林振華,孟秀元,程 千,磨煉同

(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程研究中心,武漢 430070; 2.山西路橋集團陽蟒高速公路有限責(zé)任公司，晉城 048100;3.山西路橋第二工程有限公司，臨汾 041000)

鋼渣是鋼鐵工業(yè)的主要固體廢棄物，每生產(chǎn)1 t鋼就會產(chǎn)生鋼渣約0.15 t。當(dāng)前我國是鋼鐵生產(chǎn)第一大國，年產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的50%。2018年我國鋼產(chǎn)量為9.28億t，2019年增加到9.96億t，排放鋼渣超過1億t/年。與日本、歐美等發(fā)達國家相比，我國鋼渣排放量巨大，但利用層次和利用率低，大量鋼渣長期堆放占地且污染環(huán)境，急需開展有效綜合利用，然而鋼渣體積安定性不良且變異大是制約其大規(guī)模利用的首要原因[1,2]。鋼渣體積膨脹主要來源于游離CaO和MgO，兩者遇水后消解生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，體積分別增加98%和148%，因此控制鋼渣體積膨脹應(yīng)限制其游離CaO和MgO含量，同時通過破碎和陳化以促進二者消解，提高鋼渣均質(zhì)性與穩(wěn)定性。鋼渣集料體積安定性不良對水泥混凝土和瀝青混凝土產(chǎn)生的破壞作用差別大，不應(yīng)一概而論。對于硬化水泥混凝土而言，鋼渣集料安定性不良可直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷和脹裂，是非常致命的結(jié)構(gòu)破壞[3]。而對于柔性瀝青混凝土，瀝青材料的粘彈特性提供自由膨脹的空間吸收鋼渣集料的體積膨脹而減少結(jié)構(gòu)損傷與脹裂，前期工程實際結(jié)果表明鋼渣集料在瀝青混凝土中體積膨脹不會造成瀝青路面脹裂質(zhì)量問題[4]。

1 鋼渣陳化處理

我國GB/T 25824—2010《道路用鋼渣》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用于道路的鋼渣的浸水膨脹率應(yīng)小于2%。傳統(tǒng)的熔融鋼渣的處理方式如冷棄、熱潑等難以滿足降低渣中游離CaO含量低于3%的技術(shù)要求，使得鋼渣浸水膨脹率難以達到小于2%。鋼渣熱悶法因能充分利用熱悶池內(nèi)熔渣的余熱產(chǎn)生大量飽和蒸汽來消解鋼渣中游離CaO和MgO，從而除低了熱悶鋼渣游離CaO含量，改善了鋼渣穩(wěn)定性，使得鋼渣浸水膨脹率達到小于2%，因此熱悶鋼渣集料更適用于瀝青面層，而熱潑鋼渣集料應(yīng)用前應(yīng)進行必要的陳化和均化處理[1,5]。

對于傳統(tǒng)的冷棄、熱潑鋼渣在道路工程中應(yīng)用前須經(jīng)過長時間的陳化處理，我國JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》明確指出經(jīng)過破碎且存放超過6個月以上的鋼渣可用作瀝青混合料粗集料使用。鋼渣自然堆放陳化處理耗時長，占地大，且鋼渣中游離CaO和MgO需遇水才便于反應(yīng)生成Ca(OH)2和Mg(OH)2而消解。為了加速陳化，縮短陳化時間，一般可采用溫水陳化、蒸汽陳化和蒸汽加壓陳化法，但道路用鋼渣量大，上述方法中要涉及到浸水、加熱、加壓等問題，陳化處理適用性差，只適用于鋼渣源頭處理。鋼渣中游離CaO活性低，常溫水化消解耗時長，即使是鋼渣磨成細粉，其水化反應(yīng)仍需數(shù)月后才趨于穩(wěn)定[3]。瀝青路面用鋼渣集料中包裹在鋼渣內(nèi)部的游離CaO更難遇水消解反應(yīng)。鋼渣集料中游離CaO水解反應(yīng)和體積膨脹是一個長期緩慢過程，特別是在瀝青路面服役過程中，鋼渣集料在瀝青包裹下滲水緩慢，游離CaO水解反應(yīng)是極為緩慢的過程，如何判定鋼渣集料是否會膨脹破壞是一大難題。鋼渣集料破碎加工到施工應(yīng)用有一定的周期，因此必要時應(yīng)結(jié)合鋼渣游離CaO含量和體積安定性，在鋼渣破碎加工時進行水洗后堆放陳化，在保濕條件下加速鋼渣中游離CaO和MgO的水解，降低體積膨脹和開裂的風(fēng)險。

鋼渣陳化有利于提高其體積安定性，但陳化過程中陳化產(chǎn)物以及吸附的粉料在鋼渣表面形成細微疏松多孔結(jié)構(gòu)，其對瀝青具有很強的吸附性，當(dāng)瀝青用量偏少時，在鋼渣集料表面難以形成有效的瀝青膜來提供粘結(jié)。若鋼渣陳化產(chǎn)物層較厚，反應(yīng)不完全時強度較低，在拌和時瀝青若不能充分滲透到雜質(zhì)層，則容易在瀝青與鋼渣之間形成薄弱層。水分的浸入和凍脹作用可產(chǎn)生鋼渣與瀝青粘附剝離，從而造成水損害[5]。

2 鋼渣加工分級要求

傳統(tǒng)瀝青路面面層結(jié)構(gòu)多采用為表面磨耗層4 cm細粒式瀝青混凝土(AC-13)、中面層6 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20)和下面層8 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25/ATB-25)，層間采用改性乳化瀝青粘層油。下封層采用橡膠或SBS改性瀝青礦石封層,集料采用規(guī)格為9.5～13.2 mm粗集料，集料撒布量為滿鋪率的60%～80%。目前瀝青面層采用鋼渣瀝青混凝土?xí)r主要以粗集料采用鋼渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)天然集料，細料仍采用天然集料，以充分發(fā)揮鋼渣集料防滑耐磨和骨架的作用，此外下封層用集料也可采用鋼渣集料。整體而言，鋼渣集料堅硬、耐磨、粒形好、堿性高、與瀝青粘附性好，具備代替天然碎石的優(yōu)勢。

鋼渣集料資源化利用的前提是合理的篩分分級，按瀝青路面設(shè)計規(guī)范要求，礦料級配分級要求0～2.36 mm和2.36～4.75 mm兩種規(guī)格是必需的，每種規(guī)格的集料所包含的關(guān)鍵篩孔不宜多于兩個，其中下面層(AC-25/ATB-25)、中面層(AC-20C)一般按五種規(guī)格進行分級，上面層AC-13分4種規(guī)格,因此鋼渣集料分級要求具體見表1。

目前鋼渣多采用熱潑和熱悶處理工藝，不同的處理工藝鋼渣的粒徑分布差別較大，其中熱潑鋼渣粒徑最大，26.5 mm以上約50%，有利于二次破碎加工成不同規(guī)格的集料，但相比于天然碎石，鋼渣破碎加工難度大，設(shè)備磨損率高。熱悶法處理的鋼渣粒徑主要集中在4.75～16 mm，約占70%，更有利于直接篩分用于瀝青上面層AC-13。鋼渣集料破碎、篩分和分級一般采用10～30 mm鋼渣。不同瀝青混凝土用鋼渣粗集料加工應(yīng)注意采用適宜鋼渣粒徑進行加工和篩分。一般地，鋼渣集料產(chǎn)量多集中在4.75～9.5 mm和9.5～16 mm，應(yīng)協(xié)調(diào)好不同規(guī)格產(chǎn)量比例，減少細料含量以降低損耗。下面層(AC-25)和中面層(AC-20)要用到大于16 mm以上鋼渣集料，實際產(chǎn)量少，同時考慮到粗鋼渣穩(wěn)定性和均質(zhì)性差，宜利用大于16 mm天然集料配合鋼渣使用。鋼渣和天然集料同時使用進行鋼渣瀝青混合料配合比設(shè)計時應(yīng)注意密度差別，必要時應(yīng)采用密度進行配合比修正以避免細料用量過多影響瀝青混合料體積性能[6]。

鋼渣集料加工系統(tǒng)振動篩篩網(wǎng)布置應(yīng)根據(jù)不同的瀝青混合料進行合理布篩，合理的方案應(yīng)是盡量保證篩網(wǎng)對不同瀝青混合料的通用性，減少加工過程中更換篩網(wǎng)和成品集料場地占用。篩網(wǎng)篩分效率與加工產(chǎn)量與篩網(wǎng)傾角、面積、層數(shù)和振幅等直接相關(guān)，采用的鋼渣加工篩分篩網(wǎng)尺寸應(yīng)通過試機生產(chǎn)后取樣檢驗其篩分效率宜不低90%，即超徑和遜徑含量宜小于10%，并依據(jù)取樣篩分結(jié)果作進一步優(yōu)化和調(diào)整。細料0～2.36 mm含有鋼渣粉多，其均質(zhì)性差，對瀝青吸油性大，且活性高，對瀝青混合料有諸多不利的影響，一般不宜直接采用小于2.36 mm鋼渣當(dāng)作瀝青混合料的細集料。鋼渣宜用于代替天然玄武巖、輝綠巖等耐磨集料，用作瀝青路面表面磨耗層的防滑集料以充分發(fā)揮其硬度高、抗壓、耐磨等力學(xué)性能優(yōu)勢，最大化的實現(xiàn)鋼渣資源化利用。當(dāng)鋼渣用于瀝青路面中下面層時，因鋼渣密度大，多孔吸水率高，造成單位重量虧方嚴(yán)重，瀝青用量整體偏大，同時鋼渣集料與石灰?guī)r價格差不如玄武巖、輝綠巖等耐磨集料明顯，用于瀝青路面中下面層經(jīng)濟效益不佳。

表1 瀝青混合料用集料分級要求 /mm

3 鋼渣集料試驗檢測要求

鋼渣作為工業(yè)固廢，要求其用于集料加工時應(yīng)檢測其重金屬浸出濃度和放射性并符合GB8978—1996 《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，實現(xiàn)從源頭上控制重金屬浸出濃度和放射性，避免用于道路工程中產(chǎn)生重金屬二次污染[7]。

鋼渣集料用于瀝青路面現(xiàn)行規(guī)范有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24766—2009《透水瀝青路面用鋼渣標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 25824—2010《道路用鋼渣規(guī)范》和交通運輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T1086—2016《瀝青混合料用鋼渣》。通過對比三個標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)后頒布實施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T1086—2016《瀝青混合料用鋼渣》在壓碎值、磨耗值和浸水膨脹率的技術(shù)要求高于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24766—2009《透水瀝青路面用鋼渣標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 25824—2010《道路用鋼渣規(guī)范》。JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》明確指出經(jīng)過破碎且存放超過6個月以上的鋼渣可用作瀝青混合料粗集料使用，除吸水率可以放寬外，其它指標(biāo)可按天然集料要求進行控制，同時在鋼渣使用前應(yīng)進行活性檢測，要求鋼渣中游離氧化鈣含量不大于3%，浸水膨脹率不大于2%。上述規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對鋼渣的物理性能指標(biāo)基本一致，認(rèn)可鋼渣在力學(xué)性能和粘結(jié)性能上可代替?zhèn)鹘y(tǒng)天然集料用于瀝青混凝土，但對鋼渣體積安定性不良的擔(dān)憂是制約其作為集料大規(guī)模應(yīng)用的首要問題。

目前鋼渣集料存在的最大問題是鋼渣內(nèi)部游離氧化鈣吸水體積膨脹、開裂引起的安定性不穩(wěn)定，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25824—2010《道路用鋼渣規(guī)范》未對游離氧化鈣含量作具體要求，而后頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTT1086—2016《瀝青混合料用鋼渣》增加了對瀝青混合料用鋼渣集料的化學(xué)性能要求，要求其游離氧化鈣含量應(yīng)不大于3%。游離氧化鈣是導(dǎo)致鋼渣集料安定性不良的突出因素，但加工破碎成顆粒后鋼渣集料的安定性不良程度離散性很大，其與鋼渣集料的游離氧化鈣含量與分布有關(guān)。鋼渣集料磨成粉后檢測游離氧化鈣含量一般很難保證取樣代表性，個別安定性不良的鋼渣集料對水泥混凝土脹裂可能是致命的，但對于瀝青混凝土的影響可借鑒軟石含量指標(biāo)進行控制。按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，鋼渣集料的游離氧化鈣含量應(yīng)按不大于3%進行控制,前期實測數(shù)據(jù)表明游離氧化鈣含量離散性大，應(yīng)注意取樣代表性。游離氧化鈣含量與鋼渣處理工藝緊密相關(guān)，宜加強鋼渣源頭質(zhì)量控制，優(yōu)先使用破碎選鐵后陳放時間長的鋼渣，以游離氧化鈣含量作為源頭鋼渣原渣出廠的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

JTT1086—2016《瀝青混合料用鋼渣》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對鋼渣粗集料的針片狀含量、密度、吸水率、粘附性、磨光值、磨耗值、壓碎值和浸水膨脹率分別作了相應(yīng)的技術(shù)要求。上述指標(biāo)中，磨光值、磨耗值、壓碎值和浸水膨脹率作為力學(xué)和安定性指標(biāo)，其中與游離氧化鈣有關(guān)的只有浸水膨脹率指標(biāo)。因鋼渣集料硬度高且耐磨，壓碎值、磨光值和磨耗值都可達到要求，但當(dāng)鋼渣中含有大量多孔性鋼渣時，其壓碎值可大于20%,磨耗值接近26%。針對鋼渣的水敏感性問題，宜增加鋼渣浸水和凍融后壓碎值和磨耗值試驗，建立鋼渣壓碎值和磨耗值與其安定性的相關(guān)性以指導(dǎo)鋼渣集料加工生產(chǎn)、陳化處理以及質(zhì)量控制，鋼渣集料試驗檢測項目見表2。

表2 鋼渣集料試驗檢測項目

4 體積安定性試驗

鋼渣集料用于瀝青混凝土路面時，要求其具有良好的抗壓碎能力，以抵抗施工振動碾壓荷載作用以及開放交通后的反復(fù)車輪荷載作用。鋼渣集料中游離氧化鈣發(fā)生反應(yīng)會導(dǎo)致顆粒發(fā)生脹裂，影響其強度，如鋼渣集料放在熱水中長時間浸泡會出現(xiàn)部分顆粒開裂或破碎的情況，一些微裂紋在凍融作用下也可發(fā)生開裂，因此可利用集料壓碎值試驗檢測鋼渣長期浸水和凍融循環(huán)后的抗壓碎性能，了解鋼渣集料在施工振動碾壓和服役過程中是否會存在安定性不足引起的集料嚴(yán)重壓碎和脹裂問題。采用山西中陽、晉城和太鋼三種鋼渣經(jīng)浸水和凍融作用后發(fā)現(xiàn)鋼渣浸水和凍融壓碎值比常規(guī)壓碎值大，其中90 ℃水煮7 d后壓碎值增加近4%，凍融5個循環(huán)后壓碎值增加約2%。

鋼渣浸水膨脹率按GB/ T 24175《鋼渣穩(wěn)定性試驗方法》進行，采用0.075～31.5 mm不同粒徑的鋼渣組成具有一定顆粒分布的鋼渣混合料，利用重型擊實試驗成型試樣。試樣在90 ℃熱水中浸泡10 d后檢測試件體積膨脹率。采用山西太鋼新出鋼渣和陳化鋼渣檢測浸水膨脹率，其中新渣平均值1.09%，最大值1.51%；陳渣平均值0.59%，最大值0.88%。新渣比陳渣波動性較大，表明鋼渣的膨脹具有不均性，陳化處理可提高均質(zhì)性和穩(wěn)定性。鋼渣浸水膨脹率試驗試樣成型要求采用鋼渣粗集料、細料和粉料組成的混合料。上述鋼渣混合料中，細料和粉料用量達到了35%，二者化學(xué)活性和體積安定性可對試驗結(jié)果產(chǎn)生很大影響，不利于用于檢測鋼渣粗集料的浸水膨脹率，其試驗方法更適用于基層用鋼渣的浸水膨脹率。此外鋼渣浸水膨脹率檢測結(jié)果存在波動大的問題，應(yīng)加強取樣代表性。浸水膨脹率試驗抽樣復(fù)雜且難于正常反映鋼渣集料安定性，應(yīng)增加鋼渣顆粒熱水浸泡的脹裂試驗，將9.5～13.2 mm和4.75～9.5 mm鋼渣顆粒各100顆分別排放在兩個托盤，浸泡在90 ℃熱水中觀察7 d內(nèi)其脹裂比率。山西中陽、晉城和太鋼3種鋼渣浸水脹裂試驗結(jié)果表明9.5～13.2 mm鋼渣顆粒的浸水脹裂率大于比4.75～9.5 mm鋼渣顆粒，其中前者小于10%而后者不大于5%。鋼渣粒徑越小，其均質(zhì)性高，富集的游離氧化鈣吸水脹裂風(fēng)險越小，因此鋼渣破碎后有利于富集的游離氧化鈣水解，同時采用水洗可進一步均化鋼渣。

5 結(jié) 論

鋼渣集料力學(xué)性能優(yōu)異，可代替天然碎石集料用于瀝青路面面層，特別適合用于表面磨耗層的防滑集料以充分發(fā)揮其硬度高、抗壓、耐磨等力學(xué)優(yōu)勢。鋼渣選材加工集料時應(yīng)從源頭加強質(zhì)量控制，宜以重金屬浸出濃度、游離氧化鈣含量和鋼渣集料浸水脹裂率作為關(guān)鍵控制指標(biāo)。鋼渣原料應(yīng)優(yōu)先使用陳放時間長的鋼渣以避免體積安定性不良造成的瀝青混凝土脹裂風(fēng)險。鋼渣集料破碎加工后應(yīng)合理篩分級，避免混料使用。鋼渣陳化和水洗有利于提高其體積安定性，陳化過程中陳化產(chǎn)物會形成隔離層影響鋼渣與瀝青粘附，易造成水損害。