鋼渣在瀝青路面工程中的應用

武建民+楊永利+周雄

0 引言

近年來，國內外對鋼渣應用于瀝青混凝土路面進行了大量研究，并鋪設了多條試驗路，以驗證鋼渣瀝青混凝土路面的長期路用性能[1-3]。驗證結果表明，鋼渣替代部分或全部天然粒料應用于瀝青混合料是可行的[4]。將鋼渣應用于瀝青混凝土抗滑面層在中國尚處于初級階段，迫切需要深入研究鋼渣的材料特性，不斷完善鋼渣瀝青混合料的設計方法，探究鋼渣瀝青混合料的路用性能。為此，本文簡要分析鋼渣的材料特性，并綜述鋼渣在瀝青路面工程的應用現狀，總結鋼渣應用存在的問題，為鋼渣在瀝青路面面層的推廣應用提供參考。

1 鋼渣材料性能分析

1.1 鋼渣材料來源

鋼渣是鋼鐵在工業煉鋼過程中為了去除鐵水中的雜質而產生的副產物。煉鋼是通過氧化反應對鐵水脫碳、升溫、合金化的過程，其主要任務是脫硫、脫磷、脫碳、脫氧、去除有害氣體和非金屬夾雜物。按照鋼鐵冶煉方法的不同，鋼渣被分為轉爐鋼渣、電爐鋼渣和鋼包渣。鋼鐵冶煉流程及鋼渣產生的過程如圖1所示。

目前中國生產的生鋼主要是轉爐鋼，產量占生鋼總產量的90%以上，因此鋼渣也主要是轉爐渣。本文以陜西龍門鋼鐵公司（龍鋼）鋼渣處理生產線排放的轉爐鋼渣為例，綜合分析鋼渣的材料性能。

1.2 鋼渣的礦物組成與化學成分

鋼渣由多種礦物組成，隨化學成分的變化有所不同。鋼渣的主要礦物相為硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、鈣鎂和鈣鐵橄欖石，少量鋁、錳、磷等氧化物，少量游離氧化鈣（f-CaO）和游離氧化鎂（f-MgO）等。通過對鋼渣的宏觀及微觀結構進行觀察，發現鋼渣普遍存在致密和“囊狀”結構。對礦物組成進行X射線衍射（XRD）分析，可知鋼渣致密結構的礦物組成主要是鈣鋁硅酸鹽（CaO（Al2O3）2（SiO2）2），其次是γ-（CaO）2SiO2、β-C2S和γ-C2S，C3S含量最少，另外還含有一些氧化鐵（FeO）。鋼渣“囊狀”結構的礦物組成主要是氧化鐵（FeO）。

鋼渣的主要化學成分有CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、f-CaO等，有的鋼渣還含有V2O5、TiO2等。各種成分的含量因煉鋼爐型不同有較大范圍的波動。鋼渣表面主要元素為Ca、Fe、Al和Si，Ca是最普遍的元素，以鋁硅酸鹽、硅酸二鈣及少量氧化鈣和碳酸鈣的形勢存在。鋼渣表面Si含量較少，使得鋼渣集料表面呈堿性，利于鋼渣與瀝青的粘結。

鋼渣的堿度M定義為堿性氧化物與酸性氧化物的含量比。

式中：CCaO為鋼渣中CaO的含量；為SiO2的含量；為P2O5的含量。M<1.8稱為低堿度鋼渣；M在1.8～2.5之間稱為中堿度鋼渣；M>2.5稱為高堿度鋼渣。

龍鋼鋼渣的化學成分分析見表1。根據式（1）得出龍鋼轉爐渣的堿度為2.17，說明龍鋼鋼渣為中堿度渣，屬于中堿性集料，與瀝青的粘附性能好，可作為瀝青混合料的骨料。

采用水煮法對龍鋼鋼渣與瀝青的粘附性進行等級評價，鋼渣與瀝青的粘附性等級為5級，表明鋼渣與瀝青的粘附性良好。

1.3 鋼渣的物理力學性能

鋼渣是由多種礦物組成的固熔體，其物理力學性質和礦物組成與化學成分有密切關系。

（1）比重。鋼渣中含有大量的金屬氧化物，如Fe2O3、MnO、MgO等成分，雖然比重會隨化學成分的變化而有所不同，但因為其金屬氧化物含量較高，比重基本介于3.2～3.6 g·cm-3之間。表2為實測龍鋼鋼渣和玄武巖的表觀密度，由表2可知，鋼渣與天然集料之間的比重差異大于0.20 g·cm-3。則按質量設計的級配不能真正反映集料顆粒分布狀況，將造成級配偏細的情況[5]。

（2）吸水率。鋼渣表面粗糙且有大量微孔，吸水率較天然集料高。鋼渣材料應用于瀝青混合料時，吸油能力也較天然集料高，會增加瀝青混合料的瀝青用量。表3為實測龍鋼鋼渣和玄武巖的吸水率。

（3）耐磨性。鋼渣磨光值較一般天然集料高，適合應用于瀝青混合料抗滑面層。鋼渣的高磨光值要歸功于其獨特的礦物組成，鋼渣中各礦物相分布均勻性差，顯微硬度值差異明顯，容易產生較大的磨光值。表4為實測龍鋼鋼渣、玄武巖和石灰巖的磨光值。

（4）壓碎值和洛杉磯磨耗值。鋼渣作為瀝青混合料的粗集料，要求具有較高的抵抗壓碎和耐磨耗的能力。表5為實測龍鋼鋼渣、玄武巖的壓碎值和洛杉磯磨耗值。由表5可知，鋼渣材料的壓碎值和洛杉磯磨耗值不如玄武巖，這與鋼渣材料表面的多孔性、軟弱顆粒、粉塵與雜質有關。

（5）顆粒形態特征。采用美國材料與試驗協會（ASTM）給出的測定和評定粗集料顆粒形狀和紋理的詳細方法（ASTM D3398），測試單一粒徑集料顆粒的棱角性系數，綜合評價龍鋼鋼渣集料形態特征，并與玄武巖作對比，結果如表6所示。

由表6可以看出，粒徑為13.2～16 mm、9.5～13.2 mm的鋼渣棱角性系數比粒徑為9.5～16 mm的玄武巖大，粒徑為4.75～9.5 mm的鋼渣棱角性系數比粒徑為4.75～9.5 mm的玄武巖大，說明鋼渣顆粒較玄武巖顆粒棱角豐富、表面粗糙，在碾壓后能形成嵌擠結構，從而具有較大的內摩擦角。

（6）膨脹性。高爐冶煉的生鐵內有高含量的碳以及有害成分（如硫、磷等），在鋼鐵冶煉過程中，通常添加石灰和白云石等高鈣、高鎂材料的造渣劑來去除有害成分，待冷卻后形成鋼渣。但是加入的造渣劑不能和冶煉爐中酸性氧化物充分反應，以f-CaO和f-MgO的形式保留在鋼渣中，遇水后體積膨脹。鋼渣體積膨脹將影響到瀝青混合料的路用性能，導致路面出現各種病害[6-7]。因此，鋼渣應用于瀝青路面工程首先要解決鋼渣的穩定性問題。采用鋼渣穩定性檢測方法測定龍鋼鋼渣的浸水膨脹率為1.57%，滿足筑路用鋼渣浸水膨脹率小于2.0%的要求。

2 國外鋼渣應用現狀

早在1970年的美國芝加哥“第二屆礦物廢料利用”國際大會上已經提出，鋼渣相比高爐渣有特殊的優點，因其很高的耐磨性可作為路面抗滑面層。日本于1988年修訂了《瀝青路面鋪路綱要》，為鋼渣在道路工程中的應用提供了技術保障。德國已在1998年將鋼渣總量的97%用于重交通道路路基與路面的建設。

美國印第安納州在1979年和1981年將鋼渣應用于瀝青混凝土，1988年檢查路面狀況時發現，部分路段路面產生多邊形且連續延伸的裂縫，而且，基層未出現破壞現象，裂縫附近發現灰白色氧化鈣。而這些路段并未出現松散、車轍或推擠等現象，經過8年才需要進行維護。

1974年在加拿大多倫多的401號快速道路曾經鋪筑一段鋼渣路面試驗道路，4年的研究期間，鋼渣瀝青路面抗滑性能較其他路段更佳。

日本在1980～1985年曾于福山市、愛知縣等熱帶地區鋪筑鋼渣瀝青路面抵抗車轍；1980～1985年，在札幌市、北海道等地區運用鋼渣的特性降低輪胎對瀝青路面的磨損。

英國交通運輸研究實驗室（TRRL）的研究報告表明，鋼渣的磨光值一般在60 BPN以上，可將其作為耐磨抗滑路面用集料，并且鋼渣瀝青混合料的抗滑性能要比普通玄武巖瀝青混合料衰減得慢。Stock將鋼渣應用于碎石封層，發現其抗滑性能要比普通集料碎石封層的性能更佳。Motz對德國鋪筑的25條鋼渣瀝青混凝土路面進行了長期抗滑性能檢測，檢測結果表明：摻有鋼渣的瀝青混凝土路面在經歷重載交通后依然能保持較高的抗滑能力。

3 國內鋼渣應用情況

武鋼與武漢理工大學率先在武鋼環廠西路、武黃大修工程豹澥段和仙桃漢江公路大橋橋面鋪設了鋼渣瀝青路面，謝君等結合這3條鋼渣瀝青路面的長期檢測結果，驗證了鋼渣瀝青混合料在道路面層的應用效果。在經歷約10年的重載交通后，3條鋼渣瀝青路面均表現出優異的路用性能，其抗滑性能以及耐久性能等指標均優于普通瀝青路面[8]。

李旺等結合北京市科委“鋼渣骨料在瀝青混凝土路面的應用研究”和北京市交委“鋼渣骨料在瀝青混凝土路面的應用研究”的研究成果，驗證了鋼渣在抗滑面層中應用的可行性[9]。結合北京市的道路實體工程，在北京海淀路和門頭溝的南雁路鋪筑了2條鋼渣瀝青混合料試驗路，并對試驗路進行了連續3年的觀測和檢測。從檢測結果來看：在使用初期，鋼渣瀝青混合料的摩擦系數與對比路段（石灰巖瀝青混合料）基本相當，但在長期使用過程中，其摩擦系數衰減程度明顯小于對比路段，表明鋼渣瀝青混合料具備良好的抗滑性。

國內也開展了鋼渣作為路面材料的標準化工作，特別是在2009年，許多研究單位、企業參照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中的技術指標，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）等國家標準，為鋼渣在瀝青路面面層的推廣應用提供技術規范。

4 鋼渣應用存在的問題分析

4.1 配合比設計的合理性問題

4.1.1 采用瀝青浸漬法確定鋼渣瀝青混合料體積參數

鋼渣集料含有大量的微孔結構，對瀝青的吸附并非瞬時完成，而是隨時間發生變化，這也將導致理論最大相對密度及相應的體積參數發生改變，進而影響到瀝青混合料的耐久性能。各級粒徑集料的有效相對密度由瀝青浸漬法直接測量得到，然后計算出任意配比礦料混合料的合成有效相對密度，進而計算出鋼渣瀝青混合料的理論最大相對密度。

4.1.2 級配設計的合理性研究

對熱拌瀝青混合料，材料的級配都是按照質量配合的，當集料之間比重相差不大時，以質量比計算較為簡便且實用；而當集料之間比重相差較大時，以體積比計算較為合理。

當鋼渣與天然集料兩者之間比重差異大于0.20 g·cm-3時，須在鋼渣瀝青混合料級配設計時，以體積法進行修正，以調整各類集料的組合比例，修正方式如下。

（1）先假設各級粒徑集料比重相差不大，按照質量配合比設計成合成級配，各級粒徑集料的質量百分比即為體積百分比。

（2）考慮各級粒徑集料的實際比重，當鋼渣與天然集料兩者之間比重差異大于0.20 g·cm-3時，集料級配應當以體積為基礎進行比重修正，保證3種集料的體積百分比不變，求解各級粒徑集料的實際質量比。

4.2 鋼渣瀝青混合料膨脹的問題

程士豪曾用ASTM C114法試驗得出轉爐鋼渣中不同粒徑大小的f-CaO含量。此方法是利用甘油-乙醇溶液萃取熟料中未反應的f-CaO，萃出液以醋酸銨標準液滴定并換算熟料的f-CaO含量[10]。研究表明，轉爐鋼渣中顆粒粒徑越小，f-CaO含量越高。

李博[11]探究了鋼渣瀝青混合料體積膨脹的改良措施，采用2種鋼渣摻配方案：一種為粗細集料均使用鋼渣（簡稱Ⅰ型），另一種為鋼渣作為粗集料，天然集料作為細集料（簡稱Ⅱ型）。研究發現，采用II型摻配方案可有效降低鋼渣瀝青混合料的體積膨脹率。因此，合理的鋼渣摻配方案可以有效降低鋼渣瀝青混合料的體積膨脹量。

合理的鋼渣摻配方案能夠較好地抑制鋼渣遇水膨脹所帶來的后期工程的安全性、耐久性問題，并顯著提高其路用性能。本文將龍鋼鋼渣以0、20%、40%、60%、80%和100%的比例等體積替代玄武巖粗骨料用于SMA-13瀝青混合料，測定瀝青混合料在摻加鋼渣后的體積膨脹率。試驗表明，鋼渣摻量越大，體積膨脹量越大，因而鋼渣在瀝青混合料中的摻量應加以控制，以避免瀝青混合料體積膨脹率過大。通過對不同鋼渣體積摻量下瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性、體積穩定性等路用性能進行試驗研究，得出：鋼渣瀝青混合料的高溫穩定性在鋼渣體積摻量為20%時最佳，低溫抗裂性隨著鋼渣體積摻量的增加而逐漸降低，水穩定性在鋼渣體積摻量為20%或40%時最好。

采用室內加速磨耗儀對鋼渣體積摻量在0、20%、40%和60%下的SMA-13混合料抗滑性能衰減規律進行了研究，得出：鋼渣瀝青混合料的長期抗滑性能隨著鋼渣體積摻量的增加有不同幅度的提高，但鋼渣體積摻量為60%的瀝青混合料相對于摻量為40%的瀝青混合料的長期抗滑性能提高不明顯。綜合鋼渣瀝青混合料其他路用性能，優選出鋼渣的最佳摻量為40%。

5 結語

（1）室內試驗研究經驗及已有相關研究成果證明，鋼渣集料顆粒形狀好具備耐磨性，與瀝青粘附性良好，鋼渣瀝青混合料抗滑性能以及耐久性能等指標優于普通瀝青混合料。

（2）在鋼渣瀝青混合料配合比設計中應采用瀝青浸漬法確定鋼渣瀝青混合料的體積參數。

（3）在鋼渣瀝青混合料級配設計中，應采用以體積為基礎的比重修正方式，消除鋼渣與天然集料兩者之間比重差異大對級配設計結果的影響。

（4）將鋼渣作為粗集料摻入瀝青混合料后有一定程度的體積膨脹，并且摻量越高體積膨脹量越大，而鋼渣在瀝青混合料中的摻量應綜合各項路用性能試驗結果加以確定。

參考文獻：

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[11] 李 博.鋼渣瀝青混合料路用性能及膨脹性能研究[J].交通世界， 2013（11）：305-307.