鋼渣水泥混合料的分析研究

李永強(qiáng)

（柳州市政設(shè)施維護(hù)管理處，廣西 柳州 545004）

1 引言

近年來(lái)，鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)能快速擴(kuò)大，產(chǎn)生大量鋼渣多露天堆放在廠區(qū)內(nèi)，鋼渣運(yùn)輸、露天堆放易產(chǎn)生揚(yáng)塵，對(duì)周邊環(huán)境造成不良影響，給社會(huì)和企業(yè)均帶來(lái)很大負(fù)擔(dān)[1-3]。為保障環(huán)境空氣質(zhì)量，改善城市形象，必須尋找鋼渣綜合利用出路。

不同種類的鋼渣成分相似，具有質(zhì)地堅(jiān)硬，密度大（礦渣密度約3.5 g/cm3）、吸水率大、針片狀含量少、壓碎值小等特點(diǎn)[4-6]，不少學(xué)者將鋼渣代替碎石，開展鋼渣混凝土的研究。在道路工程中，鋼渣抗壓強(qiáng)度高，耐磨且壓碎值低，符合路面結(jié)構(gòu)對(duì)路面基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求[7-9]。鋼渣用于路面基層可彌補(bǔ)一般道路水泥穩(wěn)定碎石基層干燥空氣下體積收縮變形的不足，研究水泥穩(wěn)定鋼渣基層有重要的工程現(xiàn)實(shí)意義[10-11]。

以上研究多在配合比的基礎(chǔ)上及路用性能方面進(jìn)行試驗(yàn)，鋼渣當(dāng)中的微量重金屬元素對(duì)環(huán)境造成的影響方面研究較少。文章以柳州生產(chǎn)的鋼渣為基料，通過毒性分析，并摻加一定比例的水泥，研究水泥穩(wěn)定鋼渣作為基層的路面性能，節(jié)約生產(chǎn)成本，推動(dòng)鋼渣在道路工程中的應(yīng)用。

2 鋼渣的物化性質(zhì)

2.1 壓碎值與穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了確保鋼渣能用作路基材料，對(duì)破碎后的鋼渣進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)。

（1）壓碎值試驗(yàn)。鋼渣要替代石料作為路基材料，其壓碎值必須符合要求。按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）壓碎值試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）穩(wěn)定性試驗(yàn)。采用《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》（GB/T 24175—2009）中浸水膨脹率試驗(yàn)來(lái)測(cè)定鋼渣的穩(wěn)定性。其原理是采用90 ℃水浴養(yǎng)護(hù)的方法，經(jīng)過一定時(shí)間后使鋼渣中的游離氧化鈣、游離氧化鎂消解，產(chǎn)生體積膨脹，通過體積變化率來(lái)評(píng)定鋼渣的穩(wěn)定性。

具體各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1的結(jié)果可知，鋼渣樣品的壓碎值和浸水膨脹率均符合《道路用鋼渣》（GB/T 25824—2010）中道路基層用鋼渣集料的技術(shù)要求，其他指標(biāo)也滿足規(guī)范要求，表明鋼渣作為路基材料使用是可行的。

表1 鋼渣各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 鋼渣的毒性浸出試驗(yàn)

鋼渣作為煉鋼過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，雖不屬于《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》中列明的危險(xiǎn)廢物，但為確保鋼渣綜合利用的環(huán)境安全性，避免二次污染，對(duì)鋼渣進(jìn)行了浸出毒性鑒別，通過固體廢物浸出液體中相關(guān)危害成分含量判定是否為危險(xiǎn)廢物。從用于鋪設(shè)路基材料的鋼渣中隨機(jī)采集5個(gè)鋼渣樣品進(jìn)行毒性浸出試驗(yàn)，確定其屬性，并初步分析其利用風(fēng)險(xiǎn)。

按照《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》（GB5085.3—2007）要求，鋼渣的浸出毒性方法選擇中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007），其原理為以硝酸/硫酸混合溶液為提取劑，模擬廢物在不規(guī)范填埋處置、堆放或經(jīng)無(wú)害化處理后廢物的土地利用時(shí)，其中的有害組分在酸性降水的影響下，從廢物中浸出而進(jìn)入環(huán)境的過程。

浸出試驗(yàn)的主要過程：將粒徑大的顆粒通過破碎、切割或研磨等方式降低粒徑，混合均勻后通過9.5 mm 篩。取鋼渣置于浸出容器中，按照液固比為10∶1的比例，加入400 mL浸出劑（質(zhì)量比1∶2的濃硝酸與濃硫酸加入去離子水中調(diào)節(jié)pH為3.20左右，用于測(cè)定樣品中重金屬的浸出毒性）蓋緊瓶蓋后置于翻轉(zhuǎn)式振蕩器上，在室溫下震蕩18 h。震蕩完畢，確認(rèn)沒有漏氣后，用收集有初始液相的同一個(gè)浸出液采集裝置收集毒性浸出液。鋼渣浸出試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 鋼渣浸出試驗(yàn)結(jié)果（mg/L）

從表2可以看出：抽檢的鋼渣樣品浸出毒性量均在《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）規(guī)定限值范圍內(nèi)，鋼渣作為固體廢棄物用作路基材料，浸出污染風(fēng)險(xiǎn)較小。因此，鋼渣作為路基材料使用，從環(huán)境保護(hù)因素的考慮上是可行的。

3 鋼渣用于水泥穩(wěn)定材料試驗(yàn)

3.1 水泥穩(wěn)定鋼渣配合比設(shè)計(jì)

3.1.1 鋼渣的級(jí)配情況

先進(jìn)行鋼渣的級(jí)配試驗(yàn)，通過對(duì)不同粒級(jí)的鋼渣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，經(jīng)過計(jì)算確定出不同粒級(jí)的百分比，然后對(duì)混合料分別進(jìn)行篩分，確定符合級(jí)配范圍的集料配合比。鋼渣料由0～5 mm、5～20 mm、20～30 mm三種粒級(jí)的鋼渣組成。鋼渣料的篩分結(jié)果見表3。

表3 鋼渣料的篩分結(jié)果

3.1.2 水泥穩(wěn)定鋼渣混合料配合比確定

（1）水泥：試驗(yàn)所用水泥為魚峰牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，測(cè)試其主要化學(xué)成分和基本技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 水泥其主要化學(xué)成分和基本技術(shù)性能

（2）水泥穩(wěn)定鋼渣混合料配合比采用正交試驗(yàn)方法確定。確定4個(gè)考察因素：0～5 mm（因素A），5～20 mm（因素B），20～30 mm（因素C），水泥（因素D），每個(gè)因素各取3個(gè)水平，采用正交表L9（34），具體的表格詳見表5和表6。

表5 試驗(yàn)因素與水平

表6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

通過正交試驗(yàn)，確定水泥穩(wěn)定鋼渣的最優(yōu)配合比為0～5 mm：5～20 mm：20～30 mm：水泥為43∶37∶20∶6。通過擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得混合料的最佳含水率為6.7%，最大干密度為2.530 g/cm3；其7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6.9 MPa。

3.2 試驗(yàn)路段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在柳州市北外環(huán)路開展了以鋼渣作為路基材料鋪設(shè)道路的試驗(yàn)，該試驗(yàn)路段是以水泥穩(wěn)定鋼渣作為路基材料鋪設(shè)。水泥穩(wěn)定鋼渣是以鋼渣為骨料、水泥為混合料通過一定比例進(jìn)行配制。檢測(cè)內(nèi)容和方法包括壓實(shí)度和回彈彎沉[12]。

3.2.1 壓實(shí)度

采用灌砂法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)構(gòu)層的壓實(shí)度，測(cè)定頻率為每1 000 m2測(cè)1點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果為：壓實(shí)度達(dá)到98.1%，標(biāo)準(zhǔn)差S為0.09。

3.2.2 回彈彎沉

采用貝克曼梁測(cè)定結(jié)構(gòu)層的回彈彎沉。利用后軸10 t標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100的汽車和路面彎沉儀測(cè)定回彈彎沉。測(cè)定頻率每車道20 m測(cè)1點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果為：回彈彎沉平均值=18.6（0.01 mm），標(biāo)準(zhǔn)差S=3.44，代表彎沉值Lr=24.2（0.01 mm）。從檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看，所檢測(cè)的所有指標(biāo)均可以達(dá)到相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

3.3 實(shí)踐檢驗(yàn)

經(jīng)過一年多的行車，再次對(duì)水泥穩(wěn)定鋼渣為道路基層結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)路段進(jìn)行回彈彎沉試驗(yàn)，采用落錘式彎沉儀進(jìn)行彎沉試驗(yàn)，測(cè)定頻率每車道20 m測(cè)1點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果為：回彈彎沉平均值=20.4（0.01 mm），標(biāo)準(zhǔn)差S=3.51,代表彎沉值Lr=26.2（0.01 mm）。試驗(yàn)路段路況良好，無(wú)任何裂縫、鼓包、沉降等現(xiàn)象。實(shí)踐證明，水泥穩(wěn)定鋼渣作為道路路基基層是可行的，以鋼渣作為路基材料在技術(shù)和工程上都是可行的。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前柳州城市道路結(jié)構(gòu)層的傳統(tǒng)做法基本上均為瀝青路面或水泥砼路面+5%水泥穩(wěn)定碎石上基層+級(jí)配碎石下基層。級(jí)配碎石主要供應(yīng)地為柳州市轄區(qū)。使用鋼渣混合料替代級(jí)配碎石作為道路基層，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）價(jià)格優(yōu)勢(shì)。鋼渣混合料價(jià)格比級(jí)配碎石價(jià)格更低廉。按級(jí)配碎石價(jià)格150元/m3，鋼渣混合料價(jià)格70元/m3計(jì)算，則鋼渣代替天然石料，原料成本節(jié)省53.3%。

以柳鋼為例，2020年粗鋼產(chǎn)量為1 691×107kg，產(chǎn)鋼渣量約144×107kg（約57.6×104m3）。按此計(jì)算，如果全部鋼渣用于筑路，可鋪寬20 m、長(zhǎng)14.4×104m、厚0.2 m，約288×104m2的道路，產(chǎn)生的全部鋼渣就能得到有效利用，還可減少天然石料的開采和使用，同時(shí)產(chǎn)生至少2 000萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。降低生產(chǎn)成本同時(shí)還可解決堆積占地問題。

（2）運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)。在運(yùn)輸距離上，位于柳州市區(qū)北部，距市區(qū)各主要城市道路均在15×103m范圍以內(nèi)，與級(jí)配碎石供應(yīng)加工廠相比，距離各條城市道路更近，交通運(yùn)輸方便、快捷，運(yùn)輸費(fèi)用更低。

（3）節(jié)約用地。柳鋼總面積僅13×106m2，遠(yuǎn)小于武鋼的21×106m2，更加不能跟寶鋼、鞍鋼等同類企業(yè)相提并論。目前鋼渣的堆放占地不少，開辟新的鋼渣利用途徑，減少堆放，可以有效節(jié)約用地。

5 結(jié)論

（1）鋼渣樣品的壓碎值和浸水膨脹率均符合要求，同時(shí)，從毒性分析角度，鋼渣不會(huì)造成二次污染，滿足環(huán)保要求。

（2）實(shí)際鋪路試驗(yàn)結(jié)果表明，以鋼渣為骨料、水泥為混合料通過一定比例配制而成的路面基層，材料鋪設(shè)的道路使用情況良好，在技術(shù)和工程上可行。

（3）鋼渣作為路基材料鋪設(shè)。能降低道路建設(shè)成本,變廢為寶,帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)可減少自然石材資源的開采，既保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，又有很大的社會(huì)效益，可大規(guī)模推廣應(yīng)用。