CN114804670A - 钢渣在制备铁路道砟集料中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，所述钢渣具有有机硅树脂磨耗层。本发明在钢渣表面采用有机硅树脂进行处理，形成有机硅树脂磨耗层，使得钢渣的强度性能和几何性能满足铁路道砟的要求，从而可替代天然集料，用作铁路道砟。本发明将性能优良的钢渣集料作为铁路碎石道砟应用于铁路建设中，不仅能够解决铁路建设的原料缺口，也能促进钢铁行业的可持续性发展，更对生态环境保护有着积极作用。
Description
技术领域
本发明属于冶金固废利用领域，更具体地，涉及钢渣在制备铁路道砟集料中的应用。
背景技术
近年来，铁路运输已成为我国交通运输的主要方式之一，截止2020年末全国铁路营业里程已达到14.6万公里。逐步扩张的铁路建设需要消耗大量天然优质集料，然而天然优质集料资源却日益短缺，这势必会阻碍铁路事业的发展。寻找天然集料的替代资源成为铁路建设首当其中的问题。
钢渣是炼钢过程中的副产物，属于大宗固体废弃物。然而，炼钢过程中加入了生石灰，导致钢渣中不可避免的含有一定量的f-CaO，服役过程中空气中水分与f-CaO的反应会导致钢渣集料体积膨胀，而钢渣集料丰富的孔洞结构增大了其比表面积，加速了上述反应过程，使得隐藏的结构安全威胁不容忽视，增大造成事故的可能性。目前钢渣的利用形式，主要是作为沥青混凝土料集料或者水泥混凝土集料。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其目的在于，通过对钢渣进行表面处理，形成有机硅树脂磨耗层，使钢渣集料体积稳定，且强度性能及几何性能满足铁路道砟的性能指标，由此解决现有的铁路道砟需要寻找环保的可再生集料替代天然集料的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，所述钢渣具有有机硅树脂磨耗层。
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其所述具有机硅树脂磨耗层的钢渣吸水率不大于1%。
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其所述形成有机硅磨耗层的有机硅树脂溶液接触角不大于25°，其中测试基材为玻璃。
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，以质量百分数计，所述有机硅树脂溶液中含有10%以上的渗透剂，所述渗透剂为含有憎水基团的分子量不超过200的小分子硅烷，所述憎水基团均直接与硅原子连接。
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，以质量百分数计，所述有机硅树脂溶液中含有50%以上的有机硅树脂前体溶液，所述有机硅树脂前体溶液含有40-80%前体、以及5-15%乙醇，调节pH值在7~8，所述前体具有以下结构式：
其中R各自独立地选自甲基、乙氧基或氢。
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其以质量百分数计，所述有机硅树脂溶液含有小于等于20%的增稠剂，所述增稠剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ–硫丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、或乙烯基三甲氧基硅烷。
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其所述具有机硅树脂磨耗层的厚度为50-150μm。
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其相对于1kg的钢渣，使用上述有机硅树脂溶液的剂量在25-60mL之间进行表面处理；
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其所述具有机硅树脂磨耗层的钢渣正、反表面纹理指标大于等于600。
优选地，所述钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其所述的有机硅树脂磨耗层对钢渣的裹附方式采用：喷淋或浸泡裹附，且在有机硅树脂固定化阶段施加重力方向上的持续扰动；优选，采用喷淋裹附时，对钢渣施加角度大于180°的持续翻转扰动；采用浸泡裹附时，对钢渣施加中心轴变化的持续旋转扰动。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明在钢渣表面采用有机硅树脂进行处理，形成有机硅树脂磨耗层，使得钢渣的强度性能和几何性能满足铁路道砟的要求，从而可替代天然集料，用作铁路道砟。本发明将性能优良的钢渣集料作为铁路碎石道砟应用于铁路建设中，不仅能够解决铁路建设的原料缺口，也能促进钢铁行业的可持续性发展，更对生态环境保护有着积极作用。
通过控制钢渣吸水率，从而降低钢渣的体积膨胀率，避免钢渣作为铁路道砟长期直接暴露在空气中的结构风险，延长钢渣集料作为铁路道砟的使用寿命。
附图说明
图1是实施例提供的有机硅树脂溶液配方处理与钢渣的压碎率和磨耗值的关系曲线；
图2是实施例提供的有机硅树脂溶液配方处理与有机硅树脂溶液接触角和钢渣的吸水率的关系曲线；
图3 是实施例提供的有机硅树脂溶液剂量与钢渣的压碎率和磨耗值的关系曲线。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
钢渣直接用作铁路道砟时存在以下问题：（1）强度偏低：压碎率、磨耗值较现有的铁路道砟高；（2）因其内f-CaO会与水分反应，造成膨胀破碎，进而影响服役效果。
为了将钢渣应用于制作铁路道砟时，采用有机硅树脂对钢渣进行表面处理，提高钢渣强度压碎率的同时，有机硅树脂磨耗层起到隔水的作用，避免空气中水分子与钢渣中的f-CaO反应，从而避免结构安全风险。目前虽然已有采用钢渣集料进行表面处理提高强度的技术，现有的表面处理钢渣一般用作沥青路面或建筑材料集料，处于沥青、水泥等基质材料的包裹之中，服役状态基本不会与空气中的水分接触。不同于路面或者建筑集料处于基质中的状态，铁路道砟集料直接暴露在空气之中，天然的碎石集料化学性质稳定，不存在隔水的技术需求。然而钢渣用作铁路道砟时，由于其不可避免的含有f-CaO，存在结构安全风险，故隔水尤其重要。实验测算，在铁路道砟的服役标准下，当吸水率在1.0%以下时，钢渣材料具备良好的体积稳定性，才能达到用作铁路道砟的服役要求。相对现有的钢渣材料吸水率在3.0%以下，如果作为铁路道砟的钢渣材料，存在结构风险，可能引发服役过程中的钢渣膨胀破碎问题。
另外，铁路道砟不存在胶凝基质，工作时承受来自于铁轨的压力，集料之间存在挤压和摩擦。采用具有有机硅树脂磨耗层的钢渣作为铁路道砟时，为了保证服役效果，以及使服役寿命达到与天然集料相当的程度，要求表面处理层在工作状态下，具有良好的抗磨耗性能。表面处理层一旦脱落，则钢渣中f-CaO导致的结构安全威胁，则再度凸显。基于这一需求，我们发现有机硅树脂溶液的渗透性能是影响抗磨耗性能的重要因素，而液体的渗透性能与其表面张力有强关联性，表面张力越小，则液体的渗透能力越强；通常接触角测试被用于表征液体的表面张力，测试得到的接触角越小，其表面张力就越小，则渗透能力就越强。接触角测试中，玻璃作为基材，当有机硅树脂溶液的接触角不大于25°时，经过有机硅树脂溶液处理后的钢渣压碎率可达8.9%、磨耗值可达16%。优选地，有机硅树脂溶液的接触角大于等于10°。
而有机硅树脂溶液的渗透性能，由有机硅树脂溶液配方决定，所述有机硅树脂溶液包括有机硅树脂前体溶液、渗透剂、以及增粘剂。相对于天然集料，钢渣表面极为粗糙不利于液体的渗透，且在钢渣产生的过程中气体的放出，导致钢渣表面孔隙极多，同样阻碍了液体的渗透，为了实现有机硅树脂溶液在钢渣表面更好的渗透性能（接触角不大于25°，测试基材为玻璃），需要在有机硅树脂溶液中增加渗透剂，以质量百分数计10%以上，所述渗透剂为含有憎水基团的分子量不超过200的小分子硅烷，所述憎水基团均与硅原子连接，能够有效的提高有机硅树脂溶液对钢渣的渗透性能。性能良好的渗透剂例如，异丁基三乙氧基硅烷、聚甲基三乙氧基硅烷、甲基氢二乙氧基硅烷、或异丁烯三乙氧基硅烷中的一种或者任意两种以上的混合。
渗透剂不宜过度，避免降低有机硅树脂前体溶液的比重，有机硅树脂溶液前体渗透到钢渣表面，交联固化形成有机硅树脂磨耗层，有机硅树脂前体溶液的比重降低，影响最终形成磨耗层的厚度和强度。以质量百分数计，所述有机硅树脂溶液中优选含有50%以上的有机硅树脂前体溶液，所述有机硅树脂前体溶液含有40-80%前体、以及5-15%乙醇，调节pH值在7~8，所述前体具有以下结构式：
其中R各自独立的选自甲基、乙氧基或氢。
优选方案，为了更灵敏多样地调节有机硅树脂溶液的黏度，已适应不同的裹附设备，以质量百分数计，所述有机硅树脂溶液含有小于等于10%的增稠剂，所述增粘剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ–硫丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、或乙烯基三甲氧基硅烷。
除有机硅树脂溶液配方很大程度上决定了固化后有机硅树脂磨耗层的强度性能以外，机硅树脂磨耗层的抗磨耗性能，同时受到有机硅树脂的用量影响。按照铁路碎石道砟的要求：一级道砟（18%＜洛杉矶磨耗值＜27%，8%≤标准集料压碎率＜9%），特级道砟（洛杉矶磨耗值≤18%，标准集料压碎率＜8%）。为了达到相应的铁路碎石道砟要求，采用9.5-16mm的钢渣，相对于1kg的钢渣，使用上述有机硅树脂溶液的剂量在25-60mL之间进行表面处理时，钢渣集料压碎率可从10.3%降低至7.3%，洛杉矶磨耗值可从20.3%降低至9.6%。当有机硅树脂溶液剂量低于25mL/kg时，洛杉矶磨耗值虽然达到了一级道砟要求，但是压碎率过高，依旧无法达到道砟要求。而当有机硅树脂高于60mL/kg时，洛杉矶磨耗值勉强达到一级道砟要求，但是压碎率仍然不符合要求，依旧无法作为道砟使用。
尤其需要注意的是，与公路集料不同，用作道砟时不仅钢渣的强度性能是重要的影响因素，其几何性能，尤其是表面纹理同样是重要的考量因素。采用有机硅树脂进行表面处理时，会影响钢渣的几何性能，表面纹理会一定程度地被有机硅树脂掩盖，具有有机硅树脂磨耗层的钢渣正、反表面纹理指标均不小于600。表面纹理受钢渣在裹附有机硅树脂溶液的过程中受到操作工艺影响较大，进而影响具有有机硅树脂磨耗层的钢渣表面纹理。常见的操作工艺包括喷洒和浸泡，上述工艺操作中保证钢渣表面各处均能裹附有机硅树脂溶液成为关键，为了提高有机硅树脂磨耗层的钢渣正、反表面纹理指标，在有机硅树脂固定化阶段施加重力方向上的持续扰动。优选，采用喷淋裹附时，对钢渣施加角度大于180°的持续翻转扰动；采用浸泡裹附时，对钢渣施加中心轴变化的持续旋转扰动。
优选的具有机硅树脂磨耗层的钢渣的制备方法如下：
S1、裹附工艺：将钢渣置于的铁盘中，通过喷嘴的方式对钢渣进行喷淋处理，处理过程中使用铁铲对钢渣进行翻动，温度为25℃，时间为0.2h；浸泡工艺：将钢渣和有机硅树脂置于的铁桶中，采用玻璃板不断搅拌，温度为25℃，时间为0.2h；
S2、将上述置有钢渣的铁盘或铁桶放置于40℃烘箱内进行固化养护，时间为24h；
S3、固化养护结束后，待钢渣冷却至室温后，既得。
以下为实施例：
实施例中：
参照TB/T 2140.2-2018《铁道碎石道砟》，标准集料压碎率试验方法对钢渣进行测试，得到铁道道砟标准集料压碎率。参照TB/T 2140.2-2018《铁道碎石道砟》洛杉矶磨耗率试验方法对钢渣进行测试。得到洛杉矶磨耗率的测定值。参照(JTG E42-2005)《公路工程集料试验规程》，粗集料密度及吸水率试验(网篮法)对钢渣进行测试，得到吸水率数值。
采用接触角测定仪对有机硅树脂溶液进行测试，使用外形图像分析法来测试接触角。将有机硅树脂溶液的液滴滴于玻璃板表面，然后通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像，再运用数字图像处理和算法计算液滴的接触角。
采用集料图像测量系统（AIMS）对钢渣表面纹理进行测试。将装有集料样品的托盘放置到集料图像测量系统，系统将自动获得每个颗粒的图像，并分析得表面纹理数值，测试两次，分别为钢渣正放置和反放置。
采用纳米压痕仪测试有机硅树脂磨耗层厚度，测量和计算试验过程中可以记录连续的载荷-位移曲线，通过曲线斜率的变化确定压头接触的物质是有机硅树脂磨耗层还是钢渣，确定斜率突变点对应的压头深度为有机硅树脂磨耗层的厚度，采用每个样品在不同位置取5个点的平均值为最终厚度。
渗透性能对钢渣集料的磨耗层抗磨耗效果测试：
采用湖南钢铁集团有限公司（原“湖南华菱钢铁集团”）提供的钢渣进行测试，粒径为9.5-16mm，表观密度为3.432g/cm3，毛体积密度为3.220g/cm3，吸水率为1.919%。
有机硅树脂前体配方如下表所示：
所述有机硅树脂前体溶液由质量比为40∶10∶2∶5∶0.01∶40的甲基三乙氧基硅烷、正硅酸乙酯、二甲基二乙氧基硅烷、乙醇、碱液和水于反应釜内，在温度为25℃-150℃时反应合成。在本实施例中，碱液为氢氧化钠溶液。
实施例1采用的渗透剂为异丁基三乙氧基硅烷；实施例2采用的渗透剂为异丁基三乙氧基硅烷；实施例3采用的渗透剂为异丁基三乙氧基硅烷。
实施例1采用的增稠剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；实施例2采用的增稠剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷；实施例3采用的增稠剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
具有机硅树脂磨耗层的钢渣的制备方法如下：
S1、将5kg钢渣置于足够大的铁盘中，通过喷嘴对钢渣进行喷淋处理，处理过程中使用铁铲对钢渣进行翻动，有机硅树脂溶液剂量为200mL，温度为25℃，时间为0.2h；
S2、将上述置有钢渣的铁盘放置于40℃烘箱内进行固化养护，时间为24h；
S3、固化养护结束后，待钢渣冷却至室温后，既得。
按照上述前述方法测定有机硅树脂溶液及具有有机硅树脂磨耗层的钢渣性能如下：
由上表可知，采用不同配方的有机硅树脂溶液，其渗透性能差异极大，随着渗透剂含量的增加，有机硅树脂溶液的接触角逐渐降低，渗透性能逐渐增强。同状态下，水的接触角为25.1°，与水相比，实施例中的有机硅树脂溶液的渗透性能更好。与对比例相比，实施例中有机硅树脂溶液的接触角明显更大，渗透性能更好。同样，压碎率、洛杉矶磨耗值和吸水率等指标与接触角有着类似的变化趋势。与对比例1相比，实施例中的具有有机硅树脂磨耗层的钢渣具有更好的抗磨耗性能和隔水特性。与对比例2相比，渗透剂含量过高，导致有机硅树脂溶液含量降低，影响了固化后有机硅树脂的强度。由此可知，有机硅树脂溶液渗透性对抗磨耗性能有着重大的影响。
具有机硅树脂磨耗层的钢渣配方对钢渣集料的磨耗层抗磨耗效果的影响：
采用实施例2的配方，具有机硅树脂磨耗层的钢渣的制备方法如下：
S1、将钢渣置于足够大的铁盘中，通过喷嘴的方式对钢渣进行喷淋处理，处理过程中使用铁铲对钢渣进行翻动，温度为25℃，时间为0.2h；
S2、将上述置有钢渣的铁盘放置于40℃烘箱内进行固化养护，时间为24h；
S3、固化养护结束后，待钢渣冷却至室温后，既得。
采用的钢渣集料及有机硅树脂规格如下表所示：
按照上述前述方法测定具有机硅树脂磨耗层的钢渣性能如下：
由上表可知，在实施例中，随着有机硅树脂溶液剂量的增加，压碎率和洛杉矶磨耗值的数值都呈现先减小后增大的趋势，其中实施例5有着最小的压碎率和洛杉矶磨耗值。与对比例相比，实施例中的压碎率和洛杉矶磨耗值都较小，表现了更好的抗磨耗性能。这说明过高和过低的有机硅树脂溶液剂量都不利于钢渣具备更好的强度性能。随着有机硅树脂溶液剂量的增加，有机硅树脂磨耗层的厚度逐渐增加，厚度过低时无法形成有效的强度，厚度过高时有机硅树脂磨耗层自身更容易吸收冲击，故无法达到合格的磨耗要求。由此可知，有机硅树脂溶液的剂量是钢渣用作铁路道砟的关键工艺参数。
具有机硅树脂磨耗层的钢渣制备工艺对钢渣集料的磨耗层表面纹理的影响：
采用湖南钢铁集团有限公司（原“湖南华菱钢铁集团”）提供的钢渣进行测试，粒径为9.5-16mm，表观密度为3.432g/cm3，毛体积密度为3.220g/cm3，吸水率为1.919%。采用实施例2的配方，具有机硅树脂磨耗层的钢渣的制备方法如下：
具有机硅树脂磨耗层的钢渣的制备方法如下：
S1、将钢渣置于足够大的铁盘中，通过喷嘴的方式对钢渣进行喷淋处理，处理过程中使用铁铲对钢渣进行翻动，温度为25℃，时间为0.2h；
S2、将上述置有钢渣的铁盘放置于40℃烘箱内进行固化养护，时间为24h；
S3、固化养护结束后，待钢渣冷却至室温后，既得。
按照上述前述方法测定具有机硅树脂磨耗层的钢渣性能如下：
由上表可知，在实施例中，采用喷淋翻动工艺和浸泡搅动工艺的钢渣具有合格的表面纹理和吸水率，这说明有机硅树脂树脂溶液在钢渣表面的裹附十分均匀，且保证了微观纹理不丢失。对比例6中，虽然钢渣具备合格的表面纹理，但是吸水率无法达标，这说明在不翻动的工艺下，钢渣的一侧无法被有机硅树脂溶液裹附，从而达到隔水的目的；对比例7中，不搅动的工艺导致钢渣表面裹附太多有机硅树脂溶液，从而遮盖了钢渣的表面纹理。由此可知，制备工艺对钢渣集料的磨耗层表面纹理有着重大影响。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，所述钢渣具有有机硅树脂磨耗层；所述具有机硅树脂磨耗层的钢渣吸水率不大于1%；形成所述有机硅磨耗层的有机硅树脂溶液接触角不大于25°且大于等于10°，其中测试基材为玻璃。
2.如权利要求1所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，以质量百分数计，所述有机硅树脂溶液中含有10%以上的渗透剂，所述渗透剂为含有憎水基团的分子量不超过200的小分子硅烷，所述憎水基团均直接与硅原子连接。
3.如权利要求2所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，以质量百分数计，所述有机硅树脂溶液中含有50%以上的有机硅树脂前体溶液，所述有机硅树脂前体溶液含有40-80%前体、以及5-15%乙醇，调节pH值在7~8，所述前体具有以下结构式：
其中R各自独立地选自甲基、乙氧基或氢。
4.如权利要求2所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，以质量百分数计，所述有机硅树脂溶液含有小于等于20%的增稠剂，所述增稠剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ–硫丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、或乙烯基三甲氧基硅烷。
5.如权利要求1所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，所述具有机硅树脂磨耗层的厚度为50-150μm。
6.如权利要求1所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，每1kg的钢渣使用上述有机硅树脂溶液的剂量在25-60mL之间进行表面处理，所述钢渣粒径在9.5-16mm之间，表观密度为在3.1-4.5g/cm3，毛体积密度在3.1-4.5g/cm3，吸水率在1.1-2.2%。
7.如权利要求1所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，所述具有机硅树脂磨耗层的钢渣正、反表面纹理指标大于等于600。
8.如权利要求1所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，所述的有机硅树脂磨耗层对钢渣的裹附方式采用喷淋或浸泡裹附，且在有机硅树脂裹附阶段施加重力方向上的持续扰动。
9.如权利要求8所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，采用喷淋裹附时，对钢渣施加角度大于180°的持续翻转扰动。
10.如权利要求8所述的钢渣在制备铁路道砟集料中的应用，其特征在于，采用浸泡裹附时，对钢渣施加中心轴变化的持续旋转扰动。
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