鋼渣在公路改擴建工程中的應用

王芳芳，董利鵬

（1.寧夏交投工程建設管理有限公司，寧夏 銀川 750011；2.寧夏公路勘察設計院有限責任公司，寧夏 銀川 750001）

鋼渣作為鋼鐵冶煉過程中的副產物，即通俗意義上排放的熔渣，是典型的大宗固體廢棄物之一，其形態為固體，主要成分為Si、Mn、P、S 等雜質形成的氧化物以及為調和鋼渣性質添加的造渣材料[1]。同時，鋼渣中也含有毒有害物質，主要為灰分、重金屬、非晶態二氧化硅等。上述污染物的泄露將會給環境帶來極大的威脅。

根據有關統計數據顯示，2020—2022 年，我國連續3 年粗鋼產量超過10 億t。每產生1 t 粗鋼約產生0.12～0.14 t 鋼渣，因此在2020—2022 年，我國連續3 年產出超過1.2 億t 鋼渣。目前我國鋼渣的綜合利用率僅為20%左右，全國鋼渣累計堆存近14.46 億t。因鋼渣含污染物較多，需要設置專門的場所來堆放，堆放場所需要大量的土地資源來建設，同時，長期的堆放也容易形成鋼渣污染物的緩釋，有毒有害物質將逐漸污染臨近的土壤、水體、大氣等，給周邊環境帶來嚴重威脅[2]。以寧夏北部某鋼鐵冶煉企業為例，現有企業生產能力下每年附帶產生的鋼渣量近百萬噸，但目前綜合利用率極低，逐漸積累的鋼渣堆放量已接近堆場的設計負荷，而企業周邊沒有合適的場地用以擴建堆場，已對企業的正產生產運營帶來極大影響。另外，隨著公路建設、養護里程逐年增加，部分礦山相關企業因環保政策關停，砂石筑路材料開采受限，優質筑路材料短缺，亟需尋找新的筑路替代材料。鋼渣以其優異的抗滑耐磨、黏附性好、抗水損能力強、資源成本低等性能，作為替代筑路材料，尋找可持續的、規模化的應用途徑，減少鋼渣堆放數量已經勢在必行[3]。

G109 線惠農至黃渠橋段改擴建工程將鋼渣應用于鋪筑上面層和基層。項目的實施，對于解決鋼渣規模化利用問題，促進“綠色交通”戰略實施和生態文明建設發展，具有重要的示范意義。

1 適用性分析

1.1 鋼渣的材料特點

國內外學者通過對鋼渣的物理性質和力學特性分析研究[4]，發現其該項性能指標出色，具備極強的應用潛力，圍繞其物理性質和力學特性開展相應的產品開發和工藝路線優化是對鋼渣合理化利用的重要途徑。與傳統材料相比，鋼渣在以下5 個方面具有突出特點和優勢。

1.1.1 外觀不規則性

鋼渣在使用時一般要經過預處理，主要流程有破碎—篩分—磁選，經預處理后的鋼渣級配均勻，顆粒多具有優良的棱角，呈不規則狀，這一特性在與其他材料混合使用時能夠獲得較好的內摩擦嵌擠力，這也是鋼渣具有較強適用性的重要依據之一。

1.1.2 材料密實度大

鋼渣內包含大量的Fe 元素，在其形成過程中產生的特殊的壓縮孔隙結構，使鋼渣固體體積占總體積的比例較大，堆密度可達1 900 kg/m3，超過了同等條件下大部分天然砂石等傳統筑路材料。正是這一特殊性能使得鋼渣應用于路面時使路面擁有較強的抗碾壓性，同時，路面的使用壽命也較傳統材料有所提高。

1.1.3 材料PSV 值較高，經篩分后的鋼渣材料磨光值區間為55～60，應用于路面時能使路面具備較強的抗滑性能，從而使車輛在行駛過程中安全性、舒適性滿足規范要求。

1.1.4 黏附性好

顆粒級配形狀好，呈堿性，表面多孔收縮性小，與瀝青有良好的黏附性；經過多批次實測，鋼渣的吸水率較大，一般大于2%。

1.1.5 低溫適應性

為了保證鋼渣瀝青路面在低溫條件下不發生瀝青剝落病害。根據規范要求，應用于路面的鋼渣收縮率要求嚴格，通過國內外研究表明，無論是常規試驗還是更為嚴格的芒硝試驗，鋼渣的表現均符合要求。良好的收縮率保證了寧夏最冷月平均氣溫在-8 ℃以下，極端低溫在-22 ℃以下，鋼渣這一優良特性與寧夏氣候適配度較高。

1.2 鋼渣路面的路用性能

通過對鋼渣的成分分析可知，其含有大量的水泥類礦物、f-CaO 等活性成分。將其作為集料應用于路面基層中，能與其他活性成分（主要為SiO2、Al2O3）發生火山灰反應，從而提升基層材料的力學、水穩、抗沖刷等路用性能。同時，通過鋼渣膨脹抑制技術，將其不均勻膨脹轉化為均勻微膨脹，還可在一定程度上補充基層收縮，提升基層材料的體積穩定性，降低收縮裂縫發生幾率。

綜上所述，將鋼渣應用于路面工程中，能規模化利用鋼渣，還可在降低公路工程建設對天然集料的巨大消耗，保證工程建設進度的同時，有效提升基層材料路用性能。

2 工程設計

2.1 項目概況

國道109 線惠農至黃渠橋段公路位于石嘴山市惠農區，起點位于G109 線與園藝路平面交叉口處，起點樁號K1112+229.3。終點位于黃渠橋鎮南側G109 線原有舊路，終點樁號為K1147 +628.463，路線全長35.399 km，雙向四車道一級公路技術標準設計。依托該項目鋪筑了1.6 km 鋼渣路面試驗段，其中，在K1134+600～1135+600 左幅上面層鋪筑SMA-13 鋼渣上面層，在K1135+600～1136+200 右幅鋪筑水泥粉煤灰穩定鋼渣路面基層，經檢測技術指標滿足公路路面質量要求，應用效果良好。

2.2 鋼渣來源及預處理

鋼渣來源：寧夏建龍龍祥鋼鐵有限公司，距離本試驗段平均運距為15.7 km，拌合站距本試驗段平均運距為2.3 km。

對鋼渣道路化應用前，應先對鋼渣進行預處理。主要包括破碎篩分以及水洗等工序。因為道路不同結構層對鋼渣粒徑的要求不同，基層主要用0～10 mm 粒徑的鋼渣，面層主要用5～15 mm 中粗集料的鋼渣，因此需對鋼渣進行破碎篩分等工序來實現鋼渣的梯級化利用。同時對鋼渣進行實地調研發現，陳化后的鋼渣表面附著的雜質較多，在進行利用前需進行水洗以保證其黏附性等性能滿足要求。

2.3 混合料配合比設計與應用

本工程所采用的配合比設計是在大量調查國內外及周邊類似材料應用案例的基礎上，結合試驗數據，分析優化后形成，關鍵控制技術如下[5]。

2.3.1 鋼渣瀝青混合料級配設計與路用性能

鋼渣表面多孔導致瀝青用量增加，細粒徑鋼渣f-CaO 含量高、鋼渣膨脹大、粉塵含量高，選用粗粒徑鋼渣做粗集料，減小比表面積，控制瀝青用量，減小混合料膨脹性。采用鋼渣、碎石兩種集料，為避免密度差異大的影響，采用體積法進行級配設計。針對鋼渣多孔吸水率大的問題，采用改性瀝青浸漬法結合經驗計算法確定最佳油石比。通過對鋼渣SMA-13 室內試驗，最佳油石比為6.3%，設計集料配比為10～15 mm 鋼渣∶5～10 mm 鋼渣∶0～3 mm 紅砂巖∶礦粉=35%∶45%∶12%∶8%。鋼渣SMA-13 混合料與寧夏地區常用面層紅砂巖SMA-13 混合料進行對比試驗，結果表明鋼渣SMA-13混合料不僅能夠滿足高溫、低溫、水穩路用性能，3 項指標優于紅砂巖SMA-13，具體指標如表1 所示。

表1 鋼渣SMA-13 與紅砂巖SMA-13路用性能試驗結果對比表

2.3.2 鋼渣碎石基層混合料設計及路用性能

設計選用水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石作為基層材料，摻用粉煤灰輕質組分，不僅能夠引入活性成分，進一步激發鋼渣潛在活性成分，還能減小鋼渣干密度大的影響。為了避免鋼渣材料中f-CaO 局部富集、分布不均勻造成的應力集中導致基層破壞的問題，在篩分的鋼渣梯級中選用0～5 mm、5～10 mm 小粒徑鋼渣作為細集料進行混合料設計，經試驗表明，能夠滿足半剛性基層。

3 施工要求

3.1 一般規定

3.1.1 氣溫會對鋼渣類路面基層混合料的強度的增長產生較大的影響，為保證路面基層施工質量，施工作業宜在適宜的季節或溫度下進行。當日最低氣溫低于5 ℃時，不宜施工。在冰凍地區，須在結凍-3～-5 ℃前15～30 d 施工完畢。

3.1.2 雨季施工易造成路基和基層原材料或混合料過濕，給施工帶來困難并影響施工質量，為保證工程質量應避免雨季施工。

3.2 施工準備

3.2.1 鋼渣篩分

陳化鋼渣為0～5 mm 和5～10 mm 兩檔料進行備料。

3.2.2 粉煤灰

濕排粉煤灰應提前運到現場，以便濾水和晾曬。干排的粉煤灰裝運前適量加水，以免揚灰。在堆放過程中，要防止雨淋和揚灰，如出現部分粉煤灰結塊，使用前應將灰塊打碎。

3.3 配料

3.3.1 施工中材料配合比必須符合設計要求，以保證工程質量，為適用于廠拌，配料方法采用質量法。

3.3.2 施工前需檢測鋼渣、集料以及粉煤灰含水量，扣除水分后計算生產配合比。

3.4 含水量的控制

3.4.1 施工過程中需嚴格控制混合料含水量，保證碾壓時混合料含水量接近最佳含水量。含水量過低可能會導致難以到達預設的壓實度；含水量過高，則可能引起基層的干縮開裂。

3.4.2 如遇炎熱天氣或運輸距離較遠，則混合料的含水量可比最佳含水量略高（0.5%～1.0%）。

3.4.3 在炎熱季節基層混合料因失水發白時，碾壓可灑適量水。

3.5 拌合[6]

3.5.1 施工過程中拌合一般選用強制性集中廠拌。

3.5.2 拌合工具等一般需具備自控系統、電子計量系統，能對拌合過程中流量等運行參數進行實施在線跟蹤。

3.5.3 選用電子計量系統在使用前應對其精度進行校核，同時對其誤差進行檢驗，其中集料控制精度為2%，水泥為1%，水為1%，精度在此范圍內的設備才可投入使用。

3.5.4 通過觀察混合料的顏色、離析等現象來側面控制攪拌的均勻性，一般選用二級攪拌來提高混合料的均勻性。

3.5.5 裝運混合料當粗、細集料有離析現象時，應用裝載機翻拌均勻后，再運至工地攤鋪。

3.5.6 水泥粉煤灰穩定鋼渣碎石混合料，宜隨拌合，隨運送、隨攤鋪、隨碾壓，確保混合料在最長延遲碾壓成型時間內完成混合料的碾壓施工。

3.6 攤鋪整型

松鋪系數建議值1.25～1.40，通過試驗確定。攤鋪時，應打開強夯，盡可能提高預壓度，并根據現場情況及時調整松鋪系數。

3.7 碾壓

3.7.1 碾壓工序建議先采用膠輪靜壓—振動碾壓—鋼輪終壓等工序進行，具體參數需根據試驗確定。

3.7.2 碾壓過程中，應時刻關注基層的表面的含水率，可適當多次灑水以彌補蒸發散失的水量，但應避免一次性灑水過多給碾壓帶來不便。

3.8 養生

3.8.1 根據以往經驗，無論是采取土工布還是薄膜覆蓋，均能達到較好的養生效果。當選用前者時，材料使用應為透水式，拼縫之前不得有縫隙，做到全斷面搭接覆蓋，同時，還需輔之以灑水。選用后者時，薄膜的厚度應符合設計要求，宜大于1 mm。薄膜覆蓋工作應在混合料攤鋪碾壓成型后及時完成，覆蓋拼接要求同土工布，此外，為避免風吹等對薄膜產生的損壞，一般采用沙土等對覆蓋后的薄膜進行堆填。薄膜在養生過程中出現損壞時，一般采取局部更換等措施。

3.8.2 不宜過早將養生用土工布或薄膜掀開，應直至上層結構施工前1～2 d 再在結束土工布或薄膜養生。

其他施工技術要求按照《公路路面基層施工技術細則》（JTG/TF 20—2015）要求和規定執行。

4 結束語

通過已建成路面的效果及檢測數據來看，本項目路面整體鋪筑效果均達到規范要求。鋼渣應用于公路改擴建工程，既能解決大宗固廢無法處置的問題，減少土地占用，降低污染；又能減少傳統公路工程修筑時對天然原材料的與日俱增的需求量。在當今“碳達峰、碳中和”的時代背景下，該研究對實現冶金行業和公路建設行業的綠色低碳發展具有重要意義。