鋼渣在公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

王芳芳，董利鵬

（1.寧夏交投工程建設(shè)管理有限公司，寧夏 銀川 750011；2.寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001）

鋼渣作為鋼鐵冶煉過程中的副產(chǎn)物，即通俗意義上排放的熔渣，是典型的大宗固體廢棄物之一，其形態(tài)為固體，主要成分為Si、Mn、P、S 等雜質(zhì)形成的氧化物以及為調(diào)和鋼渣性質(zhì)添加的造渣材料[1]。同時(shí)，鋼渣中也含有毒有害物質(zhì)，主要為灰分、重金屬、非晶態(tài)二氧化硅等。上述污染物的泄露將會(huì)給環(huán)境帶來極大的威脅。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020—2022 年，我國連續(xù)3 年粗鋼產(chǎn)量超過10 億t。每產(chǎn)生1 t 粗鋼約產(chǎn)生0.12～0.14 t 鋼渣，因此在2020—2022 年，我國連續(xù)3 年產(chǎn)出超過1.2 億t 鋼渣。目前我國鋼渣的綜合利用率僅為20%左右，全國鋼渣累計(jì)堆存近14.46 億t。因鋼渣含污染物較多，需要設(shè)置專門的場所來堆放，堆放場所需要大量的土地資源來建設(shè)，同時(shí)，長期的堆放也容易形成鋼渣污染物的緩釋，有毒有害物質(zhì)將逐漸污染臨近的土壤、水體、大氣等，給周邊環(huán)境帶來嚴(yán)重威脅[2]。以寧夏北部某鋼鐵冶煉企業(yè)為例，現(xiàn)有企業(yè)生產(chǎn)能力下每年附帶產(chǎn)生的鋼渣量近百萬噸，但目前綜合利用率極低，逐漸積累的鋼渣堆放量已接近堆場的設(shè)計(jì)負(fù)荷，而企業(yè)周邊沒有合適的場地用以擴(kuò)建堆場，已對(duì)企業(yè)的正產(chǎn)生產(chǎn)運(yùn)營帶來極大影響。另外，隨著公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)里程逐年增加，部分礦山相關(guān)企業(yè)因環(huán)保政策關(guān)停，砂石筑路材料開采受限，優(yōu)質(zhì)筑路材料短缺，亟需尋找新的筑路替代材料。鋼渣以其優(yōu)異的抗滑耐磨、黏附性好、抗水損能力強(qiáng)、資源成本低等性能，作為替代筑路材料，尋找可持續(xù)的、規(guī)?；膽?yīng)用途徑，減少鋼渣堆放數(shù)量已經(jīng)勢在必行[3]。

G109 線惠農(nóng)至黃渠橋段改擴(kuò)建工程將鋼渣應(yīng)用于鋪筑上面層和基層。項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)于解決鋼渣規(guī)?；脝栴}，促進(jìn)“綠色交通”戰(zhàn)略實(shí)施和生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展，具有重要的示范意義。

1 適用性分析

1.1 鋼渣的材料特點(diǎn)

國內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)鋼渣的物理性質(zhì)和力學(xué)特性分析研究[4]，發(fā)現(xiàn)其該項(xiàng)性能指標(biāo)出色，具備極強(qiáng)的應(yīng)用潛力，圍繞其物理性質(zhì)和力學(xué)特性開展相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)和工藝路線優(yōu)化是對(duì)鋼渣合理化利用的重要途徑。與傳統(tǒng)材料相比，鋼渣在以下5 個(gè)方面具有突出特點(diǎn)和優(yōu)勢。

1.1.1 外觀不規(guī)則性

鋼渣在使用時(shí)一般要經(jīng)過預(yù)處理，主要流程有破碎—篩分—磁選，經(jīng)預(yù)處理后的鋼渣級(jí)配均勻，顆粒多具有優(yōu)良的棱角，呈不規(guī)則狀，這一特性在與其他材料混合使用時(shí)能夠獲得較好的內(nèi)摩擦嵌擠力，這也是鋼渣具有較強(qiáng)適用性的重要依據(jù)之一。

1.1.2 材料密實(shí)度大

鋼渣內(nèi)包含大量的Fe 元素，在其形成過程中產(chǎn)生的特殊的壓縮孔隙結(jié)構(gòu)，使鋼渣固體體積占總體積的比例較大，堆密度可達(dá)1 900 kg/m3，超過了同等條件下大部分天然砂石等傳統(tǒng)筑路材料。正是這一特殊性能使得鋼渣應(yīng)用于路面時(shí)使路面擁有較強(qiáng)的抗碾壓性，同時(shí)，路面的使用壽命也較傳統(tǒng)材料有所提高。

1.1.3 材料PSV 值較高，經(jīng)篩分后的鋼渣材料磨光值區(qū)間為55～60，應(yīng)用于路面時(shí)能使路面具備較強(qiáng)的抗滑性能，從而使車輛在行駛過程中安全性、舒適性滿足規(guī)范要求。

1.1.4 黏附性好

顆粒級(jí)配形狀好，呈堿性，表面多孔收縮性小，與瀝青有良好的黏附性；經(jīng)過多批次實(shí)測，鋼渣的吸水率較大，一般大于2%。

1.1.5 低溫適應(yīng)性

為了保證鋼渣瀝青路面在低溫條件下不發(fā)生瀝青剝落病害。根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)用于路面的鋼渣收縮率要求嚴(yán)格，通過國內(nèi)外研究表明，無論是常規(guī)試驗(yàn)還是更為嚴(yán)格的芒硝試驗(yàn)，鋼渣的表現(xiàn)均符合要求。良好的收縮率保證了寧夏最冷月平均氣溫在-8 ℃以下，極端低溫在-22 ℃以下，鋼渣這一優(yōu)良特性與寧夏氣候適配度較高。

1.2 鋼渣路面的路用性能

通過對(duì)鋼渣的成分分析可知，其含有大量的水泥類礦物、f-CaO 等活性成分。將其作為集料應(yīng)用于路面基層中，能與其他活性成分（主要為SiO2、Al2O3）發(fā)生火山灰反應(yīng)，從而提升基層材料的力學(xué)、水穩(wěn)、抗沖刷等路用性能。同時(shí)，通過鋼渣膨脹抑制技術(shù)，將其不均勻膨脹轉(zhuǎn)化為均勻微膨脹，還可在一定程度上補(bǔ)充基層收縮，提升基層材料的體積穩(wěn)定性，降低收縮裂縫發(fā)生幾率。

綜上所述，將鋼渣應(yīng)用于路面工程中，能規(guī)模化利用鋼渣，還可在降低公路工程建設(shè)對(duì)天然集料的巨大消耗，保證工程建設(shè)進(jìn)度的同時(shí)，有效提升基層材料路用性能。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

國道109 線惠農(nóng)至黃渠橋段公路位于石嘴山市惠農(nóng)區(qū)，起點(diǎn)位于G109 線與園藝路平面交叉口處，起點(diǎn)樁號(hào)K1112+229.3。終點(diǎn)位于黃渠橋鎮(zhèn)南側(cè)G109 線原有舊路，終點(diǎn)樁號(hào)為K1147 +628.463，路線全長35.399 km，雙向四車道一級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。依托該項(xiàng)目鋪筑了1.6 km 鋼渣路面試驗(yàn)段，其中，在K1134+600～1135+600 左幅上面層鋪筑SMA-13 鋼渣上面層，在K1135+600～1136+200 右幅鋪筑水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣路面基層，經(jīng)檢測技術(shù)指標(biāo)滿足公路路面質(zhì)量要求，應(yīng)用效果良好。

2.2 鋼渣來源及預(yù)處理

鋼渣來源：寧夏建龍龍祥鋼鐵有限公司，距離本試驗(yàn)段平均運(yùn)距為15.7 km，拌合站距本試驗(yàn)段平均運(yùn)距為2.3 km。

對(duì)鋼渣道路化應(yīng)用前，應(yīng)先對(duì)鋼渣進(jìn)行預(yù)處理。主要包括破碎篩分以及水洗等工序。因?yàn)榈缆凡煌Y(jié)構(gòu)層對(duì)鋼渣粒徑的要求不同，基層主要用0～10 mm 粒徑的鋼渣，面層主要用5～15 mm 中粗集料的鋼渣，因此需對(duì)鋼渣進(jìn)行破碎篩分等工序來實(shí)現(xiàn)鋼渣的梯級(jí)化利用。同時(shí)對(duì)鋼渣進(jìn)行實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，陳化后的鋼渣表面附著的雜質(zhì)較多，在進(jìn)行利用前需進(jìn)行水洗以保證其黏附性等性能滿足要求。

2.3 混合料配合比設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本工程所采用的配合比設(shè)計(jì)是在大量調(diào)查國內(nèi)外及周邊類似材料應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析優(yōu)化后形成，關(guān)鍵控制技術(shù)如下[5]。

2.3.1 鋼渣瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)與路用性能

鋼渣表面多孔導(dǎo)致瀝青用量增加，細(xì)粒徑鋼渣f-CaO 含量高、鋼渣膨脹大、粉塵含量高，選用粗粒徑鋼渣做粗集料，減小比表面積，控制瀝青用量，減小混合料膨脹性。采用鋼渣、碎石兩種集料，為避免密度差異大的影響，采用體積法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。針對(duì)鋼渣多孔吸水率大的問題，采用改性瀝青浸漬法結(jié)合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法確定最佳油石比。通過對(duì)鋼渣SMA-13 室內(nèi)試驗(yàn)，最佳油石比為6.3%，設(shè)計(jì)集料配比為10～15 mm 鋼渣∶5～10 mm 鋼渣∶0～3 mm 紅砂巖∶礦粉=35%∶45%∶12%∶8%。鋼渣SMA-13 混合料與寧夏地區(qū)常用面層紅砂巖SMA-13 混合料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼渣SMA-13混合料不僅能夠滿足高溫、低溫、水穩(wěn)路用性能，3 項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于紅砂巖SMA-13，具體指標(biāo)如表1 所示。

表1 鋼渣SMA-13 與紅砂巖SMA-13路用性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

2.3.2 鋼渣碎石基層混合料設(shè)計(jì)及路用性能

設(shè)計(jì)選用水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石作為基層材料，摻用粉煤灰輕質(zhì)組分，不僅能夠引入活性成分，進(jìn)一步激發(fā)鋼渣潛在活性成分，還能減小鋼渣干密度大的影響。為了避免鋼渣材料中f-CaO 局部富集、分布不均勻造成的應(yīng)力集中導(dǎo)致基層破壞的問題，在篩分的鋼渣梯級(jí)中選用0～5 mm、5～10 mm 小粒徑鋼渣作為細(xì)集料進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)表明，能夠滿足半剛性基層。

3 施工要求

3.1 一般規(guī)定

3.1.1 氣溫會(huì)對(duì)鋼渣類路面基層混合料的強(qiáng)度的增長產(chǎn)生較大的影響，為保證路面基層施工質(zhì)量，施工作業(yè)宜在適宜的季節(jié)或溫度下進(jìn)行。當(dāng)日最低氣溫低于5 ℃時(shí)，不宜施工。在冰凍地區(qū)，須在結(jié)凍-3～-5 ℃前15～30 d 施工完畢。

3.1.2 雨季施工易造成路基和基層原材料或混合料過濕，給施工帶來困難并影響施工質(zhì)量，為保證工程質(zhì)量應(yīng)避免雨季施工。

3.2 施工準(zhǔn)備

3.2.1 鋼渣篩分

陳化鋼渣為0～5 mm 和5～10 mm 兩檔料進(jìn)行備料。

3.2.2 粉煤灰

濕排粉煤灰應(yīng)提前運(yùn)到現(xiàn)場，以便濾水和晾曬。干排的粉煤灰裝運(yùn)前適量加水，以免揚(yáng)灰。在堆放過程中，要防止雨淋和揚(yáng)灰，如出現(xiàn)部分粉煤灰結(jié)塊，使用前應(yīng)將灰塊打碎。

3.3 配料

3.3.1 施工中材料配合比必須符合設(shè)計(jì)要求，以保證工程質(zhì)量，為適用于廠拌，配料方法采用質(zhì)量法。

3.3.2 施工前需檢測鋼渣、集料以及粉煤灰含水量，扣除水分后計(jì)算生產(chǎn)配合比。

3.4 含水量的控制

3.4.1 施工過程中需嚴(yán)格控制混合料含水量，保證碾壓時(shí)混合料含水量接近最佳含水量。含水量過低可能會(huì)導(dǎo)致難以到達(dá)預(yù)設(shè)的壓實(shí)度；含水量過高，則可能引起基層的干縮開裂。

3.4.2 如遇炎熱天氣或運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，則混合料的含水量可比最佳含水量略高（0.5%～1.0%）。

3.4.3 在炎熱季節(jié)基層混合料因失水發(fā)白時(shí)，碾壓可灑適量水。

3.5 拌合[6]

3.5.1 施工過程中拌合一般選用強(qiáng)制性集中廠拌。

3.5.2 拌合工具等一般需具備自控系統(tǒng)、電子計(jì)量系統(tǒng)，能對(duì)拌合過程中流量等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)施在線跟蹤。

3.5.3 選用電子計(jì)量系統(tǒng)在使用前應(yīng)對(duì)其精度進(jìn)行校核，同時(shí)對(duì)其誤差進(jìn)行檢驗(yàn)，其中集料控制精度為2%，水泥為1%，水為1%，精度在此范圍內(nèi)的設(shè)備才可投入使用。

3.5.4 通過觀察混合料的顏色、離析等現(xiàn)象來側(cè)面控制攪拌的均勻性，一般選用二級(jí)攪拌來提高混合料的均勻性。

3.5.5 裝運(yùn)混合料當(dāng)粗、細(xì)集料有離析現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)用裝載機(jī)翻拌均勻后，再運(yùn)至工地?cái)備仭?/p>

3.5.6 水泥粉煤灰穩(wěn)定鋼渣碎石混合料，宜隨拌合，隨運(yùn)送、隨攤鋪、隨碾壓，確保混合料在最長延遲碾壓成型時(shí)間內(nèi)完成混合料的碾壓施工。

3.6 攤鋪整型

松鋪系數(shù)建議值1.25～1.40，通過試驗(yàn)確定。攤鋪時(shí)，應(yīng)打開強(qiáng)夯，盡可能提高預(yù)壓度，并根據(jù)現(xiàn)場情況及時(shí)調(diào)整松鋪系數(shù)。

3.7 碾壓

3.7.1 碾壓工序建議先采用膠輪靜壓—振動(dòng)碾壓—鋼輪終壓等工序進(jìn)行，具體參數(shù)需根據(jù)試驗(yàn)確定。

3.7.2 碾壓過程中，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注基層的表面的含水率，可適當(dāng)多次灑水以彌補(bǔ)蒸發(fā)散失的水量，但應(yīng)避免一次性灑水過多給碾壓帶來不便。

3.8 養(yǎng)生

3.8.1 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，無論是采取土工布還是薄膜覆蓋，均能達(dá)到較好的養(yǎng)生效果。當(dāng)選用前者時(shí)，材料使用應(yīng)為透水式，拼縫之前不得有縫隙，做到全斷面搭接覆蓋，同時(shí)，還需輔之以灑水。選用后者時(shí)，薄膜的厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，宜大于1 mm。薄膜覆蓋工作應(yīng)在混合料攤鋪碾壓成型后及時(shí)完成，覆蓋拼接要求同土工布，此外，為避免風(fēng)吹等對(duì)薄膜產(chǎn)生的損壞，一般采用沙土等對(duì)覆蓋后的薄膜進(jìn)行堆填。薄膜在養(yǎng)生過程中出現(xiàn)損壞時(shí)，一般采取局部更換等措施。

3.8.2 不宜過早將養(yǎng)生用土工布或薄膜掀開，應(yīng)直至上層結(jié)構(gòu)施工前1～2 d 再在結(jié)束土工布或薄膜養(yǎng)生。

其他施工技術(shù)要求按照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TF 20—2015）要求和規(guī)定執(zhí)行。

4 結(jié)束語

通過已建成路面的效果及檢測數(shù)據(jù)來看，本項(xiàng)目路面整體鋪筑效果均達(dá)到規(guī)范要求。鋼渣應(yīng)用于公路改擴(kuò)建工程，既能解決大宗固廢無法處置的問題，減少土地占用，降低污染；又能減少傳統(tǒng)公路工程修筑時(shí)對(duì)天然原材料的與日俱增的需求量。在當(dāng)今“碳達(dá)峰、碳中和”的時(shí)代背景下，該研究對(duì)實(shí)現(xiàn)冶金行業(yè)和公路建設(shè)行業(yè)的綠色低碳發(fā)展具有重要意義。