申鐵軍,陳 瀟,李建軍,王明潔,胡 楊

(1.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030006;2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;3.山西路橋第三工程有限公司, 山西 太原 030006;4.大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116092)

0 引 言

山西是我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)大省,鋼鐵企業(yè)每年產(chǎn)出的鋼渣量較大,綜合利用率約為30%,鋼渣有效資源化利用率不高,大量堆積的鋼渣不僅占用土地、對環(huán)境造成潛在危害,同時(shí)也造成資源上的浪費(fèi)。利用鋼渣集料生產(chǎn)高速公路抗滑耐磨瀝青路面不僅可以實(shí)現(xiàn)鋼渣固體廢棄物的資源化再利用,而且可以延緩優(yōu)質(zhì)天然石料的消耗,保護(hù)山西地區(qū)自然環(huán)境,并且可以提升瀝青混凝土路面的服役性能,延長服役壽命。隨著山西地區(qū)公路建設(shè)的快速發(fā)展,公路工程建設(shè)用集料消耗量巨大,而隨著環(huán)保政策的加強(qiáng),優(yōu)質(zhì)集料(如玄武巖、輝綠巖、石灰石)的供需矛盾日益突出。一些公路工程周邊地區(qū)優(yōu)質(zhì)天然石料資源已日漸稀少,向外采購距離也越來越遠(yuǎn),不可避免地導(dǎo)致工程造價(jià)增高,甚至造成工程建設(shè)周期延長,天然石料的過度開采對周邊生態(tài)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生破壞,影響整個(gè)公路交通事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。山西地形較為復(fù)雜,山區(qū)、丘陵占總面積的2/3以上,使得山區(qū)公路瀝青路面上下坡路段多。此外,山西冬季長且寒冷,夏季短且炎熱多雨,使得山區(qū)公路瀝青路面在雨雪天氣條件下對防滑性能要求更高。當(dāng)前隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,道路交通重載化現(xiàn)象嚴(yán)重,瀝青路面在輪胎荷載反復(fù)作用下,耐磨抗滑性能迅速衰減,嚴(yán)重影響高速行車安全。長期抗滑能力不足已成為影響山區(qū)公路瀝青路面行車安全的重大問題之一。因此,對耐磨耗鋼渣的研究可促進(jìn)山西公路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展和改善瀝青路面耐磨抗滑性能,對山西公路瀝青路面新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。

2 鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土的有利因素分析

鋼渣作為集料,力學(xué)性能好,棱角性豐富,且含有較多的氧化鈣及硅酸鈣,與瀝青黏附性優(yōu)異,具有作為優(yōu)質(zhì)抗滑耐磨瀝青路面表層集料的優(yōu)良潛質(zhì)。利用鋼渣與瀝青優(yōu)異的黏附性能及力學(xué)性能,可以替代常規(guī)的玄武巖和安山巖集料,改善瀝青路面抗滑表層的抗水損害性能和抗滑耐磨性能,提高路面耐久性;另一方面,將鋼渣固體廢棄物進(jìn)行資源化利用,有利于節(jié)省玄武巖和安山巖等天然集料資源,能夠?yàn)樘嵘轿鞯貐^(qū)的瀝青路面質(zhì)量、降低工程材料采購成本、擴(kuò)大集料可選范圍起到良好示范作用[1]。

2.1 鋼渣適用性分析

(1)鋼渣適用條件。

鋼渣(礦渣)是煉鋼后的熔渣。石效民[2]認(rèn)為冷卻后的鋼渣(新渣)是一種不穩(wěn)定渣,不能直接使用。鋼渣屬工藝巖,與天然巖相比,主要區(qū)別是安定性差,其安定性取決于自由基CaO即f-CaO。鋼渣破碎得越細(xì),其穩(wěn)定性來得越早。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn),露天堆放一年左右,鋼渣的膨脹粉化現(xiàn)象即告完成(山西省俗稱為老渣或陳渣)。老渣克服了膨脹疏松,才可作為工程原料投入使用。綜合上述相關(guān)論述,鋼渣用于公路工程中的路基、路面、基層除滿足一般要求外,主要是控制其穩(wěn)定性或活性大小,可歸結(jié)為:自然狀態(tài)儲(chǔ)存時(shí)間不小于1年,且其浸水膨脹率應(yīng)不大于2%(用于瀝青混合料時(shí)應(yīng)不大于1.5%)[3],史子牧[4]認(rèn)為有條件時(shí)應(yīng)控制壓蒸粉化率不大于5%,游離氧化鈣不大于3%。關(guān)于鋼渣材料本身的研究數(shù)據(jù),目前已經(jīng)多有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),在此不再贅述。

(2)相比玄武巖或輝綠巖鋼渣的優(yōu)越性。

①鋼渣性能穩(wěn)定,質(zhì)地堅(jiān)硬,這符合我國現(xiàn)行規(guī)范中對高等級瀝青路面優(yōu)質(zhì)集料的要求,并且其壓碎值和磨耗值等關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于目前普遍采用的玄武巖和輝綠巖。鋼渣化學(xué)成分中氧化鈣含量高,賦予鋼渣堿性特質(zhì)。在與弱酸性的瀝青接觸時(shí)可獲得極佳的界面黏附力。與普通集料相比,鋼渣集料具有強(qiáng)度高,表面多孔的特征。因此不同于玄武巖或輝綠巖,利用鋼渣制備的瀝青混凝土無需添加抗剝落劑即可擁有良好的抗水損害性能。鋼渣集料表面紋理豐富,棱角性好?；旌狭霞壟渲写咒撛?、細(xì)集料可以形成嵌擠狀態(tài)的骨架結(jié)構(gòu),擁有較大的內(nèi)摩擦角。因此鋼渣瀝青混合料擁有比傳統(tǒng)瀝青混合料更好的抗永久變形性能和耐久性能,使得鋼渣瀝青路面全生命周期維護(hù)成本更低。

②鋼渣硬度高,表面粗糙,經(jīng)破碎分選制備的集料粒徑,級配,物理力學(xué)性能、與瀝青之間的黏附性能等均可滿足瀝青路面面層對于粗集料要求。破碎鋼渣多孔,具有較大的比表面積,表面粗糙,與瀝青黏附性較玄武巖優(yōu)良;鋼渣堿度高,是一種堿性集料,與瀝青黏附性強(qiáng)。理論上鋼渣瀝青混合料的耐磨性、抗水損害、疲勞性能優(yōu)良。鋼渣破碎后,集料顆粒形貌優(yōu)良,針片狀含量少,同時(shí)鋼渣較為致密,其硬度與玄武巖可比,因此,在制備以SMA級配類型為代表的骨架嵌擠型瀝青混合料應(yīng)具有優(yōu)良性能。綜合上述理論分析,利用鋼渣制備瀝青混合料,其力學(xué)性能、耐久性能較常規(guī)瀝青混合料優(yōu)良。

2.2 鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土的不利因素分析

(1)配合比設(shè)計(jì)的合理性問題。

對熱拌瀝青混合料,材料的級配都是按照質(zhì)量配比計(jì)算。當(dāng)集料之間比重相差不大時(shí),以質(zhì)量比計(jì)算較為簡便且實(shí)用,而當(dāng)集料之間比重相差較大時(shí),以體積比計(jì)算較為合理。當(dāng)鋼渣與天然集料兩者之間比重差異較大時(shí),須在鋼渣瀝青混合料級配設(shè)計(jì)時(shí),以體積法進(jìn)行修正。

(2)鋼渣游離氧化鈣導(dǎo)致混合料膨脹的問題。

鋼渣中游離氧化鈣、氧化鎂等物質(zhì)在后期水化過程中會(huì)導(dǎo)致鋼渣本體材料體積膨脹,致使鋼渣的安定性不良,造成鋼渣的應(yīng)用出現(xiàn)技術(shù)性的問題。若將未經(jīng)過陳化的鋼渣應(yīng)用于道路工程中可能會(huì)導(dǎo)致路面耐久性下降。所以,為了控制鋼渣的體積膨脹性,最為關(guān)鍵的就是針對鋼渣的材料理化特性開展分析,選擇合適的鋼渣作為道路工程材料使用。瀝青材料屬于黏彈性材料,其對于鋼渣混合料的體積膨脹有一定的限制作用,但是仍然要結(jié)合配合比設(shè)計(jì)、材料的選擇開展研究工作,使鋼渣瀝青混合料的體積穩(wěn)定性得以改善,減小因體積不穩(wěn)定造成對路面結(jié)構(gòu)破壞的可能性。

(3)鋼渣瀝青路面耐久性問題。

影響瀝青路面耐久性的因素較多,例如自然環(huán)境、交通載荷、材料特性以及混合料的設(shè)計(jì)與組成結(jié)構(gòu)等。鋼渣與瀝青的黏附性較好,使得鋼渣瀝青混合料的抗剝落性能出色,但是鋼渣表面陳化產(chǎn)物與瀝青之間的黏附作用復(fù)雜,在凍融循環(huán)及外部動(dòng)水、混合料內(nèi)部水共同作用下,鋼渣集料水化產(chǎn)物的形成與瀝青剝落機(jī)理還未探明。同時(shí)鋼渣材料特性,特別是表面微觀結(jié)構(gòu)特性與鋼渣瀝青混合料的抗水損害性能、抗滑性能、路用性能之間的關(guān)系還未建立。

(4)鋼渣應(yīng)用的環(huán)境影響問題。

鋼渣來源于煉鋼過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物,其組成特性受到鐵礦石、造渣溶劑的影響,因此會(huì)伴生一些有害元素,極端條件下,這些有害重金屬元素不僅會(huì)對周邊水體產(chǎn)生污染,同時(shí)因?yàn)椴煌F礦石成分差異,還會(huì)伴生一些過渡周期的輻射性金屬元素,例如稀土元素。瀝青是一種優(yōu)良的固化材料,已有研究表明瀝青針對含有重金屬元素、放射性元素的物質(zhì)具有良好的固化特性,因此探究瀝青對上述毒害元素的固化機(jī)理也是一個(gè)關(guān)鍵問題。

3 鋼渣路用環(huán)保性能分析

3.1 化學(xué)成分及礦物組成

鋼渣在1 500～1 700 ℃的高溫狀態(tài)下表現(xiàn)出液體狀態(tài),通過高溫水淬等一系列生產(chǎn)工藝,凝結(jié)硬化以后形成了固體鋼渣。主要成分是CaO、Fe2O3、SiO2、MgO;其主要礦物成分包括碳酸鈣、亞鐵相、鈣鐵礦、硅酸二鈣等,見表1。

3.2 重金屬浸出濃度

經(jīng)重金屬溶出實(shí)驗(yàn),鋼渣的重金屬浸出濃度完全滿足工業(yè)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn),鋼渣做公路集料不會(huì)造成二次污染,見表2。

表2 鋼渣的重金屬元素浸出濃度

3.3 鋼渣代替防滑料用于瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)

(1)具有優(yōu)越的抗滑性能,在輪胎作用下耐磨耗。

(2)具有優(yōu)越的抗車轍性能,具有很高的勁度和強(qiáng)度。

(3)鋼渣瀝青路面不褪色,能夠長期保持令人賞心悅目的黑色外觀。

4 山西應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 鋼渣瀝青路面應(yīng)用情況簡述

山西蟒河至陽城高速公路,由于山西重載煤炭運(yùn)輸?shù)奶厥庑?路面設(shè)計(jì)右幅(山西至外省方向)為特重交通,具體為4 cm SMA-13超重載瀝青混合料上面層+6 cm AC-20改性瀝青混凝土(摻抗車轍劑)中面層+10 cm ATB-25瀝青碎石下面層,各控制參數(shù)主要依據(jù)《山西蟒河至陽城高速公路瀝青路面施工圖設(shè)計(jì)》進(jìn)行,為鋼渣耐磨SMA-13上面層提供了工程先例。

4.2 耐磨瀝青混凝土材料組成

陽蟒高速SMA-13鋼渣瀝青混合料材料組成如下。

(1)以鋼渣粗集料和石灰?guī)r細(xì)集料(0～3 mm)進(jìn)行設(shè)計(jì),其中鋼渣粗集料經(jīng)人工篩分分成5～10 mm和10～15 mm兩種規(guī)格。

(2)鋼渣粗集料在使用前進(jìn)行人工水洗,減少鋼渣表面粉塵污染。

(3)填料采用普通石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。

(4)纖維穩(wěn)定劑為木質(zhì)素纖維,纖維用量按礦料總量的0.3%添加。

(5)瀝青采用SBS改性瀝青I-D。

4.3 耐磨瀝青混凝土配合比

耐磨瀝青混凝土配合比見表3、表4。

表3 鋼渣SMA-13目標(biāo)配合比(油石比6.4%)

表4 鋼渣SMA-13配合比合成級配表

4.4 耐磨瀝青混凝土路用性能分析

(1)水穩(wěn)定性檢驗(yàn)。

鋼渣各項(xiàng)路用指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果合格,依據(jù)馬歇爾試驗(yàn),確定最佳油石比為6.4%,進(jìn)行水穩(wěn)定性檢驗(yàn),具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 SMA-13型改性瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果表(油石比6.4%)

(2)動(dòng)穩(wěn)定度檢驗(yàn)。

車轍試驗(yàn)結(jié)果見表6。試驗(yàn)溫度為60 ℃,輪壓0.7 MPa。檢驗(yàn)結(jié)果表明,GTM法設(shè)計(jì)的SMA-13型改性瀝青混合料在設(shè)計(jì)最佳油石比條件下具有較好的抗車轍能力,滿足高速公路上面層的技術(shù)要求。

表6 SMA-13型鋼渣瀝青混合料車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果表

(3)現(xiàn)場實(shí)測項(xiàng)目。

現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)見表7。

按6.4%油石比拌和瀝青混合料檢測各指標(biāo):動(dòng)穩(wěn)定度為6 713次/mm,大于設(shè)計(jì)值4 000次/mm;浸水殘留穩(wěn)定度均值90.2%,大于設(shè)計(jì)值85%;凍融劈裂破壞強(qiáng)度比86.3%,大于設(shè)計(jì)值80%。以上檢測結(jié)果說明,使用通用的施工設(shè)備施做的路面高溫抗車轍、低溫抗裂縫的性能可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,耐磨性能試驗(yàn)黏附砂量<450 g/m2,浸水1 h濕輪磨耗試驗(yàn)(WTAT)指標(biāo)<540 g/m2,可以達(dá)到耐磨的目的。

5 綜合評價(jià)及效益分析

5.1 提高路面耐久性

鋼渣是一種質(zhì)地堅(jiān)硬、外觀多孔、棱角豐富、表面粗糙的材料,鋼渣瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)是其優(yōu)越的抗滑性能,在輪胎作用下不磨耗,鋼渣瀝青路面具有優(yōu)越的抗車轍性能,具有很高的勁度和強(qiáng)度,同時(shí)鋼渣瀝青路面不褪色,能長期保持令人賞心悅目的黑色外觀。

5.2 減少后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用

高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)壽命通常為15～20年,但目前我國通車的高速公路瀝青路面遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)年限,早期損壞嚴(yán)重。用普通瀝青混凝土鋪筑的路面在設(shè)計(jì)年限內(nèi)需經(jīng)過1～2次大修,而采用鋼渣耐磨瀝青混凝土作為路面面層,在設(shè)計(jì)年限內(nèi)幾乎不需要經(jīng)過大修,保持道路良好性能,相比之下減少了后期的維護(hù)費(fèi)用。

5.3 社會(huì)效益分析

我國年產(chǎn)鋼渣幾百萬噸,加上幾十年的積累,成千上萬噸鋼渣作為工業(yè)廢料堆積在鋼廠附近幾十個(gè)存放點(diǎn),占用大量空間,成為鋼廠的巨大包袱。同時(shí)鋼渣漫天飛揚(yáng),所造成的粉塵污染成為影響環(huán)境的重要污染源。將鋼渣應(yīng)用于混凝土混合料中,不僅解決了我國鋼鐵工業(yè)因鋼渣堆放污染環(huán)境的難題,還為鋼渣從固體廢棄物轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)瀝青混凝土耐磨集料資源開辟了廣闊前景。>十個(gè)存放點(diǎn),占用大量空間,成為鋼廠的巨大包袱。同時(shí)鋼渣漫天飛揚(yáng),所造成的粉塵污染成為影響環(huán)境的重要污染源。將鋼渣應(yīng)用于混凝土混合料中,不僅解決了我國鋼鐵工業(yè)因鋼渣堆放污染環(huán)境的難題,還為鋼渣從固體廢棄物轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)瀝青混凝土耐磨集料資源開辟了廣闊前景。

6 結(jié)束語

2009年以來,不少研究單位、企業(yè)參與制定了《耐磨瀝青路面用鋼渣》(GB/T 24765—2009)、《透水瀝青路面用鋼渣》(GB/T 24766—2009)等國家標(biāo)準(zhǔn),以上述性能與評價(jià)結(jié)果為依托,開展了鋼渣瀝青混合料基于抗滑、耐磨、長壽命、環(huán)境友好目標(biāo)的鋼渣瀝青路面試驗(yàn)段研究工作。結(jié)合山西蟒河至陽城高速公路SMA-13型瀝青混凝土實(shí)例,分析了鋼渣代替防滑料用于瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,結(jié)果表明對節(jié)約土地、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。同時(shí),有些棄渣在形成過程中富集某些微量元素,具有一定的毒性、腐蝕性或放射性,對環(huán)境和人身健康具有潛在的不利影響,實(shí)際使用時(shí),要充分重視工業(yè)廢渣浸出液內(nèi)微量元素的含量,避免二次污染。