钢渣在沥青混凝土中的应用.pdf

S p e c i a l S t o r y Ap pl i c a t i o n o f St e e l Sl a g i n As p h a l t Co nc r e t e 谢君，吴少鹏 ，陈美祝 ，米轶轩 ，李小龙 武汉理工大学 硅酸盐工程材料教育部重点实验 室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 0 引言 钢 渣是 炼 钢 厂 生 产钢 材 时 剩下 的废 料 。据 统 计 ，2 0 0 8 年 中 国的钢 产 量达 到5 1 0 t ，钢 渣产量 约 为0 7 1 0 t 。随 着 国 民经 济 的增 长 ，钢 制 品 的 需求 日益增 大 ，作 为 副产 品 的钢 渣 也 以平 均 每 年 1 51 0 t 的速 度 增 长 。 目前 中 国钢 渣 利 用率 仅 为 2 0 ， 堆 积 的钢 渣不 仅 占用 大 量 土 地 ，而且 造 成 环境 污 染 。如 何 合理 有效 地 重 新利 用 这 些钢 渣 ，使 它们 变废 为宝 ，是 科 技工 作 者 长 期 以来 试 图解 决 的 问题 。 国外 对钢 渣 的利 用率 很高 ：欧 美 、 日本 对钢 渣 的利 用率 达 到 了1 0 0 ，其 中5 0 6 O 运 用 于 道 路 ； 在 英 国 ，甚 至 有 9 8 的 钢 渣 用 于 沥 青 与 水 泥 路 面 。 国 内 在 这 方面 起 步 较 晚 ， 近 年 来 陆 续 收 到 了 一 些 成 效 。 以 武 黄 高 速 公 路 大 修 工 程 为 代 表 的 已建 路 段 成 功 运 用 钢 渣 作 为 沥 青 面 层 的 骨 料 。吴 少鹏 _ 1 等 人 对 此工 程 的钢 渣 路 段 有 比较 详 细 的研 究 。 他 们 通 过 测 试 钢 渣 的 物 理 性 能 以 及 钢 渣 的 马 歇 尔 水 稳 性 能 ， 发 现 钢 渣 可 以 作 为 一 种 优 秀 的材 料 应 用 到 沥 青 面 层 中 。 钢 渣 的粉 化 应 用 已成 为利 用 钢 渣 的趋势 。一 些 学者 将 炼钢 厂生 产 的副 产 品 钢 渣微 粉 应 用到 沥 青 混 合料 中，取 得 了较 好 的效 果 。孙 家 瑛 等人 对上 海 宝 钢 台钢 厂生 产 的 钢 渣微 粉进 行 了化 学 分析 ，发 现 钢 渣微 粉 的氧 化钙 含 量要 比石灰 石 矿 粉 高 ， 因此钢 渣微粉 与沥 青 之 间 的结 合力 更 大 ，有 利 于 提高 沥 青 混 合 料 的水 稳 性 能 。但 是 ，这 种 研 究 还 仅仅 停 留在 实验 室 阶段 ，并 没 有 得 到有 效 的推 广应 用。 本 文结 合 武 黄 高速 大 修 工 程 豹 懈 段 匝道 和 钢 渣粉 沥 青面 层 试 验 段 来 研 究钢 渣在 沥青 混 凝 土 中 的应 用 效 果 ， 对钢 渣 匝道 的长 期服 役 性 能 进 行 测试 。 同时 ，利 用 试验 段 中所 采 用 的原 材 料( 沥 青 、 花 岗 岩 集 料 、 磨 细 钢 渣 粉 与 普 通 石 灰 石 矿 粉 )制作 马歇 尔试 件 ，并进 行 冻 融 循 环 试验 ，期 望 用严 酷 的试 验 条 件 评 估 磨 细钢 渣 粉 对花 岗岩 沥 青混 合 料 水 稳性 能 的影 响 ，再 从磨 细钢 渣 粉 应 用 的 角度 ， 阐述 现 场试 验 段 的 施 工 工 艺特 点 。在 试 验 段铺 筑 完 成 一 周后 ，通过 现场 钻 芯取 样 分析 ， 考察 铺筑 的效果 。 1 钢渣的产生与成分 冶 钢 过 程 实 际 上就 是 将 过 多 的 硅 、 碳 等元 素 通过 氧 化作 用与 铁 元 素 分 离 。在 冶 钢熔 炉 中加 入 铁 矿 石 和 一 些助 熔 剂( 通 常 是 石灰 粉 、 石 灰 岩和 焦炭 等 ) ，铁 矿 石 中 的碳 、 硅 元 素通 过 氧 化 生成 一 氧 化碳 、 二 氧 化 碳和 二氧 化硅 等 物质 与铁 元 素 分 离 。 但是 由于 工艺 的限 制 ，仍 然 有 残 留 的石 灰 粉 等与 氧 化 物烧 结 ， 然 后 与 铁元 素 反应 形 成 钢 渣 。残 留 于 钢 渣 的游 离 氧 化钙 等 物 质遇 水 会 膨 胀 。 因 此 ，人们 普 遍 认 为 ，钢 渣 中存 在 着 不稳 定 的化 学 成 分 ，会 对 沥青 混 合料 产 生 不利 的影 响 】 。但 是 ，随 着研 究 的深入 及 处 理 工 艺 的 发展 ， 加 强钢 渣 的 陈化 ，去 除其 活 性 ，可 以 使其 成 为一 种 稳 定 的结 构 图 1 武钢 厂 区钢 渣 混 凝土试 验 段 h t t p ： w w w ma d m - c h i n a c o rn 表 1 武 钢 磨 细钢 渣 粉 的化 学成 分 I l Mr tO I C I F e I I I I C a O I f 1 1 2 0 l 2 -3 3 0 7 3 1 05 0 J 0 5 6 1 0 01 l 0 0 9 l 0 9 4 l 2 24 5 l 4 3 】 3 l 6 6 3 l O l 9 图 2 武 黄 高速 公 路大 修 工 程施 工 现场 材 料 。本研 究 所 采 用 的 武钢 磨 细钢 渣 粉 的 化 学 成 分 见 表 1 。 2 钢渣作为粗骨料 的应用 借 鉴 国 内外 对钢 渣 在 沥 青 面 层 的成功 应 用经验 ，2 0 0 2年 1 1 月在 武 钢 冶 金 渣公 司 内部修 筑 了 中 国第 一 条 钢 渣 沥青 试 验 路 段 。 中面 层 摊 铺 AC一 2 0 I 型钢 渣沥 青 混凝 土 ，上 面 层 摊铺 A C一1 0 I 型钢 渣 沥青 混 凝土 。路 面状 况 见 图 1 。 2 0 0 3年 ， 钢 渣作 为 粗 骨 料 成 功 应 用 于 武 汉 至 黄 石 高 速 公 路 大 修 工 程 豹 懈 段 匝 道 。 上 面 层 采 用 S MA一1 3 型 钢 渣 沥青 混凝 土 ， 并 且 采 用 了P G7 6 2 2 型 S BS 改 性 沥 青 。 使用 一 个 多 月 后 ， 路面 表 层 基 本平 整 ，表 面 粗糙 ，颗 粒 分 布 均 匀 ：路 面 无 拥 包 ， 无膨 胀 拱 起 现 象 ， 路表 面 有 一 些 因 为施 工 而 引起 的微 J 、 裂 纹 ， 并 未 出现 开 裂 、 松 散 等路 面 病 害 ， 表 现 出 了 良好 的抗 滑特 性 以及 优 良 的路 用性 能 。武 黄 高 速 公 路 大 修 工 程 为钢 渣在 沥 青 路 面 的应 用提 供 了宝 贵 的经 验 。 施 工 现 场 如 图2 所 示 。 ( 1 ) 设 计 的 钢 渣 沥 青 混 凝 土 表2 渗水 试 验 结果 ( 测量 点 均 距 中6m ) 的最 佳 油 石 比为6 3 ， 比普通 的 石 灰 石 矿粉 沥 青 混凝 土 略 高 。 这是 因 为 钢 渣表 面 的微 孔较 多 ， 呈疏 松 多 孔 状 ，其 吸 附 的沥 青 也 比较 多 ，较 多 的 沥 青渗 入 至 钢 渣 的微 孔 中 ，形 成 结 构 沥青 。这 也 使得 钢 渣与 沥 青 粘 附 性 良好 。 ( 2)钢 渣 中铁 元 素 的 含 量 较 高 ， 因 此整 体 偏 向 金属 性 质 ，导 热 较 快 。作 为粗 骨 料 与 改性 沥 青 拌 和 后 ，热 量 散 失 快 。 因 此在 摊 铺 时 ， 需要 尽 量 缩 短 拌和 场 地 至 施 工 现 场 的运 输 距 离 ，适 当 提高 沥 青 混 合 料 的下 料 温度 【6 】 。 ( 3 ) 压 路 机 要 紧 跟 摊 铺 机 进 行 碾 压 。初 压 时采 用振 动 钢 轮 压 路 机 ，在 1 5 m的单径 前 后 范 围 内 反 复 碾 压 3 遍 ，再 使 用 胶 轮 压 路 机 进 行 复压 ， 以得 到满 意 的压 实度 。 ( 4 ) 由于钢 渣 是 台 炼 厂炼 钢 时 的副 产 品， 多 半 被 当作 废 物 处理 。 将 其 应 用于 沥青 混 合 料 ， 有 成 本低 的显 著优 势，单价 约 为8 0 元 f 。 。 为 了 对 此 面 层 做 长 期 性 能 研 究 ， 笔 者 所 在课 题 组于 2 0 1 0 其 进 行 了检 测 。检 测 路 段 的 长度 约 为 1 k m。检 测 结 果见 表2 和表 3 。 此钢 渣 沥青 面 层 在 服 役 了 大约 礤 耀疆暖鞠穗 鞠 一 圈圈簟黉 阁麓 l O 5 0 2 2 o 0 6 7 3 5 0 0 3 4 4 9 0 o 4 0 三一 17 1 牌的精骨 i 二 口 耳 目 。、J 不 月 在于高可耋 只为您压实路面， 决不产生任何损伤 RM CM 本刊特稿S p e c i a 1 S t 。 r y 表 3 摆 式 摩擦 系数测 定仪 测试 摩 擦 系数 结果 ( 路 面 温度 为3 0 ) 躁捌 鞠勇 I l 蠢 榉m 鬻孵平 =嘲霹的| f ： 。 糍 瓣 藏 爨 爨 鼻 囊 0 5 3 6 3 5 6 6 20 0 51 2 3 542 4 0 0 5 1 8 3 5 48 7 o o 5 1 6 3 5 4 6 9 0 0 5 5 0 3 5 8 o 6 年 后 ，渗 水 结 果 与 摩 擦 系 数 均 表 现 良 好 ：而且 路 面 平整 ，少 有遭 受 水 损害 的痕迹 。这 也 证 明 了钢 渣作 为粗 骨料 ， 与沥 青 的粘 附性 良 好 ， 不 易被 水 剥 离 。 同时也 显 示 了钢 渣 本身 优 异的耐 磨性 能 。 囵医 强 磁 将 磨 细 钢 渣粉 作 为 填 料应 用 到 面层 沥青 混 凝土 的研 究工 作 取得 了 一 些进 展 7 - 9 。但是 在 实 际工 程 中 的 应 用 ， 国内 外却 鲜 有报 道 。磨 细 钢 渣粉 的使 用 方法 简 单 ，在 拌制 沥青 混 合料 时 可 以直 接 代替 石 灰 石矿 粉 掺加 ， 因此 有着 广 阔的应 用前景 。 3 1 室 内试 验 作 为 降低 生 产 成 本 、综 合 利 用 资 源 的措 施 之一 ， 花 岗岩 用作 沥 青 混凝 土 的粗 、细 集 料 已经 得 到广 泛 表 4 7 0 重 交沥 青技 术指 标 运 用 。室 内试 验 将磨 细 钢 渣粉 作 为 填 料 加 入 到花 岗岩 沥青 混 合 料 中， 并 与 传 统 的石 灰 石矿 粉 花 岗 岩沥 青 混合 料作 了性 能对 比 1 0 -1 3 。 3 1 1 原材 料 采 用武 汉 思 立特 公 司生 产 的7 重交 沥青 ，技 术指标 见表 4 。 粗 、 细集 料 采 用 湖北 麻 城 三 水 湾石 料 厂 生产 的 花 岗岩 ， 技术 指 标 见 表 5 。 石灰 石矿 t J j Ij lJ 来 自湖 北 娲 石 股 份 有 限 公 司 ； 磨 细 钢 渣 粉 产 自武 钢 。 图3 是 石 灰 石 矿 粉 和 钢 渣粉 的 近距离 照 片 。 应 用 了磨 细 钢 渣粉 的沥 青 面 层 试 验 段 的 生 产 配 合 比如 表 6 所 示 。 同时 马歇 尔成 型也采 用 了 此级配 。 3 1 2 冻 融循环 试验 结 果 冻 融 循 环 的 试 验 结 果 见 表 7 ， 石 灰 石矿 粉 马歇 尔劈 裂 强度 比只 有 7 2 9 ， 并 不 能 满 足 高 速 公 路 的 应 渊斌顷目 翻窟簿一 爨 灌 比重 他 c n 1- 3 ) 1 J 0 3 2 针入 度( 2 5) 巾 1 mi l l 6 8 6 0- 8 0 延 度r 5c r n mi ll ，1 5： C) e m 1 5 0 4 0 软化 点 4 8 4 6 闪点 3 2 0 2 6 0 6 0 动力粘 度 s ) 1 9 8 1 8 0 热 失 重 0 O 2 8 表 5 花 岗岩 集料 性 能指 标 测 斌壤嗣 l I r 捌瘟 醐 I - 、 薯 蠲 赣 邕 一 叠 粗 集料 毛体 积密 度他 - a T r ) 2 6 6 9 2 _6 细 集料 表观 密度他 c r n - ) 2 6 7 9 2 7 磨 耗值 l 2 5 0 坚 固性 ( s i l o, ) m 3 9 4 2 表6 矿料 设计 级 配 筛 孔 尺 寸 ram ： 6 5 1 9 1 6 l 爱2 9 5 4 s 2 3 6 1 1 8 a6 0 3 0 1 5 们S 级 配上 限 I 5 nl 98 1 0 0 -5 0 3 0 _3 n3 Q3 0 -3 0 -3 o j 级 酉 己 下 限 1 O 0 1 0 0 9 3 -9 5 2 4 4l 0 2 O 1 n1 nl 0 1 O 1 n1 合 成级配 1 o 0 9 5 5 9 0 -3 7 9 2 6 5 -4 4 2 5 3 0 _4 1 9 1 1 4 0 9 5 l 5 5 h t t p ： w w wr o a d m-c h i n a c o m 用要 求 。 而磨 细 钢 渣粉 马歇 尔劈 裂 强 度 比达 到9 2 I 3 。并 且 在3 次冻 融 后 ，其 劈 裂强 度 比依 然可 以 保持 在 7 5 5 。 实际 观 察3 次 冻 融 后 的 马歇 尔试 件 ，掺 钢 渣粉 的 马歇 尔试 件 掉 粒 较 少 ，整 体 保 持较 完 整 。 而石 灰 石 矿 粉 马 歇 尔 试 件 在 3 次 冻 融 后 ， 表 面 较 多 的细 颗 粒 已经 剥 落 ，露 出 试 件 内部 的粗 骨 架结 构 ，说 明未 采 用 任 何抗 剥离 措 施 的花 岗岩 沥青 混 合 料遭 受 了较严 重 的水 损害 。 3 _2 磨细钢渣 粉试验 殴 为 了消 除磨 细 后 的钢 渣粉 潜 在 的不 稳定 性 ，必 须在 高 温 、湿 气 或 浸 水 的 条 件 下 放 置 2 3 d ，然 后 烘 干 并 灌入 拌 和 楼 的粉 料 仓 中 ，见 图 4 。 拌和 楼 按 照 表6 所 示 的级 配 生 产 热拌沥青 混合料。整个生产过程无 需 对生 产工 艺作 出调 整 。 在 吸 取 武 黄 高 速 公 路 的 经 验 后 ，对现 场 铺 筑 的工 艺做 了相 应 的 改 进 。针 对 磨 细钢 渣粉散 热 快 的 特 点 ，压 路 机 紧 随摊 铺 机 进行 碾 压 ， 以防 止 沥青 混 合 料温 度 下 降 ，造 成 压 实 困难 。在 摊 铺机 将 1 7 0 的 沥 青 混 合料 铺 筑 后 ，胶 轮压 路 机 跟 上 ( a )石灰 石矿 粉 ( b)磨 细钢 渣粉 图3 石灰 石矿 粉 与磨 细钢 渣 粉 的外 观 表 7 使用 石 灰石 矿 粉 与磨 细钢 渣 粉 的 马歇 尔 冻 融循 环 结果 擂【 謇 l 1 放l毋 裂强度比 韪欠 ! 跨裂强度 比 3 j 咧 强度比 石灰 石矿 粉 7 2 9 5 2 9 4 3 6 磨 细 钢渣 粉 9 2 3 7 9 1 7 5 5 ( a ) 拌 和 楼 图4 拌 和楼 生 产 与沥 青 混合 料 下 料 碾 压 ， 在 1 0 m的单 径 纵 向距 离 内碾 压 3 4 次 。胶 轮 的充 分 碾 压 使 沥 青 混凝 土 中的 花 岗岩 骨料 充 分 揉搓 ， 避免 坚 硬 的粗 骨料 突 起 及 层 叠 ， 使 骨 料 呈 现 立 体 、 均 匀 和 嵌 挤 的 结 构 。然 后 使 用振 动 钢 轮压 路机 碾 压 2 4 遍 进 行 复 压 ， 使 沥 青 混凝 土 充 分压 实 。最 后 仍 然 使 用胶 轮压 路 机 进 行 终压 ， 保证 路 面 的平 整度 。碾 压 过程 如 图5 所 示 。 完成 铺 g7 d 后 ，待 沥 青路 面 完 全 冷 却 ，进 行 路 面 钻 芯取 样 测 试 ， 并 用体 积 法 计 算 其 空 隙率 。在 总 长 为3 k m的试验 段 上每 隔2 0 0 m钻 取 芯 图5胶轮 碾 压 与钢 轮 碾压 ( b)沥青 混合 料下 料至运 输 车 样( 直 径 1 0 0 1 T i m、高印 mm)。 路 面 铺 筑 情 况 如 图6 ( a ) 所 示 ，花 岗岩 大小 颗 粒 比例 适 中 ，砂 浆 与 大 颗 粒结 合 良好 。钻 芯试 样 如 图6 ( b )所 示 ，试 样 结构 紧凑 ，无 明显 孔 洞 ，这 样 的结 构 对水 损 害 的 抵抗 能力较 强 。 为 了 全 面 掌 握 路 面 的 压 实 情 况 ， 共钻 取 了2 4 个 芯样 试 件 ，这 些 试 件 分 别 钻 取 自路 段 的 左 侧 和 右 侧 。其 空 隙率如 图7 所 示 。 由 于 新 建 的 路 面 没 有 开 放 交 通 ，只 是 在 施 工 时 受 到压 路 机 的 碾 压 ， 因 此面 层 空 隙 率还 达 不 到 设计 三一1：口i 1：3 l岫in g 从i： rj 精 二一 月 在于高可 一 切创新都源于为客户 S pe c i a l S t o r y ( a )花 岗岩沥青 路面 图6 应 用 磨细 钢 渣粉 的花 岗岩沥 青 路面 及钻 I试 样 路面中心线 8 7 0 5 刮 - _ - - - - - - 左 侧 右 侧 取样位置 图7 钻取 的 芯样 空 隙率 的 要 求 。 由于 生 产 配 合 比 的 马歇 尔设 计 空 隙率 是4 8 ，检 测 中规定 芯 样 的 空 隙率 在 4 7 之 间 为 合 格 。 由 图7 可 见 钻 取 的芯 样 的 合格 率 为8 3 。 除 去 施工 过 程 中不 可 避 免 的 混 合 料 变 异 及 摊 铺 机 械 的缺 陷， 总体 来 讲 该试 验 段 的压 实状 况 良好 。 4 结语 本 文 对 武 黄 高速 公 路 大 修工 程 作 了相 应 的介绍 ，并 检测 了其服 役 6 年 后 的路 用性 能 。 同时 对 应 用 了 磨 细钢 渣 粉 的花 岗岩 沥青 混 合 料做 3 2 了； 东融循 环 试验 ；对 相应 的现 场试 验 段 的施 工 情 况作 了介绍 以及 后 期 跟踪 检 测 ，最 终 得到 以下 结论 。 ( 1 )在 武 黄 高 速 公 路 大 修 工 程 豹懈 段 匝 道 的钢 渣 沥青 混 凝 土路 面 在 服 役 6 年 后 ，通 过 摩 擦 系数 试 验 及渗 水 试验 ，发 现 路用 性 能 保持 良好。这与钢 渣和 沥青 良好 的亲和性 以及本身 良好 的耐磨 l生能有关。 ( 2 ) 应 用 磨 细 钢 渣 粉 的 花 岗 岩 沥 青 混 合料 的3 次 劈 裂 强 度 比 仍 然 可 以达 到 公 路 沥 青路 面 施工 技 术 规范 ( X m F 2 0 0 0 ) 中 规定 的 要 求 。磨 细 钢 渣粉 在低 温下 是 一种 可依 赖 的花 岗岩 沥 青 混合 料 固体 抗 录 U 落剂 。 ( 3)加 入 磨 细 钢 渣粉 的 花 岗 岩 沥青 混 凝 土结 构 匀 称 ，压 实性 能 良 好 ，压 实 后 的路 面 结 构 紧 凑 密 实 。钻 取 的芯样 试 件 的 空隙 率 的 合 格 率 为8 3 ，说 明磨 细 钢 渣粉 的加 入 不会 降 低 花 岗岩 沥 青 混合 料 的压 实性 能。 拜 McM 参考文献 ： 【 1 】 吴少鹏，廖卫东， 薛永杰， 等 钢渣s MA 一 1 3 在 武黄大修工程 中的应用研 究 武汉理工 大学学报，2 0 0 3 ， 2 5 ( 1 2 ) ： 1 1 3 1 1 5 【 2 】孙家瑛， 蒋华钦 钢渣微粉特性及其用于沥 青混合料的试验研究卟重庆交通大学学 报： 自然科学版，2 0 0 8 ， 2 7 ( 4 ) ： 5 7 6 5 7 9 3 1 伦云霞周 明凯， 陈美祝 钢渣 集料的体积稳 定性与工程 应用前景 卟矿业快报， 2 o o 6 ( 4 ) ： 3 7 4 0 4 】 P e r v i z A b a n e d z a d e ,B S lg o z E v al u a t io n o f S t e e l S la gCo a x s eAg g r e g a t ein Ho tMi xAsp h a l t C o n c r e t e I J o u n o f I 日 r d 0 u s Ma t e m 2 x ) 9 (1 6 5 ) ：v - 2 3 S 5 】 Yu e Ht m n g , Ro g e r N B i r d A Re v i e w o f th e Us e o f R e c y c l e d S o l i d W a s t e M a t e r i a l s i n A s p h a l t P a v e me n t s J Re s o u r c e s ， C o r ts e r v a 6 o n a n d Re c y c l in g , 2 0 0 7 ( 5 2 ) ： 5 8 7 3 6 1 陈南薜明钢渣与沥青粘附性的评价明 粉煤灰， 2 0 ( 8 ，2 0 ( 5 ) ： 1 2 1 4 7 】 J T G F 4 ( 卜_ 2 ( x )4 ， 公路 沥青路面施工技术规 范 S 8 】 杜 宪文翎 渣应用于道路工程的研 究卟 东 北公路 ， 2 ( X ) 3 ，2 6 (2 ) ：7 3 7 4 9 l 姚 爱玲 ，徐德 龙， 孙治军 矿渣粉作 为填料 的沥青混合料性能试验U 1 冲 国公路学报， 2 O O 6 ， 1 9 ( 6 ) ：2 5 2 9 1 ( ) 牛全林玛 乃谦，杨静 矿渣超细粉作用机 理的探讨 】 建筑材料学报，2 (X ) 2 ， 5 ( 1 ) ： 8 4 8 9 1 1 】 郑 青 工业废渣超细粉磨的研 究 1中国 水泥，2 1 X )6 ， 5 0 ) ：4 7 5 0 1 2 】 J T G 0 5 2 -2 0 0 0 ， 公路工程沥青及沥青涂料 试验规程【 s 】 1 3 1 卢迪芬， 陈森凤，吴建其，等矿渣微粉颗粒分 布对胶凝材料性能影响的灰色系统0 】 华南 理工大学学报： 自然科学版 2 x 1 1 ，3 1 ( 1 ) ： 3 - 3 2