精炼钢渣水泥稳定混合料性能室内试验研究

张洁, 杨义， 龙澄

(1.桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室， 广西 桂林 541004;2.广西鱼峰集团有限公司， 广西 柳州 545000)

钢渣是钢铁冶炼过程中生成的固体残渣，其中含有类似于石灰或水泥活性的C2S、C3S、C3A和C4AF等液压材料，被认为是一种潜在的道路建筑类材料黏合剂。日本某公司采用处理后的钢渣作为路面材料，室内试验、厂内道路试验结果显示路面平整、无膨胀。2002年，武汉钢铁集团冶金渣有限责任公司在厂区内道路进行试验段铺砌，反馈结果显示路面表层基本保持平整，结构深度好，颗粒均匀，无鼓拱、裂缝等缺陷，具有良好的路用性能。然而钢渣作为道路材料在实际应用中也存在一些危害，如钢渣的化学成分较复杂，包含易膨胀的f—CaO和f—MgO，在潮湿环境中f—CaO和f—MgO的水化作用会引起道路膨胀和开裂，导致体积不稳定；同时钢渣的pH值很高，可能含有有害的重金属物质，可能造成周边环境污染。该文以广西北海诚德不锈钢厂的精炼钢渣代替砂、石等天然材料应用于路面基层水泥稳定类材料中，通过室内试验分析其性能及用于道路工程的可行性。

1 试验原材料的物理化学性能

1.1 钢渣的来源

取广西北海诚德不锈钢厂两处废弃钢渣屯放点的钢渣样本，分别为A组、B组；取新产精炼钢渣样本，为C组(见图1)。新产钢渣为灰咖色，自然风干后外观呈灰白色。它是高炉炉渣经水冷却后的产物，由工厂统一生产、统一冷却，无其他杂质，有害杂质较少。依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》采用容量瓶法分别测定A、B、C 3组钢渣的表观密度，分别为2.32、2.64、2.88 g/cm3。

图1 钢渣北海取样点

1.2 钢渣的化学成分分析

1.2.1 化学成分

如表1所示，钢渣的主要化学成分为CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5。相对而言，这次试验所用钢渣样本的Fe2O3含量较低，分别为0.33%、0.20%、0.095%，而Al2O3、SiO2成分的比例均较高，SiO2、Al2O3后期易形成硅酸三钙及活性矿物铝酸钙。3组钢渣样本中CaO含量分别高达52.52%、56.34%、57.54%，钢渣成分中CaO含量越高，碱度越大。A、B、C 3 组试样钢渣的碱度分别为 2.214、2.314、2.32，属于中碱度钢渣，其活性在一定碱性环境中可被激发，能显著加速钢渣水化硬化，增强钢渣在公路路基中的利用率。

表1 钢渣的化学成分分析

1.2.2 X射线衍射

在道路工程建设中，钢渣中的硫化亚铁、硫化锰与水结合，会生成氢氧化亚铁和氢氧化锰，其能分解硫化物，引起颗粒粉碎导致体积膨胀，故钢渣中硫、锰、钛等化合物的含量不应超过规定值。钢渣的质量系数应超过1.2，即：

(1)

样品钢渣的X射线衍射测试结果见图2。经测试，样品钢渣的主要矿物成分是CaSi2O4、CaF2，没有Mn、Ti、S、SO3等元素。经式(1)计算，样品钢渣A、B、C组的质量系数分别为2.1、2.49、2.53，均大于1.2，满足要求。

图2 钢渣X射线衍射测试结果

1.3 钢渣的物理性质

按照JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》，对3组钢渣样品进行筛分，结果见表2。

由表2可知：钢渣天然颗粒粒径及颗粒组成绝大部分在2.36～0.075 mm，颗粒细腻，分布均匀。在水化反应中，钢渣颗粒能与水的各方面接触从而加速反应，提高材料的胶凝活性，有利于水泥稳定钢渣混合料的压实和强度的形成。

表2 钢渣的筛分结果

按JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》测定A、B、C组钢渣的天然含水率，然后按JTG E40-2007《公路土工试验规程》进行液限、塑限试验，试验结果见表3。

由表3可知：屯放的钢渣含水率较高，而新产的钢渣含水率较低，但整体含水率偏高；3组钢渣的液限、塑限指标基本无差异，塑性指数均小于12，符合规范要求。

表3 钢渣土的液、塑限试验结果

1.4 钢渣稳定性试验

f—CaO含量是影响钢渣稳定性的重要因素。依据CJJ 35-90《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》，钢渣材料f—CaO的含量应小于3%。将f—CaO含量超过3%的钢渣应用于道路工程，可能导致路面或路基顶包开裂，导致道路耐久性差。因此，在钢渣应用之前，依据YB/T 4382-2012《钢渣中游离氧化钙含量测定方法》测定其f—CaO、f—MgO含量。再依据JTG E40-2007《公路土工试验规程》进行自由膨胀率试验，初步分析钢渣混合料用于道路工程的可行性。稳定性试验结果见表4。

表4 钢渣的稳定性试验结果

由表4可知：f—CaO和f—MgO的含量远低于3%；钢渣材料的自由膨胀率<40%，具有弱膨胀性。表明钢渣具有较好的稳定性，初步确定其应用于道路工程可行。

1.5 钢渣的有害物质分析

钢渣成分复杂，除一些氧化物外，还含有有害重金属物质。在道路工程中，经雨水冲刷和浸泡，钢渣材料中的重金属物质会析出，污染土壤及地下水资源，而且可能通过消化道和皮肤进入人体。因此，将其应用于公路工程时，根据CJJ 35-90《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》测试其重金属含量，结果见表5。

表5 钢渣中重金属浸出试验结果 mg/L

由表5可知：在纯水浸出条件下，钢渣中仅检测到铬金属析出，低于污水综合排放标准值；其他重金属远低于综合排放标准值。

2 水稳钢渣配合比设计及力学性能研究

综上，3组钢渣材料差异不大，可作为一类材料。为进一步检验钢渣应用于道路工程的适用性，将水泥掺量为3%、5%、8%、10%、14%的钢渣混合料制成试块，进行7、28 d无侧限抗压强度试验和直接弯拉强度、劈裂强度试验验证其弯拉强度，然后进行干缩试验测试其稳定性。

2.1 击实试验

依据JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》，选取0～4.75 mm粒径钢渣，按一定比例掺合形成钢渣混合料，进行击实试验，结果见图3。

图3 钢渣混合料的含水率-干密度曲线

由图3可知：钢渣混合料的干密度曲线呈抛物线形，最大干密度为1.632 g/cm3，最佳含水率为21.8%。

2.2 无侧限抗压强度试验

依据JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》，对不同水泥掺量的钢渣混合料进行无侧限抗压强度试验(见图4)，测试其7、28 d无侧限抗压强度，试验结果见表6、图5。

图4 7、28 d无侧限抗压强度测试

表6 不同配比下钢渣混合料的抗压强度

图5 不同配比下钢渣混合料的抗压强度

钢渣中CaO和MgO的活性成分很高，而且钢渣的表面积小于水泥颗粒，可较好地填充水泥和钢渣颗粒中孔隙，起到微集料填充的作用，改变水泥砂浆机体的孔隙结构，使试件结构更紧密，强度也随着增强。随着水泥用量的增加，钢渣强度也递增。水泥掺量为5%以上的钢渣水泥稳定混合料基本满足二级及二级以下公路的要求。14%水泥掺量下钢渣试件强度高达7.20 MPa，达到极重、特重交通标准要求，且后期强度呈线性增加(见表7)。

表7 水泥稳定材料7 d无侧限抗压强度标准 MPa

2.3 强度验证试验

参照JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》，对水泥掺量为14%的钢渣混合料在28、90 d龄期进行劈裂强度和弯拉强度试验(见图6)，进一步探究钢渣混合料的抗弯拉性能，结果见表8。

图6 28、90 d直接弯拉、间接弯拉强度测试

表8 4#配比钢渣混合料的弯拉强度试验结果

由表8可知：随着龄期的增长，水泥稳定钢渣的弯拉强度变大，间接抗拉强度达到0.75 MPa，直接弯拉强度达到1.14 MPa，满足路面基层设计规范的要求。

2.4 干缩试验

参照JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》，制作50 mm×50 mm×200 mm钢渣水泥稳定混合料试件，水泥掺量为8%、14%。对试件进行干缩试验(见图7)，测试不同时间下试件的干缩量，结果见图8。

图7 钢渣水泥稳定混合料干缩试验

图8 钢渣水泥稳定混合料的干缩变化趋势

由图8可知：以向上为收缩，水泥掺量越高收缩越大。因钢渣中含有微量遇水膨胀的矿物成分，这些矿物成分在水泥硬化后继续发生反应，使钢渣水泥稳定试块体积增大，能在一定程度上抑制水泥砂浆试件的干缩，故两组试件基本呈微收缩状况。

3 结论

(1) 钢渣材料的主要成分为CaO，活性较高，属于中碱度钢渣，与硅酸盐相似，具有一定的凝胶性。钢渣粒径主要为0.075～2.36 mm，呈粉状。钢渣的初始含水率较高，而含水率对钢渣水稳材料强度的影响较大，路基铺筑时应严格控制钢渣的含水率。

(2) 钢渣中f—CaO、f—MgO含量远低于规范3%的要求，且钢渣自由膨胀率小于40%，具弱膨胀性，说明其具有一定的稳定性。重金属析出物仅检测到微量铬金属，且其含量远低于污水排放标准，可用于道路工程。

(3) 不同水泥掺量钢渣水泥稳定混合料中钢渣颗粒细腻且分布均匀，钢渣水泥稳定混合料整体强度较高。随着水泥掺量的增加抗压强度呈线性增长，5%以上水泥掺量钢渣水泥稳定混合料可达到二级及二级以下公路的强度标准要求。

(4) 14%水泥掺量钢渣水泥稳定混合料的弯拉强度满足规范要求；随着龄期的延长，8%、14%水泥掺量钢渣水泥稳定混合料的干缩量呈上升趋势，但整体偏小。

(5) 钢渣代替砂石应用于路面基层水泥稳定材料可行。