鋼渣特性及在道路工程中的應(yīng)用研究

毛志剛, 藍(lán)天助*, 張紅日,2, 吳安耀

(1.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530000；2.長沙理工大學(xué)；3.廣西桂商實(shí)業(yè)投資有限公司)

1 引言

鋼渣是煉鋼過程中所排放的固態(tài)廢棄物，其顏色一般為黑色和灰白色，鋼渣出爐后冷卻形成一種硬度較大的材料，是一種具有潛在活性的路用材料。近幾年中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，每年的鋼鐵產(chǎn)量在逐年增加，2018年廣西擬重點(diǎn)推進(jìn)的項(xiàng)目中，沿海地區(qū)涉及鋼鐵冶金的15個(gè)，總投資額近千億元，而每生產(chǎn)1 t的鋼鐵，就會(huì)產(chǎn)生150～200 kg的廢渣。由此每年鋼渣的排放量不斷增多。大量鋼鐵廢渣的堆積不利于鋼鐵的生產(chǎn)與發(fā)展，同時(shí)也占用了大量耕地，造成資源浪費(fèi)，處理不當(dāng)還會(huì)污染環(huán)境。因此，將鋼渣運(yùn)用到道路工程領(lǐng)域，不僅可以減少鋼鐵公司的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還可以為道路建設(shè)提供廉價(jià)材料，降低道路建設(shè)的工程造價(jià)。

表1 陳化0、6、12個(gè)月鋼渣主要化學(xué)成分

2 鋼渣化學(xué)成分

鋼渣的具體化學(xué)成分含量受煉鋼爐型、鋼渣堆放時(shí)間、鋼種的影響較大，但主要成分差異較小，包括鈣、鎂、硅、鐵的氧化物，同時(shí)也含有少量鋁、磷、錳等的氧化物。

取廣西防城港某鋼廠陳化0、6、12個(gè)月廢棄鋼渣作為試樣進(jìn)行X熒光光譜半定量分析，表1為所測定的鋼渣的化學(xué)成分，主要成分為CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5，其中CaO、Fe2O3、SiO2占了較大比例，約占總含量的82%。

Al2O3、SiO2成分的相對比例對鋼渣的活性有較大影響，當(dāng)CaO含量一定時(shí)，較高的SiO2含量決定了較高的硅酸三鈣含量，Al2O3含量越高，則活性礦物鋁酸鈣的含量就越高。

3 鋼渣的物理力學(xué)性質(zhì)

3.1 鋼渣級配

公路工程集料的級配是影響其工程性質(zhì)的重要指標(biāo)，可以用顆粒的累計(jì)曲線來表示集料的粒度成分，過程中常用累計(jì)曲線的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc兩個(gè)重要指標(biāo)來反映粒組的分布和連續(xù)情況?，F(xiàn)將防城港某鋼廠產(chǎn)生的未經(jīng)篩分的鋼渣進(jìn)行篩分，得到陳化齡期為0、6、12個(gè)月的鋼渣累計(jì)曲線見圖1。

不均勻系數(shù)：

(1)

曲率系數(shù)：

(2)

式中:d10、d30、d60分別為累計(jì)百分含量為10%、30%和60%的粒徑，d10為有效粒徑;d60稱為限制粒徑。

圖1 陳化齡期0、6、12個(gè)月的鋼渣顆粒級配

Cu越小，土粒越均勻，Cu<5的土為均粒土，級配不良；Cu越大，表示粒組的分布范圍越廣，但Cu過大，可能缺失中間粒徑，所以還需要曲線整體形狀指標(biāo)的曲率系數(shù)Cc來評價(jià)土粒的級配，通常Cu>10，Cc等于1～3的土為級配良好土。

通過篩分試驗(yàn)得出，陳化齡期為0、6、12個(gè)月的鋼渣不均勻系數(shù)Cu為13.43、20.07、26.83，大于10，曲率系數(shù)Cc為2.3、2.43、2.57，介于1～3之間，所以該鋼渣為級配良好的粗粒類土，且對于Cu值，0個(gè)月的鋼渣<6個(gè)月的鋼渣<12個(gè)月的鋼渣；對于Cc值，0個(gè)月的鋼渣<6個(gè)月的鋼渣<12個(gè)月的鋼渣。另外，通過不同陳化齡期的同一批鋼渣的累計(jì)篩分曲線發(fā)現(xiàn)，陳化時(shí)間越長，小于2.36 mm、大于9.5 mm粒徑的鋼渣略有增大的趨勢，鋼渣的累計(jì)篩分曲線變得更加平緩。

3.2 鋼渣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

鋼渣物理力學(xué)特性的研究內(nèi)容包括：密度試驗(yàn)、壓碎值、針片狀含量、堅(jiān)固性、吸水率等，依據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》，取陳化0、6、12個(gè)月，粒徑為0.075～19 mm范圍內(nèi)的鋼渣進(jìn)行物理性能分析，各物理性能指標(biāo)結(jié)果見表2。

由表2可知：① 鋼渣的物理力學(xué)性能受粒徑范圍及陳化時(shí)間的影響，根據(jù)JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》，用于高速公路及一級公路表面層的石料的壓碎值應(yīng)小于26%，吸水率小于2%，堅(jiān)固性小于12%，針片狀顆粒含量小于15%，表觀密度大于26 kg/m3，由此可見，除鋼渣吸水率不滿足高等級公路表面層要求外，壓碎值、堅(jiān)固性、針片狀顆粒含量滿足修筑道路基層乃至路面的要求，其物理力學(xué)性能與石料比較接近；② 對同一批鋼渣，陳化時(shí)間越長壓碎指標(biāo)、表觀密度和空隙率增大，堅(jiān)固性、針片狀顆粒含量、吸水率、松散堆積密度等指標(biāo)值減小。

表2 鋼渣的物理指標(biāo)

3.3 級配鋼渣的CBR承載比

CBR承載比可以作為路基填料選擇的依據(jù)；評價(jià)填料強(qiáng)度的輔助指標(biāo)。在進(jìn)行CBR試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，找出材料的最佳含水量和最大干密度，按最佳含水率進(jìn)行制樣，并對試驗(yàn)材料進(jìn)行浸泡一定的時(shí)間，測量其膨脹量和貫入量，當(dāng)材料的膨脹量超出了規(guī)定的限制時(shí)，該材料則不能作為路基填料。該試驗(yàn)可以模擬路基土在飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度值。

該文選用粒徑為0.075～19 mm，陳化時(shí)間為0、6、12個(gè)月3組鋼渣按T0131-1993加州承載比試驗(yàn)方法測定其CBR值，測得陳化0、6、12個(gè)月鋼渣的CBR值分別為79.2%、84.9%、88%。級配鋼渣CRB值最小為79.2%，均遠(yuǎn)大于JTG F10-2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》對上路床(路面底標(biāo)高以下0～0.3 m深度)材料CBR值大于或等于8%的要求。

從陳化齡期來看，相同級配的材料，陳化12個(gè)月的級配鋼渣CRB值高于陳化6個(gè)月和0個(gè)月的級配鋼渣。故從鋼渣的加州承載比CRB值考慮，應(yīng)優(yōu)先選用陳化齡期長的鋼渣。

4 鋼渣在道路工程中的應(yīng)用方向及主要問題

4.1 鋼渣在道路上可能的應(yīng)用方向

(1)用于低等級道路面層

低等級道路包括工程施工中的便道、鄉(xiāng)村公路及支路。鋼渣含有CaO、MgO、Al2O3等活性成分，在使用過程中雖然會(huì)有略微膨脹，但其膨脹量在使用初期較大，隨著時(shí)間的推移，膨脹量將逐漸趨于穩(wěn)定，且由于低等級道路車流量較小，設(shè)計(jì)車速較低，鋼渣產(chǎn)生的膨脹并不影響低等級道路的正常使用。鋼渣活性成分反應(yīng)后，將生成一定的晶體和水硬性膠凝產(chǎn)物，從而提高松散鋼渣顆粒整體性，此外，鋼渣本身具有一定的板結(jié)性，一段時(shí)間后，鋼渣面層可板結(jié)為一個(gè)穩(wěn)定性較好并且具有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)層。

(2)鋼渣代替石料用于道路的基層及墊層

從上述試驗(yàn)看，鋼渣屬于粗粒土，級配良好，易于壓實(shí)，其強(qiáng)度滿足要求，但未經(jīng)陳化或陳化時(shí)間短的鋼渣個(gè)別指標(biāo)并不滿足CJJ 35-1990《鋼渣石灰類道路基層施工及驗(yàn)收規(guī)范》的要求，陳化12個(gè)月的鋼渣各項(xiàng)指標(biāo)基本上滿足道路施工的要求，可代替石料用于道路的基層及墊層。研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣可以和水泥土拌和，用作道路的基層。鋼渣對水泥土的性能具有一定的改善作用，在水泥土中摻入一定的鋼渣，可以提高水泥土的密實(shí)度和抗裂性。

(3)大體積工程回填

鋼渣碎石硬度大，表面粗糙，強(qiáng)度高，級配良好，是良好的回填材料。在道路工程中，鋼渣可以用在溝槽和路堤回填工程。鋼渣加水拌和后，其鐵、鋁、鈣等氧化物反生水化反應(yīng)，形成具有較高強(qiáng)度的水化物，使回填材料整體板結(jié)，從而使松散顆粒材料之間產(chǎn)生一定的“內(nèi)聚力”，土體的整體強(qiáng)度得到了提高。

(4)軟弱地基的處理

通過上述分析可知，廢鋼渣吸水率較大，且具有一定的膨脹性。軟土地層的含水率較高，廢鋼渣應(yīng)用于軟土地層，不但可以起到置換、加筋的作用，還可以起到固結(jié)、擠密等作用，從而改善地基土的性質(zhì)。廢鋼渣處理軟土地基的應(yīng)用形式一般有以下幾種：利用鋼渣將軟土整體或局部換填；鋼渣與現(xiàn)場土體攪拌，形成強(qiáng)度較高的土體；利用鋼渣做成素樁置換部分軟弱土體，形成復(fù)合地基，從而提高地基承載力。

4.2 道路工程中應(yīng)用鋼渣應(yīng)注意的問題

鋼渣作為道路工程材料具有良好的應(yīng)用前景。雖然鋼渣的主要物理力學(xué)性能能滿足道路工程用料的要求，但并不能認(rèn)為鋼渣可以在道路工程中隨意應(yīng)用，鋼渣的化學(xué)成分中含有一定的游離氧化鈣和氧化鎂，這一指標(biāo)會(huì)影響鋼渣的穩(wěn)定性。鋼渣應(yīng)用于道路工程中主要有以下問題。

(1)鋼渣的穩(wěn)定性不良

鋼渣中的氧化物會(huì)與水發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致體積產(chǎn)生膨脹，從而影響鋼渣混合料的體積穩(wěn)定性，如鋼渣中的MgO遇水后生成Mg(OH)2，其膨脹量為5%～80%，體積膨脹將產(chǎn)生較大的內(nèi)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度后將會(huì)使鋼渣碎裂。研究表明當(dāng)鋼渣中的氧化鎂含量超過70%時(shí)，鋼渣穩(wěn)定性不良。另外游離氧化鈣的含量對鋼渣的穩(wěn)定性影響較大，其含量跟煉鋼方法、陳化時(shí)間關(guān)系較大，不同的鋼渣品種和陳化時(shí)間，鋼渣的游離氧化鈣含量差異較大，游離氧化鈣與水發(fā)生反應(yīng)后生成氫氧化鈣，體積增大約2倍，產(chǎn)生很大的膨脹應(yīng)力，當(dāng)游離氧化鈣含量超過3%時(shí)，鋼渣穩(wěn)定性不良。所以，鋼渣中的游離氧化鈣反應(yīng)是導(dǎo)致膨脹的最大問題，且鋼渣中的游離氧化物的水化反應(yīng)較為緩慢，鋼渣在應(yīng)用于道路工程后，在后期往往會(huì)有膨脹問題。所以，鋼渣在應(yīng)用前，還應(yīng)進(jìn)行膨脹率等試驗(yàn)，以確定鋼渣及其混合料的體積穩(wěn)定性，對于膨脹性過大的鋼渣，應(yīng)進(jìn)行一定的處理，降低游離氧化鈣含量，當(dāng)膨脹率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后再用于道路工程。

(2)鋼渣密度過大

鋼渣的密度較大，是普通石料的1.2～1.4倍，鋼渣在道路工程中的運(yùn)輸、拌和、攤鋪等工作的耗能要比普通石料大，所以，為了節(jié)省運(yùn)輸成本，鋼渣在道路工程中的使用應(yīng)采用就近原則，另外，由于鋼渣密度過大，在地基承載力較低的地方應(yīng)慎重使用。

(3)對環(huán)境的影響

鋼渣成分較為復(fù)雜，某些鋼渣含有少量的鉻、錳、汞、釩、鋅等重金屬元素等，對于這些鋼渣在運(yùn)用于道路工程時(shí)，應(yīng)進(jìn)行重金屬析出方面的評估試驗(yàn)，當(dāng)鋼渣的重金屬析出量超過環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)禁止直接用作道路工程材料。

5 結(jié)論

(1)鋼渣是鋼鐵企業(yè)冶煉鋼材時(shí)產(chǎn)生的廢渣，將鋼渣替代碎石用于道路工程，不但可以減少鋼渣的占用場地，節(jié)約土地資源，同時(shí)還可以為道路工程提供廉價(jià)材料，變廢為寶，有利于鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

(2)化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，鋼渣成分中CaO、Fe2O3、SiO2占了大部分比例，鋼渣中活性礦物成分的比例跟對應(yīng)的氧化物成分比例關(guān)系較大，且陳化時(shí)間不同的鋼渣化學(xué)成分也有一定差異。

(3)通過對未篩分的鋼渣進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼渣為級配良好的粗粒類土，且對同一批鋼渣，陳化時(shí)間越長，Cu和Cc指標(biāo)的值越大，鋼渣的累計(jì)篩分曲線變得更加平緩。

(4)鋼渣的壓碎值、堅(jiān)固性、針片狀顆粒含量滿足修筑道路基層和路面的要求，其物理力學(xué)性能與石料比較接近，但鋼渣孔隙較多，吸水率較大；鋼渣的強(qiáng)度較高，所測得的CBR值較大，能夠滿足路用材料的要求。對同一批鋼渣，陳化時(shí)間越長，CBR值、壓碎值、表觀密度和空隙率等指標(biāo)增大，堅(jiān)固性、針片狀顆粒含量、吸水率等指標(biāo)值減小。

(5)鋼渣在道路工程中應(yīng)用范圍較廣，目前可考慮的主要應(yīng)用方向有：用于低等級道路面層；鋼渣代替石料用于道路的基層及墊層；可以用在溝槽和路堤回填工程；用于軟弱地基的處理等方面。

(6)不同鋼廠生產(chǎn)的鋼渣，其化學(xué)成分、物理力學(xué)特性都會(huì)有所差異，鋼渣在用作道路工程材料時(shí)，應(yīng)考慮其膨脹性問題、運(yùn)輸耗能問題及對環(huán)境的影響問題，對膨脹性過大或重金屬析出超標(biāo)的鋼渣，禁止用于道路工程或經(jīng)過處理后使用，對于運(yùn)輸距離過大的道路工程不建議使用鋼渣。