（材料学专业论文）自水化激活型路面基层材料的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 钢渣、电厂炉渣排放量大，利用率低，对环境造成严重污染。本文以武汉 市交通委员会科技攻关项目“自水化激活型f s e g 路面基层材料的研究与应用” 为依托，系统研究了自水化激活型路面基层材料，为钢渣、电厂炉渣的大量利 用找到了一条有效的途径。 本文设计了水泥粉煤灰钢渣碎石、水泥粉煤灰电厂炉渣碎石、钢渣电 厂炉渣夕 、掺剂三个体系的路面基层材料，进行了配合比以及性能优化的研究； 探讨了自水化激活型路面基层材料的长期耐久性能，深入研究了水化机理及其 强度形成机理；并且对工程实际应用进行了研究，取得了良好的技术经济效果。 研究结果表明：自水化激活型路面基层材料( 水泥粉煤灰稳定钢渣碎石 复合集料、水泥粉煤灰稳定炉渣碎石复合集料、钢渣炉渣- 夕 、掺剂) 体系级配满 足规范要求、粉煤灰存在最佳掺量、效果良好；自水化激活型路面基层材料 具有良好的强度递延性和自愈合特性，劈裂抗拉强度、回弹模量高，是一种刚 性很好路面基层材料，并且具有很好的抗裂性能及其它力学性能；混合料的 前期机械压实、胶凝材料的水化和火山灰反应是基层强度形成和发展的主要原 因。钢渣具有微弱的水化，初期除水泥水化形成的碱性环境外，钢渣的微弱水 化也提供了c a ( o h ) 。等碱性环境。基层材料孔液中的碱性物质可激活电厂炉渣、 粉煤灰及泥岩的火山灰活性，包括外掺剂活性，从而为基层材料的早期和后期 强度提供了保障；自水化激活型路面基层材料满足施工要求，施工工艺简便 可行，且施工路段验收能达到技术要求；自水化激活型路面基层整体性好，结 构致密，表面无裂纹，承载能力高，这些优于水泥稳定碎石基层；自水化激活 型路面基层材料体系可大量利用工业固体废弃物，节约施工成本，具有较好的 经济社会效益。 关键词：钢渣，电厂炉渣，路面基层材料，复合集料，自水化激活 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t e e ls l a ga n dt h ef u r n a c es l a go fe l e c t r i c i t yf a c t o r yi no u rc o u n t r yw h i c h h a v et h ef e a t u r e so fl a r g ec a p a c i t yo fd r a i n a g e ，b u tl o wu t i l i z a t i o nr a t e ，c a nc a u s ea s e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h es t u d yo np r e p a r i n gr o a db a s em a t e r i a lw i t hs t e e l s l a ga n dt h ef u r n a c es l a go fe l e c t r i c i t yf a c t o r yi nt h i sp a p e ro f f e r e da l le f f e c t i v ew a yt o r e c y c l et h o s et w o w a s t e s i nt h i sa r t i c l e ，t h er o a db a s em a t e r i a lw i t hc e m e n t - f l ya s h s t e e l s l a g - a g g r e g a t e ， c e m e n t f l ya s h f u r n a c es l a go fe l e c t r i c i t yf a c t o r y - a g g r e g a t e ，s t e e ls l a g f u r n a c es l a go f e l e c t r i c i t yf a c t o r y - a d m i x t u r ea r ep r e p a r e d m i xp r o p o r t i o na n dp r o p e r t yo p t i m i z a t i o n o ft h et h r e es y s t e m sa r es t u d i e d t h ed u r a b i l i t yo fr o a db a s em a t e r i a lw i t h s e l f - h y d r a t i n ga c t i v a t i o ns t y l ei sd i s c u s s e d ，a n dt h eh y d r a t e dm e c h a n i s ma n dt h e i n t e n s i t yf o r m i n gm e c h a n i s mo ft h ei n o r g a n i cb i n d e ra r ed e e p l ys t u d i e d a tl a s t ，t h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nh a dt h es a m ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，b u tt h eb e t t e r p e r f o r m a n c ea n d l o w - c o s t i tw a ss h o w e dt h a t ：t h e r ei sao p t i m u mr a t i oo ff l ya s hi nt h er o a db a s em a t e r i a l w i t hs e l f - h y d r a t i n ga c t i v a t i o ns t y l e ( c e m e n tf l ya s hs t a b i l i z e ds t e e ls l a g a g g r e g a t e c o m p o s i t i o na g g r e g a t e 、c e m e n tf l y a s hs t a b i l i z e df u r n a c es l a go fe l e c t r i c i t y f a c t o r y a g g r e g a t ec o m p o s i t i o na g g r e g a t e 、s t e e ls l a g - f u r n a c es l a go fe l e c t r i c i t y f a c t o r y a d m i x t u r e ) 、g r a d a t i o nc a ns a t i s f ys t a n d a r dr e q u i r e m e n t s 、a n d t h er e s u l t sa r e g o o d ；t h er o a db a s em a t e r i a lw i t hs e l f - h y d r a t i n ga c t i v a t i o ns t y l e ( c e m e n tf l ya s h s t a b i l i z e ds t e e ls l a g - a g g r e g a t ec o m p o s i t i o na g g r e g a t e 、c e m e n tf l ya s hs t a b i l i z e d f u r n a c es l a go fe l e c t r i c i t yf a c t o r y - a g g r e g a t ec o m p o s i t i o n a g g r e g a t e 、s t e e ls l a g - f u r n a c e s l a g o fe l e c t r i c i t y f a c t o r y - a d m i x t u r e ) h a s9 0 0 da n t i - c r a c k i n ga n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ei n c l u d i n gs t e a d ys t r e n g t hd e v e l o p m e n t 、s e l f - r e c o v e r i n ga b i l i t y 、s p l i t t i n g t e n s i l es t r e n g t h 、a n de l a s t i cm o d u l u s ；t h em a i nr e a s o n so fs t r e n g t hf o r m a t i o na n d d e v e l o p m e n ta r ep r o p h a s em e c h a n i c a lc o m p a c t i o no fm i x t u r e 、h y d r a t i o nr e a c t i o no f c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s 、a n dp o z z o l a n i cr e a c t i o n ，t h es t e e ls l a gh a sf a i n th y d r a t i o n r e a c t i o nw h i c hc a np r o v i d ea l k a l i n em e d i u mb e s i d e sh y d r a t i o no fc e n m e n ti nt h e 武汉理工大学硕士学位论文 e a r l ys t a g e ，t h ea l k a l io fb a s em a t e r i a lp o r o s i t yw h i c h c a l la c t i v a t ep o z z o l a n i ca c t i v i t y i n v o l v e di nf u r n a c es l a go fe l e c t r i c i t yf a c t o r ya n df l ya s h 、p o t e n t i a lh a r d e n i n ga c t i v i t y o fa d m i x t u r ei sb e n e f i c i a lt ol o n gt i m es t r e n g t hi m p r o v e m e n to fm i x t u r e ；t h er o a d b a s em a t e r i a lw i t hs e l f - h y d r a t i n ga c t i v a t i o n s t y l ec a l lm e e tt h er e q u i r e m e n to f o p e r a t i o n 、t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ei ss i m p l ea n df e a s i b l e 、a n dt h ee x p e r i m e n t s e c t i o na c c e p t a n c ec a nr e a c ht e c h n i q a lr e q u i r e m e n t , t h er o a db a s e w i t hg o o d i n t e g r a l i t y 、c o m p a c ts t r u c t u r e 、s u r f a c ew i t h o u tc r a c k s 、h j i g l lc a r r y i n gc a p a c i t yi s s u p e r i o rt oc e m e n ts t a b i l i z e dc r u s hs t o n e ，t h es t y l ec a nl a r g e l yu s ei n d u s t r i a ls o l i d w a s t e s 、r e d u c ec o n s t r u c t i o nc o s t 、a n dh a st h ef i n ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t k e y w o r d s ：s t e e ls l a g ，f u r n a c es l a go fe l e c t r i c i t yf a c t o r y , r o a db a s em a t e r i a l ， c o m p o s i t i o na g g r e g a t e ，s e l f - h y d r a t i n ga c t i v a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的与意义 钢渣是在高炉中熔炼生铁过程时矿石、燃料及助熔剂中的硅酸盐化合物而 成的副产品【。钢渣从熔炉中排出后，在空气中冷却形成一种坚硬的材料，是一 种较好的路用材料【2 】。钢渣化学成分随冶炼的矿物成分、燃料、助燃剂及熔化的 金属而变化，其主要化学成分为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、c a o 、m g o 、f e 2 0 3 及少量c a s 、 m n o 等【3 1 。钢渣化学成分及矿物组成波动较大，是影响钢渣资源化的主要原因 之一。钢渣无论作为胶凝材料还是集料，其体积稳定性一直是人们关注的热点， 也是钢渣利用的关键问题所在 4 1 5 1 。 电厂炉渣是燃煤发电过程中煤燃烧后形成的炉渣，属火山灰质活性混合材 料，一般采用水淬处理。目前电厂炉渣大部分用于水泥的生产，掺入电厂炉渣 的水泥后期强度增长率较大，在路面工程中应用较少【6 l 。 公路路面基层是保证路面整体强度的关键层次1 7 l 。在路面结构中，基层是直 接铺设于面层下，路基土层上的结构层次，主要起承重、扩散荷载应力和改善 路基水温状况的作用【刚。基层的强弱和好坏对路面整体的强度、使用质量和使用 寿命都有十分重要的影响1 9 1 。目前，我国许多地区的公路基层建设出现了严重的 集料缺乏情况，如果能将钢渣、电厂炉渣等工业固体废弃物作为集料应用到基 层中去，必将具有重要的意义1 1 0 l 。因此如何合理有效的将钢渣、电厂炉渣、粉 煤灰等工业固体废弃物应用到基层中去，是当前科研工作者正在研究的热点问 题【1 。 本论文为充分利用湿排粉煤灰来代替水泥，并引入钢渣和电厂炉渣来代替 集料，从而通过钢渣的自身水化活性来达到激活电厂炉渣和粉煤灰的目的，实 现无水泥或少水泥路面基层的应用，保证基层的强度要求并降低工程造价，实 现自水化激活型路面基层的应用。自水化激活型路面基层是一种新型的路面基 层材料，它充分利用工业固体废弃物，解决环境污染问题，并且具有十分显著 的社会效益、经济效益和环保效益【1 2 】【1 3 】。因此，开展自水化激活型路面基层材 料的应用研究，并大面积推广应用，具有十分重要的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 钢渣集料的研究现状 随着钢铁工业的快速发展，钢铁冶炼过程中排出的钢渣数量与日俱增，许 多钢厂渣满为患。钢渣的大量堆放会引起诸多社会与环境问题，如占地与污染 等问题，破坏生态环境。因而钢渣的综合利用越来越受到重视，利用率不断提 高，大规模的开发利用钢渣是解决众多问题的关键。国外冶金工业发达的国家， 相应对钢渣的开发和使用起步较早，国内对钢渣集料的研究起步相对较晚【1 4 1 。 1 9 3 7 年，英国已把钢渣作为沥青骨料来修筑路面。1 9 7 0 年美国在芝加哥召 开了“第二届矿物废料利用”会议，会上，美国矿渣协会经营经理在“美国高炉渣、 钢渣的利用”一文中论述到：“提高各种钢渣作建筑业中碱性骨料的用量，钢渣不 象高炉渣那样具有很大的应用潜力。例如钢渣不能用于硅酸盐水泥的混凝土中。 但钢渣具有特殊的优点，例如钢渣具有很高的抗磨性可做公路路面。”美国的8 条主要铁路均采用钢渣替代碎石作铁路道渣。日本于1 9 7 9 年起开始研究钢渣在 道路中的应用技术，1 9 8 8 年修订沥青路面铺路纲要，确认钢渣处理后可以用 于筑路。苏联在题为“钢铁炉渣是宝贵原料”一文中论述到：“由于炉渣( 指钢渣) 本身就有胶结作用，所以用它铺的路比用石头铺的路质量高，可以连续使用五、 六年，中间不用修理。”近年来，国外已广泛开展了钢渣集料在道路基层、沥青 混凝土中的研究与应用工作。根据联合国组织对美、日、俄、德、法等2 0 多个 工业发达国家的钢渣利用状况调查，统计表明，这些国家的钢渣中有5 0 用于 道路工程【1 5 l 【1 6 】f 1 刀。钢渣在道路中应用存在的主要问题有钢渣的稳定性不良( 由 f - c a o 消解、铁锰分解、硅酸盐晶体转化、氧化镁消解引起) 钢渣的密度过大以 及钢渣对环境的影响。钢渣在道路工程中应用可遵循以下原则：应严格控制应 用于道路工程中的钢渣粒度，同时应尽量使大粒径钢渣稳定，这样就可使钢渣 结构层内化学反应尽快完成，同时也不会因化学反应造成局部集中膨胀；正确 设置钢渣结构层内孔隙，利用钢渣具有的膨胀特性，用膨胀量去充填原结构层 内的孔隙，或引导膨胀量向土基发展，使土基更趋密实；应用钢渣化学反应过 程中产生的胶体于结构层，使该层板体作用更强，强度更高【1 8 l1 1 引。解决钢渣膨 胀与粉化的关键是控制钢渣的最大粒径；设置合适的孔隙率；控制钢渣内f - c a o 含量。提高普通钢渣稳定性的有效途径有：在冶金部门探索钢渣的处理工艺， 2 武汉理工大学硕士学位论文 力争在钢渣的初次处理中，降低f - c a o 含量；将磁选后的尾渣堆置湿存是经济 可行的陈化方法例。 钢渣做路面基层材料主要有三类【2 1 】1 2 2 】1 2 3 l ： ( 1 ) 钢渣代替砾石、碎石集料，用于二灰稳定类基层 2 4 1 。自1 9 9 2 年起西安公 路学院和西安市政研究院，利用陕西钢厂的电炉钢渣，与石灰、粉煤灰按比例( 钢 渣掺量7 5 ) 混合形成二灰钢渣混合料做路面基层材料【2 5 1 。研究表明：二灰钢渣 混合料路用性能优于二灰砾石和二灰碎石。二灰钢渣混合料配合比比例，二灰 用量为2 0 、石灰4 5 、粉煤灰1 5 - - , 1 6 、集料8 0 ，按此种比例配置的混 合料，既具有一定数量的支撑骨架( 达6 0 以上) ，又具有结合料密实填充裹覆 的特点；进行了强度机理分析，结果表明初期水化产物含量较少，随着龄期增 长，后期有较多的水化产物生成：抗裂实验( 干、温缩实验) ，在养生初期含水 量较大时，干缩较大；温缩在负温区时比较明显。钢渣表面有空隙，石灰、粉 煤灰等胶凝材料与钢渣配合使用较石灰、粉煤灰与砾石、碎石配合使用具有更 好的附着性，钢渣作为石灰粉煤灰混合料基层的骨架，可以有效减少收缩裂缝， 增强颗粒间的嵌锁力，使得其早期强度和整体强度高于二灰砾石和碎石【冽。 ( 用水泥或石灰对其进行稳定，制备出类似于水泥稳定或石灰稳定集料土 的路面基层。在武钢和首钢进行过一些研究和应用l z 刀。钢渣是填筑路基很好的 材料；钢渣在沥青砼面层中应用表现为钢渣与沥青的粘附性好、钢渣在混合料 中形成密实骨架结构相当于s m a 混合料、钢渣的耐久性好【硎。徐方对钢渣碎石 复合路面基层材料路用性能进行了研究。钢渣碎石复合路面基层材料是一种既 节能又环保的新型材料，研究表明：利用钢渣和碎石掺配组成钢渣碎石复合集 料，不但能改善钢渣的级配组成，而且可以减少钢渣的水化膨胀对集料体积稳 定性能的不利影响；钢渣碎石复合路面基层材料的强度达到了规范对于二灰混 合料和水泥混合料的要求，当用粉煤灰直接稳定时，最佳配比为：粉煤灰：钢 渣碎石复合集料= 2 0 ：8 0 ；当用水泥粉煤灰稳定时，最佳配比为水泥：粉煤灰： 钢渣碎石复合集料= 4 ：1 0 ：9 0 ；水泥粉煤灰稳定钢渣碎石复合集料强度高，混 合料均匀性、和易性好，具有良好的路用性能p j 。胡钊芳等人对水泥、粉煤灰 综合稳定钢渣在高速公路底基层应用的原材料试验与分析进行了研究。通过常 压沸煮和高压沸煮两种稳定性试验的结果发现，钢渣粉化膨胀率与其f - c a o 含 量存在着明显的相关性，而与其他化学成份和因素关系不大；钢渣如用做道路 建筑材料，应着重安全使用的前提，解决稳定性问题，另一方面，由于牵扯到 3 武汉理工大学硕士学位论文 道路、冶金两大行业，两者必须分工明确，通力合作，取得各方面政策上的支 持与认识上的统一，使钢渣这一活性材料顺利应用于施工1 3 0 j 【3 1 1 。 ( 3 ) 钢渣级配型、嵌锁型基层：将具有一定级配的钢渣用作级配集料基层， 由于我国以半刚性基层为主流，这种基层的研究与应用很少【3 2 1 。 1 2 2 钢渣集料研究中存在的问题及评价标准 但钢渣在实际应用中有一个最大的问题，是钢渣体积安定性问题。如果钢 渣一旦没有很好的组合使用，其自身的缓慢膨胀将导致基层的开裂及其产品的 破坏。因此，如何降低钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁，或者如何有效利用 钢渣的微膨胀性是钢渣得以真正大面积使用的瓶颈。肖琪仲等人研究表明，钢 渣经水热处理后普遍有膨胀现象，其强度也不高；加入硅质材料可以降低钢渣 的c s 比，使水化产物中的硬硅钙石含量增加，耐压强度提高；s i 0 2 和m g o 在 高温高压水热条件下可生成稳定的含镁水化物，阻碍方镁石的继续水化；砂的 存在能够有效地抑制钢渣在水热处理过程中产生的膨胀【3 3 l 洲。 另外，目前国内钢渣在路面基层中的应用研究中没有充分利用钢渣的活性， 并简单的把钢渣当成了一种集料用于路面基层中。其实钢渣有一定的水硬性， 其细颗粒( 粉料) 可以起到胶凝作用，粗颗粒表面也可以发生水化，增加基层材料 的强度【3 5 1 。林宗寿等人研究了钢渣粉煤灰活化方法。化学物质活化、热力活化、 改变钢渣粉煤灰的化学组成与物象结构。这三种预处理方法均可提高钢渣粉煤 灰的活性，增加钢渣与粉煤灰的掺加量【矧1 3 7 1 。 国内外针对钢渣集料在半刚性基层和沥青混凝土中的应用制定了相应的技 术标准和施工规范。国内建设部于1 9 9 0 年颁布的钢渣石灰类道路基层施工及 验收规范( c t j 3 5 9 0 ) 中规定【3 8 】：钢渣必须分解稳定，粒径符合规格要求，具 有规定的强度。其游离氧化钙含量应小于3 ；最大粒径不大于5 0 m m ；压碎值 应小于3 0 。前期渣不得单独使用。应采用堆存一年以上的陈渣；冶金部于1 9 9 1 年颁发的钢渣混合料路面基层施工技术规程( y b j 2 3 0 9 1 ) 中规定p 9 j ：筑路 用钢渣应为经过陈化或其他方法处理已经稳定的钢渣，粉化率小于5 ，即可认 为钢渣已处于稳定状态；交通部颁布的公路沥青路面施工技术规范 ( j t j 0 3 2 9 4 ) 规定【删：对粗集料或细集料使用钢渣的沥青混合料应进行马歇尔 实验，其增大量不得超过1 ，浸水马歇尔残留稳定度不小于7 5 ，达不到要求 4 武汉理工大学硕士学位论文 的钢渣不得使用。德国对于低氧化镁含量、未经陈化的新渣，采用乙烯乙醇方 法或基于矿物成分的统计来确定游离氧化钙含量，对于无机结合料基层和沥青 面层，钢渣中游离氧化钙含量分别限制在7 和4 比较合适。欧洲标准e n l 7 4 4 - 1 中规定了钢渣集料用于无机结合料基层和沥青面层时，其体积增长率分别限制 在5 和3 5 比较合适。美国标准a s t md 4 7 9 2 中规定钢渣集料用于热拌沥青 混凝土时其体积膨胀率应小于1 ，否则钢渣应进行堆放处理，目前已作为国际 标准。 1 2 3 电厂炉渣的研究现状 电厂炉渣是在燃煤发电的过程煤燃烧后形成的炉渣，属火山灰质活性混合 材料，一般采用水淬处理。目前电厂炉渣大部分用于水泥的生产，掺入电厂炉 渣的水泥后期强度增长率较大，在路面工程中应用较少。电厂炉渣做水泥混合 材时需粉磨，增加能耗。 郭殿波等人对电厂炉渣作水泥混合材进行了研究。炉渣品质指标符合国家 标准要求，是属于人工类的火山灰质混合材料。炉渣作水泥混合材，不仅扩大 了水泥混合材来源，而且可降低水泥成本，化害为利，变废为宝。炉渣构造比 较疏松，有很多孔隙，可吸收熟料中f - c a o 水化硬化产生的体积膨胀量，从而 消除了f - c a o 的破坏作用，改善了水泥安定性。熟料矿物的水化产物c a ( o i - i ) 2 是炉渣水化活性的激发剂，而炉渣的二次水化反应又降低了水泥浆体中的碱度， 从而会促进熟料矿物的进一步水化。因此掺入炉渣的水泥，其中期强度增长率 较大【4 1 l 。丁学平对煤矸石电厂炉渣用作水泥的掺和料进行了研究。利用中梁山 矿务局煤矸石电厂炉渣做水泥掺和料，掺量在1 5 3 0 时配制的水泥符合国家 质量标准，它的成功应用降低了水泥生产成本，开辟了煤矸石电厂炉渣的有效 利用途径，减少了煤矸石废渣对环境的污染，节约了土地资源，具有显著的社 会效益和经济效益【4 2 1 。张忠宝等人热电厂炉渣的综合利用研究表明：炉渣用于 井下，具有良好的社会效益、经济效益1 4 3 j 。 目前电厂炉渣用于路面基层的应用报道较少。但电厂炉渣作路面基层材料 具有明显优势，具体体现在： ( 1 ) 电厂炉渣的火山灰活性可在水泥和钢渣水化形成的碱性环境下激活，反 应生成水化铝酸钙、水化硅酸钙等胶凝产物，发挥胶凝作用。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) f g v 炉渣在水淬的过程中，形成极其不规则、棱角分明的表面，且含有 少量微细玻璃丝，可极大的增大集料与填充料之间的嵌锁力，提高基层初期的 机械压实强度。 因此，为了充分发挥钢渣的自水化作用，来有效激活电厂炉渣的火山灰活 性，体现二者共同相互作用的优势，论文根据材料学原理，进行钢渣电厂炉渣 外掺剂体系自水化激活型路面基层的研究。研究目的旨在充分利用钢渣自身具 有水化活性，激活电厂炉渣和粉煤灰的火山灰活性，形成足够的力学强度，构 成相应的底基层和基层，保证路用性能。 1 3 研究目标、研究内容及拟解决关键问题 1 3 1 研究目标 根据半刚性路面基层材料的组成和结构特点，设计无水泥或少水泥类的粉 煤灰钢渣砂电厂炉渣粗碎石系列的工业固体废弃物路面基层结构，包括以下 几种类型：水泥粉煤灰钢渣碎石、水泥粉煤灰电厂炉渣碎石、钢渣电厂炉 渣外掺剂、水泥钢渣粉碎石。通过试验室配合比设计和性能的优化、并且深 入研究强度形成机理以及体积稳定性，研制出性能满足要求的、可替代水泥稳 定碎石以及水泥粉煤灰综合稳定碎石的系列工业固体废弃物路面基层结构，以 期大面积推广应用。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 粉煤灰、钢渣砂、电厂炉渣和粗碎石复合时的最优级配设计 ( 2 ) 钢渣砂、电厂炉渣、掺和料及粉煤灰的品质和掺量对自水化激活型路 面基层材料强度的影响 ( 3 ) 分别对用于底基层和基层的材料配合比优化 ( 4 ) 自水化激活型路面基层材料力学性能的研究 包括无侧限抗压、抗劈裂、弹性模量及长龄期强度等力学参数的对比 研究 ( 5 ) 自水化激活型路面基层材料耐久性能的研究 6 武汉理工大学硕士学位论文 包括水稳性、抗冲刷性、抗裂性及体积稳定性等耐久性方面性能的研 究 ( 6 ) 自水化激活型路面基层的稳定机理研究 包括自水化激活型路面基层的微观结构和构造；强度增长过程中的化 学反应、新生产物及硬化机理；粉煤灰的火山灰反应作用与填充作用； 钢渣的自水化作用及增强机理；电厂炉渣的火山灰活性及其增强机 理；及自水化激活型路面基层的自养护功能的实现模型 ( 7 ) 自水化激活型路面基层的工程应用研究 包括工程简介；试验路段概况；施工配合比设计；试验路段的施工及 监测；经济社会效益分析。 1 3 3 拟解决关键问题 ( 1 ) 钢渣自身含有游离氧化钙和游离氧化镁，如利用不当，易自身粉化导 致体积膨胀，从而引起基层的开裂，因此如何选用、控制钢渣质量及 如何利用钢渣微膨胀的效果配置自水化激活型路面基层是本论文拟 解决关键问题之一。 ( 2 ) 对电厂炉渣火山灰活性的激活及对钢渣自水化能力的促进也是本论文 拟解决的关键问题之一，它对保证自水化激活型路面基层的早期强度 及后期强度的稳定增长具有一定的意义。 ( 3 ) 如何解决湿排粉煤灰配料计量精度，防止粉煤灰堵塞下料不畅，也是 施工过程中需解决的问题。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 原材料 2 1 1 水泥 第2 章原材料与实验方法 采用三种不同品种水泥，其基本性能指标如表2 - 1 所示。 一为华新水泥厂3 2 5 级复合硅酸盐水泥；二为湖北乌龙泉鑫凌云水泥厂生 产的3 2 5 级矿渣水泥；三为武汉理工大学道路材料研究所自行研发的3 2 5 级路 面基层专用水泥。 表2 - 1 水泥的性能指标 2 1 ，2 粉煤灰 粉煤灰取自葛化祥龙电业有限公司湿法排放的粉煤灰，其化学组分如表2 - 2 所示，表中数据单位为质量百分数，符号为。此外，武汉青山热电厂的湿排粉 煤灰为研究粉煤灰品质对基层性能影响的对比样。 表2 - 2 原材料的化学分析结果( ) 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 钢渣 ( 1 ) 武钢钢渣 武钢钢渣主要为转炉钢渣，试验采用自然堆放的粗细钢渣。该钢渣的化学 组分如表2 2 所示、颗粒组成和物理性能如表2 _ 3 和表2 - 4 所示。 表2 _ 3 集料的颗粒组成 表2 - 4 集料的物理性能 ( 2 ) 鄂钢钢渣 鄂钢钢渣为转炉钢渣和电厂炉渣的混合渣，其以转炉钢渣为主。该钢渣的 化学组分如表2 - 2 所示、颗粒组成和物理性能如表2 3 和表2 4 所示。 2 1 4 电厂炉渣 9 武汉理工大学硕士学位论文 电厂炉渣选自葛化祥龙电业有限公司排放的炉渣。其化学组分如表2 _ 2 所 示、颗粒组成和物理性能同样见表2 3 和表2 4 。 2 1 5 集料 试验主要用集料包括庙岭碎石1 帮、阳新碎石勰和阳新碎石硝，均取自工地。 碎石的压碎值为1 6 8 ，针片状含量为1 3 6 ，表观密度为2 7 2 4 9 c m 3 。各种集 料的颗粒组成见表2 _ 3 。 2 2 实验方法 2 2 1 集料的密度及颗粒分析实验 集料的物理力学性能检测按照公路工程集料实验规程j t ge 4 2 2 0 0 5 中 有关规程进行【州。 ( 1 ) 堆积密度：使石头从容量筒上口5 0 m m 左右的高度自由落入筒内，装 满容量筒并除去凸出筒口表面的颗粒； ( 2 ) 振实密度：按堆积密度试验步骤，将装满试样的容量筒放在振动台上 ( 振动频率为3 0 0 0 次r a i n _ 2 0 0 次r a i n ，负载下振幅为0 3 5 m m ，空载时的振幅 为0 5 r a m ) 振动3 m i n ； ( 3 ) 捣实密度：将试样装入容器到1 3 高度，由边至中用捣棒均匀捣实2 5 次，分3 层将容量筒装满； ( 4 ) 细集料的表观密度：采用容量瓶法进行实验； ( 5 ) 集料的筛分：采用干筛法和水洗法进行实验，根据集料的粗细分别选 用合适的分级筛进行筛分，并计算出相应的累计百分率和通过百分率。 2 2 2 基层材料常规力学实验 按公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 进行常规实验。 击实试验执行交通部规范t 0 8 0 4 - 9 4 ，采用重型击实法，对无机结合料稳定类混 合料进行击实试验，以绘制混合料的含水量与干密度关系曲线，从而确定其最 佳含水量和最大干密度；无侧限抗压强度执行交通部规范t 0 8 0 5 9 4 ，本试验方法 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 适用于测定无机结合料稳定类混合料试件的无侧限抗压强度，试件尺寸为 ( i ) l o o m m x l o o m m 或西1 5 0 m m x l 5 0 m m ；劈裂抗拉强度实验见t 0 8 0 5 9 4 ，本试验 方法使用于测定无机结合料稳定类混合料试件的劈裂抗拉强度，试件尺寸 由1 5 0 m m x l 5 0 m m ；回弹模量实验见上述规范t 0 8 0 6 9 4 ，本试验方法使用于测定 无机结合料稳定类混合料试件的抗压回弹模量，试件尺寸为 0 1 5 0 m i n x l5 0 i i l m 【4 5 】。 2 2 3 钢渣的体积安定性实验 ( 1 ) 游离氧化钙的含量测试 采用甘油乙醇法测定钢渣砂游离氧化钙的含量。 ( 2 ) 蒸汽体积安定性试验 试验采用德国的工业标准。每次实验至少2 个样，每个试样取样量为2 4 公 斤，并需备有一定的量测定体积密度。备好的样用实验室用铲子装入圆柱体中， 底部须先垫上纤维网。然后该干燥试样在震动台上震实6 分钟，频率4 8 + _ 3h z , 振 幅1 5 m m ，通过液压产生的平均振动力为0 0 3 5 n r a m 2 ，震动完后试样气孔率为 2 0 2 5 。 制备好的试样置于蒸养仪上并在圆柱体外体加盖保温层，然后在玻璃珠上 加盖带孔钢板，十字交错应力码和加重码。测定试件表面升高的干分表固定在 一个紧挨蒸养仪已弯曲好的三角架上，在接通加热罩和蒸养仪后首先钢渣试体 受热并产生受热体积膨胀，该值不应计入在后期的膨胀值内，故测试在蒸气产 生之后才开始。 蒸养法测试时间对顶吹转炉钢渣历时2 4 小时。之后读取试件表面的升高值 并计算其体积增长率。 ( 3 ) 体积膨胀率试验 按承载比方法，用重型击实的方法测定出最大干密度和最佳含水量。将钢 渣试样制备成0 1 5 2 m m x l 2 0 m m 的试件，于8 0 恒温水浴中放置至相应龄期， 每天记录安装在试件顶部的百分表的读数来表征试件在该温度下浸水后的轴向 长度变化率，从而反映出钢渣的体积安定性大小j 。 ( 4 ) 压蒸法 利用水泥安定性检测装置压蒸釜( z v f 一2 型) 对钢渣颗粒分级进行压蒸处理。 武汉理工大学硕士学位论文 饱和水蒸气的条件下压蒸温度为2 1 5 7 ，压强为2 0m p a 。压蒸的保温时间为 3h 。 2 2 4 岩相分析 利用德国c a r lz e i s s 公司的a x i o s k o p4 0 - p o l 偏光显微镜观察钢渣的显微构 造。试样可在5 0 x 、l o o x 、2 0 0 x 、5 0 0 x 的放大倍数下进行钢渣矿物组成的分析。 2 2 5 显微硬度测试 本研究中采用上海尚光显微镜有限公司生产的h x s - 1 0 0 0 型数字式智能显 微硬度仪。利用该仪器可测试钢渣内部各矿物相的显微硬度。相邻测试点的最 小距离为1 0 u r n ，仪器附带显微镜放大倍数为l o o x 及4 0 0 x ，仪器数显分辨率为 0 0 3 u r n 。在此运用维氏硬度来表征材料显微硬度。维氏硬度所用的载荷有j 蚝、 3 k g 、5 k g 、1 0 k g 、2 0 k g 、3 0 k g 、5 0 k g 、1 0 0 k g 和1 2 0 k g 等。 2 2 6 自恢复试验 将压制成型的路面基层材料经过一段时间的养护，使之形成一定强度后， 将其进行无侧限抗压强度测试，试件出现细小裂纹时停止加载，对试样修复后 进行养护，养生到相应龄期后，测量其强度，其强度保持率愈高则其自愈合作 用愈大。 2 2 7 材料的微观测试实验 ( 1 ) x 射线荧光光谱分析( x r a yf l u o r e s c e n ts p e c t r o m e t r y , x r f ) ，采用粉末 压片法，在荷兰p a n a l y t i c a l 公司生产的波长色散型x 射线荧光光谱仪( w a v e l e n g t h d i s p e r s i v ex - r a yf l u o r e s c e n c es p e c t r o m e t e r ( w d x r f ) ) 进行实验。 ( 2 ) 差热分析( d t a ) ：取5 0 1 5 0 m g 试样，粉磨至小于0 0 4 2m m ，烘干 后待用。升温速度为1 0 * c m i n ，走纸速度为3 0 c m h ，以p l 为热电偶，参比物为 a 一2 0 3 ，在德国耐驰s i m u l t a n e o u st h e r m a la n a l y z e r 综合热分析仪进行实验。 ( 3 ) 扫描电子显微镜( s e m ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 形貌观察，取 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 5 m m 左右粒状样品( 观察界面形貌时必须含界面) ，用导电胶将样品粘贴在铜 质样品座上，真空镀金后在日本产s x 一4 0 型扫描电镜中观察试样断面微观形貌 并照像。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章自水化激活型路面基层材料设计与试验研究 根据半刚性路面基层材料的组成和结构特点，参照水泥稳定碎石与水泥粉 煤灰稳定碎石的材料组成，设计出自水化激活型路面基层材料的组成结构，包 括以下几种类型【钥 4 8 】 4 9 j - 1 ： ( 1 ) 水泥一粉煤灰一钢渣一碎石 ( 2 ) 水泥一粉煤灰一电厂炉渣一碎石 ( 3 ) 钢渣一电厂炉渣一外掺剂 3 1 参比样水泥稳定与水泥粉煤灰稳定碎石的研究 3 1 1 强度影响因素研究 水泥稳定碎石以及水泥粉煤灰稳定碎石的强度影响因素是多方面的，本节 主要从集料品质因素、水泥品质因素、粉煤灰掺量因素三个方面来探讨对强度 的影响。 ( 1 ) 集料品质因素对材料强度的影响研究 集料品质是影响强度的关键因素，试验采用庙岭碎石、阳新碎石、福岗碎 石三种不同品质的集料做对比，水泥采用鑫凌云水泥厂生产的3 2 5 级矿渣水泥， 分别比较了水泥剂量4 、5 的7 d 无侧限抗压强度，结果如表3 1 ，图3 1 所示： 表3 - 1 集料品质与无侧限抗压强度 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由试验结果可知：水泥剂量5 时，庙岭碎石的7 d 无侧限抗压强度仅 1 1 2 m p a ，不满足路面基层施工规范要求；而水泥剂量4 时，福岗碎石的7 d 无 侧限抗压强度就达到4 6 2 m p a ，是庙岭碎石强度的的5 5 倍；水泥剂量4 时， 阳新碎石的9 5 保证强度为2 6 8 m p a 。可见不同的集料对强度有很大的的影响， 集料本身的品质是影响强度的关键因素。 垒 v 蜊 簸 出 蝠 醛 晕s 氓 6 5 0 4 5 水泥剂量( ) 图3 - 1 集料品质对材料强度性能的影响 ( 2 ) 水泥品质因素对材料强度的影响研究 水泥品质也是影响强度的另一关键因素，试验采用矿渣水泥、道路基层专 用水泥两种不同品质的水泥做对比，分别比较了水泥剂量4 、5 的7 d 无侧限 抗压强度，结果如表3 2 ，图3 2 所示： 表3 - 2 水泥品质与无侧限抗压强度 混合料配比 水泥混合料 最佳含水率最大干密度 歪型堡垫昼堡壅 水泥碎石 ( )( 删) r 7 d c vr i r 类型类型 ( m p a )( ) 0 v l p a ) 6 0 92 1 90 8 41 3 20 6 6矿渣 6 2 22 1 91 1 21 2 30 9 0 水泥 庙岭 6 0 92 1 91 0 96 1o 9 9 基专 碎石 6 2 22 1 91 2 01 1 20 9 8 水泥 6 2 02 2 84 6 21 1 83 7 2矿渣 6 7 02 2 85 4 81 1 74 4 3 水泥 福岗 6 2 02 2 85 0 78 74 3 5 基专 碎石 6 7 02 2 85 4 81 0 34 5 5 水泥 9 6 9 5 9 6 9 5 9 6 9 5 9 6 9 5 武汉理工大学硕士学位论文 由试验结果可知：水泥掺量4 时，用基层专用水泥稳定庙岭碎石比用矿渣水 泥的7 天无侧限抗压强度提高2 9 8 ；用基层专用水泥稳定福岗碎石比用矿渣水 泥的7 天无侧限抗压强度提高9 7 4 ；水泥掺量5 时，基层专用水泥稳定庙岭碎 石的比矿渣水泥的7 天无侧限抗压强度提高7 1 4 。而基层专用水泥稳定福岗碎 石的和矿渣水泥相比，7 天无侧限抗压强度相近。该结果表明，用基层专用水泥 来稳定碎石的效果比用矿渣水泥来稳定碎石的效果好；水泥品质也是影响路面 基层材料强度的另一关键因素。 量 v 倒 强 幽 端 畦 毫 限 l 口矿渣水泥f 秘 器 i 基层专用水泥i 水泥剂量( i 瞄矿渣水泥i 箍 器 l 一基层专用水泥l a k r o n ( ( a ) 庙岭碎石( b ) 福岗碎石 图3 - 2 水泥品质对材料强度性能的影响 ( 3 ) 粉煤灰掺量因素对材料强度的影响研究 粉煤灰掺量对材料强度具有显著的影响。水泥剂量为3 ，粉煤灰掺量按0