钢渣在公路半刚性基层中的应用研究综述

2021-06-18吕红莉

青海交通科技 2021年5期

吕红莉

(河南省交通运输发展集团有限公司濮阳分公司濮阳 410902)

引言

钢渣是一种炼钢时排放的工业废渣，作为冶金工业的工业副产品，约占原钢的10%～15%[1]。目前，我国搁置的废弃钢渣已高达19亿吨，并以每年数百万吨的数量增长，然而国内废弃钢渣的利用率却不到20%[2]。经过长期的历史积累和发展，一些国家的钢渣利用逐渐形成了完整、成熟的产业链和质量控制体系，有利于相关技术的改进和发展。例如，德国各地每年约有150万公吨钢渣被用作建筑行业的骨料[3]。随着我国交通现代化建设的迅速发展以及“钢渣”作为道路工程材料被列入《公路路面基层施工技术规范》[4]，钢渣逐渐在公路半刚性基层、路基和桩基础中被广泛应用[5]。

以水泥为代表的无机结合料稳定材料作为路面结构的基层——半刚性基层，它的功能是承受荷载和分散压力，因此需要具有一定的强度、刚度和承载能力。我国90%以上的高等级公路采用半刚性材料作为路面结构的基层或底基层，但在实际应用的过程中，还是出现了强度不足、收缩开裂以及抗冲刷不足等问题[6-9]。鉴于以上问题，国内外研究学者发现钢渣似乎是解决这些问题的一个绝佳筑路材料，钢渣中含有硅酸二钙、硅酸三钙以及铁铝酸钙等水硬性胶凝活性矿物，且在磨耗值、压碎值和坚固性等力学指标方面表现优异，理论上能够对半刚性基层问题进行改善[10]。但是，钢渣自身体积稳定性等问题也限制了其在半刚性基层中的应用，为此国内外专家学者们进行了大量钢渣在半刚性基层应用的试验研究。

目前，钢渣在公路半刚性基层建设中主要是替代天然集料，极少部分替代结合料用于稳定基层。本文收集了近年来国内外关于钢渣在半刚性基层领域的相关文献，总结了钢渣部分替代集料或无机结合料对基层材料各项性能的影响及对钢渣体积稳定性的建议，并基于此展望今后一段时间钢渣半刚性基层的研究方向。

1 钢渣的理化性质

钢渣干燥状态下一般呈灰黑色，少数灰白色，潮湿状态下为黑褐色，外观像结块的水泥熟料，表面纹理丰富，有大量的微小孔隙和杂质堆积而成的“囊状”结构。因铁等金属元素的存在，钢渣表观相对密度较大约，为3.1～3.8g/cm3，是普通天然石料的1.2～1.4倍，密度大易压实、方便施工，但在长距离运输过程中需考虑经济效益；受焖渣方式和冷却条件的影响，其吸水率在1.5%～2.2%，约比普通石料高1%，因钢渣易吸水可适用于改良软弱潮湿的路基基底。钢渣主要化学成分有：CaO、SiO2、FeO、Fe2O3、MgO、Al2O3和MnO2等，成分波动范围较小；矿物组成中，以含有活性的硅酸二钙、硅酸三钙及RO相为主，除此之外，还含有少量的单质铁、游离氧化钙及氟磷灰石等矿物。钢渣的化学成分和矿物组成与取决于其碱度大小(可通过公式：M=w(CaO)/[w(SiO2)+w(P2O5)]计算[11])，低碱度钢渣成分中含三价铁及其固溶的氧化猛和氧化钙；高碱度钢渣中为亚铁、氧化镁和氧化锰的固溶体。无论碱度高低，均有游离氧化钙(f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)的存在，它们会分解膨胀，引起基层病害，应用时该加以注意。同时，钢渣的处理工艺如：热泼、水淬、风淬、热闷和滚筒等，都会造成钢渣的理化性质有所差异，表1中介绍了不同处理方式得到的钢渣类型及相应的性质。

表1 钢渣的处理方式及性质对比

2 钢渣在公路基层中的应用现状

半刚性基层可细分为半刚性基层和半刚性底基层。钢渣代替碎石作为半刚性基层材料是目前钢渣用于公路基层的主要研究方向。本节主要从钢渣半刚性基层的强度、收缩和耐久性进行论述。

2.1 钢渣在半刚性基层的应用现状

2.1.1 强度

基层材料的强度是维持路面各结构层稳定最基本的前提。关于钢渣半刚性材料的力学性能，国内外研究一般涉及到了无侧限抗压强度、间接抗拉强度(劈裂强度)和抗压回弹模量。

Maslehuddin等[12]将钢渣与水泥稳定碎石掺配，对其力学性能测试发现，钢渣基层在力学性能和路用性能上优于普通半刚性基层。郑武西[13]也在水稳钢渣碎石中将钢渣作为整档料(0%、20%、40%、60%、75%)代替碎石，发现水稳钢渣碎石7d无侧限抗压强度随钢渣掺量增加而增大，60%掺量钢渣的基层试件抗压强度达到最大值；5%和6%的水泥剂量，掺钢渣和不掺钢渣混合料7d无侧限抗压强度均分别大于4.0和5.0MPa，适用各等级公路基层建设。

袁玉卿等[14]对二灰钢渣进行了力学性能研究，石灰与粉煤灰比值在3～5时二灰钢渣强度较高；钢渣掺量在75%～80%时，二灰钢渣7d抗压强度可达1.20～1.26MPa，28d抗压强度增大1倍；抗压回弹模量在28～90d增大缓慢，90～180d增大明显，增幅达78.8%；不同石灰粉煤灰比例下，二灰钢渣28d劈裂强度在0.14～0.20MPa。同二灰钢渣基层，李芸[15]采用两种掺配方式，用粗钢渣代替粗骨料，细钢渣代替粉煤灰结合料，结果表明，钢渣：粉煤灰=1∶2时，基层强度得到较大提高；二灰钢渣基层掺入部分粗钢渣能提高其强度。

2.1.2 收缩性

半刚性基层的开裂方式可分为干缩开裂和温缩开裂，且以干缩开裂为主。钢渣自身水化和遇水发生微膨胀，可改善基层的干缩性能。但钢渣水化产物与自身矿物对温度较为敏感，几乎不能对基层温缩性能改善。

李飞等[16]专门对钢渣基层收缩特性做了研究，他们将不同比例的钢渣掺入到水泥稳定碎石和二灰稳定碎石中，研究表明：钢渣掺入可大幅度减少基层干缩系数，但会增加基层的温缩系数；当钢渣全部替代碎石时，水泥稳定钢渣和二灰稳定钢渣总干缩系数分别降低41.2%和31.4%，但平均温缩系数分别增加23.6%和32.3%。

王鹤斌[17]在半刚性钢渣基层的抗裂研究中发现：水泥稳定钢渣基层干缩性能均优于水泥稳定碎石；水稳钢渣基层材料干缩应变和温缩应变均随水泥掺量的增加而增加；同水泥掺量下，粗中细钢渣基层温缩性能并不全好于砂砾级配；中级配钢渣干缩应变>细级配>粗级配。

阮元[18]对二灰钢渣碎石骨架型级配和悬浮型级配进行了研究。研究表明：骨架型级配干缩总系数小于悬浮型，指出二灰用量在16%～20%时，骨架型总干缩系数减小13%～36%，悬浮型减小32%～39%。与二灰碎石相比较，50%钢渣掺量骨架型和悬浮型级配混合料总干缩系数较普通石料减少22%和26.5%；同上二灰用量，骨架型和悬浮型级配混合料平均温缩系数增加2%～6%和10%～11%。50%钢渣掺量骨架型和悬浮型级配混合料平均温缩系数增大7%和5%。

2.1.3 耐久性

评价公路基层耐久性的指标一般包括：抗冻性、抗渗性和抗冲刷性等。国内对半刚性基层材料耐久性有了一定程度的研究，国外则相对较少。

喻平[19]对水泥稳定钢渣梁式试件进行弯拉强度和三点弯曲疲劳试验，并建立的方程进行了拟合，研究表面：试件抗弯拉强度和疲劳寿命随钢渣掺量(0%、40%、60%)和水泥剂量(4%、4.5%、5%)的增加而增大，集料与基体材料间的粘结作用对水泥稳定钢渣基层疲劳性能起主导作用。黄浩[20]对水泥稳定钢渣碎石基层的抗冻性能做了研究，结果表明：水稳钢渣碎石基层抗冻系数随钢渣掺量的增加而增大，75%钢渣掺量的水稳钢渣基层材料较普通水稳碎石基层材料抗冻系数提高约5.9%。

不同组成结构的混合料对基层的耐久性也有很大影响。曾梦澜等[21]研究二灰钢渣碎石基层中发现：骨架密实和悬浮密实级配50%掺量钢渣在二灰用量为17%时，冲刷损失质量最小；当二灰掺量大于17%时，骨架密实型级配二灰钢渣基层抗冲刷性能优于悬浮密实性级配。骆宏勋等[22]在水泥粉煤灰稳定钢渣路面基层材料研究中将粉煤灰代替50%水泥，研究表明：水泥粉煤灰稳定钢渣碎石抗冲刷能力要优于纯稳定碎石，掺25%钢渣试件28d冲刷质量损失比碎石试件少约54%。

2.2 钢渣在半刚性底基层的应用现状

底基层是位于垫层以上基层以下的夹层，它和基层的功能相似，进一步承担和扩散由面层纵向传递下来的应力。与基层材料相似，底基层材料以半刚性细粒土为主。细钢渣水硬活性更高，能与松散土质粘结成“板块”，改善底基层早期强度[23]。同样本节就钢渣底基层的强度、收缩性和耐久性三个方面进行研究。

2.2.1 强度

国内外对钢渣底基层材料强度的研究主要涉及无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量等。

蔡晓飞[24]对石灰稳定细钢渣土底基层材料做了深入研究。采用8%的石灰掺量，钢渣土(钢渣取2mm以下粒径)质量比在2∶8～6∶4时，石灰钢渣土早期强度较高，能够满足高速公路和一级公路底基层抗压强度标准；掺0.5mm以下钢渣微粉的石灰钢渣土后期强度间接抗拉强度明显高于掺2mm以下钢渣的石灰钢渣土；在石灰掺量为11%，钢渣土(钢渣取0.5mm以下粒径)比例为2∶8时，石灰钢渣土性能最佳。

王栋梁[25]在水泥稳定钢渣土的力学性能研究中发现：PO32.5水泥掺量为6%时，7d无侧限抗压强度才可达3.1MPa，满足高速公路和一级公路底基层要求，且养护90d下间接抗拉强度和抗压回弹模量分别达0.49和1210MPa。徐文娟[26]在钢渣掺量(0%、20%、40%、60%)范围内研究了水泥钢渣土力学特性，研究表明：水泥钢渣土的抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量比水泥土高30%～150%；20%掺量的水泥钢渣土试件28d强度最高，40%掺量90d强度最高；60%掺量以上时抗压回弹模量开始降低。

2.2.2 收缩性

同上所述，底基层的收缩特性涉及温缩和干缩，其收缩特性与材料的失水率有很大关系。与稳定粒料相比，稳定细粒土更容易发生干缩和温缩。

徐文娟[26]对水泥钢渣土在公路底基层的收缩特性也做了深入研究，研究指出钢渣能够明显改善稳定土的干缩性能，钢渣掺量对干缩应变的影响占主导地位，干缩应变随钢渣掺量的增加而减少；温缩方面，10～40℃试件温缩变形大，-20～10℃温缩变形小，水泥钢渣土随钢渣掺量增加，温缩系数先减小后增大，20%钢渣掺量温缩变形最小，这与水泥和钢渣水化生成的高温缩系数胶结物有关。

郁俊超[27]在研究水泥粉煤灰稳定细钢渣干缩特性中指出：混合料失水率与最近含水量存在一定关系；不同配比的混合料最大平均干缩系数都出现在初期，在水泥∶粉煤灰∶钢渣=8∶22∶70时，底基层混合料相同时间下平均干缩系数最小。

2.2.3 耐久性

底基层细粒土在恶劣环境下受到饱水、失水以及干湿、冻融的循环会严重减少公路的寿命，对其耐久性研究是必要的。目前国内外对公路底基层稳定钢渣土的耐久性研究比较缺乏，尚需大量试验进行研究。

刘光烨[28]对用于公路底基层的钢渣二灰土稳定性能进行了一系列探究，对低配、中配和高配3种二灰钢渣土(1∶2∶1∶6、1∶2∶3∶4、1∶2∶5∶2)与素土、灰土和二灰土进行对比试验，研究发现：饱水一天后，钢渣二灰土强度损失仅有21%～42%，明显高于强度损失45%～53%的二灰土；10次干湿循环后，掺钢渣土中强度最高的为中配钢渣，达1.3MPa，最低高配钢渣土达0.93MPa，仍比灰土和二灰土高2～3倍；冻融循环10次后，强度中配>高配>低配>其他土，低配钢渣土强度仍达1.49MPa；综合多方面考虑，建议钢渣二灰土中钢渣最佳掺量为30%。

彭波[29]将钢渣作为稳定剂，确定了钢渣稳定土中稳定剂的最佳掺量为6%，稳定剂6%的钢渣稳定土不仅早期强度高于石灰稳定土，而且饱水强度、水稳性及抗冻性等方面均优于石灰稳定土。

3 问题与展望

3.1 钢渣应用于道路后的环境问题

在钢渣道路的实际应用中出现了不少问题，如由于炼钢过程中需加入一些含放射元素的铁矿石，导致钢渣中会存在以226Ra、232Th和40K为主的三种天然放射性核素，其比活度虽然未超过国家标准，但潜在的辐射危害是存在的，长期接触放射性核素，易对人体器官、系统造成一定损伤，引起不适和病变[30]。如钢渣沥青路面在摊铺一年后，路面出现大面积泛红现象。据此，钢渣中含有铁等金属氧化物，在外界环境下更易锈蚀，导致路面类似生锈的状况发生，这增大了车辆行驶过程中轮胎与地面的摩擦，不仅影响沥青路面的减噪效果，而且对轮胎的消耗磨损增大。同时，路面泛红不利于路面的整体美观及后期养护，一定程度上影响驾驶人员的驾驶视线；再如，钢渣密度大，在其运输、拌和和摊铺过程中耗能大。另外，钢渣半刚性基层用于承载力不足的软土地区时，易造成地基应力集中，路基翻浆等。

3.2 钢渣的安定性问题

研究表明面层的顶包和开裂与基层有一定关联，由于游离氧化物和铁锰分解等原因引起钢渣膨胀，当膨胀应力超过钢渣半刚性基层抗拉强度极限时，基层出现开裂，裂缝随着车辆重复荷载扩展到沥青面层形成反射裂缝，这极大缩短了路面的使用寿命。在实际工程应用中，因钢渣膨胀还出现过路面结构层厚度变大甚至倾斜等现象。游离氧化钙是引起钢渣安定性问题的主要原因，其一部分来源于未解离的氧化钙，一部分来源于硅酸三钙到硅酸二钙的解离过程中。f-CaO遇水生成Ca(OH)2体积增大一倍以上，f-MgO遇水生成Mg (OH)2体积增大0.75倍左右，当钢渣因膨胀引起基层内部拉应力超过钢渣抗拉强度极限时，基层开始出现开裂[31]。f-CaO改善生产工艺和陈化处理是国内外学者解决钢渣膨胀问题的主要研究方向，我国已有钢渣基层导致道路开裂、结构层变厚的工程案例，因此将钢渣用于基层时，需对其体积安定性问题足够重视。

Lun[32]研究发现：将细钢渣压蒸和蒸养可改善细钢渣的体积稳定性，且压蒸比蒸养解决钢渣膨胀更加有效，蒸养会降低混凝土强度，但压蒸不会。徐江红等[33]在研究钢渣膨胀性时发现：水淬钢渣可减少f-CaO的含量；公路等交通铺面材料钢渣膨胀率用压蒸法评定更为高效；钢渣粒径越小、陈化时间越长膨胀率越低。Vilciu等[34]基于钢渣生产过程，控制炼钢浇筑温度及高度并在熔炼过程采用两种不同方式加入石英砂，结果表明该方法可降低钢渣中75%～82%的游离氧化钙含量。徐方等[35]对用于公路基层不同陈化时间的钢渣稳定性进行了研究：陈化前两个月，钢渣粉化明显，四个月各粒径钢渣压蒸存活率可达94%，粉化主要以两边界粒径钢渣为主；陈化一年钢渣的f-CaO含量可降至2.85%，压蒸存活率增大、粉化率减小。

多数钢渣半刚性基层文献中，钢渣体积稳定性检测只是简单的钢渣浸水膨胀测试，很少考虑钢渣的f-CaO含量、粉化率和离散性问题[36]。不仅如此，我们还可借鉴土工试验中浸水膨胀率测试方法对成型后的钢渣基层试件进行体积安定性测试。早在《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》中就已明确规定：“钢渣必须分解稳定，其f-CaO的含量应小于3%，前期钢渣不得使用，应采用堆积一年以上沉渣等”[37]。陈化处理是钢渣在外界自然环境下遇水后其内部的f-CaO形成Ca(OH)2最终转化为CaCO3，以尽可能的在钢渣使用前将f-CaO除去。《钢渣混合料路面基层施工技术规程》规定：“筑路用钢渣为经过陈化或其他方法处理已经稳定的钢渣，其粉化率测定值的波动上限应不超过5%等”[38]。

3.3 趋势与展望

从钢渣在半刚性基层中的应用来看，钢渣替代天然骨料是目前研究的主要方向，这不仅让大量的废弃钢渣得以利用，还可以解决我国优质砂石短缺的问题，钢渣骨料未来发展前景广阔。但就目前对钢渣半刚性基层的研究情况来看，要想将钢渣更好地应用在公路基层实践中，还尚需一些努力。

其一，如前所述，大多学者只是对钢渣半刚性基层的力学性能及变化规律进行研究，很少对其影响机理进行探究。另外，对钢渣基层材料的耐久性研究缺乏，特别是车辆荷载下钢渣基层的损伤机理。

其二，钢渣替代骨料用于半刚性基层的研究比较充分，但将钢渣作为胶凝材料应用的研究却比较少，适当复掺激发剂激发火山灰效应以此来提高基层强度是研究的一个方向。此外，钢渣的水硬性和力学特性对基层的分别影响效果没有明确定义，这还需要我们更进一步研究。

其三，各钢厂炼钢所使用的矿石和化学药剂不尽一致，加之不同的生产工艺和陈化处理，造成各产地钢渣物化性质差异，从而导致钢渣体积安定性的不同。在研究钢渣基层时，能否依据钢渣各项安定性指标先进行划分，如f-CaO含量、粉化率和浸水膨胀率等。其次，要对钢渣半刚性基层的膨胀特性进行研究，以利于钢渣高效的在公路半刚性基层中应用。