钢渣在路面结构层中的应用

钢渣在路面结构层中的应用

李进贵

宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏 银川 750001

摘要：本文依托国道109线惠农至黄渠桥段公路改扩建工程，选用宁夏建龙龙祥钢铁有限公司陈化1年以上的钢渣，完成前期室内研究工作，掌握建龙钢渣特性和钢渣SMA-13沥青混合料、水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层的配合比设计，为铺筑试验段积累一定经验，并为钢渣在路面结构层中的应用提供一定参考。

关键词：钢渣；钢渣SMA-13；水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层

1、背景与意义

1.1钢渣排放量大，亟需寻找规模化资源利用的有效途经

2020年，我国粗钢产量为10.53亿吨，同比增长5.2%。每产生1吨粗钢就会产生0.1～0.2吨的钢渣，因此在2020年年底，我国已产出约1.2亿吨钢渣。目前我国钢渣的综合利用率仅为20%左右，全国钢渣累计堆存近10亿吨，大量钢渣的弃置堆积不仅占用了大量的土地，也对土壤、水资源、空气等造成了污染。以石嘴山境内宁夏建龙龙祥钢铁有限公司为例，现每年的钢渣产量约100万吨，且综合利用率极低，现有钢渣堆场已基本堆满，企业面临钢渣无处堆场的窘境，亟需需求规模化利用的有效途径。

1.2公路建设量大，优质集料资源短缺，亟需寻求替代品

随着我国公路建设的发展，公路工程对天然原材料的需求量与日俱增，特别是我国环保政策的收紧，公路建设所需的优质集料供应短缺问题逐渐凸显，且价格激增，严重影响了工程质量与进度。钢渣的综合利用不仅可以将其变废为宝，提高资源的利用率，降低企业运行成本，同时可以有效缓解钢渣造成的环境污染问题，对冶金行业的高质量发展具有重要意义。

1.3钢渣的技术特点

钢渣具有出色的物理力学性质，利用其物理特性开发出的综合利用技术与产品已成为钢渣综合利用最主要的途径。总体来说，它的主要物理特性集中表现在以下几个方面：
  （1）)良好的棱角性：钢渣经破碎、筛分、磁选处理后，颗粒多呈不规则状，具有良好的内摩擦嵌挤力，而内摩擦嵌挤力是评判道材、集料适用性的重要依据；
  （2）密实度高：钢渣中富含铁，其压缩孔隙结构使其成为一种较为密实的材料，堆密度BD超过1900kg/m3，大于大部分天然砂石，比重大确保了钢渣作为路面材料或者混凝土掺合料的抗碾压强度和有效耐久性；

（3）磨光值较高，PSV 值位于55-60之间，能提供好的抗滑路面，保证车辆舒适安全行驶；

（4）黏附性好：且颗粒级配形状好，呈碱性，表面多孔收缩性小，与沥青有良好的黏附性；经过多批次实测，钢渣的吸水率较大，一般大于2%。

   （5）良好的抗冻性:硫酸镁稳定性试验MS要求材质浸酸干燥后体收缩不超过12%，钢渣测定值很小。有些国家地区采用更严格的芒硝(硫酸钠)试验，钢渣的收缩率仍很小。良好的收缩率保证了钢渣沂青路面在霜冻情况下不官产生沥青剥落现象。

2、钢渣特性

（1）钢渣来源：宁夏建龙龙祥钢铁有限公司。

（2）钢渣类型：应选用陈化1年以上的钢渣，即2019年前排放堆放的钢渣，不得采用新排放的钢渣。

（3）钢渣基本技术指标

对陈化钢渣的关键技术指标进行了测试，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)的要求，如下表所示。

钢渣技术指标及要求

（4）钢渣物理化学特性

对陈化钢渣的物理化学特性进行检测，满足《建筑材料放射性核素限量》(GB6566-2010)、《沥青混合料用钢渣》（JT/T 1086-2016）及《道路用钢渣》（GB/T 25824-2010）的要求，如下表所示

3、钢渣SMA-13沥青混合料

为了研究钢渣不同粒径对路面性能的影响和钢渣利用率问题，此次上面层试验段分两段实施：方案一为采用5~10mm、10~15mm两种规格的钢渣，桩号为K1131+800~K1132+300；方案二为采用5~10mm钢渣，桩号为K1132+300~K1132+800。

（1）配合比设计

室内试验确定的目标配合比：

方案一：10~15mm钢渣：5~10mm钢渣：机制砂：矿粉=55：25：10：10（体积比），油石比为6.2%。方案二：10~15mm红砂岩：5~10mm钢渣：机制砂：矿粉=45：35：10：10（体积比），油石比为6.1%。木质素纤维掺量均为沥青混合料质量的0.4%。

级配设计

方案一级配曲线

方案二级配曲线

表2-5-4油石比及体积参数

（2）油石比验证

进行谢伦堡析漏试验以及肯特堡飞散试验，以验证所设计配合比设计，结果见下表所示。

最佳油石比混合料性能检验

（3）性能验证

根据设计的级配以及最佳油石比，进行了高温稳定性、水稳定性以及低温抗裂性等路用性能的检测。

钢渣SMA-13路用性能

为检验钢渣SMA的体积安定性能否满足要求，采用马歇尔试件在60℃的恒温水浴保温72个小时，测其体积膨胀率来评价其安定性。经过测试，方案一的浸水膨胀率为0.18%，方案二的浸水膨胀率为0.12%。

4、水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层

为了研究钢渣不同粒径对路面性能的影响和钢渣利用率问题，此次基层试验段分两段实施：方案一为采用5~10mm、10~15mm两种规格的钢渣，桩号为K1131+800~K1132+300；方案二为采用5~10mm钢渣，桩号为K1132+300~K1132+800。

（1）配合比设计

室内试验确定的目标配合比：

方案一：钢渣选用0-3mm，3-5mm，5-10mm，碎石选用0-3mm，10-20mm，20-25mm。

方案一 钢渣目标配合比设计（质量比）

方案二：钢渣选用3-5mm，5-10mm，10-15mm，碎石选用0-3mm，15-20mm，20-25mm。

方案二 钢渣目标配合比设计（质量比）

方案一级配曲线

方案二级配曲线

（2） 性能验证

方案一：根据无侧限抗压强度试验，混合料浸水膨胀率试验结果，方案一室内试验满足设计强度的水泥剂量为4.5%，粉煤灰剂量为12%，最大干密度2.42 g/cm3，最佳含水率6.8%，7d无侧限抗压强度4.2Mpa。

方案二：根据无侧限抗压强度试验，混合料浸水膨胀率试验结果，方案一室内试验满足设计强度的水泥剂量为4.5%，粉煤灰剂量为12%，最大干密度2.48 g/cm3，最佳含水率6.4%，7d无侧限抗压强度4.3Mpa。

5、结语

宁夏建龙龙祥钢铁有限公司陈化1年以上的钢渣从其稳定性、刚度和强度等方面可以替代部分碎石作为路面采用使用，对钢渣道路化应用前，应先对钢渣进行预处理。主要包括破碎筛分以及水洗等工序。

将钢渣应用于路面面层、基层材料中，开发钢渣沥青混凝土面层、水泥粉煤灰稳定钢渣碎石基层，能规模化利用钢渣，促进冶金行业可持续发展；还可在降低公路工程建设对天然集料的巨大消耗，保证工程建设进度的同时，有效提升基层材料路用性能。项目的实施，对于“绿色交通”战略实施、生态文明建设发展，具有重要意义。