未陳化鋼渣在水穩(wěn)碎石基層的應(yīng)用

陳云飛，鄭文俊，周劍波，胡力群，肖 棟

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.浙江省衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000）

0 引 言

鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品，每煉1t鋼產(chǎn)生125～140kg鋼渣。隨著中國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鋼渣的排放量逐年增大，大量鋼渣廢棄堆放，侵占農(nóng)田、污染環(huán)境。將鋼渣代替部分石料應(yīng)用到道路工程中，可大量減少天然土石料的開采，同時(shí)大量消納鋼渣，在節(jié)約能源方面具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)階段，將鋼渣代替碎石應(yīng)用到道路基層上的研究已有不少。曹寶貴［1］和游潤(rùn)衛(wèi)［2］將放置一年以上、充分消解的鋼渣應(yīng)用到了二灰穩(wěn)定鋼渣基層的建設(shè)中，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度、壓實(shí)度、彎沉等指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求。張澎［3］發(fā)現(xiàn)不同粒徑（4.75mm 與9.5 mm）的鋼渣代替同粒徑集料的混合料時(shí)，其抗壓強(qiáng)度是減小的，劈裂抗拉強(qiáng)度有所增大。李飛［4］通過(guò)對(duì)水泥穩(wěn)定類路面基層材料摻入不同比例的鋼渣集料以進(jìn)行室內(nèi)干縮和溫縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著鋼渣在集料中的比例由0%增至100%，水泥穩(wěn)定類材料的總干縮系數(shù)最多減少40.0%，水泥穩(wěn)定類材料的平均溫縮系數(shù)最多增加23.6%。馮群英［5］將堆放陳化一年以上的鋼渣應(yīng)用到水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層中，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層的強(qiáng)度、彎沉值均優(yōu)于水泥穩(wěn)定碎石基層，可以用于鋪筑基層。

這些在道路基層中應(yīng)用的鋼渣大都是在自然界中陳化一年甚至數(shù)年達(dá)到穩(wěn)定的鋼渣，這樣的鋼渣需要時(shí)間陳化，需要空間堆積，消納不及時(shí)。受工期影響、產(chǎn)量有限的自然陳化的鋼渣會(huì)限制鋼渣大規(guī)模地應(yīng)用到道路工程中，所以需要更深入地研究如何將齡期兩周左右、未經(jīng)自然陳化到穩(wěn)定狀態(tài)的鋼渣應(yīng)用到道路基層中。本工程采用衢州市元立鋼廠生產(chǎn)的齡期2周左右的未陳化鋼渣，依托浙江省46省道衢州樟潭至廿里公路施工項(xiàng)目，以基層試驗(yàn)路為研究對(duì)象，展開對(duì)未陳化鋼渣應(yīng)用到道路基層的研究。

1 未陳化鋼渣的處理方法

（1）自然風(fēng)化。Qasrawi［6］建議將鋼渣放置在室外暴露一段時(shí)間，以讓鋼渣經(jīng)歷短期和長(zhǎng)期水化反應(yīng)而自由膨脹和粉碎，進(jìn)而使實(shí)現(xiàn)物理和化學(xué)穩(wěn)定。

（2）浸水陳化。鋼渣中主要的膨脹成分f－CaO能水化生成Ca（OH）2，吳旻［7］對(duì)游離氧化鈣含量為3.74%的原始鋼渣分別作露天陳放處理和浸水陳化處理，并測(cè)定不同時(shí)間段鋼渣中f－CaO含量變化情況，結(jié)果表明相同的時(shí)間內(nèi)浸水陳化對(duì)改善鋼渣膨脹性效果較自然風(fēng)化更好。

（3）改進(jìn)鋼渣處理工藝。例如采用冷卻前處理，控制爐渣在冷卻階段的冷卻速率，可以使得鋼渣具有可接受的水硬性和安定性。Gautier［8］指出可通過(guò)緩慢冷卻（72h）來(lái)降低轉(zhuǎn)爐渣中的f－CaO含量。Wachsmuth［9］等指出這種方法對(duì)于f－CaO含量高的鋼渣而言效率并不高，由于大多數(shù)f－CaO呈過(guò)燒形態(tài)而不是沉淀狀態(tài)，從而使得冷卻速率對(duì)f－CaO的影響不大。又如在排渣期間添加硅質(zhì)材料可以對(duì)鋼渣進(jìn)行改性從而起到穩(wěn)定作用。Mombelli等［10］在電爐渣排渣期添加石英，使得SiO2與鋁酸鈣反應(yīng)生成水化活性低的鈣鋁黃長(zhǎng)石（即C2AS，是?；郀t礦渣的主晶相）從而起到穩(wěn)定鋼渣的效果。

（4）鋼渣碳酸化。鋼渣碳酸化處理，是讓鋼渣中堿性氧化物與二氧化碳反應(yīng)生成穩(wěn)定的碳酸鹽（如碳酸鈣），從而防止水化膨脹物的形成，使鋼渣達(dá)到穩(wěn)定。該方法的優(yōu)點(diǎn)之一是可對(duì)現(xiàn)有鋼渣堆進(jìn)行處理，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是存在于轉(zhuǎn)爐渣中2種形式的游離氧化鈣（過(guò)燒與沉淀）可與二氧化碳反應(yīng)而不斷降低轉(zhuǎn)爐渣的堿度。Ko等［11］研究表明：在碳化條件為200℃、40%的CO2和60%的相對(duì)濕度時(shí)，轉(zhuǎn)爐渣的f－CaO含量可降至最低水平，此時(shí)碳酸化后轉(zhuǎn)爐渣的CBR（承載比）得到提高。

（5）添加外摻材料。使用鋼渣時(shí)可以向其中添加外摻材料以降低其膨脹性。肖琪仲［12］發(fā)現(xiàn)在一定條件下，鋼渣中摻加硅質(zhì)材料（如二氧化硅）能抑制鋼渣的膨脹性，并且摻加硅質(zhì)材料后的鋼渣強(qiáng)度會(huì)變大。本文就使用這種方法，即摻入硅灰。硅灰中的活性SiO2含量很高，CaO含量較低，90℃水浴條件下活性SiO2很快和f－CaO水解產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，促進(jìn)f－CaO顆粒繼續(xù)水解，從而降低其膨脹率。

2 未陳化鋼渣處理前后體積穩(wěn)定性試驗(yàn)

按照《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》（YB／T 4184—2009）規(guī)定的鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，對(duì)元立鋼廠鋼渣料堆中具有代表性的齡期為2周左右的新鋼渣進(jìn)行試驗(yàn)。

膨脹率測(cè)定裝置如圖1所示。按照鋼渣的浸水膨脹率公式進(jìn)行計(jì)算即可得到新鋼渣每天的累計(jì)膨脹率，計(jì)算結(jié)果見表1。由表1中數(shù)據(jù)可知，按照規(guī)程粒徑分布的鋼渣的浸水膨脹率為2.69%，而《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》（YB／T 4184—2009）中規(guī)定鋼渣用于基層時(shí)其浸水膨脹率低于2.0%。因此，元立鋼廠產(chǎn)生的新鋼渣由于其浸水膨脹率太大，不能直接應(yīng)用于路面基層。

（1）首次揭示在郎酒高溫制曲進(jìn)程中，細(xì)菌與真核微生物種類具多樣性，但細(xì)菌與真核微生物變化趨勢(shì)差異顯著。

圖1 鋼渣浸水膨脹率測(cè)定裝置

根據(jù)抑制鋼渣膨脹的研究現(xiàn)狀，本研究嘗試摻加外摻劑硅灰來(lái)改善鋼渣的膨脹性，硅灰中的活性SiO2含量很高，CaO含量較低，90℃水浴條件下活性SiO2很快和f－CaO水解產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，促進(jìn)f－CaO顆粒繼續(xù)水解，從而降低其膨脹率。在鋼渣中分別摻入 0.7%、0.5%、0.3%、0.1%的硅灰，按照規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。鋼渣中不同硅灰摻量試件的累計(jì)膨脹率隨水浴時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

表1 各配合比鋼渣的累計(jì)膨脹率

圖2 摻不同比例硅灰的鋼渣的累計(jì)膨脹率隨水浴時(shí)間的關(guān)系

試驗(yàn)表明：摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%的硅灰均能有效抑制新鋼渣的膨脹性，且新鋼渣的浸水膨脹率隨著外摻劑硅灰摻量的增加而減小，分別降低了 66.3%、78.2%、92.6%、94.8%。有其他研究表明［13］，鋼渣中加入不同摻量的硅灰后，對(duì)其進(jìn)行的XRD物相分析中Ca（OH）2特征峰強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增加而降低，即游離氧化鈣（f－CaO）的含量隨著硅灰摻量的增加而降低。摻入0.1%、0.3%、0.5%、0.7%的硅灰后鋼渣的浸水膨脹率分別為0.91%、0.58%、0.20%、0.14%，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，摻入的硅灰劑量超過(guò)0.5%之后，對(duì)新鋼渣的膨脹性改善效果不明顯，從節(jié)約成本、保證浸水膨脹率在安全范圍內(nèi)的角度考慮，本研究采用0.5%的硅灰摻量改善新鋼渣的膨脹性。

3 試驗(yàn)方案

3.1 工程概況

浙江省46省道衢州樟潭至廿里公路為省、市重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，主線里程30.24km，元立金屬制品有限公司與擬建的該公路項(xiàng)目距離非常近。從環(huán)保、公路的可持續(xù)發(fā)展及降低工程造價(jià)等方面綜合考慮，經(jīng)認(rèn)真分析論證，認(rèn)為在該公路上進(jìn)行未陳化鋼渣底基層的應(yīng)用研究具有重要意義。施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明中對(duì)水泥穩(wěn)定碎石底基層的要求為：混凝土壓實(shí)度大于97%，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于4.0MPa，設(shè)計(jì)彎沉值為60.8（0.01mm）。試驗(yàn)路段位于第5－2施工標(biāo)段中的巨化支線上，里程樁號(hào)為ZK1＋000～ZK1＋300，全路線長(zhǎng)300m，底基層采用水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料，分兩層攤鋪，每層厚度為16cm。

3.2 原材料試驗(yàn)

3.2.1 水泥

本試驗(yàn)路段采用水泥標(biāo)號(hào)為32.5的陜西秦嶺牌復(fù)合硅酸鹽水泥，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)值如表2所示。檢測(cè)結(jié)果表明，所選用的水泥類型符合規(guī)范要求。

表2 試驗(yàn)水泥檢測(cè)結(jié)果

3.2.2 碎石

試驗(yàn)中用到的石料是常見的石灰?guī)r礦石，各項(xiàng)常規(guī)的物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

3.2.3 鋼渣

試驗(yàn)中用到的鋼渣是衢州市元立鋼廠生產(chǎn)的齡期2周左右的新鋼渣，取具有代表性鋼渣依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）進(jìn)行物理性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，可知各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 碎石的物理性能檢測(cè)結(jié)果

表4 鋼渣的物理性質(zhì)

3.3 配合比

（1）水泥劑量為4.3%。設(shè)計(jì)文件中巨化支線路段的底基層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求大于4MPa，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，水泥劑量為4.0%、4.5%的配合比均能滿足要求，選取4.0%的水泥劑量?？紤]到施工的變異性等因素，廠拌時(shí)添加的水泥劑量為4.3%。硅灰劑量為0.5%。

（2）鋼渣摻量為40%。根據(jù)室內(nèi)對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣碎石混合料進(jìn)行的力學(xué)性能試驗(yàn)、耐久性能試驗(yàn)以及可壓實(shí)性能的研究，試驗(yàn)路段最終決定采用40%的鋼渣摻量替代碎石。

（3）0～4.75mm石屑、9.5～19mm碎石、19～31.5mm碎石、新鋼渣的比例為10∶38∶12∶40，最佳含水率為5.5%。

4 試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)果和成本分析

4.1 壓實(shí)度

底基層碾壓完后，在左幅路上每50m選取一個(gè)點(diǎn)，按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG 60—2008）采用灌砂法檢測(cè)壓實(shí)度。

試驗(yàn)段底基層中第一層、第二層的壓實(shí)度（灌砂法）均符合施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明（46省道5－2合同段）要求。其中第一層的壓實(shí)度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

4.2 7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

取現(xiàn)場(chǎng)攤鋪的料，按《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTG／T F20—2015）取樣制作標(biāo)準(zhǔn)試塊，在規(guī)定的條件下養(yǎng)生7d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表5 ZK1＋000～ZK1＋300左幅底基層第一層壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

底基層的第一層、第二層的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果均符合施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明（46省道5－2合同段）的要求，其中底基層第一層的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 底基層7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

4.3 回彈彎沉

試驗(yàn)段的底基層的設(shè)計(jì)彎沉值為60.8（0.01mm），貝克曼梁測(cè)定底基層的回彈彎沉值如表7所示，結(jié)果判定如表8所示。

表7 底基層回彈彎沉值檢測(cè)數(shù)據(jù)

該段底基層水泥穩(wěn)定碎石回彈彎沉檢測(cè)結(jié)果符合《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80／1—2004）及施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明（46省道5－2合同段）。

表8 底基層第2層回彈彎沉值結(jié)果判定

4.4 試驗(yàn)路經(jīng)濟(jì)效益分析

以本試驗(yàn)段為例對(duì)水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定鋼渣碎石2種類型的底基層的造價(jià)進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算對(duì)象為長(zhǎng)1km、寬24m、厚0.32m的底基層構(gòu)造物造價(jià)。原材料的單價(jià)：碎石58元·t－1，水泥400元·t－1，鋼渣25元·t－1，硅灰1 100元·t－1。根據(jù)2種類型底基層的最大干密度和最佳含水率以及計(jì)算對(duì)象的體積，可以計(jì)算出按照計(jì)算對(duì)象鋪筑所需的各原材料質(zhì)量。不同類型底基層所需的原材料質(zhì)量及總造價(jià)如表9所示。

表9 不同類型底基層的原材料造價(jià)

結(jié)果表明：鋪筑1km底基層，僅考慮原材料，采用水泥穩(wěn)定鋼渣碎石材料比水泥穩(wěn)定碎石材料節(jié)省約9萬(wàn)元，同時(shí)消納約6 839t鋼渣。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文使用摻硅灰的辦法處理未陳化鋼渣，并應(yīng)用到試驗(yàn)路中，得到以下結(jié)論。

（1）摻硅灰能有效抑制新鋼渣的膨脹性，且浸水膨脹率隨著硅灰摻量的增加而減小，但當(dāng)摻入的硅灰劑量超過(guò)0.5%之后，對(duì)新鋼渣的膨脹性改善效果不明顯。

（2）將摻硅灰的新鋼渣運(yùn)用到道路基層中，試驗(yàn)路通車半年后未見病害，但其長(zhǎng)期路用性能有待進(jìn)一步觀察。

本文對(duì)未陳化鋼渣在道路基層的應(yīng)用只是做了初步的嘗試，仍有許多不足之處有待改善，從今后的研究方向和趨勢(shì)及應(yīng)用于實(shí)際工程的情況來(lái)看，可以結(jié)合中國(guó)道路工程發(fā)展實(shí)際情況探索鋼渣浸水膨脹率的限值；加強(qiáng)對(duì)鋼渣表觀和微觀的研究，從進(jìn)而更好地提高和改善水泥穩(wěn)定鋼渣碎石的路用性能。