沥青混凝土用钢渣集料加工与试验分析

林振华,孟秀元,程 千,磨炼同

(1.武汉理工大学硅酸盐材料工程研究中心,武汉 430070; 2.山西路桥集团阳蟒高速公路有限责任公司，晋城 048100;3.山西路桥第二工程有限公司，临汾 041000)

钢渣是钢铁工业的主要固体废弃物，每生产1 t钢就会产生钢渣约0.15 t。当前我国是钢铁生产第一大国，年产量约占全球产量的50%。2018年我国钢产量为9.28亿t，2019年增加到9.96亿t，排放钢渣超过1亿t/年。与日本、欧美等发达国家相比，我国钢渣排放量巨大，但利用层次和利用率低，大量钢渣长期堆放占地且污染环境，急需开展有效综合利用，然而钢渣体积安定性不良且变异大是制约其大规模利用的首要原因[1,2]。钢渣体积膨胀主要来源于游离CaO和MgO，两者遇水后消解生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，体积分别增加98%和148%，因此控制钢渣体积膨胀应限制其游离CaO和MgO含量，同时通过破碎和陈化以促进二者消解，提高钢渣均质性与稳定性。钢渣集料体积安定性不良对水泥混凝土和沥青混凝土产生的破坏作用差别大，不应一概而论。对于硬化水泥混凝土而言，钢渣集料安定性不良可直接导致结构损伤和胀裂，是非常致命的结构破坏[3]。而对于柔性沥青混凝土，沥青材料的粘弹特性提供自由膨胀的空间吸收钢渣集料的体积膨胀而减少结构损伤与胀裂，前期工程实际结果表明钢渣集料在沥青混凝土中体积膨胀不会造成沥青路面胀裂质量问题[4]。

1 钢渣陈化处理

我国GB/T 25824—2010《道路用钢渣》标准规定用于道路的钢渣的浸水膨胀率应小于2%。传统的熔融钢渣的处理方式如冷弃、热泼等难以满足降低渣中游离CaO含量低于3%的技术要求，使得钢渣浸水膨胀率难以达到小于2%。钢渣热闷法因能充分利用热闷池内熔渣的余热产生大量饱和蒸汽来消解钢渣中游离CaO和MgO，从而除低了热闷钢渣游离CaO含量，改善了钢渣稳定性，使得钢渣浸水膨胀率达到小于2%，因此热闷钢渣集料更适用于沥青面层，而热泼钢渣集料应用前应进行必要的陈化和均化处理[1,5]。

对于传统的冷弃、热泼钢渣在道路工程中应用前须经过长时间的陈化处理，我国JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》明确指出经过破碎且存放超过6个月以上的钢渣可用作沥青混合料粗集料使用。钢渣自然堆放陈化处理耗时长，占地大，且钢渣中游离CaO和MgO需遇水才便于反应生成Ca(OH)2和Mg(OH)2而消解。为了加速陈化，缩短陈化时间，一般可采用温水陈化、蒸汽陈化和蒸汽加压陈化法，但道路用钢渣量大，上述方法中要涉及到浸水、加热、加压等问题，陈化处理适用性差，只适用于钢渣源头处理。钢渣中游离CaO活性低，常温水化消解耗时长，即使是钢渣磨成细粉，其水化反应仍需数月后才趋于稳定[3]。沥青路面用钢渣集料中包裹在钢渣内部的游离CaO更难遇水消解反应。钢渣集料中游离CaO水解反应和体积膨胀是一个长期缓慢过程，特别是在沥青路面服役过程中，钢渣集料在沥青包裹下渗水缓慢，游离CaO水解反应是极为缓慢的过程，如何判定钢渣集料是否会膨胀破坏是一大难题。钢渣集料破碎加工到施工应用有一定的周期，因此必要时应结合钢渣游离CaO含量和体积安定性，在钢渣破碎加工时进行水洗后堆放陈化，在保湿条件下加速钢渣中游离CaO和MgO的水解，降低体积膨胀和开裂的风险。

钢渣陈化有利于提高其体积安定性，但陈化过程中陈化产物以及吸附的粉料在钢渣表面形成细微疏松多孔结构，其对沥青具有很强的吸附性，当沥青用量偏少时，在钢渣集料表面难以形成有效的沥青膜来提供粘结。若钢渣陈化产物层较厚，反应不完全时强度较低，在拌和时沥青若不能充分渗透到杂质层，则容易在沥青与钢渣之间形成薄弱层。水分的浸入和冻胀作用可产生钢渣与沥青粘附剥离，从而造成水损害[5]。

2 钢渣加工分级要求

传统沥青路面面层结构多采用为表面磨耗层4 cm细粒式沥青混凝土(AC-13)、中面层6 cm中粒式沥青混凝土(AC-20)和下面层8 cm粗粒式沥青混凝土(AC-25/ATB-25)，层间采用改性乳化沥青粘层油。下封层采用橡胶或SBS改性沥青矿石封层,集料采用规格为9.5～13.2 mm粗集料，集料撒布量为满铺率的60%～80%。目前沥青面层采用钢渣沥青混凝土时主要以粗集料采用钢渣代替传统天然集料，细料仍采用天然集料，以充分发挥钢渣集料防滑耐磨和骨架的作用，此外下封层用集料也可采用钢渣集料。整体而言，钢渣集料坚硬、耐磨、粒形好、碱性高、与沥青粘附性好，具备代替天然碎石的优势。

钢渣集料资源化利用的前提是合理的筛分分级，按沥青路面设计规范要求，矿料级配分级要求0～2.36 mm和2.36～4.75 mm两种规格是必需的，每种规格的集料所包含的关键筛孔不宜多于两个，其中下面层(AC-25/ATB-25)、中面层(AC-20C)一般按五种规格进行分级，上面层AC-13分4种规格,因此钢渣集料分级要求具体见表1。

目前钢渣多采用热泼和热闷处理工艺，不同的处理工艺钢渣的粒径分布差别较大，其中热泼钢渣粒径最大，26.5 mm以上约50%，有利于二次破碎加工成不同规格的集料，但相比于天然碎石，钢渣破碎加工难度大，设备磨损率高。热闷法处理的钢渣粒径主要集中在4.75～16 mm，约占70%，更有利于直接筛分用于沥青上面层AC-13。钢渣集料破碎、筛分和分级一般采用10～30 mm钢渣。不同沥青混凝土用钢渣粗集料加工应注意采用适宜钢渣粒径进行加工和筛分。一般地，钢渣集料产量多集中在4.75～9.5 mm和9.5～16 mm，应协调好不同规格产量比例，减少细料含量以降低损耗。下面层(AC-25)和中面层(AC-20)要用到大于16 mm以上钢渣集料，实际产量少，同时考虑到粗钢渣稳定性和均质性差，宜利用大于16 mm天然集料配合钢渣使用。钢渣和天然集料同时使用进行钢渣沥青混合料配合比设计时应注意密度差别，必要时应采用密度进行配合比修正以避免细料用量过多影响沥青混合料体积性能[6]。

钢渣集料加工系统振动筛筛网布置应根据不同的沥青混合料进行合理布筛，合理的方案应是尽量保证筛网对不同沥青混合料的通用性，减少加工过程中更换筛网和成品集料场地占用。筛网筛分效率与加工产量与筛网倾角、面积、层数和振幅等直接相关，采用的钢渣加工筛分筛网尺寸应通过试机生产后取样检验其筛分效率宜不低90%，即超径和逊径含量宜小于10%，并依据取样筛分结果作进一步优化和调整。细料0～2.36 mm含有钢渣粉多，其均质性差，对沥青吸油性大，且活性高，对沥青混合料有诸多不利的影响，一般不宜直接采用小于2.36 mm钢渣当作沥青混合料的细集料。钢渣宜用于代替天然玄武岩、辉绿岩等耐磨集料，用作沥青路面表面磨耗层的防滑集料以充分发挥其硬度高、抗压、耐磨等力学性能优势，最大化的实现钢渣资源化利用。当钢渣用于沥青路面中下面层时，因钢渣密度大，多孔吸水率高，造成单位重量亏方严重，沥青用量整体偏大，同时钢渣集料与石灰岩价格差不如玄武岩、辉绿岩等耐磨集料明显，用于沥青路面中下面层经济效益不佳。

表1 沥青混合料用集料分级要求 /mm

3 钢渣集料试验检测要求

钢渣作为工业固废，要求其用于集料加工时应检测其重金属浸出浓度和放射性并符合GB8978—1996 《污水综合排放标准》的规定，实现从源头上控制重金属浸出浓度和放射性，避免用于道路工程中产生重金属二次污染[7]。

钢渣集料用于沥青路面现行规范有国家标准GB/T24766—2009《透水沥青路面用钢渣标准》、GB/T 25824—2010《道路用钢渣规范》和交通运输行业标准JT/T1086—2016《沥青混合料用钢渣》。通过对比三个标准发现后颁布实施的行业标准JT/T1086—2016《沥青混合料用钢渣》在压碎值、磨耗值和浸水膨胀率的技术要求高于国家标准GB/T24766—2009《透水沥青路面用钢渣标准》和GB/T 25824—2010《道路用钢渣规范》。JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》明确指出经过破碎且存放超过6个月以上的钢渣可用作沥青混合料粗集料使用，除吸水率可以放宽外，其它指标可按天然集料要求进行控制，同时在钢渣使用前应进行活性检测，要求钢渣中游离氧化钙含量不大于3%，浸水膨胀率不大于2%。上述规范和标准对钢渣的物理性能指标基本一致，认可钢渣在力学性能和粘结性能上可代替传统天然集料用于沥青混凝土，但对钢渣体积安定性不良的担忧是制约其作为集料大规模应用的首要问题。

目前钢渣集料存在的最大问题是钢渣内部游离氧化钙吸水体积膨胀、开裂引起的安定性不稳定，国家标准GB/T 25824—2010《道路用钢渣规范》未对游离氧化钙含量作具体要求，而后颁布的行业标准JTT1086—2016《沥青混合料用钢渣》增加了对沥青混合料用钢渣集料的化学性能要求，要求其游离氧化钙含量应不大于3%。游离氧化钙是导致钢渣集料安定性不良的突出因素，但加工破碎成颗粒后钢渣集料的安定性不良程度离散性很大，其与钢渣集料的游离氧化钙含量与分布有关。钢渣集料磨成粉后检测游离氧化钙含量一般很难保证取样代表性，个别安定性不良的钢渣集料对水泥混凝土胀裂可能是致命的，但对于沥青混凝土的影响可借鉴软石含量指标进行控制。按现行标准，钢渣集料的游离氧化钙含量应按不大于3%进行控制,前期实测数据表明游离氧化钙含量离散性大，应注意取样代表性。游离氧化钙含量与钢渣处理工艺紧密相关，宜加强钢渣源头质量控制，优先使用破碎选铁后陈放时间长的钢渣，以游离氧化钙含量作为源头钢渣原渣出厂的关键控制指标。

JTT1086—2016《沥青混合料用钢渣》行业标准对钢渣粗集料的针片状含量、密度、吸水率、粘附性、磨光值、磨耗值、压碎值和浸水膨胀率分别作了相应的技术要求。上述指标中，磨光值、磨耗值、压碎值和浸水膨胀率作为力学和安定性指标，其中与游离氧化钙有关的只有浸水膨胀率指标。因钢渣集料硬度高且耐磨，压碎值、磨光值和磨耗值都可达到要求，但当钢渣中含有大量多孔性钢渣时，其压碎值可大于20%,磨耗值接近26%。针对钢渣的水敏感性问题，宜增加钢渣浸水和冻融后压碎值和磨耗值试验，建立钢渣压碎值和磨耗值与其安定性的相关性以指导钢渣集料加工生产、陈化处理以及质量控制，钢渣集料试验检测项目见表2。

表2 钢渣集料试验检测项目

4 体积安定性试验

钢渣集料用于沥青混凝土路面时，要求其具有良好的抗压碎能力，以抵抗施工振动碾压荷载作用以及开放交通后的反复车轮荷载作用。钢渣集料中游离氧化钙发生反应会导致颗粒发生胀裂，影响其强度，如钢渣集料放在热水中长时间浸泡会出现部分颗粒开裂或破碎的情况，一些微裂纹在冻融作用下也可发生开裂，因此可利用集料压碎值试验检测钢渣长期浸水和冻融循环后的抗压碎性能，了解钢渣集料在施工振动碾压和服役过程中是否会存在安定性不足引起的集料严重压碎和胀裂问题。采用山西中阳、晋城和太钢三种钢渣经浸水和冻融作用后发现钢渣浸水和冻融压碎值比常规压碎值大，其中90 ℃水煮7 d后压碎值增加近4%，冻融5个循环后压碎值增加约2%。

钢渣浸水膨胀率按GB/ T 24175《钢渣稳定性试验方法》进行，采用0.075～31.5 mm不同粒径的钢渣组成具有一定颗粒分布的钢渣混合料，利用重型击实试验成型试样。试样在90 ℃热水中浸泡10 d后检测试件体积膨胀率。采用山西太钢新出钢渣和陈化钢渣检测浸水膨胀率，其中新渣平均值1.09%，最大值1.51%；陈渣平均值0.59%，最大值0.88%。新渣比陈渣波动性较大，表明钢渣的膨胀具有不均性，陈化处理可提高均质性和稳定性。钢渣浸水膨胀率试验试样成型要求采用钢渣粗集料、细料和粉料组成的混合料。上述钢渣混合料中，细料和粉料用量达到了35%，二者化学活性和体积安定性可对试验结果产生很大影响，不利于用于检测钢渣粗集料的浸水膨胀率，其试验方法更适用于基层用钢渣的浸水膨胀率。此外钢渣浸水膨胀率检测结果存在波动大的问题，应加强取样代表性。浸水膨胀率试验抽样复杂且难于正常反映钢渣集料安定性，应增加钢渣颗粒热水浸泡的胀裂试验，将9.5～13.2 mm和4.75～9.5 mm钢渣颗粒各100颗分别排放在两个托盘，浸泡在90 ℃热水中观察7 d内其胀裂比率。山西中阳、晋城和太钢3种钢渣浸水胀裂试验结果表明9.5～13.2 mm钢渣颗粒的浸水胀裂率大于比4.75～9.5 mm钢渣颗粒，其中前者小于10%而后者不大于5%。钢渣粒径越小，其均质性高，富集的游离氧化钙吸水胀裂风险越小，因此钢渣破碎后有利于富集的游离氧化钙水解，同时采用水洗可进一步均化钢渣。

5 结 论

钢渣集料力学性能优异，可代替天然碎石集料用于沥青路面面层，特别适合用于表面磨耗层的防滑集料以充分发挥其硬度高、抗压、耐磨等力学优势。钢渣选材加工集料时应从源头加强质量控制，宜以重金属浸出浓度、游离氧化钙含量和钢渣集料浸水胀裂率作为关键控制指标。钢渣原料应优先使用陈放时间长的钢渣以避免体积安定性不良造成的沥青混凝土胀裂风险。钢渣集料破碎加工后应合理筛分级，避免混料使用。钢渣陈化和水洗有利于提高其体积安定性，陈化过程中陈化产物会形成隔离层影响钢渣与沥青粘附，易造成水损害。