鄭 新

(徐州市公路管理處, 江蘇 徐州 221000)

0 引 言

鋼渣是鋼鐵制造過程中的副產(chǎn)品，產(chǎn)量為粗鋼產(chǎn)量的10%～15%[1]。中國是鋼鐵大國，鋼產(chǎn)量已多年位居世界第一，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，鋼渣利用率僅為10%～15%，伴隨著鋼鐵行業(yè)的飛速發(fā)展，鋼渣年產(chǎn)量和累計(jì)存量增加較快。鋼渣若得不到有效利用與處理，不僅會(huì)占用越來越多的土地，而且會(huì)對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的不良影響。另一方面，中國公路建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019年底，全國公路總里程501.25萬公里，其中，高速公路總里程14.96萬公里。公路建設(shè)普遍采用石灰?guī)r和玄武巖作為原材料[2]，這種傳統(tǒng)的路面材料對(duì)資源和能源消耗巨大，天然石料的開采活動(dòng)會(huì)對(duì)山體植被造成破壞，嚴(yán)重影響周邊生態(tài)環(huán)境，傳統(tǒng)的路面材料已不能更好地適應(yīng)當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的要求。鋼渣的耐磨性能、強(qiáng)度、抗凍融能力等各項(xiàng)指標(biāo)相當(dāng)于或優(yōu)于常規(guī)的玄武巖或石灰?guī)r，鋼渣的優(yōu)質(zhì)集料特性主要來源于其表面的囊狀構(gòu)造[3]。鋼渣的力學(xué)性能較軋制的天然集料更加優(yōu)異，不但耐磨耗、棱角性好，而且與瀝青有較好的黏附性[4]。鋼渣瀝青混合料具有較高的抗拉強(qiáng)度，凍融循環(huán)后體積膨脹率在1%以下。與玄武巖瀝青混合料相比，鋼渣瀝青混合料疲勞壽命略有提升，原因是鋼渣作為粗集料不會(huì)破壞瀝青混合料的相容性，而且在達(dá)到疲勞破壞時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)貫穿型裂縫，裂縫長度也明顯小于前者[5]。還有研究表明[6]，鋼渣會(huì)顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，當(dāng)鋼渣摻量為50%時(shí)，混合夠的高溫穩(wěn)定性及抗水損害性能最好。因此，根據(jù)已有的研究成果，在交通建設(shè)中尋求適當(dāng)?shù)匿撛幚矸椒ㄅc應(yīng)用途徑是適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，也是鋼渣高價(jià)值利用的方展方向，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

1 鋼渣材料性能研究

本文所用鋼渣為轉(zhuǎn)爐渣，并采用熱悶法工藝進(jìn)行處理。該鋼渣呈灰白色、深灰色，顆粒規(guī)整，鋼渣表面除了致密結(jié)構(gòu)之外，還有些許孔狀結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 鋼渣集料形貌

1.1 物理性質(zhì)

1.1.1 密度與吸水率

鋼渣含有致密的鐵類化合物成分，鋼渣粗集料毛體積相對(duì)密度在3.3左右，遠(yuǎn)大于天然集料。同時(shí)，由于鋼渣的內(nèi)部和表面存在較多孔隙，鋼渣集料吸水率介于1.0%～2.2%，也高于天然石料。鋼渣的密度與吸水率見表1。

表1 鋼渣的密度與吸水率

1.1.2 壓碎值與磨耗值

鋼渣質(zhì)地堅(jiān)硬，壓碎值檢測結(jié)果低于玄武巖與石灰?guī)r，磨耗值與玄武巖相當(dāng)，但明顯小于石灰?guī)r。鋼渣具有良好的工程力學(xué)性能(表2)。

表2 鋼渣、石灰?guī)r及玄武巖的力學(xué)性能

1.1.3 維氏硬度

鋼渣的硬度與玄武巖基本相當(dāng)，維氏硬度水平較石灰?guī)r高21.9%(表3)。

表3 常見集料維氏硬度值 HV/MPa

1.2 膨脹性試驗(yàn)

鋼渣中含有部分游離的CaO(f-CaO)，容易吸水發(fā)生膨脹，會(huì)對(duì)混合料體積穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。徐國平等[7]對(duì)25家企業(yè)的鋼渣樣品中f-CaO的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以及鋼渣的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。試驗(yàn)表明，鋼渣f-CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于4%，并且鋼渣集料穩(wěn)定性與f-CaO含量成正比。林浩東等[8]研究表明，隨著f-CaO含量的提高，鋼渣瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫性能影響不大，而混合料的水穩(wěn)定性明顯降低。為降低鋼渣中f-CaO的影響，本文所用鋼渣經(jīng)過熱悶法處理工藝，具體為煉鋼完成后利用鋼渣剩余熱量，在密閉容器內(nèi)加入冷水使鋼渣消解，通過熱脹冷縮使渣鐵分離，并且在密閉容器內(nèi)可產(chǎn)生壓力0.05 kg·cm-2以上的熱蒸汽，使得鋼渣中含有大量的f-CaO體積將增加23%～87%，初步降低f-CaO的含量。另外，鋼渣還經(jīng)過6個(gè)月以上時(shí)間的自然消解。為研究鋼渣集料膨脹性的影響，本文采用膨脹率法對(duì)鋼渣材料進(jìn)行試驗(yàn)檢測(表4)。隨著浸水時(shí)間的增加，鋼渣膨脹率呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，到第10 d鋼渣集料體趨于穩(wěn)定?？傮w來看，鋼渣集料的膨脹率試驗(yàn)結(jié)果滿足《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》(YB/T 4184—2009)中“浸水膨脹率不應(yīng)大于2.0%”的要求。

表4 鋼渣1-10 d膨脹率變化情況

1.3 化學(xué)組成

通過由X射線熒光譜儀(XRF)分析(圖2)，鋼渣中一般含量最多的是Ca、Fe、Si和Mg元素，這4種元素一般占總量的90%以上，鋼渣的元素分布較為集中，微量元素含量較少。

圖2 鋼渣的能圖圖譜

1.4 環(huán)境危害性評(píng)價(jià)

通常，鋼渣被認(rèn)為是一種有毒性的物質(zhì)。本文采用有害元素浸出試驗(yàn)(TCLP)來評(píng)價(jià)鋼渣環(huán)境危害性。結(jié)果表明，除Al3+外，鋼渣重金屬離子滲出試驗(yàn)結(jié)果均能滿足要求(表5)。但鋼渣表面有瀝青膜包裹時(shí)，所有離子濃度均有下降，特別是Al3+的濃度符合標(biāo)準(zhǔn)，表明鋼渣瀝青混凝土是一種低環(huán)境危害性的路用材料。

表5 鋼渣重金屬離子滲出試驗(yàn)結(jié)果

2 混合料路用性能研究

本文采用1#鋼渣集料(10～15 mm)、2#鋼渣集料(5～10 mm)、3#石灰?guī)r集料(3～5 mm)及4#石灰?guī)r集料(0～3 mm)，依托Superpave設(shè)計(jì)方法，制備了SUP-13鋼渣瀝青混合料，并與常規(guī)瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、疲勞性能、抗剪性能等對(duì)比。

2.1 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明：SUP-13級(jí)配中，鋼渣混合料的殘留穩(wěn)定度與對(duì)照組玄武巖混合料基本接近，同時(shí)劈裂強(qiáng)度比也基本一致，變化不明顯(表6、7)。綜上所述，兩種鋼渣瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范不小于85%的要求，劈裂強(qiáng)度比均不小于80%，充分證明上述兩種混合料具有一定的抗水損害能力，鋼渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性相比普通玄武巖混合料稍有優(yōu)勢(shì)。

表6 混合料殘留穩(wěn)定度性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.2 高溫性能分析

車轍試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼渣SUP-13混合料動(dòng)穩(wěn)定度較普通SUP-13混合料提高了75.2%，鋼渣瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.3 低溫性能分析

低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼渣SUP-13混合料破壞應(yīng)變與普通SUP-13大體相當(dāng)(表8)。

表8 混合料的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.4 抗剪性能分析

直接剪切試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼渣的摻入在一定程度上提高了瀝青混合料的抗剪切能力；不同溫度條件下(20 ℃和60 ℃)，鋼渣SUP-13混合料的最大剪切力代表值均較普通混合料有小幅度提升。綜合表明，鋼渣瀝青混合料具有良好的抗變形能力(表9)。

表9 混合料剪切試驗(yàn)結(jié)果

2.5 疲勞性能分析

應(yīng)用UTM機(jī)開展瀝青路面疲勞性能試驗(yàn)，設(shè)定荷載值分別為瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的30%、50%、70%(表10)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同應(yīng)力水平下，SUP-13混合料試件破壞時(shí)，循環(huán)次數(shù)較普通瀝青混合料有較大提高；在低應(yīng)力水平條件下，SUP-13的疲勞壽命較長，表明路面面層用鋼渣瀝青混合料在交通量不大、重載車輛不多的路段中具有很好的應(yīng)用前景。

表10 混合料的劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 實(shí)體工程

本文選定南京328國道雍莊至龍池段改擴(kuò)建工程作為依托工程進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究，在試驗(yàn)路段鋪筑完成后，進(jìn)行了芯樣壓實(shí)度、滲水系數(shù)以及路面摩擦系數(shù)的試驗(yàn)檢測。檢測結(jié)果見表11、12?，F(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)表明，壓實(shí)度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度等指標(biāo)均符合規(guī)范要求。鋼渣SUP-13路面施工質(zhì)量較好，也滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范要求。

表11 鋼渣SUP-13路面壓實(shí)度檢測結(jié)果

表12 鋼渣SUP-13現(xiàn)場檢測結(jié)果

圖4 芯樣外觀

在運(yùn)行2年后，對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行了跟蹤觀測，檢測內(nèi)容包括取芯及路面彎沉檢測(圖3、4)。試驗(yàn)路段路面狀況整體較為良好，路面沒有出現(xiàn)裂縫、坑槽、車轍等病害，且芯樣層間聯(lián)結(jié)緊密，表面均勻密實(shí)，基本無孔隙存在。

現(xiàn)場采用落錘式彎沉儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)試驗(yàn)路以及相鄰的常規(guī)1 km瀝青路面進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果(表13、14)表明：鋼渣瀝青路面較普通瀝青路面的彎沉值更低，表明鋼渣瀝青路面的整體承載力良好；采用鋼渣SUP-13的瀝青路面動(dòng)態(tài)模量比普通SUP-13路面動(dòng)態(tài)模量高4%～6%。因此，采用鋼渣瀝青混合料技術(shù)能一定程度提高路面的抗變形能力。

表13 彎沉檢測結(jié)果

表14 動(dòng)態(tài)模量反算數(shù)據(jù)結(jié)果

4 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

盡管鋼渣瀝青混合料較普通混合料油石比高，存在較高的瀝青費(fèi)用，且由于鋼渣混合料密度偏高，在機(jī)械費(fèi)方面也具有一定劣勢(shì)。但鋼渣材料在價(jià)格方面較玄武巖、石灰?guī)r具有較大的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)綜合測算，每噸鋼渣SUP-13混合料較普通SUP-13混合料節(jié)省了122.76元。考慮到鋼渣瀝青混合料在室內(nèi)試驗(yàn)中表現(xiàn)出的良好路用性能，其中有些技術(shù)指標(biāo)比普通瀝青混合料更加理想，特別是在瀝青混合料的耐久性方面表現(xiàn)得更加突出，可以預(yù)見鋼渣瀝青路面的工程營運(yùn)費(fèi)用和后期維護(hù)費(fèi)用必定會(huì)大幅低于普通瀝青路面。因此，將鋼渣材料應(yīng)用于瀝青路面建設(shè)擁有巨大的潛力和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

盡管密度和吸水率遠(yuǎn)高于天然石料，但相比其他石料，鋼渣更為堅(jiān)硬、耐磨，具有良好的力學(xué)性質(zhì)，且膨脹性、環(huán)境危害性等試驗(yàn)也表明鋼渣滿足在瀝青面層的應(yīng)用要求。對(duì)鋼渣瀝青混凝土的室內(nèi)性能及實(shí)體工程研究表明，鋼渣瀝青混凝土與玄武巖類瀝青混凝土性能相當(dāng)，其中，在高溫穩(wěn)定性及抗疲勞性能表現(xiàn)更為優(yōu)異。通過綜合測算，鋼渣瀝青混凝土不但經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，而且環(huán)保效應(yīng)巨大，具有廣闊的應(yīng)用前景。