钢渣集料性质及沥青混合料综合性能应用研究

郑 新

(徐州市公路管理处, 江苏 徐州 221000)

0 引 言

钢渣是钢铁制造过程中的副产品，产量为粗钢产量的10%～15%[1]。中国是钢铁大国，钢产量已多年位居世界第一，据有关部门统计，钢渣利用率仅为10%～15%，伴随着钢铁行业的飞速发展，钢渣年产量和累计存量增加较快。钢渣若得不到有效利用与处理，不仅会占用越来越多的土地，而且会对周边生态环境造成严重的不良影响。另一方面，中国公路建设进入了快速发展时期。据统计，截止2019年底，全国公路总里程501.25万公里，其中，高速公路总里程14.96万公里。公路建设普遍采用石灰岩和玄武岩作为原材料[2]，这种传统的路面材料对资源和能源消耗巨大，天然石料的开采活动会对山体植被造成破坏，严重影响周边生态环境，传统的路面材料已不能更好地适应当前可持续发展的要求。钢渣的耐磨性能、强度、抗冻融能力等各项指标相当于或优于常规的玄武岩或石灰岩，钢渣的优质集料特性主要来源于其表面的囊状构造[3]。钢渣的力学性能较轧制的天然集料更加优异，不但耐磨耗、棱角性好，而且与沥青有较好的黏附性[4]。钢渣沥青混合料具有较高的抗拉强度，冻融循环后体积膨胀率在1%以下。与玄武岩沥青混合料相比，钢渣沥青混合料疲劳寿命略有提升，原因是钢渣作为粗集料不会破坏沥青混合料的相容性，而且在达到疲劳破坏时，也不会出现贯穿型裂缝，裂缝长度也明显小于前者[5]。还有研究表明[6]，钢渣会显著提高沥青混合料的高温稳定性和水稳定性，当钢渣掺量为50%时，混合够的高温稳定性及抗水损害性能最好。因此，根据已有的研究成果，在交通建设中寻求适当的钢渣处理方法与应用途径是适应时代发展的趋势，也是钢渣高价值利用的方展方向，具有广阔的工程应用前景。

1 钢渣材料性能研究

本文所用钢渣为转炉渣，并采用热闷法工艺进行处理。该钢渣呈灰白色、深灰色，颗粒规整，钢渣表面除了致密结构之外，还有些许孔状结构(图1)。

图1 钢渣集料形貌

1.1 物理性质

1.1.1 密度与吸水率

钢渣含有致密的铁类化合物成分，钢渣粗集料毛体积相对密度在3.3左右，远大于天然集料。同时，由于钢渣的内部和表面存在较多孔隙，钢渣集料吸水率介于1.0%～2.2%，也高于天然石料。钢渣的密度与吸水率见表1。

表1 钢渣的密度与吸水率

1.1.2 压碎值与磨耗值

钢渣质地坚硬，压碎值检测结果低于玄武岩与石灰岩，磨耗值与玄武岩相当，但明显小于石灰岩。钢渣具有良好的工程力学性能(表2)。

表2 钢渣、石灰岩及玄武岩的力学性能

1.1.3 维氏硬度

钢渣的硬度与玄武岩基本相当，维氏硬度水平较石灰岩高21.9%(表3)。

表3 常见集料维氏硬度值 HV/MPa

1.2 膨胀性试验

钢渣中含有部分游离的CaO(f-CaO)，容易吸水发生膨胀，会对混合料体积稳定性产生影响。徐国平等[7]对25家企业的钢渣样品中f-CaO的含量(质量分数)以及钢渣的稳定性进行了分析。试验表明，钢渣f-CaO的质量分数一般大于4%，并且钢渣集料稳定性与f-CaO含量成正比。林浩东等[8]研究表明，随着f-CaO含量的提高，钢渣沥青混合料的高温稳定性和低温性能影响不大，而混合料的水稳定性明显降低。为降低钢渣中f-CaO的影响，本文所用钢渣经过热闷法处理工艺，具体为炼钢完成后利用钢渣剩余热量，在密闭容器内加入冷水使钢渣消解，通过热胀冷缩使渣铁分离，并且在密闭容器内可产生压力0.05 kg·cm-2以上的热蒸汽，使得钢渣中含有大量的f-CaO体积将增加23%～87%，初步降低f-CaO的含量。另外，钢渣还经过6个月以上时间的自然消解。为研究钢渣集料膨胀性的影响，本文采用膨胀率法对钢渣材料进行试验检测(表4)。随着浸水时间的增加，钢渣膨胀率呈现明显上升趋势，到第10 d钢渣集料体趋于稳定。总体来看，钢渣集料的膨胀率试验结果满足《钢渣混合料路面基层施工技术规程》(YB/T 4184—2009)中“浸水膨胀率不应大于2.0%”的要求。

表4 钢渣1-10 d膨胀率变化情况

1.3 化学组成

通过由X射线荧光谱仪(XRF)分析(图2)，钢渣中一般含量最多的是Ca、Fe、Si和Mg元素，这4种元素一般占总量的90%以上，钢渣的元素分布较为集中，微量元素含量较少。

图2 钢渣的能图图谱

1.4 环境危害性评价

通常，钢渣被认为是一种有毒性的物质。本文采用有害元素浸出试验(TCLP)来评价钢渣环境危害性。结果表明，除Al3+外，钢渣重金属离子渗出试验结果均能满足要求(表5)。但钢渣表面有沥青膜包裹时，所有离子浓度均有下降，特别是Al3+的浓度符合标准，表明钢渣沥青混凝土是一种低环境危害性的路用材料。

表5 钢渣重金属离子渗出试验结果

2 混合料路用性能研究

本文采用1#钢渣集料(10～15 mm)、2#钢渣集料(5～10 mm)、3#石灰岩集料(3～5 mm)及4#石灰岩集料(0～3 mm)，依托Superpave设计方法，制备了SUP-13钢渣沥青混合料，并与常规沥青混合料进行水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性、疲劳性能、抗剪性能等对比。

2.1 水稳定性

水稳定性试验结果表明：SUP-13级配中，钢渣混合料的残留稳定度与对照组玄武岩混合料基本接近，同时劈裂强度比也基本一致，变化不明显(表6、7)。综上所述，两种钢渣沥青混合料的残留稳定度均满足规范不小于85%的要求，劈裂强度比均不小于80%，充分证明上述两种混合料具有一定的抗水损害能力，钢渣沥青混合料的水稳定性相比普通玄武岩混合料稍有优势。

表6 混合料残留稳定度性能试验结果

表7 混合料的冻融劈裂试验结果

2.2 高温性能分析

车辙试验结果表明：钢渣SUP-13混合料动稳定度较普通SUP-13混合料提高了75.2%，钢渣沥青混合料在高温稳定性方面具有明显优势。

2.3 低温性能分析

低温弯曲试验结果表明：钢渣SUP-13混合料破坏应变与普通SUP-13大体相当(表8)。

表8 混合料的小梁弯曲试验结果

2.4 抗剪性能分析

直接剪切试验结果表明：钢渣的掺入在一定程度上提高了沥青混合料的抗剪切能力；不同温度条件下(20 ℃和60 ℃)，钢渣SUP-13混合料的最大剪切力代表值均较普通混合料有小幅度提升。综合表明，钢渣沥青混合料具有良好的抗变形能力(表9)。

表9 混合料剪切试验结果

2.5 疲劳性能分析

应用UTM机开展沥青路面疲劳性能试验，设定荷载值分别为沥青混合料劈裂强度的30%、50%、70%(表10)。试验结果表明：在相同应力水平下，SUP-13混合料试件破坏时，循环次数较普通沥青混合料有较大提高；在低应力水平条件下，SUP-13的疲劳寿命较长，表明路面面层用钢渣沥青混合料在交通量不大、重载车辆不多的路段中具有很好的应用前景。

表10 混合料的劈裂疲劳试验结果

3 实体工程

本文选定南京328国道雍庄至龙池段改扩建工程作为依托工程进行相关应用研究，在试验路段铺筑完成后，进行了芯样压实度、渗水系数以及路面摩擦系数的试验检测。检测结果见表11、12。现场检测数据表明，压实度、渗水系数、摩擦系数、构造深度等指标均符合规范要求。钢渣SUP-13路面施工质量较好，也满足相应技术规范要求。

表11 钢渣SUP-13路面压实度检测结果

表12 钢渣SUP-13现场检测结果

图4 芯样外观

在运行2年后，对试验路段进行了跟踪观测，检测内容包括取芯及路面弯沉检测(图3、4)。试验路段路面状况整体较为良好，路面没有出现裂缝、坑槽、车辙等病害，且芯样层间联结紧密，表面均匀密实，基本无孔隙存在。

现场采用落锤式弯沉仪进行数据采集，并对试验路以及相邻的常规1 km沥青路面进行检测。检测结果(表13、14)表明：钢渣沥青路面较普通沥青路面的弯沉值更低，表明钢渣沥青路面的整体承载力良好；采用钢渣SUP-13的沥青路面动态模量比普通SUP-13路面动态模量高4%～6%。因此，采用钢渣沥青混合料技术能一定程度提高路面的抗变形能力。

表13 弯沉检测结果

表14 动态模量反算数据结果

4 经济效益评价

尽管钢渣沥青混合料较普通混合料油石比高，存在较高的沥青费用，且由于钢渣混合料密度偏高，在机械费方面也具有一定劣势。但钢渣材料在价格方面较玄武岩、石灰岩具有较大的优势。经综合测算，每吨钢渣SUP-13混合料较普通SUP-13混合料节省了122.76元。考虑到钢渣沥青混合料在室内试验中表现出的良好路用性能，其中有些技术指标比普通沥青混合料更加理想，特别是在沥青混合料的耐久性方面表现得更加突出，可以预见钢渣沥青路面的工程营运费用和后期维护费用必定会大幅低于普通沥青路面。因此，将钢渣材料应用于沥青路面建设拥有巨大的潜力和良好的经济效益。

5 结 语

尽管密度和吸水率远高于天然石料，但相比其他石料，钢渣更为坚硬、耐磨，具有良好的力学性质，且膨胀性、环境危害性等试验也表明钢渣满足在沥青面层的应用要求。对钢渣沥青混凝土的室内性能及实体工程研究表明，钢渣沥青混凝土与玄武岩类沥青混凝土性能相当，其中，在高温稳定性及抗疲劳性能表现更为优异。通过综合测算，钢渣沥青混凝土不但经济优势明显，而且环保效应巨大，具有广阔的应用前景。