面基层材料的制备方法，它包括以下步骤：

1)根据击实试验所测得的最佳含水量处理钢渣；将钢渣置于试盘中，将计算好的加水量均匀喷洒在试料上，然后装入密闭塑料口袋内浸湿备用，浸湿时间控制在12～24h；

2)将浸湿好的粉质钢渣试料置于砂浆搅拌锅中，搅拌1～2min，然后边搅拌边加入钢渣固化剂和水泥，继续搅拌均匀；

3)试件成型；

4)将脱模后的试件作密封处理，在标准养护至规定龄期，即得钢渣路面基层材料。

根据上述方法制备的钢渣路面基层材料，其7d无侧限抗压强度≥4MPa，28d劈裂强度≥0.86MPa，90d抗压回弹模量≥1590MPa，浸泡28d后水稳系数≥90％，强度损伤≤10％，60d干缩应变≤670×10^-6，干缩系数≤61.6×10^-6，具有优异的力学性能、抗水稳定性能和抗裂性能。

本发明涉及的道路现场施工工艺流程包括：

1)准备工作：对钢渣进行机械破碎和粉磨处理，得到钢渣粒径15mm以下；

2)引入钢渣固化剂：喷洒粒料类固化剂；将水泥用大型机械注入钢渣粉末；

3)洒水：连续喷洒，施工不间断；

4)理平和夯实路面：用压路机借助激光设备理平路面；用8-12t压路机动态/静态夯实路面；

5)质量保证：按规范对地质静态评估，动态压板试验、土壤套袋试验以及压强试验。

本发明的原理为：

1)新鲜钢渣中含有硅酸三钙、硅酸二钙、RO相、游离氧化钙、MgO、玻璃体等，碱性激发剂主要水解生成氢氧根离子，及不同聚合态的硅酸根离子，钢渣颗粒活性低，在氢氧根离子强烈的极性作用下发生解体，钙离子及硅(铝)酸根子先后解离溶解，溶液中的硅酸根离子、铝酸根离子、钙离子等浓度急剧升高，碱性激发剂解离出来的硅酸根离子及钢渣-矿渣解体形成的硅(铝)酸根离子与溶液中的钙离子等发生聚合，生成水化硅酸钙、水化硅铝酸钙，促进钢渣水化，提高整体的水化程度，从而提高钢渣路面基层材料的强度。

2)氧化镁与水发生水化反应，水解生成Mg²⁺和OH^-，当达到饱和以后沉淀析出氢氧化镁(MgO+H₂O→Mg(OH)₂)；氢氧化镁晶体的生长和长大会引起固体体积的增大，从而使钢渣土形成一定的膨胀，减少钢渣土各龄期内的自收缩，同时，生成的晶体还有效填充粉质钢渣的孔隙，致密粉质钢渣的结构；此外，Mg²⁺离子将与钢渣颗粒表面的高价阳离子(Ca⁺、Al³⁺等)进行离子交换，减少了吸附在粉质钢渣表面的水膜层厚度，使胶凝体系颗粒之间发生位移，更进一步紧密连接，分子引力随之增加，减少了吸水性，提高水稳性；氧化镁与水渐进发生反应，其水化是不可逆的、连续稳定的反应；水化产物Mg(OH)₂溶解度非常低，一旦生成便长期稳定存在。

3)膨胀剂是以游离氧化钙和无水硫铝酸钙为主要矿物成分组成的双膨胀源膨胀剂，它在与钢渣中的硅酸三钙、硅酸二钙和水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙和氧化钙参与水化反应时，生成六方板状的Ca(OH)₂晶体和针棒状的AFt晶体，产生有效膨胀，能完全消除钢渣土早期干燥收缩，并对钢渣土的中后期干燥收缩也有较好的补偿效果。

本发明所述粒料类固化剂中的利用碱性激发组分有效提高废弃矿渣、硅灰的水化活性，膨胀剂的掺入以及水泥中固溶的CaO、MgO可以很好的弥补钢渣材料的自收缩，并对钢渣土的中后期干燥收缩也有较好的补偿效果；上述组分协同作用可有效解决统钢渣材料强度低、收缩大、易开裂等问题，适用于绝大多数粉质钢渣的高效固化，将其应用于制备路面基层材料，可表现出优异的力学性能(尤其抗弯性能等)、抗水稳定性能、抗裂性能和耐久性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)广泛：所得钢渣固化剂适用于筑路工程、农村道路、各种等级公路，码头港口路面以及月台河堤护坡护坝特殊结构物等，且对钢渣颗粒粒度等要求低，耐久性能不足等问题，适用性广；

2)经济：本发明将废弃钢渣用作集料并完全取代细粒土制备路面基层材料，不需要挖除原土方，以及石料的开采与运输，具有重要的经济和环境效益；

3)承重能力强：所得路面基层材料具有优异的抗弯性能，可有效吸收各种荷载，可满足不同行车荷载达到的强度要求；

4)不透水：所得路面基层材料具有良好的水稳定性能，提高了抗盐侵蚀和抗酸能力；

5)环保：无化学原料，均采用纯天然矿物，不需要更换土壤材料，并可减少运输缓解交通和工地道路拥挤；此外，本发明可实现对建筑垃圾的资源化利用；

6)便捷：钢渣路面基层材料早期强度较高，有利于加快施工进度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实例中，采用的废弃钢渣(新鲜废弃钢渣)来自北海金川集团股份有限公司某钢厂，废弃钢渣的制备工艺中免除喷水处理，并进行自然冷却，再由机械破碎和粉磨处理，得到钢渣粒径15mm以下钢渣，其液限为37.8％，塑限为26.2％，相对表观密度为2540kg/m³，粒径在15mm以下，5mm以下颗粒占75wt％(粉质钢渣)，其风干含水量为6.5％。

碱性催化剂为氢氧化钠或硅酸钠，硅酸钠、氢氧化钠为化学分析纯，纯度在99.5％以上；

采用的硅灰为成都明凌科技有限公司生产，其SiO₂含量94wt％，比表面积21500m²/kg，含水率0.5％，需水量比125％，烧失量3.6％。

膨胀剂为II型硫铝酸钙-氧化钙型膨胀剂(EA AC II，7d水中限制膨胀率0.08％)，由天津豹鸣股份有限公司提供；MgO的细度为85μm，由菱镁矿在800℃条件下煅烧制得。

水为普通自来水。

以下实施例中，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG_E51-2009)、《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)所述方法对所得高强低收缩抗裂路面基层材料的力学性能、抗水稳定性能、收缩特性和耐久性能进行测试。

实施例1

一种粒料类固化剂及利用其制备的钢渣路面基层材料，制备过程包括如下步骤：

钢渣固化剂

以碱性催化剂、石膏粉、硅灰、氯化钙、膨胀剂、和氧化镁为原料，按表1-1所述配比条件称取各原料；

钢渣路面基层材料

1)以钢渣、水泥为原料，按表1-2所述配比条件称取各原料；

2)按最佳含水量制备试样(最佳含水量为20.7％)；称取2.0～2.5kg的粉质钢渣于试盘中，将事先计算好的应加水量均匀喷洒在试料上，然后装入密闭塑料口袋内浸湿备用，浸湿时间控制在12～24h；

3)将浸湿好的粉质钢渣试料，水泥置于砂浆搅拌锅中，搅拌2min，然后边搅拌边加入粒料类固化剂和水泥，加入完毕后，再搅拌3min；

4)试件成型；

5)将脱模后的试件作密封处理，在标准养生条件下(20℃±2℃，湿度≥95％)养生至规定龄期。

对本实施例所得钢渣固化剂中组分配比进行平行对比试验，各组分配合比例见表1-1，所得高强低收缩抗裂路面基层材料的试块强度测试结果见表1-3，水稳性能测试结果见表1-4，抗裂性能测试结果见表1-5。

表1-1钢渣固化剂组成/重量份数

表1-2路面基层材料中各原材料组成及用量/％

表1-3路面基层材料强度

表1-4减缩增强材料稳定土水稳系数

表1-5钢渣土干缩特性随龄期的变化关系I

表1-6钢渣土干缩特性随龄期的变化关系II

实施例2-4

实施例2-4所述粒料类固化剂和钢渣路面基层材料的制备工艺与实施例1大致相同，不同之处在于采用的配方具体见表2-1和2-2；所得高强低收缩抗裂路面基层材料的试块强度测试结果见表2-3，水稳性能测试结果见表2-4，抗裂性能测试结果见表2-5。

表2-1钢渣固化剂组成/％

表2-2路面基层材料中各原材料组成及用量/％

表2-3路面基层材料强度

表2-4减缩增强材料稳定土水稳系数

表2-5钢渣土干缩特性随龄期的变化关系

实施例5-7

实施例5-7所述粒料类固化剂和钢渣路面基层材料的制备工艺与实施例1大致相同，不同之处在于采用的配方具体见表3-1和3-2；所得高强低收缩抗裂路面基层材料的试块强度测试结果见表3-3，水稳性能测试结果见表3-4，抗裂性能测试结果见表3-5。

表3-1钢渣固化剂组成/％

表3-2路面基层材料中各原材料组成及用量/％

表3-3路面基层材料强度

表3-4减缩增强材料钢渣土水稳系数

表3-5钢渣土干缩特性随龄期的变化关系

上述结果表明：本发明所得路面基层材料其7d无侧限抗压强度≥4MPa，28d劈裂强度≥0.86MPa，90d抗压回弹模量≥1590MPa，浸泡28d后水稳系数≥90％，强度损伤≤10％，60d干缩应变≤670×10^-6，干缩系数≤61.6×10^-6，具有优异的力学性能、抗水稳定性能和抗裂性能；本发明通过将钢渣取代粉质黏土，并利用钢渣固化剂实现对钢渣固化制备路面基层材料，可有效解决钢渣力学性能和抗水稳定性能不足等难题，并且降低了收缩；具有广泛的推广应用前景。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钢渣固化剂，各组分及其所占质量百分比包括：碱性催化剂25～27％，石膏粉19～22％，硅灰18～21％，氯化钙14～16％，膨胀剂9～12％，氧化镁7～9％。

2.根据权利要求1所述的钢渣固化剂，其特征在于，所述硅灰中，其SiO₂含量≥93％，比表面积≥21500m²/kg，含水率≤0.6％，需水量比≥125％，烧失量≤3.7％。

3.根据权利要求1所述的钢渣固化剂，其特征在于，所述膨胀剂为II型硫铝酸钙-氧化钙型膨胀剂。

4.根据权利要求1所述的钢渣固化剂，其特征在于，所述氧化镁的细度为75～100μm，由菱镁矿在700～1000℃条件下煅烧制得。

5.根据权利要求1所述的钢渣固化剂，其特征在于，所述碱性催化剂氢氧化钠或硅酸钠。

6.利用权利要求1～5任一项所述钢渣固化剂制备的钢渣路面基层材料，其特征在于，各组分及其所占质量百分比包括：钢渣固化剂3.0～4.0％，水泥7.0～10.0％，钢渣86.0～90.0％。

7.根据权利要求6所述的钢渣路面基层材料，其特征在于，所述粉质钢渣的液限为34.5～39.6％，塑限为24.1～28.2％，相对表观密度为2320～2740kg/m³，颗粒粒径在15mm以下。