4種鋼渣表面處理技術的對比試驗研究*

劉明金， 鄧覃浩， 柯望， 甘有為

(1.萍鄉公路勘察設計院， 江西 萍鄉 337000；2.長沙理工大學， 湖南 長沙 410114)

鋼渣(SS)具有質地堅硬、外觀多孔、棱角豐富、表面粗糙、強度高、耐磨性好、抗凍性好等物理及力學性能，它多孔且是堿性集料，能更好地黏附瀝青。將鋼渣用作瀝青混合料集料的研究表明，鋼渣集料表面包裹的瀝青在水作用下乳化、脫落，脫落后鋼渣與水接觸，其中游離氧化鈣(f-CaO)水化后體積膨脹，產生較大的膨脹應力，從而加速鋼渣瀝青混合料路面的開裂，對行車造成不利影響，嚴重影響路面的耐久性。同時鋼渣孔隙率高，應用于瀝青混凝土路面時瀝青用量相比石灰巖更大。鋼渣遇水膨脹和鋼渣孔隙率太大成為鋼渣應用于瀝青混凝土路面的兩大技術難題。章照宏等研究發現通過鋼渣預處理如陳伏、研磨、防水抗油劑浸泡等方式可以抑制鋼渣瀝青混合料的體積膨脹。朱光源研究常溫下浸水處理、單摻礦物材料及復合摻礦物材料等3種鋼渣預處理方式，取得了一定效果。郭其杰選擇水玻璃(Na2SiO4)、有機硅樹脂及硅烷偶聯劑3種溶液對再生骨料進行強化處理，結果表明有機硅樹脂對再生骨料的處理效果最好，其強度、吸水性能提高顯著。王川采用改性材料浸泡處理鋼渣，發現改性鋼渣的抗水侵蝕脹裂性能得到明顯提升。本文以萍鄉鋼鐵有限責任公司的鋼渣為依托，在參考國內外相關試驗研究和工程經驗的基礎上，選擇水泥凈漿(CP)、硅烷偶聯劑(SCA)、聚乙烯醇溶液(PVA)及環氧丙烯酸改性有機硅樹脂(EAOR)4種表面改性劑，采用拌和法或浸泡法對鋼渣進行表面改性處理，通過評價表面改性處理前后鋼渣的吸水率、壓碎值及與瀝青的黏附性確定最優鋼渣表面改性劑。

1 鋼渣表面處理和鋼渣集料試驗

1.1 鋼渣表面處理方式

目前鋼渣表面改性方式主要分為霧噴法、拌和法、浸泡法3種。霧噴法通常是將改性劑通過霧噴器以霧狀形式噴到鋼渣表面進行改性，具有節約改性劑的優點，改性面積相同的情況下改性劑用量最少。但由于鋼渣表面結構復雜，孔洞較多，采用霧噴法不能將復雜構造區域覆蓋，鋼渣表面改性面積小。拌和法是將一定質量的改性劑直接加入鋼渣中，通過機械拌和使改性劑均勻分布在鋼渣表面。對于表面構造復雜、多孔的鋼渣，拌和法中的改性劑以液體形式存在能有效流動填充到各個區域，3種方法中其改性劑用量居中。浸泡法是將鋼渣浸泡到一定質量分數的改性劑中，改性劑充分填充到鋼渣每個區域，在鋼渣表面形成一層完整的改性層，具有優秀的改性效果。缺點是改性劑用量大、成本高，同時對作業場地要求高，對環境污染嚴重。這里采用拌和法或浸泡法對鋼渣表面進行處理。

1.2 表面處理改性劑

(1) 水泥凈漿(CP)。水泥是工程上用途最廣的一種材料，使用水泥對鋼渣進行表面處理具有造價低、操作簡單、黏附性好等優點。水泥屬于水硬性膠凝材料，其中含有大量硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣及鐵鋁酸四鈣，這些礦物成分是影響水泥水化的主要因素，水泥水化后生成水化硅酸鈣凝膠及氫氧化鈣晶體，最終硬化成堅固的水泥石?？紤]到水泥在初凝前具有較好的流動性，能充分填充鋼渣的孔隙，包裹鋼渣表面，起到隔水、增強的作用，選擇水泥凈漿作為鋼渣表面處理改性劑。

(2) 硅烷偶聯劑(SCA)。鋼渣表面經過SCA處理后形成一層薄膜可以起到隔水的作用，使水不容易與鋼渣接觸，從而達到抑制瀝青混凝土遇水膨脹的作用，同時降低鋼渣集料空隙率，增強鋼渣與瀝青的黏附性。因此，選擇SCA作為鋼渣表面改性劑。

(3) 聚乙烯醇溶液(PVA)。對多孔隙再生骨料的研究發現，一定質量分數的PVA可以很好地彌補骨料多孔隙的缺陷，減小再生骨料空隙率，降低再生骨料吸水率，提高再生骨料強度。鋼渣存在多孔隙，故選擇PVA作為鋼渣集料表面處理改性劑進行試驗研究。

(4) 環氧丙烯酸改性有機硅樹脂(EAOR)。EAOR由含苯基甲基的有機硅中間體與環氧樹脂、丙烯酸樹脂等經過特殊加工工藝制備而成，主要用于建筑防水涂料(如真石漆)、汽車面漆等。丙烯酸樹脂具有黏結性強、成膜性高的特點，但耐水性能差；環氧改性丙烯酸樹脂具有化學穩定性好、熱穩定性好、黏結性能好等特點；有機硅材料具有優秀的耐熱、耐氧化性能且表面能低，具有一定的防水性。EAOR兼具環氧丙烯酸樹脂的黏結性強、成膜性好、化學性質穩定與有機硅材料的耐高溫、防水等優點，故選用EAOR對鋼渣集料進行表面改性處理。

1.3 試驗方法和評價指標

鋼渣集料表面處理的目的是解決鋼渣中游離氧化鈣遇水引起的體積膨脹和鋼渣孔隙率大導致的吸收瀝青系數大，鋼渣瀝青混合料油石比偏大的問題。選擇9.5～13.2 mm粒徑鋼渣，采用CP、SCA、PVA及EAOR 4種表面改性劑處理后，通過對比鋼渣集料改性前后吸水率、壓碎值和與瀝青的黏附性的變化來評價鋼渣表面改性效果。依據JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》進行吸水率和壓碎值檢測，依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》檢測瀝青與鋼渣集料的黏附性。吸水率降低程度越大，鋼渣集料瀝青吸收系數越小，改性效果越好。通過拌和法或浸泡法使集料表面包裹一層改性劑膜，通過鋼渣集料改性前后壓碎值的變化，檢驗改性劑的強度和鋼渣與改性劑的包裹黏結力，壓碎值降低越大，效果越好；通過與瀝青的黏附性試驗，檢測評價改性劑與瀝青的黏附能力，黏附等級越高，黏附性越好。

2 鋼渣表面改性試驗設計及結果分析

2.1 水泥凈漿表面處理鋼渣

水泥采用中材萍鄉水泥有限公司生產的32.5級礦渣硅酸鹽水泥，其技術指標和強度等級滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。

分別按未改性和水灰比0.3、0.4、0.5調制水泥凈漿液，稱取300 g粒徑為 9.5～13.2 mm的鋼渣，采取浸泡法進行改性處理。試驗過程：根據不同水灰比調制水泥凈漿液，將洗凈的鋼渣倒入水泥漿中不斷攪拌15 min以盡量排除鋼渣孔隙中空氣，使水泥漿充分浸潤鋼渣；將鋼渣從水泥漿中撈出放入托盤中，蓋上保鮮薄膜防止水分蒸發，靜置1 d后放入標準養護室中養護28 d后得到水泥凈漿改性鋼渣CPSS(見圖1)。鋼渣改性前后吸水率、壓碎值檢測結果見圖2。

圖1 CPSS圖像

圖2 SS和CPSS的吸水率、壓碎值試驗結果對比

從圖2可以看出：與SS相比，CPSS的吸水率和壓碎值隨著水灰比的減小呈降低趨勢，這是因為在相同條件下鋼渣表面覆蓋的水泥水化層越密實，改性鋼渣的吸水率越小，改性層越密實強度越高，壓碎值越小。水灰比為0.4時，CPSS的吸水率降低到1.98%，比SS降低15.4%；壓碎值降幅為6.1%。水灰比從0.4降低到0.3時，CPSS的吸水率、壓碎值降幅不明顯。據此確定CPSS的最佳水灰比為0.4。即使水灰比降低到0.3，CPSS的吸水率依然高達1.96%，這是因為水泥在水化過程中始終會留下一部分毛細孔，同時水泥水化是一個長期的過程，本次試驗中試樣僅養護28 d，28 d后水泥水化仍在繼續，可能是其毛細孔數量進一步增加導致吸水率高。

2.2 硅烷偶聯劑表面處理鋼渣

采用江蘇晨光公司生產的硅烷偶聯劑KH-550，它是一種無色透明液體，25 ℃下的相對體積質量為0.946、折光率為1.41～1.422，沸點為217 ℃。KH-550的分子結構中含有兩種化學性質不同的功能團，一種親有機物，一種親無機物，因而它可以將有機材料和無機材料黏合在一起。KH-550經過水解生成—OH，硅烷上的—OH可以與被處理材料表面的羥基—OH通過氫鍵連接起來，再經過脫水聚合生成—O—共價鍵，進而使改性劑牢固地吸附在被處理材料表面。文獻[19]的試驗結果表明，KH-550的最佳水解配方為m(KH-550)∶m(水)∶m(乙醇)=5∶45∶50，最佳水解時間為20 min。

采用拌和法處理鋼渣表面，方法如下：將配置好的KH-550水解溶液分別按照鋼渣質量的2%、4%、6%進行表面處理，不斷拌和鋼渣使改性劑均勻附著在鋼渣表面，隨后將被改性劑潤濕的鋼渣放入烘箱中，考慮到瀝青混合料生產過程中集料預熱溫度，將烘箱溫度調整至160 ℃固化30 min，鋼渣自然冷卻后得到SCA改性鋼渣SCASS(見圖3)。用鏟子將SCASS充分分散后進行吸水率與壓碎值測試，測試結果見圖4。

圖3 SCASS圖像

從圖4可以看出：經過KH-550處理后的鋼渣，吸水率有所下降，但下降幅度不大。KH-550水解溶液摻量達到鋼渣質量的4%時，吸水率降到2.13%，降幅為9.0%；摻量大于4%時對鋼渣吸水率的影響不明顯。經過KH-550改性后鋼渣的壓碎值變化不明顯，降幅僅為1.1%。KH-550具有一定的隔水作用，改性后鋼渣吸水率有所降低，但其在鋼渣表面形成的膜并不連續、致密，導致改性后鋼渣吸水率仍然偏高，壓碎值無明顯強化。

圖4 SS和SCASS的吸水率和壓碎值試驗結果對比

2.3 聚乙烯醇溶液表面處理鋼渣

聚乙烯醇(PVA)采用PVA-1799(160目)，其聚合度為1 700，醇解度為99%，呈白色粉末狀。PVA能在熱水中溶解，是一種重要的有機化合物，常用于制作膠水、黏合劑、乳化劑等。

用開水配制6%、8%、10%、12% 4種質量分數的PVA溶液。由于PVA固體在95 ℃加熱條件下才能完全溶入水中，加熱溫度越高其溶解速率越快，但溫度達到160 ℃時發生脫水醚化，失去溶解性。因此，將裝有PVA的盆密封后放入150 ℃烘箱中加熱，直至PVA粉末完全溶解，得到PVA溶液。

將PVA溶液冷卻至室溫后開始浸泡鋼渣，浸泡時PVA溶液高出鋼渣頂面1 cm以上以保證鋼渣被充分浸潤。浸泡過程中每隔6 h攪拌一次，以排出鋼渣內部氣泡。浸泡24 h后用濾網將鋼渣瀝干，并放入105 ℃烘箱中烘干，之后在室溫下冷卻得到PVA改性鋼渣PVASS。由于PVA溶液烘干后會在鋼渣表面形成一層有黏性的膜，鋼渣烘干后會黏結在一起，需用小鏟子將其分散開。PVASS見圖5，PVASS試驗結果見圖6。

圖5 PVASS圖像

由圖6可知：PVA溶液質量分數達到8%時，鋼渣的吸水率、壓碎值基本已降至最低，吸水率降到1.91%、降幅為18.4%，壓碎值降到17.3%、降幅為4.4%；質量分數繼續增大，改性效果無明顯增長。據此確定PVA溶液最佳質量分數為8%。

圖6 SS和 PVASS的吸水率和壓碎值試驗結果對比

2.4 環氧丙烯酸改性有機硅樹脂表面處理鋼渣

采用無錫某化工材料公司生產的50%固含量的環氧丙烯酸改性有機硅樹脂(EAOR)，它為無色透明液體，不溶于水和乙醇，溶于甲苯、二甲苯、醋酸丁酯等溶劑，其主要參數見表1。

表1 EAOR的主要參數

由于改性劑黏稠程度不一樣，在表面處理鋼渣的過程中，鋼渣上改性劑附著厚度不同，改性劑流動性不同，不同黏稠程度改性劑的最佳劑量不一致。參考SCA對鋼渣表面處理的最佳用量，使用占鋼渣質量4%的EAOR對鋼渣進行表面處理，使用二甲苯溶劑將EAOR稀釋成不同質量分數后對鋼渣進行表面處理。

試驗采用m(EAOR)：m(二甲苯稀釋劑)=1∶0、2∶1、1∶1、1∶2 4種質量分數制成改性劑溶液對鋼渣進行表面處理。過程如下：將改性劑溶液按照鋼渣質量4%的用量摻入鋼渣中，不斷攪拌使改性劑溶液均勻分布在鋼渣表面；將拌和好的改性鋼渣放入烘箱中進行固化(根據表1，烘箱溫度為150 ℃，固化時間為1～2 h)，待鋼渣表面改性劑溶液完全固化后，從烘箱中取出鋼渣，在室溫下冷卻得到EAOR改性鋼渣EAORSS(見圖7)。EAORSS的吸水率、壓碎值測試結果見圖8。

圖7 EAORSS圖片

圖8 SS和EAORSS的吸水率、壓碎值試驗結果對比

由圖8可知：1) 僅加入二甲苯稀釋劑的SS的吸水率為2.34%，隨EAOR質量分數的增加，總體上吸水率呈逐漸下降趨勢。m(EAOR)：m(二甲苯稀釋劑)=2∶1時，EAORSS吸水率為0.82%，比SS下降65.0%，降低吸水率效果較好，印證了EAOR優良的成膜性及憎水性。改性劑質量分數進一步增加至直接用未稀釋的EAOR對鋼渣進行表面改性時，吸水率反而有所上升，這是因為未經稀釋的EAOR過于黏稠，在改性鋼渣拌和過程中，改性劑不易于均勻覆蓋鋼渣表面，同時鋼渣表面改性劑層厚度較大，4%的改性劑用量無法完全覆蓋鋼渣表面。2) 隨著EAOR質量分數的增長，EAORSS的壓碎值降低，EAOR能填充原狀鋼渣的孔隙及部分微裂縫，使鋼渣內部更加密實，從而進一步提高鋼渣的力學性能。m(EAOR)：m(二甲苯稀釋劑)=2∶1時，壓碎值降低8.3%；使用未稀釋的EAOR時，壓碎值未進一步降低，再次證明質量分數過高的改性劑不利于其均勻分布在鋼渣表面，表面處理效果差，同時會增加改性劑用量。EAOR用量為鋼渣質量的4%時，其最佳稀釋比例為m(EAOR)：m(二甲苯稀釋劑)=2∶1，改性鋼渣的吸水率降至0.82%、降幅達65.0%，壓碎值降至16.6%、降幅為8.3%。

3 鋼渣表面處理效果評價

3.1 瀝青黏附性分析

將4種改性劑采用最佳表面處理方案對鋼渣進行表面處理后，分別測試表面處理前后鋼渣與瀝青的黏附性。鋼渣粒徑為9.5～13.2 mm。根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，采用水浸法進行試驗，試驗結果見表2。

表2 瀝青與表面處理前后鋼渣的黏附性試驗結果

由表2可知：采用4種改性劑對鋼渣表面進行處理后，CPSS、SCASS與瀝青的黏附性與SS一致，為5級；PVASS、EAORSS與瀝青的黏附性有所降低，為4級。

3.2 表面處理鋼渣的表面微觀分析

采用掃描電鏡(SEM)觀察鋼渣表面的微觀結構，分析各種改性劑對鋼渣表面構造的影響。鋼渣表面處理前后微觀形貌見圖9。

由圖9可知：CPSS在500倍放大和2 000倍放大下依舊可以看到部分小孔隙及微裂縫，這是因為水泥在初凝前依舊存在流動性，導致鋼渣局部區域表面水泥漿分布不均，同時水泥在硬化過程中發生干縮產生裂縫；SCASS在放大500倍及2 000倍下依舊存在大量孔隙及微裂縫，在500倍下大孔隙也較多，這是由SCA在鋼渣表面成膜性差導致的；PVASS在放大500倍及2 000倍下表面孔隙數量明顯減少，鋼渣表面小孔隙及微裂縫幾乎都被改性劑填滿或覆蓋，但仍存在很多大孔隙；EAORSS表面孔隙、微裂縫幾乎都被填充，但鋼渣表面粗糙的紋理并未被覆蓋，圖中白色的即為“凸起”點。

3.3 鋼渣表面處理技術效果評價

鋼渣表面處理前后技術性能參數對比見表3。技術要求采用CJJ 1—2008《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》對城市快速路、主干道表面層級粗集料的要求。

由表3可知：采用EAOR作為鋼渣表面改性劑時鋼渣的吸水率、壓碎值降幅最大，分別為65.0%、8.3%，兩項性能提升幅度均排第一，同時EAOR與瀝青的黏附性達到4級標準，滿足規范要求。4種鋼渣表面處理改性劑中，EAOR的綜合效果最優。

表3 鋼渣表面處理前后技術性能參數對比

4 結論

(1) 4種改性劑的最佳設計方案為：水泥凈漿改性鋼渣(CPSS)，水灰比0.4，采取浸泡的方式處理鋼渣表面；硅烷偶聯劑改性鋼渣(SCASS)，水解配方溶液為m(KH-550)∶m(水)∶m(乙醇)=5∶45∶50，摻量4%，采用拌和法處理鋼渣表面；聚乙烯醇溶液改性鋼渣(PVASS)，用熱水配制PVA溶液，質量分數為8%，采取浸泡的方式處理鋼渣表面；環氧丙烯酸改性有機硅樹脂改性鋼渣(EAORSS)，采用m(EAOR)∶m(二甲苯稀釋劑)=2∶1配制改性劑，摻量4%，采用拌和法處理鋼渣表面。

(2) 按照4種改性劑的最佳設計方案進行試驗，依據吸水率、壓碎值、與瀝青的黏附性綜合提升效果，環氧丙烯酸改性有機硅樹脂(EAOR)表面處理性能最好，其次是聚乙烯醇溶液(PVA)、水泥凈漿(CP)，硅烷偶聯劑(SCA)最差。