張彥峰

（山西路橋集團(tuán)陽蟒高速公路有限責(zé)任公司，山西 晉城 048100）

0 引言

鋼渣作為煉鋼企業(yè)的第二大工業(yè)廢渣，通常作為工業(yè)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(shí)，由于鋼渣堆積帶來的粉塵污染也對(duì)空氣治理帶來嚴(yán)重影響。關(guān)于鋼渣的資源化再利用一直是鋼廠及相關(guān)單位的研究重點(diǎn)。在德國，鋼渣作為建筑材料其利用率已達(dá)85%以上[1]；在美國，鋼渣經(jīng)過進(jìn)一步處理用作筑路材料也得以大規(guī)模消化利用。對(duì)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(zhuǎn)爐鋼渣，經(jīng)力學(xué)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(yīng)用。

1 轉(zhuǎn)爐鋼渣的物理化學(xué)性能指標(biāo)

1.1 轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)組分

本項(xiàng)目采用太鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的廢棄鋼渣，廢棄堆積時(shí)間超過1年以上，鋼渣的礦物組成不盡相同，具體化學(xué)組分見表1，對(duì)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(xué)性能比較活潑，易與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使鋼渣體積增大，膨脹，且燒結(jié)后粒徑越小的鋼渣晶格結(jié)構(gòu)越為緊密，自然水化分解速度慢，故在規(guī)范中嚴(yán)格要求f-CaO含量應(yīng)小于3%[2]。測試放置不同時(shí)間段的鋼渣后，確定堆積時(shí)間1年以上太鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣平均f-CaO含量不高于2.8%，滿足規(guī)范要求。

表1 堆積1年期太鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)組分

1.2 轉(zhuǎn)爐鋼渣物理力學(xué)性能

太鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣物理力學(xué)性能見表2，從表中可以看出其性能滿足集料的規(guī)范要求。為了考察鋼渣的表面性能，需進(jìn)行壓汞試驗(yàn)[3]，試驗(yàn)結(jié)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(jié)果的原因是煉鋼過程中高溫煅燒冷淬，各種物質(zhì)的不均勻收縮，繼而出現(xiàn)細(xì)微孔洞?？锥吹拇嬖谔岣吡虽撛目够阅?，同時(shí)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(fā)現(xiàn)，粒徑20 mm以上鋼渣吸水率高于3%，不宜用作路面材料。結(jié)合本項(xiàng)目，選用礦粉和0～3 mm、5～10 mm、10～15 mm三種規(guī)格的轉(zhuǎn)爐鋼渣集料。

表2 太鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣物理力學(xué)性能

表3 壓汞試驗(yàn)測太鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣表面孔隙率 %

2 混合料級(jí)配及配合比設(shè)計(jì)

對(duì) 0～3 mm、5～10 mm、10～15 mm的三檔料分別進(jìn)行詳細(xì)的篩分試驗(yàn)，根據(jù)篩分結(jié)果進(jìn)行SMA-13的合成級(jí)配設(shè)計(jì)，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(jí)配曲線見圖1。

圖1 SMA-13鋼渣瀝青混合料級(jí)配曲線

本項(xiàng)目選用齊魯石化生產(chǎn)的90號(hào)SBS改性石油瀝青進(jìn)行油石比測定試驗(yàn)，分別選用油石比為4.4%、4.8%、5.2%、5.6%、6.0%的5組試件進(jìn)行馬歇爾測試，根據(jù)油石比-馬歇爾物理、力學(xué)指標(biāo)關(guān)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(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)來分別對(duì)高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性來進(jìn)行評(píng)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?guī)r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(duì)比試驗(yàn)，兩種石料級(jí)配及其配合比均滿足規(guī)范要求。

3.1 高溫穩(wěn)定性

采用鋼渣、玄武巖和石灰?guī)r做粗集料的3種SMA-13瀝青混合料經(jīng)高溫拌合后壓制成300 mm×300 mm×50 mm的車轍板，放置48 h后進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用LHCZ-6型全自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行測試，測試前保溫時(shí)間6 h。在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度60℃的基礎(chǔ)之上增加50℃和70℃兩組試驗(yàn)，用以評(píng)價(jià)3種瀝青混合料在寒冷地區(qū)和高溫條件下的高溫穩(wěn)定性，具體測試結(jié)果見圖2。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋼渣瀝青混合料在3個(gè)溫度下的高溫穩(wěn)定性均比同溫度下的玄武巖瀝青混合料、石灰?guī)r瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能要好，特別是在70℃高溫條件下，其動(dòng)穩(wěn)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(tài)和表面結(jié)構(gòu)。大顆粒鋼渣在燒制成型后其整體形態(tài)趨于一致，針片狀顆粒幾乎沒有，外觀規(guī)則一致，在車轍板擊實(shí)成型過程中其堆積鑲嵌效果較玄武巖和石灰?guī)r更為緊密，骨架結(jié)構(gòu)更為牢固，抗剪能力更強(qiáng)。此外，鋼渣多孔隙的外觀結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)的狀態(tài)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(yàn)

3.2 低溫抗裂性

采用小梁彎曲試驗(yàn)方法進(jìn)行低溫抗裂性試驗(yàn)，壓實(shí)成型后切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁件，保溫大于8 h后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-10℃，加載速率50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 3種混合料的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

在瀝青混合料的小梁彎曲試驗(yàn)中，通常以抗彎強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變作為考核指標(biāo)，抗彎強(qiáng)度值越高，最大彎拉應(yīng)變值越大，混合料的低溫抗變形效果越強(qiáng)，其低溫抗裂性能越好[4]。根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)鋼渣SMA-13瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度最強(qiáng)，最大彎拉應(yīng)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(yōu)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(guān)。

3.3 水穩(wěn)定性

由于鋼渣中含有少量f-CaO，雖經(jīng)過長時(shí)間的堆積放置，f-CaO含量已滿足規(guī)范要求，但在應(yīng)用中還是需要加強(qiáng)水穩(wěn)性能的測試。本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)作為測試方法，選用馬歇爾殘留穩(wěn)定度比和浸水凍融劈裂強(qiáng)度比作為考核指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)測試，具體試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定度降低，結(jié)合表6凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果，殘留強(qiáng)度比亦出現(xiàn)下降的情況，但和規(guī)范要求的殘留穩(wěn)定度大于80%及殘留強(qiáng)度比大于80%相比，鋼渣SMA-13瀝青混合料的水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求。在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，鋼渣瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)試件表面出現(xiàn)少許白色結(jié)晶，分析結(jié)晶物為Ca(OH)2，可以看出鋼渣中的f-CaO對(duì)混合料的水穩(wěn)定性還是存在一定影響，在應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格控制f-CaO的含量，且考慮使用剝落劑，避免水穩(wěn)定性過低而出現(xiàn)過早的水損剝落。

表5 3種混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 3種混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)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(diǎn)，可嘗試用作瀝青上面層的筑路材料。同時(shí)借助對(duì)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(wěn)定性和低溫抗裂性。試驗(yàn)中采用已經(jīng)放置1年的鋼渣進(jìn)行試驗(yàn)測試，鋼渣中的活性物質(zhì)對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性仍有影響，應(yīng)盡量選用放置時(shí)間更長的鋼渣，降低應(yīng)用中水損害出現(xiàn)的幾率。