赤泥-钢渣-水泥协同制备路面基层材料试验研究_安永昌.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20210707基金项目:国家自然科学基金项目(52062009);宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BFE02006，2022BEG02009)作者简介:安永昌(1978)，男，河北安国人，硕士，高级工程师(926058899 )*通讯作者:谭波(1977)，男，江西九江人，博士，教授(bbsz2004 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.005赤泥钢渣水泥协同制备路面基层材料试验研究安永昌1，刘祺2，3，谭波*2，黄河4(1.广西桂通工程管理集团有限公司，广西南宁530029;2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004;3.宁夏交通建设股份有限公司，宁夏银川750002;4.长沙市建设工程质量安全监督站，湖南长沙410000)摘要:为解决道路工程建设中大量消耗水泥及砂石环境资源压力、造价高等问题，以工业固废钢渣、赤泥为原材料，制备了赤泥钢渣水泥路面基层材料。采用抗压强度、间接抗拉强度、弯拉强度、冻融循环、干缩、有害元素检测(ICP 检测)、XD、电镜扫描(SEM)等试验，进行了赤泥钢渣水泥路面基层材料的路用性能、耐久性、环境性能及强度形成机理的微观研究。对试件浸泡液进行了 ICP 检测。利用 XD，SEM 对该路面基层材料强度形成机理分析。试验结果表明:赤泥钢渣水泥路面基层材料最佳配比为钢渣 赤泥 水泥=70%30%4%，钢渣 赤泥 水泥=50%50%6%，两种配比 7 d 无侧限抗压强度均超过规范要求 5 MPa 以上，间接抗拉强度、弯拉强度分别达到 0.6，1.5 MPa 以上，具有良好的抵抗横、竖向变形能力;经过 5 次冻融循环试验，抗压强度损失均在 85%以上;经过 180 d 干缩试验，干缩量不足 3.5 mm;浸泡液中有害元素 Na+、F(氟)、Cr6+、铅(Pb)、镍(Ni)、砷(As)、硒(Se)、锌(Zn)质量浓度远远低于规范限值;水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)等水化产物的生成是强度形成的主要原因。所以赤泥钢渣水泥路面基层材料具有良好的环境效益和社会效益，是较好的道路工程新型建筑材料。关键词:道路工程;路面基层材料;室内试验;工业固废;路用性能;环境性能;微观机理中图分类号:TU414文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05003509Experimental Study on Preparation of Pavement Base Material byCoordination of ed Mud，Steel Slag and CementAN Yong-chang1，LIU Qi2，3，TAN Bo*2，HUANG He4(1 Guangxi Guitong Engineering Management Group Co.，Ltd.，Nanning Guangxi 530029，China;2 School of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China;3 Ningxia Communications Construction Co.，Ltd.，Yinchuan Ningxia 750002，China;4 Changsha Construction Project Quality and Safety Supervision Station，Changsha Hunan 410000，China)Abstract:In order to solve the problems of large consumption of cement，sand and gravel environmentalresources pressure and high cost in road engineering construction，red mud-steel slag-cement pavement basematerial is prepared with industrial solid waste steel slag and red mud as the raw materials.The microscopicstudy on the pavement performance，durability，environmental performance and strength formation mechanismof red mud-steel slag-cement pavement base material is carried out by means of the tests of compressivestrength，indirect tensile strength，flexural-tensile strength，freeze-thaw cycle，dry shrinkage，detrimental公路交通科技第 40 卷element detection(ICP detection)，XD，scanning electron microscope(SEM)，etc.The immersionsolution of the samples is detected by ICP.The strength formation mechanism of the pavement base materialis analyzed by XD and SEM.The test result shows that(1)The optimum ratio of red mud-steel slag-cementpavement base material is steel slag red mud cement=70%30%4%，steel slag red mud cement=50%50%6%.The 7-day unconfined compressive strengths of the 2 ratios exceed the standardrequirements by more than 5 MPa.The indirect tensile strength and flexural tensile strength are above 0.6MPa and 1.5 MPa respectively，which has good resistance to transverse and vertical deformations.(2)After5 freeze-thaw cycles，the compressive strength losses are above 85%.(3)After 180 d dry shrinkage test，thedry shrinkages are less than 3.5 mm.(4)The mass concentrations of harmful elements Na+，F，Cr6+，Pb，Ni，As，Se and Zn in the immersion solution are far below the specification limit.(5)The formation ofhydration products such as calcium silicate hydrate(C-S-H)and ettringite(AFt)is the main reason for thestrength formation.Therefore，red mud-steel slag-cement pavement base material has good environmental andsocial benefits，it is a new good building material for road engineering.Key words:road engineering;pavement base material;laboratory test;industrial solid waste;roadperformance;environmental performance;microscopic mechanism0引言近年来，随着冶金工业的高速发展，产生的赤泥、钢渣等工业废渣累积量已达到惊人的数量，我国钢渣累计堆积量远超 10 亿 t12，赤泥累计堆存超过 6 亿 t34。工业固废目前在我国利用率低，大量堆存将破坏土壤，污染地下水源，若将钢渣、赤泥经过处理后，替代部分骨料作为路面基层材料，降低水泥的用量，不仅可以缓解道路建材资源供应压力，实现固废资源化利用，而且还具有一定的经济和社会效益。刘晓明5 利用赤泥、煤矸石、粉煤灰等工业固废为原材料制备了一种路面基层材料，并验证了其路用性能，拓宽了路面基层材料的选材范围。陈平610 研究了赤泥、电解锰渣、钢渣为主要原材料制备复合胶凝材料、赤泥对钢渣活性激发的研究以及电解锰渣激发钢渣活性的研究，研究表明复合胶凝材料具有良好的抗腐蚀性以及赤泥、锰渣可以激发钢渣活性。郝雅芬11 研究了赤泥、钢渣改性水泥土冻融循环次数对其抗压强度的影响，研究发现赤泥和钢渣可以有效地提高水泥土的强度。李召峰12 以赤泥、矿渣、钢渣为原材料进行注浆材料的试验研究，并利用扫描电镜、红外光谱分析了作用机理，研究发现钢渣对注浆材料强度具有一定的提升作用。吴发红13 研究了化学激发对钢渣胶凝活性的影响，研究发现硫酸钠、硅酸钠、硅灰作为激发剂可以提高钢渣活性，促使二次水化反应，提升材料强度。涂昆14 研究了钢渣粉和钢渣水泥复合粉的活性和水化机理，研究发现钢渣水泥胶砂的 28 d 强度高于水泥胶砂的 28 d 强度。上述众多优秀的研究学者均研究了固废相互作用，相互激发机理，但固废作为路面基层材料、路用性能和环境性能的研究较少。本研究通过赤泥、水泥熟料作为碱性激发剂激发钢渣活性，制备赤泥钢渣水泥路面基层材料，通过抗压强度、间接抗拉强度、弯拉强度、冻融循环、干缩、有害元素检测(ICP 检测)、XD、电镜扫描(SEM)等试验及检测，获取赤泥钢渣水泥路面基层材料的最佳配合比，并验证其路用性能、耐久性能、长期稳定性能、环境性能以及强度形成机理的微观研究。为工程实际应用提供参考，拓宽路面基层材料选材范围。1原材料1.1钢渣试验研究选用的精炼钢渣是不锈钢企业通过磨细处理收集的一种尾渣，自然风干后呈灰白色。采用 X 荧光光谱分析法对钢渣原材料的组成和含量进行分析，具体成分见表1。并利用 X 射线衍射分析法对钢渣粉状样品进行晶相分析，矿物分析结果如图 1所示。采用全谱拟合 ietveld 方法，钢渣样品定量矿物学分析结果得出:钢渣中矿物相含量主要为橄榄石(-Ca2SiO4)、枪晶石 Ca4(Si2O7)(F，OH)2、镁硅钙石 Ca3Mg(SiO4)2、方沸石(NaAlSi2O6H2O)、方 石 英(SiO2)、金 红 石(TiO2)、透 辉 石(MgCaSi2O6)。63第 5 期安永昌，等:赤泥钢渣水泥协同制备路面基层材料试验研究表 1钢渣的化学成分分析Tab.1Chemical composition analysis of steel slag单质CaSiFMgMnAlTiSCrFeNa含量/%67.0518.705.162.822.291.210.860.7150.5720.2530.149氧化物CaOSiO2FMgOMnOAl2O3TiO2SO3C