路用鋼渣集料特性研究

林繼東

（唐山高新區(qū)京唐智慧港投資促進(jìn)服務(wù)中心，河北 唐山 063000）

1 引言

公路作為運輸系統(tǒng)的一個重要組成部分，直接影響著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國民日常生活。目前我國每年新增公路10 萬余公里，對天然集料的需求量超過10 億噸，耗量大，天然資源難以支撐。因此，如何降低道路建筑材料的資源與環(huán)境負(fù)荷是我國公路建設(shè)領(lǐng)域亟待解決的突出問題。鋼渣作為工業(yè)固廢材料，因其良好的硬度、棱角性以及抗耐磨性，能夠較好地滿足公路對材料的基本要求，且我國鋼渣年產(chǎn)量高達(dá)1.6 億噸，若能將鋼渣用于筑路材料，不僅可以有效緩解我國建筑材料匱乏的困境，而且能夠降低鋼渣堆存造成的環(huán)境污染問題。

為了進(jìn)一步推進(jìn)鋼渣的應(yīng)用，學(xué)者們開展了多方面的研究。英國交通研究實驗室相關(guān)研究結(jié)果證明，當(dāng)鋼渣的磨光值高于60 時，鋼渣瀝青路面的摩擦性能會比同類玄武巖瀝青路面衰減的慢許多。Chen Z等[1]對鋼渣瀝青混凝土路面的抗滑性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鋼渣粗糙的表面使得瀝青混凝土抗滑性能更為突出。Xie J等[2]對德國既有的鋼渣公路進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)鋼渣路面經(jīng)過長時間的使用仍然擁有較高的磨光值，同時鋼渣道路也不會對周圍環(huán)境造成有害影響。吳少鵬等[3]對鋼渣路面的水穩(wěn)定性和低溫抗裂性進(jìn)行了研究，鋼渣路面的水穩(wěn)定性和低溫抗裂性相比于同類型其他集料的瀝青混凝土路面更為優(yōu)秀。徐風(fēng)廣等[4]將鋼渣破碎成粉末狀，代替部分水泥進(jìn)行研究，得出鋼渣的早期水化速率較低，但是通過鋼渣與水泥之間的促進(jìn)作用能有效增加7d 以后的水化速率，鋼渣摻入的比例越多，這種促進(jìn)結(jié)果就越好。陶海生[5]研究了二灰穩(wěn)定鋼渣的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)混合料的早期強度受混合料含水量的影響較大，主要是因為鋼渣自身孔隙較多，吸收了部分水分，反應(yīng)時內(nèi)部水分外滲，使混合料含水量變多，過多的水分減緩了二灰穩(wěn)定鋼渣混合料早期的強度形成。李飛等[6]對鋼渣基層的干縮及溫縮性能展開了研究，發(fā)現(xiàn)摻入鋼渣后能較大程度上減少基層的干縮系數(shù)，對于不同比例的鋼渣摻量，將鋼渣摻入到水泥穩(wěn)定碎石中最多可以減少41.2%的干縮系數(shù)，摻入到二灰穩(wěn)定碎石中最多可以減少31.4%的干縮系數(shù)。梁鐸等[7]對未陳化鋼渣在水泥穩(wěn)定碎石中的性能進(jìn)行了研究，通過摻入不同摻量的未陳化鋼渣，發(fā)現(xiàn)鋼渣摻量增加會使水泥穩(wěn)定鋼渣碎石基層的可壓實性變差。

以上研究表明，鋼渣這種工業(yè)廢棄物作為道路混凝土的原材料，不僅可以提高道路基層材料的特定性能，同時可提高水泥混凝土路面的建設(shè)質(zhì)量和使用年限，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。因此有必要進(jìn)一步明確鋼渣的集料特性，以為鋼渣規(guī)模化推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 鋼渣類別與處理工藝

2.1 鋼渣分類

按煉鋼工藝和煉鋼爐的爐型不同，鋼渣可分為平爐渣、轉(zhuǎn)爐渣和電爐渣；按不同生產(chǎn)階段，鋼渣可分為煉鋼渣、澆鑄渣和噴濺渣。在煉鋼渣中，平爐渣又可分為初期渣與末期渣（包括精煉渣與出鋼渣），電爐鋼渣分為氧化渣與還原渣。按熔渣性質(zhì)，鋼渣又可分為堿性渣與酸性渣。按鋼渣的處理工藝不同，可分為淺盤渣、熱悶渣、滾筒渣、風(fēng)碎渣、水淬渣等。不同的原料、不同的煉鋼方法、不同的生產(chǎn)階段、不同的鋼種生產(chǎn)以及不同的爐次等，所排出的鋼種的組成與產(chǎn)生量是不同的。

根據(jù)鋼渣堿度R=CaO/（SiO2+P2O5）的高低，可將鋼渣分為三類。低堿度鋼渣，R=1.3～1.8；中堿度鋼渣，R=1.8～2.5；高堿度鋼渣，R=2.5 以上。轉(zhuǎn)爐渣樣品的堿度一般大于1.8，沒有低堿度渣。

2.2 鋼渣處理工藝

通過實地調(diào)研和文獻(xiàn)查閱兩種方式對內(nèi)蒙古地區(qū)不同企業(yè)性質(zhì)的10 家鋼鐵廠的鋼渣處理工藝分析發(fā)現(xiàn)，大部分鋼鐵廠的鋼渣處理工藝為熱悶和熱潑兩種，少部分采用冷棄法，滾筒法的處理工藝在內(nèi)蒙古地區(qū)較少。不同處理工藝的優(yōu)缺點如下。

①熱悶法。熱悶法處理的鋼渣，鋼和渣分離效果好，有利于金屬資源的回收，同時體積活性成分減少，穩(wěn)定性得到改善，相比其他方法，環(huán)境污染問題得到控制。但其對鋼渣的初始溫度有要求，延長了處理周期，效率降低，對設(shè)備、場地要求也較高，投資大。圖1為熱悶法鋼渣處理車間。

圖1 熱悶法鋼渣處理車間

②熱潑法。熱潑法比較成熟，具有操作簡單、處理量大、排渣速度快、金屬回收率高等特點。但也存在操作區(qū)因蒸汽原因能見度低、占地面積大、破碎加工時粉塵嚴(yán)重、鋼渣粒度均勻性較差等問題。圖2為熱潑法鋼渣處理過程。

圖2 熱潑法鋼渣處理過程

③冷棄法。冷棄法是早期處理鋼渣的常用手段，流程簡單，成本低，排渣快，但占地面積大，會產(chǎn)生粉塵污染等環(huán)境問題。圖3為冷棄法鋼渣處理過程。

圖3 冷棄法鋼渣處理過程

④滾筒法。滾筒法每分鐘可處理鋼渣3噸，實現(xiàn)了對鋼渣的節(jié)能、高效處理。鋼渣中的體積活性成分與水及蒸汽充分作用發(fā)生水化消解反應(yīng)，滾筒尾渣中f-CaO 含量一般不超過4%，體積穩(wěn)定性得到顯著改善。處理環(huán)境沒有形成密閉空間，水蒸氣得以排除，安全性得到進(jìn)一步提高。處理過程中產(chǎn)生的粉塵得到控制，污染小。另外處理工藝流程短、占地面積小等特點可降低成本。圖4為滾筒法鋼渣處理過程。

圖4 滾筒法鋼渣處理過程

3 鋼渣集料性能研究

鋼渣是在高溫蒸壓的環(huán)境下產(chǎn)生的，相對于天然巖石，其外觀、組成、表面構(gòu)造均較特殊。鋼渣作路用集料時，不僅需要用現(xiàn)有規(guī)范中集料要求來約束鋼渣使用，還需要采用先進(jìn)的測試手段研究鋼渣應(yīng)用時與集料相關(guān)的各項性能，以保證鋼渣應(yīng)用的安全性與合適性。

3.1 外觀特性

生產(chǎn)線破碎得到的五種粒徑熱悶鋼渣如圖5 所示。圖中可以看出，每檔鋼渣粒度均勻、質(zhì)地堅硬，粗顆粒鋼渣表面的孔隙較少。

圖5 不同粒徑鋼渣宏觀外貌

圖6 是鋼渣剖開面的形貌。左圖可發(fā)現(xiàn)鋼渣內(nèi)部存在明顯的解理面。由于兩種組分不同的物質(zhì)結(jié)合在一起，鋼渣很容易從這樣的解理面破碎。右圖展示了除了致密部分，鋼渣還存在“囊狀”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要是由于鋼渣在冷卻過程中，液態(tài)水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，體積瞬間增加1500 倍以上，在液態(tài)鋼渣中形成豐富的氣泡結(jié)構(gòu)。另外鋼渣的冷卻速度及冷卻方式也會導(dǎo)致這樣結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。采用類似于水泥生產(chǎn)工業(yè)的“極冷法”有助于減少囊狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。這種囊狀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較差，會對瀝青混合料的性能造成一定影響。而且鋼渣大量內(nèi)部空隙會導(dǎo)致最佳瀝青用量的增加，降低瀝青混合料的經(jīng)濟(jì)性。

圖6 鋼渣的表面形貌及內(nèi)部解理特征

3.2 規(guī)格變異性

不同批次鋼渣集料抽樣篩分結(jié)果如圖7 和圖8 所示。由圖可知，各料檔的篩分結(jié)果吻合較好，說明鋼渣規(guī)格穩(wěn)定性與傳統(tǒng)顎式破碎機(jī)生產(chǎn)的鋼渣集料相比有顯著性的改善，采用多級破碎的改進(jìn)工藝可達(dá)到鋼渣集料生產(chǎn)粒度可控的目的。

圖7 多級破碎改進(jìn)工藝鋼渣集料篩分結(jié)果

圖8 傳統(tǒng)顎式破碎工藝鋼渣集料篩分結(jié)果

3.3 基本路用性能

路用集料性能指標(biāo)檢測的內(nèi)容包括表觀相對密度、洛杉磯磨耗、吸水率、堅固性、針片狀含量、壓碎值、粉塵（泥）含量等。檢測按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定執(zhí)行；鋼渣瀝青混凝土路用性能指標(biāo)應(yīng)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）相關(guān)規(guī)定。檢測結(jié)果見表1。

表1 中試生產(chǎn)線鋼渣性能檢測結(jié)果

由表1可知，采用本工藝生產(chǎn)的鋼渣集料各項指標(biāo)均滿足要求，并且壓碎值、洛杉磯磨耗值比規(guī)范限定的極限要小得多，說明鋼渣集料耐磨耗、力學(xué)性能好。

3.4 游離氧化鈣含量

3.4.1 粒徑對游離氧化鈣含量的影響

采用甘油乙醇溶解-苯甲酸無水乙醇溶液滴定法測試包鋼鋼渣中的游離氧化鈣（f-CaO）含量。測試過程（圖9）如下：

圖9 鋼渣中f-CaO含量測試過程

準(zhǔn)確稱取0.5g 鋼渣試樣，置于150mL 干燥的錐形瓶中，加入30mL甘油無水乙醇溶液，搖勻，裝上回流冷凝管，在有石棉網(wǎng)的電爐上加熱煮沸10 min，至溶液呈紅色時，取下錐形瓶，立即用苯甲酸無水乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至淡紅色消失。然后再與冷凝管連接，繼續(xù)加熱至淡紅色重新出現(xiàn)，再取下滴定。如此反復(fù)操作，直至加熱10 min后不再出現(xiàn)淡紅色為止。

式中，TCaO為每毫升苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)溶液相當(dāng)于氧化鈣的毫升數(shù)，mg/ml；V2為滴定消耗苯甲酸無水乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液的總體積，ml；G為試樣的重量，g。

內(nèi)蒙鋼渣除了粒徑5mm～10mm f-CaO 含量高于2%，其余4種粒徑鋼渣的f-CaO含量均低于2%（表2）。但5 種粒徑鋼渣f-CaO 含量均滿足《瀝青混合料用鋼渣》（JT/T 1086-2016）的技術(shù)要求（≤3%）。

表2 鋼渣f-CaO測試結(jié)果（TCaO=5.209mg/mL）

3.4.2 陳化時間對游離氧化鈣含量的影響

為探究陳化時間對鋼渣f-CaO 含量的影響，以10mm～16mm的鋼渣為研究對象，對新渣和陳化不同時間的鋼渣的f-CaO 含量進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3。由表可知，隨著前期陳化時間的增加，鋼渣中的f-CaO 含量降低的幅度較大，陳化時間達(dá)到6個月后，f-CaO含量隨陳化時間延長降低的趨勢明顯減少。新渣和陳化時間低于6個月的鋼渣f-CaO含量均高于3%，陳化6個月的鋼渣f-CaO含量滿足規(guī)范要求。

表3 不同陳化時間的鋼渣f-CaO含量

3.5 pH值

采用《土壤pH的測定》（NY/T 1377-2007）方法對內(nèi)蒙鋼渣進(jìn)行pH值測定。測試過程（圖10）如下：

圖10 鋼渣的pH值測試過程

取粒徑3mm～5mm的鋼渣洗凈后在105℃下烘干至恒重作為待測樣品；稱取10.0g±0.1g 鋼渣試樣置于50mL 燒杯中，加入25mL 1mol/L 的KCl 溶液，將容器密封后用振蕩器或攪拌器劇烈振蕩或攪拌5min，然后靜置1h～3h；采用廣泛pH試紙先測試溶液的大致pH值范圍，再采用精密pH 試紙多次測試溶液的pH 值。測試結(jié)果見表4。

表4 內(nèi)蒙鋼渣的pH值

3.6 孔隙特征

選取粒徑為1cm的內(nèi)蒙鋼渣顆粒作為試樣，并使用壓汞儀來表征鋼渣孔隙特征，測試結(jié)果表明鋼渣的孔徑出現(xiàn)頻率范圍非常廣，數(shù)量級從10-5到101。尺寸在350μm～35μm 之間的孔隙極其少。而0.05μm～0.03μm的孔隙的出現(xiàn)頻率躍遷至10-1至100之間，說明是鋼渣孔隙的主要形式。這部分微孔肉眼已經(jīng)無法觀察到，但可能是導(dǎo)致鋼渣瀝青吸收率大的主要因素。

采用瀝青浸漬法研究了鋼渣集料對AH90 瀝青的吸收量，測試結(jié)果見表5。粒徑范圍在16mm～19mm 的吸收量達(dá)到了3.9%。但瀝青的吸收量與鋼渣粒徑的關(guān)系不明顯。0～3mm范圍的集料浸漬密度需采用表觀密度代替來計算。這主要是因為細(xì)集料拌入瀝青后會產(chǎn)生許多氣泡，導(dǎo)致實驗結(jié)果有很大的誤差。

表5 鋼渣集料在AH90瀝青中的浸漬密度和瞬時瀝青吸收量

3.7 浸水膨脹率

按照《鋼渣穩(wěn)定性試驗方法》（GB/T 24175-2009）中規(guī)定的鋼渣穩(wěn)定性實驗方法對內(nèi)蒙鋼渣進(jìn)行實驗。在配制好的鋼渣集料中摻加對應(yīng)最佳含水率的用水量，裝入膨脹率測定裝置（圖11）中，按規(guī)定步驟進(jìn)行擊實實驗，得到密實的鋼渣試模，在試模上安裝百分表，最后將鋼渣試模全部沒入水位線合適的恒溫水浴箱中。讀取百分表的初始讀數(shù)d0，然后進(jìn)行90℃的水浴加熱，并保持6h后停止加熱，自然冷卻，每天升溫前記錄百分表讀數(shù)di，依次進(jìn)行10d。整體實驗過程中模具應(yīng)保持平穩(wěn)，浸水膨脹率按公式（2）計算。

圖11 膨脹率測定裝置示意圖

式中，γ 為浸水膨脹率，%；d0為百分表初始讀數(shù)，mm；di為浸水膨脹后百分表讀數(shù)，mm。

鋼渣浸水膨脹率隨水浴齡期的變化曲線如圖12所示。

由圖12 可以看出，包鋼鋼渣的浸水膨脹率值10d內(nèi)均維持在1%以下，最高值為0.78%，遠(yuǎn)低于《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》（YB/T 4184-2009）中規(guī)定鋼渣用于基層時要求其浸水膨脹率低于2%的要求，可以不做其他處理直接作為集料應(yīng)用于基層材料中。鋼渣的累計膨脹率隨著水浴齡期的增加逐漸增加，且前5d 增加幅度較快，后5d 增加幅度逐漸緩慢，至8d～10d時趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在0.77%左右。這表明10d水浴時間內(nèi)鋼渣中的大部分f-CaO與水反應(yīng)結(jié)束。綜合表明，包鋼鋼渣具有較好的體積膨脹性能。

圖12 鋼渣浸水膨脹率隨水浴齡期變化圖

4 結(jié)語

通過對內(nèi)蒙古地區(qū)鋼渣進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)性能檢測，得出以下結(jié)論：

①按鋼渣的處理工藝可分為淺盤渣、熱悶渣、滾筒渣、風(fēng)碎渣、水淬渣等，內(nèi)蒙古地區(qū)鋼渣主要采用熱悶和熱潑兩種工藝進(jìn)行處理。

②通過對鋼渣集料的路用性能進(jìn)行測試，可以得出鋼渣的表觀相對密度、洛杉磯磨耗、吸水率、堅固性、針片狀含量、壓碎值、粉塵（泥）含量等路用性能指標(biāo)均滿足相關(guān)要求。

③通過對內(nèi)蒙古地區(qū)鋼渣的f-CaO含量、pH值、孔隙特性以及浸水膨脹率進(jìn)行檢測表明，除了粒徑5mm～10mm f-CaO 含量高于2%，其余4 種粒徑鋼渣的f-CaO含量均低于2%，但5種粒徑鋼渣f-CaO含量均滿足《瀝青混合料用鋼渣》（JT/T 1086-2016）的技術(shù)要求；鋼渣的pH 值在12.5 左右；鋼渣的孔徑出現(xiàn)頻率范圍非常廣，數(shù)量級從10-5到101，尺寸在350μm 至35μm 之間的孔隙較少；鋼渣的浸水膨脹率值10d 內(nèi)均維持在1%以下，最高值為0.78%，符合規(guī)范要求。

綜合表明內(nèi)蒙古鋼渣具有較好的工作性能和應(yīng)用前景。