工業(yè)固廢鋼渣的路用特性研究

周 闖 韓方元 趙 濤

（1.寧夏大學(xué),寧夏 銀川 750021；2.寧夏交通建設(shè)股份有限公司,寧夏 銀川 750004）

鋼渣是煉鋼過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，含有大量金屬氧化物，具有強度高、耐磨、與瀝青黏附性良好以及熱傳導(dǎo)能力強的特點，被認為是理想的筑路原材料[1]。鋼渣與瀝青結(jié)合，能夠有效提升瀝青路面的承載能力和抗剝落能力[2-3]，同時因為熱傳導(dǎo)能力強，鋼渣會改變?yōu)r青路面的熱學(xué)特性和熱傳導(dǎo)行為，對路面的耐久性造成影響。研究鋼渣的路用特性，對比其與天然集料的差異，能夠深入了解鋼渣對路面路用性能的影響，進一步推動鋼渣資源化利用。同時為路面工程設(shè)計和材料選擇提供更加科學(xué)和可靠的依據(jù)，促進可持續(xù)和環(huán)保的道路建設(shè)。

既有研究普遍認為鋼渣較天然集料具有更好的物理力學(xué)性能以及熱傳導(dǎo)能力。關(guān)于鋼渣的物理力學(xué)性能，Langer等研究發(fā)現(xiàn)，集料密度低往往代表著集料具有多孔結(jié)構(gòu)，同時其抗破壞能力較弱，因此高質(zhì)量的集料的特征之一就是具有較高的密度值[1-5]；Irem等研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣中含有較多的氧化鐵，同時鋼渣在微觀上具有致密的顆粒狀結(jié)構(gòu)，使鋼渣具有較高的密度[6]；大部分轉(zhuǎn)爐鋼渣的吸水率約是花崗巖的4倍～6倍，小部分優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)爐鋼渣的吸水率與石灰?guī)r集料的吸水率相差不大[7-8]；還有研究者發(fā)現(xiàn)，鋼渣較天然集料具有更好的抗磨損、抗破碎性能硬度、堅固性以及耐磨性[9-10]。關(guān)于鋼渣的熱傳導(dǎo)能力，舒志強研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著鋼渣摻量的增加而增加，呈線性相關(guān)[11]；范威威指出，橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著鋼渣摻量的增加而增加[12]。

目前，國內(nèi)外在鋼渣物理力學(xué)方面的研究成果豐富，但在熱物理性質(zhì)方面的研究處于空白狀態(tài)，對鋼渣整體的路用性能研究仍較為欠缺，因此本文針對寧夏建龍鋼渣進行路用特性研究，對其物理特性、化學(xué)特性、力學(xué)特性、熱傳導(dǎo)特性等進行試驗。

1 鋼渣物理特性

鋼渣含有大量金屬氧化物，與天然集料相差較大，同時鋼渣孔隙結(jié)構(gòu)較豐富，導(dǎo)致其吸水率較大。故本文對不同粒徑鋼渣與常用天然集料的密度及吸水率進行了分析測試，結(jié)果如表1、圖1所示。

圖1 鋼渣與天然集料吸水率

（1）鋼渣的毛相對密度普遍大于3.0，較天然集料中相對密度最大的玄武巖高出約10%，較石灰?guī)r與紅砂巖高出約18%～27%。這是由于鋼渣作為冶金工業(yè)的副產(chǎn)品，其含有大量金屬成分，在生成過程中經(jīng)歷了冷卻和凝固，這些過程中的物理變化和化學(xué)反應(yīng)使得鋼渣具有較高的相對密度。因此，鋼渣的密度較天然集料更高，將其應(yīng)用在道路領(lǐng)域可以提高路面抗變形能力。

（2）鋼渣的吸水率普遍大于1.6%，約為天然集料的2.0倍。這是由于鋼渣在生成時，工藝和冷卻條件的限制，可能存在內(nèi)部的開口孔隙。這些孔隙的存在一方面導(dǎo)致其相對于天然集料具有更高的吸水率，另一方面也使得鋼渣與瀝青的黏附性更強，有利于提高路面路用性能。

2 鋼渣化學(xué)特性

鋼渣為煉鋼副產(chǎn)品，其化學(xué)組成與天然集料相差較大，本文對鋼渣進行X射線衍射（XRD）分析，掃描得到的X光衍射圖譜，進行數(shù)據(jù)擬合平滑、去除背景等操作之后，得到XRD圖像，如圖2所示。

圖2 鋼渣XRD圖像

由圖2可知，鋼渣中含有較多鐵元素以及CaO，一方面大量鐵元素的存在，導(dǎo)致鋼渣密度較大，提升了其力學(xué)性能以及熱傳導(dǎo)能力；另一方面含有的大量CaO，其遇水反應(yīng)生成Ca(OH)2會膨脹，體積變大，對路面結(jié)構(gòu)造成破壞。路面工程中使用鋼渣，應(yīng)提前對鋼渣進行處理，避免其對路面質(zhì)量造成不利影響。

3 鋼渣力學(xué)特性

在道路工程中，集料的力學(xué)性質(zhì)對于確保路面的穩(wěn)定性、耐久性和安全性具有重要作用。其中，壓碎值和磨耗值是兩個關(guān)鍵的力學(xué)性能參數(shù)，在評價和設(shè)計路面材料時發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。壓碎值是指集料在經(jīng)歷連續(xù)的逐漸增加的荷載作用下抵抗壓碎和破碎的能力，磨耗值則是用來描述集料在路面使用過程中對車輪磨耗的抵抗能力。

本文參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）的方法，進行壓碎值及洛杉磯磨耗值試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 鋼渣與天然集料壓碎值及洛杉磯磨耗值

由表2可以看出，鋼渣的壓碎值低于天然集料；磨耗值與玄武巖接近，小于石灰?guī)r與紅砂巖。這說明鋼渣具有較好的強度以及耐磨性，這是由于鋼渣中的鐵、錳離子具有較強的極化能力，使得氧離子發(fā)生極化并脫離正硅酸鈣四面體，破壞其原有的正硅酸鹽四面體結(jié)構(gòu)并相互連接，形成復(fù)雜又巨大的網(wǎng)狀硅氧團，晶粒尺寸增大，礦物相更加致密[1]。這些特性有利于提高路面的強度和剛度，增強路面結(jié)構(gòu)，提高路用性能。

4 鋼渣熱傳導(dǎo)特性

4.1 鋼渣導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容

使用如圖3所示的激光導(dǎo)熱儀測試鋼渣與天然集料的導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容等熱物理性質(zhì)，結(jié)果如表3所示。

圖3 激光導(dǎo)熱儀

表3 鋼渣與天然集料的熱學(xué)性能指標

（1）鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)普遍大于3.3 W/(m·K)，較天然集料中導(dǎo)熱系數(shù)最高的玄武巖高出約57%，較石灰?guī)r高出約70%，較紅砂巖高出約95%。這是由于鋼渣中的金屬成分其導(dǎo)熱性能明顯高于天然集料。因此鋼渣可以提高鋼渣瀝青路面的熱傳導(dǎo)能力，有助于更快地分散鋼渣瀝青路面溫度，減少溫度差異對路面性能的影響。

（2）鋼渣的比熱容小于900 kJ/(m3·K)，較天然集料中比熱容最高的石灰?guī)r低約29%，較玄武巖低約18%，較紅砂巖低約27%。鋼渣與天然集料在比熱容的差異可能會影響熱傳導(dǎo)過程中的溫度分布。較低的比熱容意味著鋼渣在相同的能量輸入下溫度變化更大，可能導(dǎo)致鋼渣在受熱或冷卻時產(chǎn)生更大的溫度梯度，增加鋼渣瀝青路面的溫度應(yīng)力，進而影響路面的路用性能和病害。

4.2 鋼渣升溫速率

鋼渣的熱傳導(dǎo)特性對使用鋼渣的道路工程的施工過程有影響。在瀝青混合料攤鋪過程中，需要將其保持在較高的溫度以維持其流動性。本研究選取相同質(zhì)量的鋼渣與天然集料樣品，放入加熱溫度為200 ℃的烘箱進行恒溫加熱，并每隔7 min使用紅外測溫槍測定溫度，探究鋼渣與天然集料的升溫速率差異。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 集料加熱試驗結(jié)果

由表3可知，鋼渣升溫速率為1.54 ℃/min，而石灰?guī)r、玄武巖、紅砂巖升溫速率分別為1.42 ℃/min、1.44 ℃/min、1.41 ℃/min。鋼渣升溫速率較快，在105 min時溫度為183 ℃，較石灰?guī)r高13 ℃、較玄武巖高11 ℃、較紅砂巖高14 ℃。這是因為鋼渣含有大量金屬氧化物，導(dǎo)熱系數(shù)大于天然集料，從而導(dǎo)致鋼渣升溫速率較高。

鋼渣瀝青混合料在生產(chǎn)過程中加熱溫度極高，為研究鋼渣與天然集料在高溫升溫速率方面的差異，設(shè)定加熱溫度為450 ℃，并每隔30 s采集一次集料溫度，試驗結(jié)果如圖4及表5所示。

圖4 集料高溫放熱與時間

表5 集料高溫加熱試驗結(jié)果

由圖4及表5可知：在450 ℃加熱溫度下，鋼渣升溫速率為1.725 ℃/s，而石灰?guī)r、玄武巖、紅砂巖升溫速率分別為1.66 ℃/s、1.68 ℃/min、1.63 ℃/s。鋼渣升溫速率明顯快于天然集料，在加熱30 s時，鋼渣的溫度比天然集料高出約30 ℃；加熱120 s時，鋼渣和天然集料溫度差異減小，但是鋼渣溫度仍然比天然集料高5 ℃～11 ℃，這說明在路面施工過程中鋼渣較天然集料能夠更快達到拌和溫度。

4.3 鋼渣降溫速率

在190 ℃的烘箱中保溫至恒溫后，將鋼渣和天然集料置于室溫環(huán)境中，并每隔7 min采集一次集料溫度，記錄實際溫度變化情況，結(jié)果如表6所示。

表6 集料降溫試驗結(jié)果

由表6可知：鋼渣降溫速率為1.57 ℃/min，而石灰?guī)r、玄武巖、紅砂巖降溫速率分別為1.48 ℃/min、1.49 ℃/min、1.46 ℃/min。鋼渣與天然集料相比降溫速率更快。當放置105 min時，鋼渣實測溫度為25 ℃，而天然集料約為35 ℃，相差近10 ℃。在實際工程中，鋼渣放熱較快的特性會對瀝青混合料的運輸與攤鋪造成不利影響，造成鋼渣瀝青混合料失溫過快，黏性增強，不利于鋪砌路面。

5 結(jié)論

本文對鋼渣的材料特性開展研究，主要結(jié)論如下。

（1）鋼渣的相對密度和吸水率較天然集料均更高，其吸水率隨著粒徑的增加呈下降的趨勢。高密度特性能讓鋼渣提高路面的抗變形能力，高吸水率提高了其與瀝青的黏附性。鋼渣的加入有利于提高路面路用性能，但同時也要考慮到鋼渣中CaO水化可能對路面造成的結(jié)構(gòu)破壞。

（2）鋼渣的壓碎值低于天然集料，磨耗值與玄武巖接近，小于石灰?guī)r與紅砂巖。這說明鋼渣具有較好的強度以及耐磨性，其優(yōu)良的力學(xué)性能有利于提高路面的強度以及剛度。

（3）鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)較天然集料高，比熱容較天然集料低。鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)較天然集料更高，比熱容較天然集料更低，在吸收熱量上鋼渣快于天然集料，在吸收相同熱量的情況下其升溫幅度也大于天然集料，吸熱與放熱速率相較于天然集料均更快。較高的導(dǎo)熱系數(shù)以及較低的比熱容使得使用鋼渣的道路施工過程需要注重溫控以及壓實效率，避免產(chǎn)生因混合料溫度下降過快導(dǎo)致壓實度不足的現(xiàn)象。