CN110407528A - 一种钢渣混合固化土体道路基层材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料及固废处理领域，涉及将钢渣混合固化土体道路基层材料作为道路基层材料。该钢渣混合固化土体道路基层材料的配置比如下：基于材料总重计算，50‑70份土壤、30‑50份钢渣、30‑50份微粉添加剂、3‑5份硅酸盐水泥、0.015‑0.020份改性剂。合理制备的废钢渣混合土基层强度达7MPa，远高于传统道路基层土强度包括水泥稳定碎石强度，且具有早强特性，其早期7天无侧限抗压强度高达最终强度的70‑80%；且钢渣膨胀率小于规范规定的2%；可应用作各类公路、道路基层填料。

Description

一种钢渣混合固化土体道路基层材料

技术领域

本发明属于建筑材料及固废处理领域，具体涉及一种钢渣混合固化土体道路基层材料。

背景技术

钢渣作为路基填料和路面基层材料用于道路建设在国外已经十分普遍，但在实际运用中，钢渣膨胀性是阻碍钢渣作为路基填料大规模应用的重要因素。若钢渣膨胀性得到有效的抑制和消解，将会带来钢渣应用的大面积推广。影响钢渣稳定性的因素很多，包括在炼钢过程中为了脱除杂质而加入石灰、白云石、高镁材料作造渣剂，其中产生的游离氧化钙和游离氧化镁影响其体积稳定性。

由于我国冶炼钢材时加入的造渣剂造渣不充分，钢渣中的f-CaO含量较高，未经堆放陈化或其它任何处理方式的转炉钢渣游离CaO含量通常>20份，平炉钢渣一般在10-20份，经过热泼处理通常在1-6份。钢渣中的消解是导致钢渣膨胀性的最大问题，遇水后水化生成Ca(OH)₂，体积增大两倍，产生较大的膨胀应力，造成颗粒膨胀粉化及路面基层产生裂纹甚至顶包的质量问题。硅酸盐矿物水化生成的Ca(OH)₂与大量的C-S-H凝胶裹覆在一起不会形成破坏，而f-CaO水化生成的Ca(OH)₂则堆积在CaO颗粒的表面，进一步降低了f-CaO的水化速率，使得在后期产生体积破坏作用。所以，应用公路工程中的钢渣在后期存在的膨胀问题，是容易导致路段质量不稳定的最大问题。

现如今对钢渣膨胀问题最常见的处理方法还是堆积放置陈化法，通过放置让其中的f-CaO消解，使得钢渣体积安定后用于道路建筑使用，这个过程需要一至两年的时间。然而目前我国的钢渣堆积量已达到约四亿吨。在浪费土地资源的同时，不加处理的堆弃会对周围环境造成一定程度的危害。所以这样的解决方法效率很低，且对生态造成极大破坏。

在中国发明专利申请公开说明书CN106968237A中公开了一种利用土体固化的半刚性基层材料，主要由以下质量份的原料制成：土体80-95份、水泥4-10份、土壤固化剂0.01-0.05份、水0-15份。本发明制备的半刚性基层材料具有强度高、水稳性好、耐久性好、抗冻性强、成本低的优点，同时大量使用了土体，实现了土体的资源化高附加值利用，可以有效代替水泥石灰碎石层材料，减少资源能源消耗和环境污染，具有显著的经济与社会效益。该项专利只涉及到了土体的固化，对于不同土壤的要求并未做具体说明，其强度在半刚性基层材料中并未很突出，且未能涉及到钢渣等工业固废的利用。

在中国发明专利申请公开说明书CN101343852A中公开了一种利用废钢渣填筑公路路基的方法，其步骤是：(1)采用废钢渣填筑路基；(2)需控制钢渣填筑路基的填筑速率，保证路基的稳定性：(3)钢渣填筑路堤应采用振动压路机分层碾压，碾压时钢渣应处于最佳含水量范围内，采用试验路段试验的方法确定合适的碾压机具，采用最大干密度和最佳含水量作为钢渣填筑路基的压实度计算标准：(4)钢渣路堤的横断面设计，包括路堤高度、路堤边坡坡率、填筑层厚，顶封层、底封层、夹层，护坡及排水***。本发明方法易行，操作方便，减少了钢渣的堆放场地和环境污染，成本低，变废为宝，促进了环境保护，解决了公路工程填料不足问题。其填筑出的路基的质量可以满足高等级公路路基的施工要求。该专利文献主要针对其对于废钢渣公路路基填筑工艺方法的说明，而并没有从原料的使用上有所创新，同为钢渣固废的利用，此项专利文献涉及到的仅仅是道路路基部分的填筑。而在道路建设中，路基部分的建筑要求强度所要达到的强度要远低于道路基层材料，因此，该专利所提供的方法不适用于道路基层材料的制造。

在中国发明专利申请公开说明书CN104278609A中公开了通过将渣土与钢渣复合制备的道路铺筑材料及其方法，基于该道路铺筑材料的总重量计，所述道路铺筑材料包含1-15重量％由钢渣制得的具有活性的微粉、40-70重量％的渣土、15-30重量％的钢渣和0.02-0.06重量％的激发剂。此道路铺筑材料在满足道路指标要求的同时，使渣土和钢渣均得到充分利用。该专利文献在对于钢渣利用率上较为低下，并且对于钢渣的规格有严格的粒径大小要求，在对膨胀问题上并没有关注与解决，因此其稳定性有待考虑，并且对于作为道路填筑材料各项性能指标如无侧限抗压强度、水稳定性上并未提及太多，因此只适合用于道路路基填料要求且要求较低。

在中国发明专利申请公开说明书CN102674781A中公开了一种热焖钢渣建筑砌筑干粉及制备方法，该热焖钢渣建筑砌筑干粉，按重量百分数计由70-85％的热焖钢渣、10-25％的矿渣微粉、5-10％的粉煤灰、0-5％的膨润土和0-5％外加剂组合而成。该方法步骤包括：首先将热焖钢渣烘干、破碎成砂粒状；然后将工业矿渣烘干、磨细成微粉状，制成矿渣微粉：最后按重量百分数由70-85％的热焖钢渣、10-30％的矿渣微粉、5-10％的粉煤灰、0-5％的膨润土和0-5％外加剂，混合搅拌均匀。本发明充分利用了钢铁企业废钢渣，矿渣，变废为宝，节约能源，生产成本低，产品质量好，提高钢企废渣的处理与处置效率，具有较高经济价值和环保价值。该专利文献在对于钢渣选用过程时需要对其进行了加工处理，这样做在实际应用过程中需要加入设备的投入，增加了经济成本，并且其研制和应用限于建筑砌筑。

非专利文献，肖琪仲“钢渣的膨胀破坏与抑制”肖琪仲，硅酸盐学报,1996年第24卷第6期，该文献说明，钢渣在温度、气压较高并且有水的条件下，其中的游离氧化钙和方镁石遇水发生化学反应会发生膨胀，生成比之前体积大的化合物，而将SiO₂等硅质材料掺在钢渣中能对其膨胀有一定程度的控制作用，且进一步使钢渣强度变大。该文献时间较早，对于测量膨胀的方法未详细给出。

非专利文献，“低碱度钢渣基油井及地热井胶凝材料的研究-V钢渣的膨胀及抑制”徐光亮等，西南工学院学报，2001年第4期，该文献发现将SiO₂含量较高的硅质材料如粉煤灰、矿渣和石英砂分别单掺入钢渣细集料中，发现硅质材料能有效抑制钢渣膨胀，提高钢渣强度。该文献没有后续的跟进研究。

发明内容

为解决利用钢渣混合固化土体作为道路基层材料时存在的膨胀问题以及道路基层材料性能不足、生产成本高、处理过程不环保的问题，本发明提供了一种钢渣混合固化土体道路基层材料。

钢渣混合固化土体道路基层材料，其成分为：50-70份土壤、30-50份钢渣、30-50份微粉添加剂、3-5份硅酸盐水泥、0.015-0.020份改性剂。

进一步的，所述土壤中素土比重不低于70％，淤泥土需进行风干后经处理作为土壤使用。

进一步的，所述钢渣的粒径不超过3cm。

进一步的，所述微粉添加剂包含粉煤灰、高炉矿渣微粉、硅灰和/或其他工业废渣微粉。

进一步的，所述硅酸盐水泥的标号不低于32.5，且不包含早强剂。

进一步的，所述的改性剂由强氧化剂、离子型高分子活化剂、分散剂、固化催化剂组成。

本发明中所述改性剂中，强氧化剂含有高价离子，能置换出土壤中低价的K+、Na+离子，从而改变土粒表面的双电层结构，有益于土粒间的充分接触。离子型高分子活化剂不仅能形成稳定的空间网状结构，且其亲水端吸附于土粒表面，憎水端朝向外部环境阻止水分对固化土结构的破坏，增加长期稳定性；分散剂让以上两者在能够共存的情况下又不失各自的活性。固化催化剂在与水泥、石灰等固化材料共同作用时，使其相互兼容并迅速反应，实现优势互补，改善固化效果。此改性剂使用时针对不同地区土壤需进行不同比例配制，以取得最佳使用效果。在使用时需进行1:200纯净水稀释。可采用现有搅拌工艺大规模、低成本生产。

本发明合理制备的废钢渣混合土基层强度达7MPa，高于传统道路基层土强度包括水泥稳定碎石强度，且具有早强特性，其早期7天无侧限抗压强度达最终强度的70-80％；且钢渣膨胀率小于规范规定的2％；可应用于全部公路(道路)基层填料，在合理配比下7天无侧限抗压强度达到3MPa以上，90℃高温水浴激发养护10天体积膨胀率小于国家规范规定的2％。

本发明还解决了钢渣体积安定性问题，将钢渣与矿渣微粉、粉煤灰、硅灰活性微粉混合拌制，钢渣中溶出的Ca²⁺刺激了钢渣间隙内的SiO₃ ^2-微粉，排放发生下列反应：

iCa²⁺+mSiO₃ ^2-+nOH^-＝iCaO·mSiO₂·nH₂O

反应生成iCaO·mSiO₂·nH₂O(C-S-H)，大量的C-S-H凝胶与Ca(OH)₂包裹在一起，而f-CaO水化生成的Ca(OH)₂则堆积在CaO颗粒的表面，阻碍了反应的进一步进行，降低了f-CaO的水化速率，从而解决钢渣膨胀性问题。

本发明的制备方案也对产物的稳定性和强度进行了优化，避免了钢渣在路基材料中的膨胀问题。由于炼钢时温度高于水泥窑炉烧成温度，钢渣中急冷的硅酸盐矿物晶体具有较高的物理潜能和化学反应活性，可作为具有“诱导结晶”功能的非熟料晶种，同时活性微粉能激发钢渣中潜在胶凝性，所产生硅酸盐的一系列凝胶产物能进一步提高整体性和强度，所以钢渣中主要矿物成分与水泥熟料相似。在与土壤拌和过程中添加改性剂，在添加0.018-0.020份改性剂后，通过与钢渣混合拌制压实，将土壤中的自由水以网状结晶体形式固定下来。穿插在土壤颗粒空隙间形成强度骨架，改变土壤颗粒表面电子极性，剥离土壤颗粒的吸附水膜，降低土壤颗粒间的排斥力，提高土壤颗粒间的吸附力，使土壤易于压实和稳定。从而形成不可逆的整体结构，综合提高土体的承载性能和抗劈裂性能，并达到传统工艺所不能达到的密实度、水稳定性、抗渗性和憎水性。进一步阻隔了钢渣与道路基层路面水的接触，从而保证其稳定性和强度。由此制备的钢渣混合固化土体材料是从物理、化学和物理化学三重手段解决了该材料膨胀性的问题，避免钢渣在路基材料中的膨胀问题。

本发明解决了钢渣混合土作为道路填料的膨胀问题；制备的钢渣混合固化土材料作为道路基层强度达7MPa，高于传统道路基层土强度包括水泥稳定碎石强度，且具有早强特性。得到了一种力学性能高、水稳定性能好，满足路用性能土工试验规范要求，经济指标相对低廉的多掺料钢渣混合固化土道路填料。

在环境保护方面，本发明通过推动高性能、低成本废钢渣混合土路基填料的实际应用，既可解决废钢渣的综合使用，实现固废资源综合化利用；同时又可就地利用，解决土方外排困难、运输成本高的难题。

具体实施方式

本发明通过具体实施方式进一步阐述。

本发明的钢渣混合固化土体道路基层材料，首先需要对产品进行膨胀率检测及无侧限抗压强度证明实验，测试中在对无侧限抗压强度检测时采用50mm*50mm圆柱体试模制模，检测钢渣膨胀性时根据道路用钢渣规范要求，钢渣颗粒直径小于3cm，且满足规范要求颗粒级配。

对现场土壤进行含水率检测，取样进行50度烘箱为期7天烘干，并将混合拌制形成的钢渣混合土。具体取值按照技术方案文件制备工艺中所述材料比重范围之内，此时不加入改性剂，进行一夜焖料，水泥在击实前两小时加入二次拌和，进行击实试验。测得其最佳含水率ω及最佳干密度ρ_d，便于后续试验具体水量的添加。试验参照《公路土工试验规程JTGE40-2007》，根据规范规定选用重型Ⅱ-2型击实方法。

根据上述所测得最佳含水率进行钢渣体积膨胀率试验，根据《钢渣稳定性检测方法GB24175-2009》要求，取粒径小于3cm，且颗粒级配满足规范要求，按照上述材料比重区间选取。若最佳含水量超过了改性剂稀释后的用水，将剩余水先进行喷洒，后将稀释后的改性剂进行喷洒拌和。将上述材料进行拌和，参照《公路土工试验规程JTGE40-2007》，根据规范规定选用重型Ⅱ-2型击实方法用15.2cm*17cm标准击实试桶。试件成型后，标准养护箱养护7天，条件为温度20+2℃，湿度95％，取出后按照此步骤进行：(1)在试模内装入垫块，铺上滤纸，按照GB/T50128中的击实试验方法进行重型击实成型，击实完成后取下套筒，用直尺刮刀刮出多余钢渣，用细料补齐找平试件表面，铺上滤纸，盖上多孔底座。将试模连同多孔底座一起倒置，取走垫块。再次垫上滤纸，装土多孔顶板，擦净试模外部。(2)在多孔项版上成4块半圆形荷载板，共重5kg。其上装置测定浸水膨胀率用的百分表架及百分表。百分表准确对准中央触点并保持竖直状态。(3)将试模放进恒温水浴槽中，试模全部浸没水中。立即读取百分表的初读数d0，精确至0.01mm。(4)水浴加热，水浴槽内温度达到(90±3)℃后保持6h，停止加热，自然冷却，以后每天按第1日的步骤进行，并在每天升温前记录百分表读数，如此持续进行10d。(5)10d后读取百分表终读数d10，钢渣的浸水膨胀率按公式(1)计算：

式中：γ一浸水膨胀率，％；

120一试件原始高度，mm；

d₁₀一百分表的终读数，mm；

d₀一百分表的初读数，mm。

在进行无侧限抗压强度试验，根据上述所给材料比重范围区间内选取，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程JTGE51－2009》要求，采用50mm*50mm圆柱体试模。试验用土进行球磨机粗磨，过0.6mm标准筛，试验用钢渣也经过球磨机粗磨，或者经过筛分机筛选，过1mm标准筛，规范对此50mm*50mm试件有粒径要求，小于1mm以下。试验中将水、改性剂及微粉添加剂均匀喷洒在钢渣混合体上，并进行12小时焖料使其充分接触，在进行试块制作前2小时加入水泥再次拌制，方可进行试块制作，能使试验达到最佳效果，对于钢渣与土不同配比中每组配合比需要制作6个试件进行七天无侧限抗压强度试验。6天放入标准养护箱养护温度+20℃，湿度95％养护，第7天进行泡水一天且水位在淹没过试件顶端2.5cm。试块重量的选取根据压实度K选取，计算如公式(2)和公式(3)所示：

式中：K-压实度，％；

ρ_d-实际试件干密度，g/cm³；

-标准干密度，g/cm³

式中：ρ_d-实际试件干密度，g/cm³；

ρ_ω-试件密度，g/cm³；

ω-试件含水率

根据上述两个公式反推出每个试件的重量，精确到0.1g。利用反力框架静压方式制成试件，试件成型后利用脱模机取出试件，在进入养护箱前对试件进行高度和重量测量记录数据；养护六天后，即泡水前进行高度及重量测量，记录数据；泡水后，擦拭表面水分，进行试件重量及高度测量，记录数据。需要采用标准路面材料试验压力机进行强度试验。

水稳定性试验，利用同时标养下的两组同配比试件，第一组养护六天后取出泡水一天后试验，第二组养护七天后立即进行试验。测得数据进行比对，得出强度百分比即为水稳系数γ_w，计算如公式(4)所示：

式中：γ_w-水稳系数比，％；

R_W-水中浸泡1d后试件的无侧限抗压强度；

R₀-不经过水中浸泡的试件的无侧限抗压强度。

下面的实施例只是详细用于说明本发明，并不以任何方式限制发明的保护范围。

实施例1

根据上述试验步骤，选取50份钢渣、50份土壤、5份硅酸盐水泥、40份微粉添加剂以及0.02份改性剂，在最佳含水率情况下，按照规范要求制得膨胀率试件及无侧限试件，其10天后最终膨胀率为0.21％<2％(《道路用钢渣》规范要求10天高温水浴膨胀率小于2％)，其7天抗压强度为4.54MPa，水稳系数为92％。已经满足规范一级道路强度要求。

对比试验1：按照与实例1相同步骤，不同之处去掉微粉添加剂的摄入，同样在最佳含水率及98％压实度情况下，按照规范要求测得10天膨胀率3.12％>2％，其7天无侧限抗压强度为2.25MPa，水稳系数为68％。

对比试验2：按照与实例1相同步骤，不同之处去掉改性剂的摄入，同样在最佳含水率及98％压实度情况下，按照规范要求测得10天膨胀率2.85％<2％，其7天无侧限抗压强度为2.08MPa，水稳系数为72％。

对比试验3：按照与实例1相同步骤，不同之处去掉微粉添加剂和改性剂的摄入，同样在最佳含水率及98％压实度情况下，按照规范要求测得10天膨胀率4.2％>2％,其7天无侧限抗压强度为1.27MPa，水稳系数为42％。

对比试验4：按照与实例1相同步骤，不同之处将目前国内市场所产离子型土体稳定剂取代改性剂，同样在最佳含水率及98％压实度情况下，按照规范要求测得10天膨胀率2.26％>2％，其7天无侧限抗压强度为3.59MPa，水稳系数为80％。

在上述配比条件下，钢渣的膨胀率、抗压强度、水稳系数达到最优。

实施例2

根据上述试验步骤，钢渣与土的比重为40份钢渣、60份土壤、硅酸盐水泥5份、改性剂为0.02份，掺加50份微粉添加剂，测出其10天膨胀率为1.0％<2％。

对比试验1：按照与实例2相同步骤，不同之处改变微粉添加剂掺入量，改为掺加40份微粉添加剂，其10天膨胀率为1.2％<2％。

对比试验2：按照与实例2相同步骤，不同之处改变微粉添加剂掺入量，改为掺加30份微粉添加剂，其10天膨胀率为1.8％<2％。

在上述微粉添加剂掺加量下，钢渣混合固化土膨胀率达到最优。

实施例3

根据上述试验步骤，选取60份钢渣、40份土壤、5份硅酸盐水泥、40份微粉添加剂以及0.02份改性剂，测出其7天无侧限抗压强度为5.09MPa。

对比试验1：按照与实例3相同步骤，不同之处改变钢渣与土壤的掺入量，掺加50份钢渣、50份土壤，其7天无侧限抗压强度为4.54MPa。

对比试验2：按照与实例3相同步骤，不同之处改变钢渣与土壤的掺入量，掺加40份钢渣、60份土壤，其7天无侧限抗压强度为4.01MPa。

对比试验3：按照与实例3相同步骤，不同之处改变钢渣与土壤的掺入量，掺加70份钢渣、30份土壤，其7天无侧限抗压强度为2.32MPa。

对比试验4：按照与实例3相同步骤，不同之处改变钢渣与土壤的掺入量，掺加80份钢渣、20份土壤，其7天无侧限抗压强度为2.85MPa。

在上述钢渣与土壤的掺入量条件下，其7天无侧限抗压强度达到最强值。

Claims (6)

1.一种钢渣混合固化土体道路基层材料，其成分为：50-70份土壤、30-50份钢渣、30-50份微粉添加剂、3-5份硅酸盐水泥、0.015-0.020份改性剂。

2.按照权利要求1所述的一种钢渣混合固化土体道路基层材料，其特征在于：土壤中素土比重不低于70%。

3.按照权利要求1所述的一种钢渣混合固化土体道路基层材料，其特征在于：所述钢渣的粒径不超过3cm。

4.按照权利要求1所述的一种钢渣混合固化土体道路基层材料，其特征在于：所述微粉添加剂包含粉煤灰、高炉矿渣微粉、硅灰和/或其他工业废渣微粉。

5.按照权利要求1所述的一种钢渣混合固化土体道路基层材料，其特征在于：所述硅酸盐水泥，标号不低于32.5。

6.按照权利要求1所述的一种钢渣混合固化土体道路基层材料，其特征在于：所述的改性剂由强氧化剂、离子型高分子活化剂、分散剂和固化催化剂组成。