轉爐鋼渣做集料在SMA-13中的應用研究

張彥峰

（山西路橋集團陽蟒高速公路有限責任公司，山西 晉城 048100）

0 引言

鋼渣作為煉鋼企業的第二大工業廢渣，通常作為工業廢料露天分散堆積和填埋處理，在鋼廠周邊占用大量土地。同時，由于鋼渣堆積帶來的粉塵污染也對空氣治理帶來嚴重影響。關于鋼渣的資源化再利用一直是鋼廠及相關單位的研究重點。在德國，鋼渣作為建筑材料其利用率已達85%以上[1]；在美國，鋼渣經過進一步處理用作筑路材料也得以大規模消化利用。對比玄武巖抗滑料，鋼渣具有更高的硬度和抗滑性，非常適合作為瀝青路面上面層集料，本文采用太鋼閑置堆積的轉爐鋼渣，經力學分析、篩分處理后用在瀝青路面SMA-13中，測試其路用性能并施工應用。

1 轉爐鋼渣的物理化學性能指標

1.1 轉爐鋼渣化學組分

本項目采用太鋼轉爐生產的廢棄鋼渣，廢棄堆積時間超過1年以上，鋼渣的礦物組成不盡相同，具體化學組分見表1，對路用性能影響較大的是鋼渣的堿度，即游離氧化鈣（f-CaO）的含量。由于f-CaO化學性能比較活潑，易與水發生化學反應，使鋼渣體積增大，膨脹，且燒結后粒徑越小的鋼渣晶格結構越為緊密，自然水化分解速度慢，故在規范中嚴格要求f-CaO含量應小于3%[2]。測試放置不同時間段的鋼渣后，確定堆積時間1年以上太鋼轉爐鋼渣平均f-CaO含量不高于2.8%，滿足規范要求。

表1 堆積1年期太鋼轉爐鋼渣化學組分

1.2 轉爐鋼渣物理力學性能

太鋼轉爐鋼渣物理力學性能見表2，從表中可以看出其性能滿足集料的規范要求。為了考察鋼渣的表面性能，需進行壓汞試驗[3]，試驗結果見表3，鋼渣的總孔隙率在5%以上，是玄武巖石料的15倍以上，造成這一結果的原因是煉鋼過程中高溫煅燒冷淬，各種物質的不均勻收縮，繼而出現細微孔洞。孔洞的存在提高了鋼渣的抗滑性能，同時也增加了其吸水的能力，路用集料吸水率要求不高于3%，超過該值石料易膨脹影響路面耐久性，在多次的測試中發現，粒徑20 mm以上鋼渣吸水率高于3%，不宜用作路面材料。結合本項目，選用礦粉和0～3 mm、5～10 mm、10～15 mm三種規格的轉爐鋼渣集料。

表2 太鋼轉爐鋼渣物理力學性能

表3 壓汞試驗測太鋼轉爐鋼渣表面孔隙率 %

2 混合料級配及配合比設計

對 0～3 mm、5～10 mm、10～15 mm的三檔料分別進行詳細的篩分試驗，根據篩分結果進行SMA-13的合成級配設計，套用公式，最終確定各檔料的用量比例為礦粉∶0～3 mm∶5～10 mm∶10～15 mm=10∶11∶39∶42。其級配曲線見圖1。

圖1 SMA-13鋼渣瀝青混合料級配曲線

本項目選用齊魯石化生產的90號SBS改性石油瀝青進行油石比測定試驗，分別選用油石比為4.4%、4.8%、5.2%、5.6%、6.0%的5組試件進行馬歇爾測試，根據油石比-馬歇爾物理、力學指標關系曲線確定SMA-13鋼渣瀝青混合料的最佳油石比為5.5%。

3 路用性能

本文采用車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗來分別對高溫穩定性、低溫穩定性和水穩定性來進行評判。為更好地說明鋼渣瀝青混合料的路用性能，選用玄武巖和石灰巖分別替換10～15 mm檔次的粗集料，做不同礦料組成的路用性能對比試驗，兩種石料級配及其配合比均滿足規范要求。

3.1 高溫穩定性

采用鋼渣、玄武巖和石灰巖做粗集料的3種SMA-13瀝青混合料經高溫拌合后壓制成300 mm×300 mm×50 mm的車轍板，放置48 h后進行車轍試驗。試驗中采用LHCZ-6型全自動車轍試驗儀進行測試，測試前保溫時間6 h。在標準試驗溫度60℃的基礎之上增加50℃和70℃兩組試驗，用以評價3種瀝青混合料在寒冷地區和高溫條件下的高溫穩定性，具體測試結果見圖2。

對比發現，鋼渣瀝青混合料在3個溫度下的高溫穩定性均比同溫度下的玄武巖瀝青混合料、石灰巖瀝青混合料的高溫穩定性能要好，特別是在70℃高溫條件下，其動穩定度是玄武巖瀝青混合料的兩倍。造成這種差異的主要原因是鋼渣的整體形態和表面結構。大顆粒鋼渣在燒制成型后其整體形態趨于一致，針片狀顆粒幾乎沒有，外觀規則一致，在車轍板擊實成型過程中其堆積鑲嵌效果較玄武巖和石灰巖更為緊密，骨架結構更為牢固，抗剪能力更強。此外，鋼渣多孔隙的外觀結構使其比表面積更大，與瀝青的接觸范圍更廣，瀝青在趨近流動態的狀態下深入接觸鋼渣的表面孔隙，與鋼渣的黏附性更好。兩種效果的疊加，增加了鋼渣瀝青混合料抵抗變形的能力。

圖2 3種混合料在不同溫度下的高溫車轍試驗

3.2 低溫抗裂性

采用小梁彎曲試驗方法進行低溫抗裂性試驗，壓實成型后切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁件，保溫大于8 h后進行試驗，試驗溫度-10℃，加載速率50 mm/min，試驗結果見表4。

表4 3種混合料的小梁彎曲試驗結果

在瀝青混合料的小梁彎曲試驗中，通常以抗彎強度和最大彎拉應變作為考核指標，抗彎強度值越高，最大彎拉應變值越大，混合料的低溫抗變形效果越強，其低溫抗裂性能越好[4]。根據表4的試驗結果，對比發現鋼渣SMA-13瀝青混合料的抗彎強度最強，最大彎拉應變值最大。在3種瀝青混合料中，鋼渣SMA-13瀝青混合料的低溫抗裂性能最好，比通常用作路面抗滑料的玄武巖性能優越。分析其中原因，也與鋼渣骨料成型后的堆積鑲嵌效果和更大的瀝青接觸面積息息相關。

3.3 水穩定性

由于鋼渣中含有少量f-CaO，雖經過長時間的堆積放置，f-CaO含量已滿足規范要求，但在應用中還是需要加強水穩性能的測試。本文采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗作為測試方法，選用馬歇爾殘留穩定度比和浸水凍融劈裂強度比作為考核指標進行相關測試，具體試驗結果見表5、表6。

從表5可以看出，鋼渣SMA-13瀝青混合料較玄武巖SMA-13瀝青混合料殘留穩定度降低，結合表6凍融劈裂試驗結果，殘留強度比亦出現下降的情況，但和規范要求的殘留穩定度大于80%及殘留強度比大于80%相比，鋼渣SMA-13瀝青混合料的水穩定性能滿足規范要求。在試驗中還發現，鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂試驗試件表面出現少許白色結晶，分析結晶物為Ca(OH)2，可以看出鋼渣中的f-CaO對混合料的水穩定性還是存在一定影響，在應用中應嚴格控制f-CaO的含量，且考慮使用剝落劑，避免水穩定性過低而出現過早的水損剝落。

表5 3種混合料的浸水馬歇爾試驗結果

表6 3種混合料的凍融劈裂試驗結果

4 結論

鋼渣具有因物理性能好，表面孔隙率高，與瀝青黏附性好的特點，可嘗試用作瀝青上面層的筑路材料。同時借助對比3種粗集料的路用性能，表明采用鋼渣作為集料的SMA-13瀝青混合料具有更好的高溫穩定性和低溫抗裂性。試驗中采用已經放置1年的鋼渣進行試驗測試，鋼渣中的活性物質對瀝青混合料的水穩定性仍有影響，應盡量選用放置時間更長的鋼渣，降低應用中水損害出現的幾率。