電爐鋼渣路床材料安定性能試驗(yàn)研究

李新明， 張小旺， 樂(lè)金朝， 尹 松

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 河南 鄭州 450003； 3.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450003)

電爐鋼渣路床材料安定性能試驗(yàn)研究

李新明1， 張小旺2， 樂(lè)金朝3， 尹 松1

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 河南 鄭州 450003； 3.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450003)

鋼渣陳化齡期與鋼渣粒徑對(duì)鋼渣安定性影響較大。以舞鋼電爐鋼渣為研究對(duì)象，分析鋼渣陳化齡期、鋼渣粒徑對(duì)游離氧化鈣f-CaO、粉化率等影響規(guī)律，結(jié)合CBR膨脹量綜合評(píng)價(jià)電爐鋼渣路床材料體積穩(wěn)定性。結(jié)果表明：電爐鋼渣f-CaO含量較轉(zhuǎn)爐鋼渣低；隨陳化齡期延長(zhǎng)，電爐鋼渣f-CaO含量呈減小趨勢(shì)。各粒徑范圍鋼渣粉化率均隨陳化齡期增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，但不同粒徑鋼渣粉化率相差較大，粒徑大的鋼渣顆粒較粒徑小的顆粒粉化率大。鋼渣CBR膨脹量隨陳化齡期的增加而減小，隨鋼渣粒徑的增大而單調(diào)增大。與路床設(shè)計(jì)4%石灰土相比，摻8%鋼渣穩(wěn)定土CBR膨脹量較小，工程應(yīng)用驗(yàn)證了鋼渣用于處治路床材料的可行性。

鋼渣； 安定性； 粉化率； 陳化齡期； 粒徑

鋼渣是煉鋼工業(yè)副產(chǎn)品，主要來(lái)自于為煉鋼工藝需要而加入的造渣材料[1]。截止2013年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量約占全世界總產(chǎn)量的一半左右，鋼渣年產(chǎn)出量高達(dá)4 000萬(wàn)t以上。但與歐美發(fā)到國(guó)家高達(dá)90%以上的綜合利用率相比，我國(guó)鋼渣的綜合利用率僅為10%左右[2，3]。鋼渣的大量堆積已成為我國(guó)重要的環(huán)境與社會(huì)問(wèn)題。如何將這些鋼渣合理高效的利用，是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

鋼渣用于建筑材料的研究已有幾十年的歷史，對(duì)其工程應(yīng)用可行性及其劣化機(jī)理均已有較為深刻的認(rèn)識(shí)。研究成果表明[4，5]，限制鋼渣大規(guī)模工程應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其安定性。鋼渣由于其特殊的形成過(guò)程，其物理力學(xué)性狀與煉鋼工藝密切相關(guān)[6]。目前，我國(guó)煉鋼以轉(zhuǎn)爐為主，對(duì)于鋼渣的研究主要集中于轉(zhuǎn)爐鋼渣。近年來(lái)，由于電爐煉鋼工藝的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)量持續(xù)增加，電爐鋼渣排放量也日益增加。電爐鋼渣與轉(zhuǎn)爐鋼渣特點(diǎn)有很大差別，但電爐鋼渣安定性及工程應(yīng)用研究仍較薄弱[7，8]。電爐鋼渣的安定性研究對(duì)于其在道路工程中的應(yīng)用十分必要[9]。

鋼渣陳化齡期與鋼渣粒徑是影響鋼渣安定性的兩個(gè)重要因素。本文參考已有體積穩(wěn)定性檢測(cè)方法，分別從鋼渣陳化齡期、鋼渣粒徑角度對(duì)f-CaO、粉化率等安定性表征指標(biāo)進(jìn)行研究，并結(jié)合CBR膨脹量綜合分析電爐鋼渣體積穩(wěn)定性能的陳化齡期與鋼渣粒徑效應(yīng)，為其在路基工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

① 鋼渣。試驗(yàn)用鋼渣為舞鋼電爐鋼渣。堆積鋼渣在空氣、水、陽(yáng)光等作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成在自然環(huán)境下更穩(wěn)定的新分子，這個(gè)過(guò)程稱為鋼渣的陳化。陳化齡期對(duì)鋼渣安定性影響較大，處理不好將會(huì)對(duì)道路工程造成一定病害。

選取3種不同陳化時(shí)間的自然渣為研究對(duì)象，表觀密度2.57～2.74 g/cm3，與普通石料密度基本相同，但較粘土壓實(shí)路基密度大約30%，在軟土路基地段慎用?；瘜W(xué)成分如表1所示[10]。從表1可知：該鋼渣氧化鈣(CaO)含量高達(dá)49%，3種齡期鋼渣的堿度均大于2.5，屬高堿度的硅酸三鈣渣，活性較大。

表1 不同齡期鋼渣的主要化學(xué)成分Table1 Chemicalcompositionofsteelslagwithdifferentages%成分新渣4月渣8月渣CaO494448514761MgO532519508SiO2148915121415Al2O3141613061364Fe2O3224217200f-CaO266284108

② 石灰。采用舞陽(yáng)鋼鐵公司鈣質(zhì)生石灰，屬三級(jí)石灰。

③ 土樣。取自葉舞高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)，液限41.6%，塑限22.2%，為低液限黏土[11]，其最佳含水率14.5%，最大干密度1.90 g/cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 f-CaO含量及其規(guī)律研究

影響鋼渣工程應(yīng)用的主要原因是其體積安定性較差。鋼渣的體積安定性差與游離氧化鈣(f-CaO)、氧化鎂、氧化鐵等密切相關(guān)。如氧化鈣與水結(jié)合形成氫氧化鈣，體積增大1～2倍；氧化鎂與水反應(yīng)后形成氫氧化鎂，體積增大約75%。但研究表明，氧化鎂一般以晶體狀態(tài)存在，在道路工程中基本處于穩(wěn)定狀態(tài)[12]。若游離氧化鈣含量較高，將會(huì)導(dǎo)致路基隆起、裂縫等病害產(chǎn)生。游離氧化鈣是最主要的影響因素[1]。

為了解陳化齡期對(duì)鋼渣f-CaO含量的影響，對(duì)陳化齡期為0月、4月、8月鋼渣進(jìn)行f-CaO含量測(cè)試，同時(shí)搜集了3種轉(zhuǎn)爐鋼渣在不同陳化齡期下的f-CaO含量如圖1所示[1，5，13]。

可以看出：轉(zhuǎn)爐鋼渣與電爐鋼渣隨陳化齡期的增大，其f-CaO含量均呈下降趨勢(shì)，在陳化12個(gè)月后，除轉(zhuǎn)爐鋼渣3外，其余均滿足《鋼渣石灰類道路基層施工及驗(yàn)收規(guī)范》(CJJ35-90)“鋼渣中f-CaO含量應(yīng)小于3%”的要求[14]。延長(zhǎng)陳化齡期是較為有效的提高鋼渣安定性的方法。

轉(zhuǎn)爐鋼渣f-CaO含量較電爐鋼渣高，轉(zhuǎn)爐鋼渣2新渣f-CaO含量高達(dá)12.54%。不同煉鋼工藝等因素影響下，鋼渣安定性差別較大。就本文選取電爐鋼渣而言，游離氧化鈣含量較低，分別為2.66%、2.84%、1.08%。鋼渣內(nèi)f-CaO含量隨陳化時(shí)間延長(zhǎng)有所減小，在陳化齡期增至8月后，其游離氧化鈣含量?jī)H為1.08%。在鋼渣工程應(yīng)用中，為減小其膨脹性的影響，一般建議采用陳化12個(gè)月以上的鋼渣[12]。電爐鋼渣由于其f-CaO含量較低，陳化時(shí)間可酌情減小，從而減小鋼渣占地等不利影響。

圖1 鋼渣f-CaO含量Figure 1 f-CaO content of steel slag

2.2 陳化齡期對(duì)鋼渣顆粒組成的研究

不同陳化齡期鋼渣顆粒分析結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯?/p>

圖2 不同陳化齡期鋼渣顆粒組成Figure 2 Particle composition of steel slag with different ages

① 未磁選新渣最大粒徑為9.5～19 mm，約占鋼渣總質(zhì)量的17%；陳化齡期為0月、4月和8月鋼渣粒徑均小于9.5 mm。這說(shuō)明9.5～19 mm大粒徑鋼渣含鐵量較高，磁選后可去除。磁選過(guò)程可降低氧化鐵在鋼渣工程應(yīng)用的膨脹不穩(wěn)定因素。

② 對(duì)比陳化齡期0月、4月和8月鋼渣粒徑分布可以看出，1.18～9.5 mm粒徑鋼渣隨著齡期增加而逐漸減小，小于1.18 mm粒徑鋼渣則隨齡期增加而逐漸增加。以陳化齡期為0月和8月為例，4.75～9.5 mm粒組、2.36～4.75 mm粒組、1.18～2.36 mm粒組分別由10%、5%、20%減小為7%、3%、16%。0.3～0.6 mm粒組、0.15～0.3 mm粒組、0.075～0.15 mm粒組分別由14.5%、15%、11%增加至19%、21%、13%。

究其原因，鋼渣粒徑的變化與鋼渣內(nèi)不均勻分布活潑化學(xué)成分有關(guān)[12]。鋼渣具有一定的粒徑，從而導(dǎo)致鋼渣內(nèi)活潑化學(xué)成分與周?chē)橘|(zhì)(空氣、水等)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程是逐漸發(fā)展的。由于鋼渣內(nèi)其活潑化學(xué)成分分布的不均勻性，顆粒表面部分最早發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在活潑化學(xué)成分集中部位，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生較大的膨脹力，導(dǎo)致其表面產(chǎn)生破裂、崩解等，進(jìn)而使得鋼渣粒徑減小，隨著陳化時(shí)間推移如此反復(fù)進(jìn)行。

2.3 陳化齡期對(duì)鋼渣粉化率的影響

粉化率是鋼渣集料安定性測(cè)試的重要方面。傳統(tǒng)粉化率測(cè)試方法[15]側(cè)重于蒸煮過(guò)程，但其不足之處在于鋼渣粉化膨脹后顆粒粒徑不一定小于1 mm，故大于1 mm的粉化鋼渣顆粒不能得到有效表征。

鑒于上述不足，本文鋼渣粉化率試驗(yàn)步驟如下：選不同齡期自然級(jí)配鋼渣過(guò)篩，獲得粒徑范圍為1.18～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5 mm共3份渣樣，每份渣樣500 g，蒸煮過(guò)程同上。蒸煮完成后烘干并篩分，稱取篩上各個(gè)粒徑范圍內(nèi)的鋼渣質(zhì)量，計(jì)算獲得小于1.18、2.36、4.75 mm鋼渣粉化率，從而對(duì)大于1.18 mm粉化鋼渣顆粒進(jìn)行表征。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于鋼渣隨陳化齡期的增加，部分細(xì)顆粒附著在粗鋼渣顆粒表面，直接進(jìn)行粉化率所得試驗(yàn)結(jié)果并不能確切的表明其粉化率。故在試驗(yàn)前先對(duì)不同粒徑范圍的鋼渣浸泡一晝夜，經(jīng)水篩后烘干，供鋼渣粉化率試驗(yàn)使用。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)3種齡期及3種粒徑范圍鋼渣粉化率分析其安定性能的齡期效應(yīng)與粒徑效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 鋼渣粉化率試驗(yàn)結(jié)果Table3 Steelslagpulverizationratio齡期粒徑/mm小于118mm粒徑所得粉化率/%平均值/%傳統(tǒng)方法所得粉化率/%小于236mm或475mm質(zhì)量所得粉化率/%新渣———11480月118～236730236～475487475～95249489494—7529344月118～236683236～475442475～95373499549—7626968月118～236512236～475448475～95240400436—752622 注：傳統(tǒng)方法離散性較大，本試驗(yàn)結(jié)果為6次平行試驗(yàn)結(jié)果平均值。

由表3可知：陳化齡期與鋼渣粒徑是影響鋼渣粉化率的2個(gè)重要因素。

① 就陳化齡期對(duì)鋼渣粉化率的影響而言，各粒徑范圍鋼渣粉化率均隨陳化齡期的增加呈下降趨勢(shì)，陳化齡期對(duì)降低鋼渣粉化率有一定作用。以1.18～2.36 mm粒組為例，陳化齡期為0月、4月和8月鋼渣粉化率分別為7.30%、6.83%、5.12%。以小于1.18 mm粒徑鋼渣粉化率平均值來(lái)看，陳化齡期為0月、4月和8月鋼渣粉化率分別為4.89%、4.99%、4.00%，而傳統(tǒng)鋼渣粉化率試驗(yàn)方法所得鋼渣粉化率為4.94%、5.49%、4.36%。原冶金部利用鋼渣鋪路試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼渣粉化率<5%時(shí)，鋼渣性能穩(wěn)定，可用于道路工程中。由此可以看出，試驗(yàn)用鋼渣除齡期4月鋼渣粉化率略大于5%外，其余鋼渣均符合該要求。但對(duì)于新渣，其鋼渣粉化率高達(dá)11.48%，這進(jìn)一步說(shuō)明磁選過(guò)程對(duì)于電爐鋼渣工程應(yīng)用穩(wěn)定性影響較大。

② 以小于1.18 mm粒徑鋼渣粉化率計(jì)算，不同粒組鋼渣粉化率相差較大。以0月鋼渣為例，其1.18～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5 mm鋼渣粉化率分別為7.30%、4.87%、2.49%，即粒徑越大，鋼渣粉化率反而越小，這與文獻(xiàn)[1]的研究成果不同。究其原因，除與傳統(tǒng)粉化率試驗(yàn)方法不足有關(guān)外，也說(shuō)明鋼渣粉化后其粒徑并非均小于1.18 mm。以0月鋼渣4.75～9.5 mm粒徑范圍鋼渣為例，其小于4.75 mm所得粉化率為9.34%，這說(shuō)明經(jīng)粉化后，粒徑范圍為4.75～9.5 mm鋼渣中有9.34%的鋼渣粒徑小于4.75 mm，但此部分質(zhì)量未能完全計(jì)入小于1.18 mm粒徑鋼渣粉化率中。由此可見(jiàn)，采用不同粒徑范圍鋼渣粉化率對(duì)于鋼渣本真粉化特性及工程應(yīng)用均具有重要意義。

③ 結(jié)合不同陳化齡期鋼渣f-CaO含量(見(jiàn)圖1)，發(fā)現(xiàn)鋼渣粉化率與f-CaO有顯著的正比例關(guān)系，而與其他化學(xué)成分關(guān)系不大。f-CaO含量越高，鋼渣粉化率越大。對(duì)于試驗(yàn)用鋼渣，鋼渣粉化率與f-CaO含量可互相表征。這可解釋為：隨著陳化齡期的增加，f-CaO含量逐漸降低，使得鋼渣顆粒中產(chǎn)生膨脹破壞的幾率變小，從而導(dǎo)致粉化率降低，鋼渣內(nèi)部化學(xué)成分趨于穩(wěn)定。

2.4 CBR膨脹量實(shí)驗(yàn)

《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》(YBT 4184-2009)[16]采用鋼渣CBR膨脹量方法來(lái)評(píng)價(jià)其體積安定性。分別利用純鋼渣和鋼渣混合料制作CBR試件，利用百分表記錄試件的微膨脹值。不同齡期鋼渣CBR膨脹量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同齡期鋼渣CBR膨脹時(shí)程曲線Figure 3 Steel slag CBR expansion value with time for different ages

可以看出：鋼渣陳化齡期、鋼渣粒徑對(duì)鋼渣膨脹量均有一定影響。

① 不同陳化齡期、粒徑下鋼渣CBR膨脹時(shí)程曲線均表現(xiàn)為3個(gè)階段：第一階段為膨脹量加速階段(0～20 h)，此階段鋼渣顆粒遇水后產(chǎn)生膨脹變形，鋼渣的大部分膨脹變形在此階段內(nèi)完成；第二階段為膨脹速率衰減階段(20～40 h)，隨著浸水時(shí)間的推移，鋼渣膨脹變形趨勢(shì)變緩；第三階段鋼渣膨脹量趨于穩(wěn)定階段(40 h以后)，此階段歷時(shí)較長(zhǎng)但膨脹變形量很小。

② 就鋼渣陳化齡期而言，鋼渣CBR膨脹量隨陳化齡期的增加而單調(diào)減小。以粒徑范圍0～0.6 mm鋼渣為例，陳化齡期為0月和8月鋼渣的CBR膨脹量為0.22、0.19 mm，減小0.03 mm。

③ 就鋼渣粒徑而言，鋼渣CBR膨脹量隨鋼渣粒徑的增大而單調(diào)增大。以0月鋼渣CBR膨脹量為例，鋼渣粒徑范圍為0～0.15、0～0.6、0～2.36 mm CBR膨脹量分別為0.18、0.22、0.25 mm，增大約39%。鋼渣粒徑對(duì)CBR膨脹量的影響較大，且粒徑越小，鋼渣穩(wěn)定性越強(qiáng)[6]。此外，0～0.15 mm鋼渣最大干密度僅1.37 g/cm3，鋼渣CBR試件孔隙較大，這可能也是0～0.15 mm鋼渣CBR膨脹量小的一個(gè)因素，在工程應(yīng)用中需綜合考慮。

2.5 常用路床材料CBR膨脹量對(duì)比分析

圖4為素土、8%鋼渣穩(wěn)定土與4%石灰穩(wěn)定土膨脹時(shí)程曲線。可以看出，素土、8%鋼渣穩(wěn)定土和4%石灰穩(wěn)定土CBR浸水膨脹量分別為8.21、0.84、3.58 mm，8%鋼渣穩(wěn)定土CBR膨脹量約為4%石灰土的1/4，素土的1/10。鋼渣穩(wěn)定土CBR膨脹量比素土試件CBR膨脹量大大減小，并未出現(xiàn)由于鋼渣的摻入導(dǎo)致的試件膨脹量增大。這說(shuō)明鋼渣活性較好，摻入后與素土中的礦物發(fā)生反應(yīng)，生成了一定的膠結(jié)物，增加了對(duì)素土膨脹的約束力。電爐鋼渣性質(zhì)優(yōu)良，膨脹量較小。

圖4 3種路床材料CBR膨脹量Figure 4 Steel slag CBR expansion value for 3 roadbed materials

需要注意的是，鋼渣中f-CaO等由于其形成溫度較高，結(jié)晶完好，其完全水化所需時(shí)間較長(zhǎng)，故仍需關(guān)注其長(zhǎng)期膨脹特性。

3 工程應(yīng)用

選用陳化齡期8個(gè)月鋼渣，鋼渣摻量8%(質(zhì)量百分比)在葉舞高速公路K47+620～K47+800段進(jìn)行試驗(yàn)路段鋪筑，根據(jù)《路基施工技術(shù)規(guī)范》，對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行路床平整度和彎沉值(貝克曼梁法)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，鋼渣穩(wěn)定土路床頂平整度符合規(guī)范要求。試驗(yàn)路段10個(gè)測(cè)試點(diǎn)彎沉值平均值為103.41(0.01 mm)，與設(shè)計(jì)4%石灰土路床材料彎沉值98.65(0.01 mm)基本相近。工程竣工6 a來(lái)，高速公路運(yùn)行良好，并未出現(xiàn)路基開(kāi)裂、膨脹等病害，這說(shuō)明使用鋼渣穩(wěn)定土進(jìn)行路床鋪筑是可行的。

4 結(jié)論

① 電爐鋼渣游離氧化鈣含量隨陳化齡期延長(zhǎng)呈減小趨勢(shì)，8個(gè)月后降至1.08%，滿足“鋼渣石灰類道路基層施工及驗(yàn)收規(guī)范”(CJJ35-90)中 “鋼渣中f-CaO含量應(yīng)小于3%”的要求。電爐鋼渣f-CaO含量較轉(zhuǎn)爐鋼渣低，可適當(dāng)縮短陳化時(shí)間。

② 陳化齡期從0月增至8月后，1.18～9.5 mm粒徑鋼渣隨著齡期增加而逐漸減小，小于1.18 mm粒徑鋼渣則隨齡期增加而逐漸增加。

③ 通過(guò)改進(jìn)鋼渣粉化率試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)不同粒組鋼渣粉化率相差較大，且粒徑大的鋼渣顆粒較粒徑小的顆粒粉化率大，應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意大顆粒鋼渣含量。各粒徑范圍鋼渣粉化率均隨陳化齡期增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，陳化齡期對(duì)降低鋼渣粉化率有一定作用。

④ 對(duì)不同陳化齡期、粒徑分布鋼渣CBR膨脹量研究發(fā)現(xiàn)，電爐鋼渣CBR膨脹量隨陳化齡期的增加而單調(diào)減小，隨鋼渣粒徑的增大而單調(diào)增大。需要說(shuō)明的是，由于試驗(yàn)樣本較少，對(duì)于其他煉鋼工藝鋼渣演化規(guī)律尚需進(jìn)一步研究。

⑤ 8%鋼渣穩(wěn)定土CBR浸水膨脹量較小，試驗(yàn)路段鋪筑驗(yàn)證了鋼渣穩(wěn)定土用于路床材料的可行性。

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Experimental Study on Electric Furnace Slag Stability for Roadbed Material

LI Xinming1， ZHANG Xiaowang2， YUE Jinchao3， YIN Song1

(1.Zhongyuan University of Technology School of Civil Engineering and Architecture， Zhengzhou， Henan 450007， China； 2.Henan Transportation Research Institute CO.， LTD， Zhengzhou， Henan 450003， China； 3.Zhengzhou University College of Water Conservancy & Environmental Engineering， Zhengzhou， Henan 450003， China)

Age and particle size are two important influence factors for the steel slag volume stability performance.Wuyang Steel Corporation electric furnace slag was studied as the research object.The effects of age and particle sizeon the free calcium oxide slag(f-CaO)and pulverization ratio were analyzed.Combined with the California Bearing Ratio(CBR)，comprehensive evaluation of the electric furnace slag expansion roadbed material volume stability was studied.The results show that the electric furnace slag f-CaO content was lower than that in converter slag.With the increasing of aging time，the electric furnace slag f-CaO content was decreased.Each particle size range of steel slag pulverization ratio decreased with aging time growth，but different particle size steel slag has different pulverization rate.The larger particle size steel slag，the bigger pulverization ratio.Steel slag CBR expansion decreases with the increasing of aging time.The larger the particle size，the larger steel slag CBR volume expansion.The CBR expansion volume of 8% steel slag stabilized soil is about 1/4 of that for 4% lime soil.The electric furnace slag has good volume stability performance，which is favorable for the engineering application.

steel slag； volume stability performance； pulverization ratio； age； particle size

2016 — 07 — 29

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目資助(15A560013)

李新明(1987 — )，男，河南修武人，博士，講師，主要從事巖土工程的科研與教學(xué)工作。

U 416.4

A

1674 — 0610(2016)06 — 0093 — 05