钢渣土混拌基层材料试验研究及微观机理分析

黄伟 邱鹏 赵鲁卿 唐钢 王宗森

摘要：針对钢渣用于基层材料易发生膨胀的问题，采用钢渣、高炉矿渣微粉、土混拌并结合土体固化技术，制备道路基层材料钢渣混合土。对16组不同配比土样开展了击实、膨胀率、无侧限抗压强度试验。研究表明：钢渣混合土最佳含水率受配比影响较小，均维持在12%～14%;最大干密度随钢渣掺量的减少而降低，随高炉矿渣微粉掺量的增加而降低;高炉矿渣微粉的掺入可显著降低钢渣混合土膨胀率，提高其无侧限抗压强度;7、14、28、90 d无侧限抗压强度均随钢渣占比增加呈先增后减趋势，配比为50%钢渣、50%土时达到最大。微观结构分析表明：土颗粒表面电荷的改变使得钢渣混合土体结构在成型时更易受压密实，钢渣中游离氧化钙（fCaO）在固化过程中的水化反应受到明显抑制，主要与矿渣中二氧化硅（SiO2）发生消解反应生成水化硅酸钙凝胶（C—S—H）;与此同时，钢渣、土相互包裹的颗粒间堆叠效应及C—S—H凝胶填充混合料缝隙产生的自密实效应进一步提高了土体强度，从而制备出强度高、安定性好的钢渣混合土。

关键词：道路工程;钢渣混合土;抗压强度;膨胀抑制;最优配比

中图分类号：TU411.3;U416.1 文献标志码：A 文章编号：20966717（2020）04004409

收稿日期：20191020

基金项目：安徽省高校自然科学研究重大项目（KJ2018ZD006）;安徽省住房城乡建设科学技术计划（2018YF007）

作者简介：黄伟（1963 ），男，教授，主要从事道路材料研究，Email：hwpsagd@163.com。

Received：20191020

Foundation items：Major Projects of Natural Science Research of Anhui Universities （No. KJ2018ZD006）; Anhui Housing Urban and Rural Construction Science and Technology Program Project （No. 2018YF007）

Author brief：Huang Wei （1963 ）， professor， main research interest： road materials， Email： hwpsagd@163.com.

Experimental study and micromechanism analysis of steel slagsoil mixed road base material

Huang Wei1， Qiu Peng1， Zhao Luqing2， Tang Gang1，Wang Zongsen2

（1.School of Architectural Engineering， Anhui University of Technology， Maanshan 243002， Anhui， P. R. China;2.Anhui Magang Jiahua New Building Materials Co.， Ltd.， Maanshan 243000， Anhui， P. R. China）

Abstract： In view of the problem that steel slag is prone to expand in base material， steel slag， blast furnace slag micropowder and soil were mixed to prepare a road base materialsteel slag mixed soil using soil solidification technology. The compaction， expansion rate and unconfined compressive strength tests were carried out on 16 soil samples with different mixture ratios. The results show that the optimum moisture content of the steel slag mixed soil is little affected by the mixture ratio， which maintained at 12～14%. The maximal dry density decreases with steel slag content， and decreases as the content of blast furnace slag micropowder rises. Blast furnace slag micropowder could significantly reduce the expansion rate of steel slag mixed soil and increase its unconfined compressive strength. The 7 d， 14 d， 28 d and 90 d unconfined compressive strength of steel slag mixed soil are firstly increase then decrease with steel slag content， and the strength reaches the maximum value when the mixture ratio is 50% steel slag and 50% soil. Microstructural analysis shows that the change of surface charge of soil particle enhance the compactness of steel slag mixed soil in molding process. The hydration reaction of fCaO in the steel slag was inhibited during solidification， and which conduct digestion reaction with SiO2 in the mineral slag to form hydrated calcium silicate gel （C—S—H）. At the same time， interparticle stacking effect between steel slag and soil and selfcompacting effect produced by C—S—H gel could enhance strength of steel slag mixed soil， and thus steel slag mixed soil with high strength and stability is prepared.

3试验结果及讨论

3.1击实试验

图2是4组16个钢渣混合土试件击实试验干密度含水率曲线测试结果。由图2可见，16组钢渣混合土干密度均随着含水率增加呈先增后减趋势，高炉矿渣微粉的掺量对其最佳含水率影响较小，且最佳含水率保持在12%～14%;由图2可以发现，钢渣混合土最大干密度随着钢渣掺入比例降低而不断减小，随着高炉矿渣微粉掺入量增加而不断降低，具体数据见表4。

3.2膨胀率试验

图3是4组16个钢渣混合土试件膨胀率试验结果，可以看出：

1）未掺入高炉矿渣微粉的钢渣混合土各组试件膨胀率随试件放入高温水浴时间的增加先期增速较快，其后增速减缓，于7 d时膨胀率值趋于稳定;各组试件膨胀率均在前4 d超过国家规范<2%要求，10 d膨胀率值最小值已达2.5%，且随钢渣掺量增加，试件膨胀率增大。

2）掺入高炉矿渣微粉的钢渣混合土各组试件膨胀率均较未掺加高炉矿渣微粉试件低很多，且掺量大抑胀效果好;随着试件放入高温水浴时间的增加，膨胀率总体增长缓慢，于7 d时膨胀率值趋于稳定;各组试件10 d膨胀率值均符合国家规范<2%要求，其中最大值不超过1.5%，最小值仅为0.15%。图4为文中选定最优配合比土样B3试件180 d持续观测值，可以看出，在高温水浴持续激发下，7 d试件膨胀率约0.25%，其后观测值较7 d增长几乎很小，表现出良好的长期安定性。

3.3无侧限抗压强度试验

图5为4组16个钢渣混合土试件分别对应龄期7、14、28、90 d无侧限抗压强度变化曲线。由图5可以看出：

1）在不同龄期下，各组试件无侧限抗压强度变化曲线分布特征相似;未掺高炉矿渣微粉试件无侧限抗压强度值均低于掺有高炉矿渣微粉试件，且差值随龄期增长而加大;掺有高炉矿渣微粉试件7 d无侧限抗压强度最小值大于3 MPa，超过道路规范基层材料不低于2 MPa的要求，说明矿渣微粉对于混合土体强度提升起着关键作用。

2）未掺高炉矿渣微粉试件和不同掺量高炉矿渣微粉试件的无侧限抗压强度变化曲线分布特征不同，前者随钢渣掺量增加缓慢增长，后者则随钢渣掺量增加均呈现先增后减，于钢渣掺量为50%时，试件无侧限抗压强度达到峰值，其7 d最大强度为7.45 MPa，28 d最大强度可达19 MPa，90 d高达30 MPa。

3）同一组试件无侧限抗压强度随矿渣微粉掺量的增加而增大，但比较矿渣微粉掺量为40%、50%试件在不同龄期的强度值可以发现，二者均相差约0.3 MPa，由此可见，数值较为接近，说明矿渣微粉掺量增加的有益作用在降低。因此，考虑高炉矿渣微粉使用成本，认定试件B3为钢渣混合土最优配比。

表5为最优配比B3试件不同龄期的无侧限抗压强度试验值，可以看出，试件的无侧限抗压强度随龄期增加前期增长较快，90 d后则基本稳定。

3.4XRD分析

为探究钢渣混合土固化前后矿物成分变化，根据无侧限抗压强度值，选择养护28 d的B3钢渣混合土试件与同配比干粉混合料分别进行XRD分析，如图6所示。由图6可以看出：钢渣混合土固化后的X射线衍射图谱中均出现了原材料中矿物成分，并未有新的矿物成分出现。固化后的钢渣混合土X射线衍射图谱中SiO2特征峰相较于钢渣土干粉混合料存在明显的降低;钢渣土干粉混合料图谱中有明显fCaO特征峰（32.46°、37.68°、54.32°），固化后的钢渣混合土fCaO特征峰消失，说明钢渣所含的fCaO在固化过程中主要与高炉矿渣微粉中SiO2发生了消解反应，从而避免了fCaO水化形成Ca（OH）2造成土样膨胀，与前述膨胀率试验结果相印证。

图7为A3、B3、C3、D3试件固化60 d X射线衍射图谱，从图8可以看出：4种配比土样均未有新的矿物成分特征峰出现;X射线衍射图谱中，在29.4°、31.5°、50.1°、54.9°衍射角度时均有不同强度的水化硅酸钙凝胶（C—S—H）特征峰出现;B3试件各角度C—S—H凝胶特征峰强度值为4个试件中最高。

3.5SEM电镜观察

根据前述结论，最优配比钢渣混合土试件强度在90 d后已逐渐趋于稳定，其内部结构基本定型。故为进一步研究钢渣混合土微观构造，选取养护周期为90 d A3、B3、C3、D3钢渣混合土试件进行5 000、10 000倍扫描电镜观察，研究钢渣混合土内部结构随钢渣掺量变化规律。如图8所示，钢渣掺量30%时，钢渣混合土整体结构主要以混合土团聚堆叠形成，由于钢渣掺量较低，有少量针状C—S—H生成，该配比下的钢渣混合土样强度主要来源于团聚体间粘接力;钢渣掺量40%时，钢渣混合土结构中团聚体体积增大，由于钢渣掺量增加，所产生的C—S—H凝胶相对于钢渣掺量30%的钢渣混合土

明显增多，且凝胶物质填充于团聚体间隙，有效降低混合土的孔隙率，增加了密实度;当钢渣掺量50%时，在高炉矿渣微粉作用下，钢渣潜在胶凝性激发明显，此时C—S—H凝胶已衍生为片状网格结构，填充于团聚体孔隙间，说明凝胶在生长过程中使得混合土体更加致密，结构更为稳定，因此，强度得以提高;但随着钢渣掺量进一步增加，达到60%时，虽然所生成的C—S—H凝胶产物及形成的片状网格结构相应增加，但由于土量占比較低，所形成的混合料团聚体孔隙增多，孔径增大，C—S—H凝胶产物与团聚体间结合后的密实度降低，相对钢渣掺量50%时，强度会有所下降。

4机理分析

钢渣的膨胀性主要是由于钢渣中fCaO遭遇大量自由水发生充分水化反应，生成氢氧化钙（Ca（OH）2），体积增大1～2倍所致。在钢渣中掺入高炉矿渣微粉，微粉中二氧化硅（SiO2）与fCaO发生消解反应生成水化硅酸钙凝胶（C—S—H），从而有效抑制钢渣膨胀[19]。离子型土壤固化剂能有效破坏土颗粒表面双层膜，改变其电荷性，降低土颗粒间排斥力使颗粒间的引力增加，土颗粒结合更为密实，从而由亲水性改为憎水性[5]。采用钢渣、土、高炉矿渣微粉、水泥混拌并结合土体固化技术，可从物理、化学双重角度消解钢渣中fCaO对土体的安定性影响，有效抑制钢渣膨胀，实现钢渣混合土基层材料主要性能指标满足规范要求。高炉矿渣微粉中含有30%左右的SiO2，能使钢渣混合土中Ca/Si得以降低，且SiO2能参与钢渣中的fCaO水化反应并最终生成C—S—H凝胶，反应式为

但二者反应较为缓慢，钢渣中fCaO极易与自由水发生水化反应生成氢氧化钙（Ca（OH）2），造成体积迅速膨胀。将配比合理的各類材料充分拌合得到的钢渣混合土中钢渣颗粒和土颗粒相互包裹，在离子型土壤固化剂作用下，土颗粒经改性后表面呈现憎水性，且使得钢渣混合土在荷载作用下土体结构更易密实，二者共同作用有利于隔绝外界自由水的持续侵入，同时配合水泥作用及其提供的碱性环境，高炉矿渣微粉中SiO2能与钢渣在合适的环境中充分发生消解反应，促进C—S—H凝胶生成，从而消解fCaO含量，抑制钢渣体积膨胀。

钢渣中还含有大量与水泥熟料成分相似的硅酸二钙（C2S）、硅酸三钙（C3S）。高炉矿渣微粉的化学成分同钢渣较为接近，整体均呈碱性，都具有潜在胶凝活性，配合水泥能在碱性环境下相互激发，发生水化反应从而生成胶凝物质[2021]，反应式为

结合宏观试验及微观分析，获得钢渣混合土抑胀及增强机制，如图9所示。钢渣混合土的早期结构主要由土体固化后的混合料颗粒相互包裹、团聚堆叠，强度主要来源于钢渣固化土中骨料之间的内摩擦力及混合料团聚体之间的粘聚力。在前期，水泥水化生成的C—S—H形成网状、片状结构，有效地填充于整体结构中，使得钢渣混合土具有良好的早强性，随着时间推移，钢渣中fCaO与高炉矿渣微粉中二氧化硅（SiO2）与发生消解反应，生成水化硅酸钙凝胶（C—S—H）;同时，钢渣中的C2S、C3S在矿渣微粉作用下发生水化反应，并与钢渣混合土中Ca（OH）2反应生成C—S—H胶凝产物;另外，由于矿渣微粉的成分同钢渣相似，具有潜在的胶凝性，其水化后Ca（OH）2反过来也能与钢渣中的活性氧化物发生火山灰反应，也可生成C—S—H胶凝产物。该凝胶产物填充于混合料团聚体之间的孔隙中，增加团聚体之间的粘聚力，使得土体结构密实。随着反应缓慢持续进行，反应生成的C—S—H胶凝产物可不断生长并衍变成片状网格结构，紧密填充于团聚体孔隙间，且由于土颗粒自身塑性特征使得C—S—H胶凝产物生长变大过程中对团聚体的形成一定挤压，进一步提升相互之间的粘聚力，土体结构更为紧密，从而实现钢渣混合土强度高、膨胀率低的双控目标。

5结论

1）通过击实试验，得出16组钢渣混合土最佳含水率均维持在12%～14%，最大干密度随着钢渣掺量的减少而降低，随着矿渣微粉掺量的增加而降低。

2）高炉矿渣微粉的掺入可显著降低钢渣混合土膨胀率，且随其掺量增加抑胀效果更好;各组试件10 d膨胀率的值均符合国家规范小于2%的要求，其中，最大值不超过1.5%，最小值仅为0.15%。最优配比土样试件在高温水浴持续激发下，7 d试件膨胀率约0.25%，其后观测值较7 d增长几乎很小。

3）掺有高炉矿渣微粉的4种配比钢渣混合土在7、14、28、90 d无侧限抗压强度均随钢渣占比增加呈先增后减趋势，其中，配比为50%钢渣+50%土时达到最大;矿渣微粉对于混合土体强度提升起着关键作用，且随其掺量增加而强度增大。

4）微观结构分析表明，土颗粒表面电极的改性使得钢渣混合土体结构在成型时更易受压密实，钢渣中fCaO在固化过程中水化反应受到抑制，主要与矿渣中SiO2发生消解反应生成C—S—H凝胶;借助于钢渣、土相互包裹的颗粒间堆叠效应及C—S—H凝胶填充混合料缝隙产生的自密实效应，保证了钢渣混合土强度高、膨胀率低的双控目标实现。参考文献：

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（编辑胡玥）