钢渣混合料在城市道路改造中的应用

2019-07-17解英明赵友权赵旭章俞海明吴汉元刘鲁新

新疆钢铁 2019年1期

解英明，赵友权，赵旭章，俞海明，吴汉元，刘鲁新

（1.新疆互利佳源科技有限公司；2.新疆交通建设集团股份有限公司；3.新疆中合大正冶金科技有限公司）

1 前言

钢渣修路在行业已有70余年的历史，国内外的经验和案例表明，钢渣是一种优质的路用材料，钢铁行业产生的钢渣，70%以上被公路建设工程有效利用。中国钢渣修路有三十余年的历史，关于钢渣修路国家和有关部门陆续颁布实施了一系列技术规范及标准十余项，如JTG D30-2015公路路基设计规范、JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范、JTJ034-2000公路路面基层施工技术规范、GB/T24765-2009耐磨沥青路面用钢渣、GB/T25824-2010等。国内的北京天安门大修工程、武黄高速、沪宁高速公路等工程[1-4]，均采用了钢渣修路技术。这些工程项目是钢渣混合料回收利用的典范，推动了公路建设和钢铁生产的融合创新与发展。

八钢公司作为新疆最大的国有钢铁企业，在炼钢生产中产生大量的固体废弃物钢渣，钢渣的产量占钢产量的18%～25%，每年产生100万t钢渣。为降低生产成本，实现钢铁工业绿色循环发展，多年来八钢积极探索对钢渣混合料的回收利用，先后实施了从钢渣中回收钢铁料，在炼钢和Corex工序循环利用，以及冷态钢渣应用于转炉冶炼的工艺，消化了30%～45%的钢渣，但是有55%的钢渣由于物理化学性能限制，不能够在钢铁厂内部循环利用，只能做为工业废弃物堆存。

为了解决钢渣规模化应用问题，八钢、新疆中合大正冶金科技有限公司、新疆交通建设集团股份有限公司（以下简称交建集团），合作开发适合新疆地区的钢渣修路技术。交建集团对八钢公司产生的钢渣，做了全面的路用性能检测和分析，制订了符合新疆地区的钢渣修路技术方案，于2016年先后铺筑了G30乌奎高速K3654+755至K3656+255段、G312科研院所，起草了《钢渣道路结构层施工技术规范》的新疆地方标准，并且于2018年5月通过了交通厅组织的专家评审，8月通过了自治区相关部门的评审验收，成为地方标准。

2018年在八钢“三供一业”项目工程实施中，规模化应用了八钢钢渣混合料。采用钢渣修路简化了施工工艺，缩短了修路建设周期，取得显著的效果。

2. 钢渣修路的优势

钢渣因含有硅酸二钙和硅酸三钙水硬性矿物,且二者含量之和在50%以上,水化过程和水化产物同硅酸盐水泥熟料相似,不同点在于钢渣的生成温度在1560℃以上，而硅酸盐水泥熟料的烧成温度约在1400℃，钢渣的形成温度比硅酸盐水泥熟料高200～300℃，致使钢渣中C2S（硅酸二钙）和 C3S（硅酸三钙）结晶致密,晶体粗大,水化硬化缓慢。钢渣是一种过烧的硅酸盐水泥熟料是业界的共识[5]。

基于以上的认识，钢渣在公路建设中的优势，目前还没有一种材料能够全面替代，所以西欧和美洲，将钢渣作为公路建设过程中的高级路用材料应用，钢渣修路主要优势有以下几点：（1）钢渣是一种水泥熟料，同时含有一些尖晶石物象，即耐磨相。所以作为水稳层材料，利用钢渣细集料使用，细集料能够发生水化反应，促使钢渣形成整体的水硬性材料结构，道路的CBR值（加州承载比）在200以上，这是其它路用材料难以达到的指标。（2）钢渣集料修筑水稳层，大颗粒起到骨架作用，细颗粒起到填充空隙的作用，颗粒料碎裂后，自身又会发生水化反应，稳定水稳层，所以具有自稳定性。加上钢渣本身的熟料特性，遇水反应缓慢，故钢渣铺筑的水稳层，不仅CBR值高，路面沉陷现象能够得到杜绝，并且路面的平整度，动稳定次数同比有着显著的改善。（3）钢渣的粗颗粒的硬度较大、耐磨性较强、压碎值很小，热容较大和导热性很差的特点，决定了钢渣修路后，道路面层的抗滑性能好，道路在炎热和严寒的条件下，道路的热变形和抗冻解冻性能好，路害少。使用钢渣铺筑的沥青混凝土面层的车辙、龟裂、涌包同比减少50%。抗滑性提高60%以上。（4）钢渣铺筑面层，由于钢渣与沥青的粘附性优于玄武岩等材料，并且钢渣与沥青发生化学反应，道路的服役周期延长，维修费用减少。（5）由于钢渣与沥青的粘附性特点，所以使用钢渣铺筑沥青混凝土面层的时候，沥青材料可以放宽相关的标准，能够降低面层施工成本。（6）钢渣具有一定的透水性，加上其独特的水泥熟料的特点，在处理湿软路基和沉陷性路基的工艺上，能够替代抛石挤淤和换填处理的工艺，施工简单，效果突出。

3. 八钢“三供一业”项目的道路施工工程

新疆八钢于1951年建厂，长期以来八钢居民区的水电暖均有八钢企业承担。八钢的焦炉煤气供应居民生活用燃气，动力厂承担居民的水、电供应。新疆冬季供暖期长达半年，每到冬季，为优先保障居民正常生活，对轧钢生产系统实行限产。八钢承担了许多社会职能，企业负担重。2018年八钢响应国家和自治区的要求，开始全面有序推进职工家属区“三供一业”分离移交工作。

八钢居民区（乌鲁木齐头屯河区钢城片区）的水电暖设施，多年来经历了数次改造，大多数水暖管路和供排水系统铺设在道路下方和道路侧，“三供一业”面临的最大作业内容是道路开挖后，尽快完成管路系统的改造，然后恢复道路交通的正常运行。针对道路的恢复，施工单位最初的设计方案是采用传统的砂石料和戈壁料铺筑。由于日趋严格的环保限制及对土壤保护的要求，砂石料和戈壁料的供应存在困难。为此新疆互利佳源科技有限公司主动对接项目，介绍钢渣筑路的优越性，在取得施工方的认可后，八钢“三供一业”项目规模化实施了钢渣修路和钢渣回填管廊基础的工艺，技术指标见表1。

表1 钢渣应用于沥青混凝土的技术指标

在“三供一业”项目的建设过程中，街道道路下方的管廊铺设，路面的恢复等区域都应用八钢的钢渣，对于降低工程造价，缩短建设周期，尽早开放道路，产生了极大的促进作用，减少了建设中对市民出行的影响，也是项目建设过程中最大的亮点。

4 钢渣混合料在“三供一业”中的应用

4.1 钢渣性能指标

八钢的钢渣采用热闷和改质处理两种工艺方法，钢渣的热闷效果和钢渣的路用性能指标均满足交通部的相关规定，新疆交建集团北朋土木工程有限公司对修路用钢渣进行了检测，应用于沥青混凝土和水稳层的钢渣性能指标见表1和表2。

表2 钢渣应用于水稳层的颗粒级配检测值

影响应用的游离氧化钙的检测，以及钢渣的容重检测结果见表3和4。

表3 钢铁渣的比重实测值

根据表4可知，钢铁渣中间，对于环境有害物质的含量，低于国标要求，能够满足修路的安全性要求。

4.2 钢渣在水稳层施工中的应用

最初的钢渣应用，在环绕头屯河区乌鲁木齐市92小学的两条道路开挖后作为恢复道路的水稳层材料使用。该路段原有的路基为建筑垃圾和戈壁料填筑，部分路段开后发现路基下方有有机质的路段，路基已有沉陷情况。为此项目部将沉陷性的路基软土挖出，换填钢渣后，铺筑水稳层，水稳层厚度在200～300mm。

表4 钢渣和炼铁渣中间部分重金属元素的含量检测 %

在水稳层的铺筑中，钢渣从钢渣厂渣堆直接取用，拉运到制定路段后，没有添加水泥，按照路拌工艺摊铺洒水后，压路机碾压3～5遍后，检测压实度，准备养生后铺筑沥青混凝土面层。当压路机压实后的第二天，技术人员发现铺筑的水稳层压实度和强度、弯沉值等均满足铺筑面层的条件后，创新性的在上面直接铺筑面层，效果良好。其平整度、压实度等指标满足工程建设要求。

4.3 管线道路的基础和回填施工

“三供一业”的大多数管线（水、暖、气）沿着城市主干道布置，开挖后，更换原有的管线，铺设新的管线，然后回填后进行道路的铺筑。这些管线途经的区域，为了施工的便捷，需要将开挖的大部分土方拉走，然后才能够实施管道的建设。

开挖后，路基的情况差异较大，湿陷性路段大多数由供水渗漏和绿化水渗透造成，原有的管线腐蚀严重，管沟深度在1.5～3.5m。铺设好管道后，管沟的回填考虑了钢渣的性质，即钢渣是碱性材料，能够与环境中间的氯离子和硫酸根离子反应，能够有效减少环境对于管线的腐蚀，并且钢渣的导热性较差（导热系数为0.4W/mok），对于新疆严寒冬季的保暖有贡献。故项目实施过程中，针对管沟一律采用钢渣回填，从路基到水稳层，回填的厚度在1.5～3.5m。

经历了冬季，采用钢渣处理的区域，地面无泛浆、沉陷、冒涨等病害，效果超出预期效果。

4.4 水稳层的质量控制

钢渣作为“三供一业”道路水稳层的唯一材料，从摊铺到压实后，道路即开放，主干道采用洒水降尘和养生，辅路直接开放，以减少对市民出行的影响。为了评估修路的质量，新疆交建集团的技术人员到现场实勘后认为，热闷渣铺筑水稳层，采用洒水和不洒水的效果在水稳层的早期强度上有一定的差别，即洒水养护的强度明显高于不洒水的强度。

除此之外，钢渣水稳层的铺筑，与高速公路采用的常规材料的铺筑工艺相比，其采取的施工方法和降低筑路成本上有着得天独厚的的优势。采用钢渣铺筑的城市交通主干道的效果，优于传统的铺筑工艺。