| 标题 | 钢渣在沥青路面工程中的应用 |
| 范文 | 武建民+杨永利+周雄 0 引言 近年来，国内外对钢渣应用于沥青混凝土路面进行了大量研究，并铺设了多条试验路，以验证钢渣沥青混凝土路面的长期路用性能[1-3]。验证结果表明，钢渣替代部分或全部天然粒料应用于沥青混合料是可行的[4]。将钢渣应用于沥青混凝土抗滑面层在中国尚处于初级阶段，迫切需要深入研究钢渣的材料特性，不断完善钢渣沥青混合料的设计方法，探究钢渣沥青混合料的路用性能。为此，本文简要分析钢渣的材料特性，并综述钢渣在沥青路面工程的应用现状，总结钢渣应用存在的问题，为钢渣在沥青路面面层的推广应用提供参考。 1 钢渣材料性能分析 1.1 钢渣材料来源 钢渣是钢铁在工业炼钢过程中为了去除铁水中的杂质而产生的副产物。炼钢是通过氧化反应对铁水脱碳、升温、合金化的过程，其主要任务是脱硫、脱磷、脱碳、脱氧、去除有害气体和非金属夹杂物。按照钢铁冶炼方法的不同，钢渣被分为转炉钢渣、电炉钢渣和钢包渣。钢铁冶炼流程及钢渣产生的过程如图1所示。 目前中国生产的生钢主要是转炉钢，产量占生钢总产量的90%以上，因此钢渣也主要是转炉渣。本文以陕西龙门钢铁公司（龙钢）钢渣处理生产线排放的转炉钢渣为例，综合分析钢渣的材料性能。 1.2 钢渣的矿物组成与化学成分 钢渣由多种矿物组成，随化学成分的变化有所不同。钢渣的主要矿物相为硅酸二钙（C2S）、硅酸三钙（C3S）、钙镁和钙铁橄榄石，少量铝、锰、磷等氧化物，少量游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）等。通过对钢渣的宏观及微观结构进行观察，发现钢渣普遍存在致密和“囊状”结构。对矿物组成进行X射线衍射（XRD）分析，可知钢渣致密结构的矿物组成主要是钙铝硅酸盐（CaO（Al2O3）2（SiO2）2），其次是γ-（CaO）2SiO2、β-C2S和γ-C2S，C3S含量最少，另外还含有一些氧化铁（FeO）。钢渣“囊状”结构的矿物组成主要是氧化铁（FeO）。 钢渣的主要化学成分有CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、f-CaO等，有的钢渣还含有V2O5、TiO2等。各种成分的含量因炼钢炉型不同有较大范围的波动。钢渣表面主要元素为Ca、Fe、Al和Si，Ca是最普遍的元素，以铝硅酸盐、硅酸二钙及少量氧化钙和碳酸钙的形势存在。钢渣表面Si含量较少，使得钢渣集料表面呈碱性，利于钢渣与沥青的粘结。 钢渣的碱度M定义为碱性氧化物与酸性氧化物的含量比。 式中：CCaO为钢渣中CaO的含量；为SiO2的含量；为P2O5的含量。M<1.8称为低碱度钢渣；M在1.8～2.5之间称为中碱度钢渣；M>2.5称为高碱度钢渣。 龙钢钢渣的化学成分分析见表1。根据式（1）得出龙钢转炉渣的碱度为2.17，说明龙钢钢渣为中碱度渣，属于中碱性集料，与沥青的粘附性能好，可作为沥青混合料的骨料。 采用水煮法对龙钢钢渣与沥青的粘附性进行等级评价，钢渣与沥青的粘附性等级为5级，表明钢渣与沥青的粘附性良好。 1.3 钢渣的物理力学性能 钢渣是由多种矿物组成的固熔体，其物理力学性质和矿物组成与化学成分有密切关系。 （1）比重。钢渣中含有大量的金属氧化物，如Fe2O3、MnO、MgO等成分，虽然比重会随化学成分的变化而有所不同，但因为其金属氧化物含量较高，比重基本介于3.2～3.6 g·cm-3之间。表2为实测龙钢钢渣和玄武岩的表观密度，由表2可知，钢渣与天然集料之间的比重差异大于0.20 g·cm-3。则按质量设计的级配不能真正反映集料颗粒分布状况，将造成级配偏细的情况[5]。 （2）吸水率。钢渣表面粗糙且有大量微孔，吸水率较天然集料高。钢渣材料应用于沥青混合料时，吸油能力也较天然集料高，会增加沥青混合料的沥青用量。表3为实测龙钢钢渣和玄武岩的吸水率。 （3）耐磨性。钢渣磨光值较一般天然集料高，适合应用于沥青混合料抗滑面层。钢渣的高磨光值要归功于其独特的矿物组成，钢渣中各矿物相分布均匀性差，显微硬度值差异明显，容易产生较大的磨光值。表4为实测龙钢钢渣、玄武岩和石灰岩的磨光值。 （4）压碎值和洛杉矶磨耗值。钢渣作为沥青混合料的粗集料，要求具有较高的抵抗压碎和耐磨耗的能力。表5为实测龙钢钢渣、玄武岩的压碎值和洛杉矶磨耗值。由表5可知，钢渣材料的压碎值和洛杉矶磨耗值不如玄武岩，这与钢渣材料表面的多孔性、软弱颗粒、粉尘与杂质有关。 （5）颗粒形态特征。采用美国材料与试验协会（ASTM）给出的测定和评定粗集料颗粒形状和纹理的详细方法（ASTM D3398），测试单一粒径集料颗粒的棱角性系数，综合评价龙钢钢渣集料形态特征，并与玄武岩作对比，结果如表6所示。 由表6可以看出，粒径为13.2～16 mm、9.5～13.2 mm的钢渣棱角性系数比粒径为9.5～16 mm的玄武岩大，粒径为4.75～9.5 mm的钢渣棱角性系数比粒径为4.75～9.5 mm的玄武岩大，说明钢渣颗粒较玄武岩颗粒棱角丰富、表面粗糙，在碾压后能形成嵌挤结构，从而具有较大的内摩擦角。 （6）膨胀性。高炉冶炼的生铁内有高含量的碳以及有害成分（如硫、磷等），在钢铁冶炼过程中，通常添加石灰和白云石等高钙、高镁材料的造渣剂来去除有害成分，待冷却后形成钢渣。但是加入的造渣剂不能和冶炼炉中酸性氧化物充分反应，以f-CaO和f-MgO的形式保留在钢渣中，遇水后体积膨胀。钢渣体积膨胀将影响到沥青混合料的路用性能，导致路面出现各种病害[6-7]。因此，钢渣应用于沥青路面工程首先要解决钢渣的稳定性问题。采用钢渣稳定性检测方法测定龙钢钢渣的浸水膨胀率为1.57%，满足筑路用钢渣浸水膨胀率小于2.0%的要求。 2 国外钢渣应用现状 早在1970年的美国芝加哥“第二届矿物废料利用”国际大会上已经提出，钢渣相比高炉渣有特殊的优点，因其很高的耐磨性可作为路面抗滑面层。日本于1988年修订了《沥青路面铺路纲要》，为钢渣在道路工程中的应用提供了技术保障。德国已在1998年将钢渣总量的97%用于重交通道路路基与路面的建设。 美国印第安纳州在1979年和1981年将钢渣应用于沥青混凝土，1988年检查路面状况时发现，部分路段路面产生多边形且连续延伸的裂缝，而且，基层未出现破坏现象，裂缝附近发现灰白色氧化钙。而这些路段并未出现松散、车辙或推挤等现象，经过8年才需要进行维护。 1974年在加拿大多伦多的401号快速道路曾经铺筑一段钢渣路面试验道路，4年的研究期间，钢渣沥青路面抗滑性能较其他路段更佳。 日本在1980～1985年曾于福山市、爱知县等热带地区铺筑钢渣沥青路面抵抗车辙；1980～1985年，在札幌市、北海道等地区运用钢渣的特性降低轮胎对沥青路面的磨损。 英国交通运输研究实验室（TRRL）的研究报告表明，钢渣的磨光值一般在60 BPN以上，可将其作为耐磨抗滑路面用集料，并且钢渣沥青混合料的抗滑性能要比普通玄武岩沥青混合料衰减得慢。Stock将钢渣应用于碎石封层，发现其抗滑性能要比普通集料碎石封层的性能更佳。Motz对德国铺筑的25条钢渣沥青混凝土路面进行了长期抗滑性能检测，检测结果表明：掺有钢渣的沥青混凝土路面在经历重载交通后依然能保持较高的抗滑能力。 3 国内钢渣应用情况 武钢与武汉理工大学率先在武钢环厂西路、武黄大修工程豹澥段和仙桃汉江公路大桥桥面铺设了钢渣沥青路面，谢君等结合这3条钢渣沥青路面的长期检测结果，验证了钢渣沥青混合料在道路面层的应用效果。在经历约10年的重载交通后，3条钢渣沥青路面均表现出优异的路用性能，其抗滑性能以及耐久性能等指标均优于普通沥青路面[8]。 李旺等结合北京市科委“钢渣骨料在沥青混凝土路面的应用研究”和北京市交委“钢渣骨料在沥青混凝土路面的应用研究”的研究成果，验证了钢渣在抗滑面层中应用的可行性[9]。结合北京市的道路实体工程，在北京海淀路和门头沟的南雁路铺筑了2条钢渣沥青混合料试验路，并对试验路进行了连续3年的观测和检测。从检测结果来看：在使用初期，钢渣沥青混合料的摩擦系数与对比路段（石灰岩沥青混合料）基本相当，但在长期使用过程中，其摩擦系数衰减程度明显小于对比路段，表明钢渣沥青混合料具备良好的抗滑性。 国内也开展了钢渣作为路面材料的标准化工作，特别是在2009年，许多研究单位、企业参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的技术指标，参与制定了《耐磨沥青路面用钢渣》（GB/T 24765—2009）、《透水沥青路面用钢渣》（GB/T 24766—2009）等国家标准，为钢渣在沥青路面面层的推广应用提供技术规范。 4 钢渣应用存在的问题分析 4.1 配合比设计的合理性问题 4.1.1 采用沥青浸渍法确定钢渣沥青混合料体积参数 钢渣集料含有大量的微孔结构，对沥青的吸附并非瞬时完成，而是随时间发生变化，这也将导致理论最大相对密度及相应的体积参数发生改变，进而影响到沥青混合料的耐久性能。各级粒径集料的有效相对密度由沥青浸渍法直接测量得到，然后计算出任意配比矿料混合料的合成有效相对密度，进而计算出钢渣沥青混合料的理论最大相对密度。 4.1.2 级配设计的合理性研究 对热拌沥青混合料，材料的级配都是按照质量配合的，当集料之间比重相差不大时，以质量比计算较为简便且实用；而当集料之间比重相差较大时，以体积比计算较为合理。 当钢渣与天然集料两者之间比重差异大于0.20 g·cm-3时，须在钢渣沥青混合料级配设计时，以体积法进行修正，以调整各类集料的组合比例，修正方式如下。 （1）先假设各级粒径集料比重相差不大，按照质量配合比设计成合成级配，各级粒径集料的质量百分比即为体积百分比。 （2）考虑各级粒径集料的实际比重，当钢渣与天然集料两者之间比重差异大于0.20 g·cm-3时，集料级配应当以体积为基础进行比重修正，保证3种集料的体积百分比不变，求解各级粒径集料的实际质量比。 4.2 钢渣沥青混合料膨胀的问题 程士豪曾用ASTM C114法试验得出转炉钢渣中不同粒径大小的f-CaO含量。此方法是利用甘油-乙醇溶液萃取熟料中未反应的f-CaO，萃出液以醋酸铵标准液滴定并换算熟料的f-CaO含量[10]。研究表明，转炉钢渣中颗粒粒径越小，f-CaO含量越高。 李博[11]探究了钢渣沥青混合料体积膨胀的改良措施，采用2种钢渣掺配方案：一种为粗细集料均使用钢渣（简称Ⅰ型），另一种为钢渣作为粗集料，天然集料作为细集料（简称Ⅱ型）。研究发现，采用II型掺配方案可有效降低钢渣沥青混合料的体积膨胀率。因此，合理的钢渣掺配方案可以有效降低钢渣沥青混合料的体积膨胀量。 合理的钢渣掺配方案能够较好地抑制钢渣遇水膨胀所带来的后期工程的安全性、耐久性问题，并显著提高其路用性能。本文将龙钢钢渣以0、20%、40%、60%、80%和100%的比例等体积替代玄武岩粗骨料用于SMA-13沥青混合料，测定沥青混合料在掺加钢渣后的体积膨胀率。试验表明，钢渣掺量越大，体积膨胀量越大，因而钢渣在沥青混合料中的掺量应加以控制，以避免沥青混合料体积膨胀率过大。通过对不同钢渣体积掺量下沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、体积稳定性等路用性能进行试验研究，得出：钢渣沥青混合料的高温稳定性在钢渣体积掺量为20%时最佳，低温抗裂性随着钢渣体积掺量的增加而逐渐降低，水稳定性在钢渣体积掺量为20%或40%时最好。 采用室内加速磨耗仪对钢渣体积掺量在0、20%、40%和60%下的SMA-13混合料抗滑性能衰减规律进行了研究，得出：钢渣沥青混合料的长期抗滑性能随着钢渣体积掺量的增加有不同幅度的提高，但钢渣体积掺量为60%的沥青混合料相对于掺量为40%的沥青混合料的长期抗滑性能提高不明显。综合钢渣沥青混合料其他路用性能，优选出钢渣的最佳掺量为40%。 5 结语 （1）室内试验研究经验及已有相关研究成果证明，钢渣集料颗粒形状好具备耐磨性，与沥青粘附性良好，钢渣沥青混合料抗滑性能以及耐久性能等指标优于普通沥青混合料。 （2）在钢渣沥青混合料配合比设计中应采用沥青浸渍法确定钢渣沥青混合料的体积参数。 （3）在钢渣沥青混合料级配设计中，应采用以体积为基础的比重修正方式，消除钢渣与天然集料两者之间比重差异大对级配设计结果的影响。 （4）将钢渣作为粗集料掺入沥青混合料后有一定程度的体积膨胀，并且掺量越高体积膨胀量越大，而钢渣在沥青混合料中的掺量应综合各项路用性能试验结果加以确定。 参考文献： [1] 张 凯，武文斐，李保卫.晶化时间对钢渣微晶玻璃结构和性能的影响[J].华中科技大学学报：自然科学版，2014，42（5）：71-74. 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