钢渣沥青混凝土的制备与应用.pdf

S p e c i a l S t o r y 钢渣沥青混凝土的制备与应用 M a nu f a c t ur e a ndAp pl i c a t i o n o f St e e l Sl a gAs p ha l t Co nc r e t e 陈 丰，吴少鹏 ，陈美祝，柬冬林 武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验 室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 0引言 中 国是 钢 铁 生 产 大 国 ，这也 就 决 定 了中 国铁 钢 渣 产量 巨大 。2 0 0 8 年 中国 钢 渣产 量 为6 51 0 t ， 高炉 渣 为1 6 1 0 t ；铁 钢 渣综 合 利 用率 为5 9 5 6 ， 其 中 钢 渣 利 用 率 约 为 1 0 ，高 炉 渣利 用 率 约 为8 0 ，距 国家 提 出 的 “ U 2 0 1 0 年年 底 冶 金 渣 综 合 利 用 率达 8 6 ” 的计 划 指标 相 差 很 多。 提 高铁 钢 渣综 合利 用 率 的核 心是 提 高 钢 渣 的利 用率 。就 目 前 来说 ，钢 渣 利用 途 径 主要 有 ：返 回冶炼 再 用 、 制作 钢 渣水 泥 、作 为 筑 路 土基 层 及 回填 工 程材 料 、作 农 肥 和酸 性 土 壤 改 良剂 、 用于 废 水 处 理 以及 作 为炼 钢 熔 剂 等 。 虽然 用途 广 泛 ，但 目前 中 国的 钢 渣利 用 率远 低 于 发达 国家 ，一 方面是 因 为重视 程 度 不够 ，另 一 方面 则 由于 钢 渣 处 理 工艺 及应 用技 术研 究 投入较 少 。 中 国正 处 于 高 速公 路 快 速 发 展 时 期 ， 天 然 砂 石 资 源 供 应 日渐 紧 张 ， 同 时产 生 的钢 渣 占地 堆 放 和 污 染 环境 的情 况 越发 严 重 ，假 如 能 将 钢 渣代 替 天 然砂 石 资 源 用于 沥 青 混 凝 土 路面 工 程 ，将 有 效解 决 以上 矛 盾 ， 而且 能 产 生 巨大 经济 效 益 。 国 内 外 已 有 学 者 进 行 过 相 关 研 究 ， M Ma s l e h u d i n 2 等人 通 过 试 验 分析 认 为 ，钢 渣作 为集 料 的部 分物理 性 能 要 优 于 石灰 岩 ， 吴 少 鹏 _3 等 人 研 究 发现 ，将 钢 渣作 为粗 集 料 应 用于 沥 青 混合 料S MA结 构 中，在 抵 抗 高 温 变 形性 能 和低 温 抗 裂 性能 方面 要 优 于普 通 玄 武 岩集 料 。本 文运 用 先 进 的S u p e r p a v e( S u p e r i o r P e r f o r ma n c e As p h a l t P a v e me n t s )设计 方 法制 备 出 S t g p a v e 1 2 5 型 钢渣 沥青 混凝 土， 以 期 能应 用于 对 路用 性 能要 求较 高 的 高速 公 路路面 工 程。 1 钢渣沥青混凝土的原材料 1 1 钢渣 选 用 武 钢 陈 化 旋 转 炉 钢 渣 ， 粗 、细 钢 渣 集 料 外 观 形 貌如 图 1 所 示 。其 主要 性 能指标如 表 1 所 示 。 1 _2 沥青 选 用 湖 北 国 创 AH一7 0重 交 沥 青 ，其 主 要指 标 ：针入 度( 2 5 ， ( a )粗集料 图1 钢 渣 集料 外 观 h t t p ： ww wr o a d m- c h i n a C O I I 1 0 0 g ，5 s )为6 6 ( O 1 mm) ，软 化 点( 环 球 法 ) 为4 9 5 ，延 度( 5 c r n mi n - ， 1 5 ) 为 1 5 0c m 。 1 - 3 普通集N- 与矿粉 集 料 选 用 湖北 京 山玄 武 岩 ，最 大粒 径1 6 l l m q ；矿粉 为石灰 岩矿粉 ， 亲水 系数 为0 9 ，密度为2 7 g ma -3 。 2 钢渣沥青混凝土的制备 2 1 级酉 计 S u p e r p a v e 意 为 高性 能沥 青 混 凝 土 ，其 设计 体 系 的主 要创 新点 在于 采 用 与路 用 性 能相 关 的 沥 青 分级 方 法 和体 积 设 计 法进 行 混 合 料组 成 设 计 4 】 。S u p e r p a v e 作 为 一 项 沥青 路面 设计 的新 技 术 ，主 要 是通 过 改 变 混 合 料 的级 配 ， 使其 具 有较 强 的抗 车 辙 能 力 和 抗 疲 劳 性 能 。 该 技 术 在 全 世 界 都 得 到 了 肯 定 。 中 国 目前 ( b )细集料 表 1 钢 渣 集料 主 要性 质 表 观 密度 ， 吸水 鄹 压 硝 E 由 童 磨 粘 附性 毛体 积密 度 砂 当量 棱 角1 生 ( g 口 】 ) 等级 c ) 3 5 4l 2 3 5 3 n8 5 3 3 9 0 5 5 表2 合 成级 配 筛 子 L 通 过 率 噬盈煎圜疆窭一疆一圜厦一四匿圈 已有 数 十 家科 研 机 构 和 大 学 引进 了 S u t x v e * fl 关 设 备 ，其 相 关技 术 在 消 化 吸 收 的 基 础 上 ， 已在 高速 公路 建设 中逐步推 广应 。 本研 究选 J s fl S u i x a -p a v e l 2 5 型 的矿 料 级 配 类型 。钢 渣作 为 全部 集 料 的 合 成 筛 孔通 过 率 如 表2 所 示 。 利 用 S u p e r p a v e $ 计 软 件 绘 制 出符 合 要 求 的 S 型 钢 渣 级 配 曲线 如 图2 所 示 。结 合 贝雷 法 中的C A值 来控 制 关键 筛 孔 通 过率 ，计 算 出C A值 为0 4 4 ， 在 控 制 要 求 范 围 内 。说 明矿 料 最 终 合 成 级配 结构较 合 理 。 2 _2 沥青 用量的确定 S u p 叩 a v e 设计 方 法在 确 定 沥青 用 量 时 与 马歇 尔 击 实 方 法 类似 ，先 通 过 软 件 对 沥青 用量 进 行 估 计 ， 然 后 在 估计 值 用量 附近 进 行旋 转压 实 试 验 ： 分 别选 择 估 计 值 、 估计 值 O 3 和 估 计 值 0 5 这 5 种 沥 青 用 量 ，最 后 利 用N I n i t i a l 、N D e s i g n 、 N- Ma x i mu m估 算 沥 青 混 合 料 的体 积 性 能 ，在 压 实度 、 矿 料 间 隙率 及 沥 青饱 和 度 等 指 标 满 足 要 求 的基 础 上 选 择 孔 隙 率 为4 0 对应 的沥 青 用 量 为最 佳 沥 青 用 量 。钢 渣沥 青 混 凝 土 最 佳油 石 比定 为6 8 ，而 玄 武 岩 沥 青 混凝 土 最 佳 的 石 比 为5 0 ， 这 主 90 8 鋈 蔼 筛孔尺寸 ram 图2 合成 级 配 曲线 要 是 由于钢 渣颗 粒 表 面 粉 化性 及 多 孔的 特 点 而 造 成 其 沥 青 吸 附 量 大 干玄 武岩 ，即油 石 比增 大。 2 3 路用性 能研究 路 面 常见 的病 害 主 要 是 水 损 害 和 高 温车 辙 ，本 文 对 比研 究 了玄 武 岩 沥 青 混 凝 土和 钢 渣沥 青 混 凝 土 的 常 规 路 用 性 能 指 标 ， 结 果 如 表3 所 示 。 由表 3 分 析 可 知 ， 钢 渣 沥 青 混 凝 土 的 马歇 尔 稳定 度 、抗 水 损 害 性 能及 高 温 稳定 性 能均 要 优 于玄 武岩 沥 青 混 凝 土 ，这 与钢 渣 集 料 与 沥青 良好 的粘 附 性 及 自身 强 度 高 、 耐磨 性 好 有 关 。 因 此钢 渣沥 青 混凝 土路 用 性 能 良好 。 3 钢渣沥青混凝土应用研究 3 1 钢渣 沥青 混 凝土 的 制备 与施 工 特 点 3 ， 1 1钢渣沥青混凝 土的制备特点 钢 渣 沥青 混 凝 土 的制 备 方法 和 过 程 与普 通 混 凝 土 类似 。只 是 由于 钢 渣 自身 的特 点 ， 需要 对 钢 渣 集 料 进 行 活 性 检 验 ， 要 求钢 渣 中游 离 氧 化 钙 含 量 不 能 大于 3 ，浸 水 膨 胀 率 不 大 于2 ； 同 时 吸 水 率 允 许 适 当 放 宽【 7 】 。制 备钢 渣 沥 青 混 凝 土 的 最 大 困难 之 一在 于 选 用 合 适 的 钢 渣 集 料 。 而根 据 炼 钢 炉 的 类 型 ，钢 渣 可 分 为平 炉 渣 、 转炉 渣 和 电炉 渣 ， 最 适 合作 为集 料 使 用 的是 数 量 大且 水 化 活 性 高 的转 炉 钢 渣 。钢 渣矿 料 是 炼钢 过 程 中产 生 的 废 渣 ，其 物 化 性质 不 同于 采 自矿场 的普 通 天 然 石 料 ，这 也 就决 定 了其 特 殊 的 处理 工 三一品牌的精髓 在于高可靠 不是简单地交给您台高品】 而是与您共同完成一条优质j R_ C ： M 本刊特稿S p e c i a 1 S t 。 r y 艺 。 目前 适合 作 为 沥 青混 凝 土集 料 的 级配 钢 渣是 经 过 陈 化、 破 碎 处理 后 的钢 渣 分 类 渣 ，其综 合 处理 流 程 如 图3 所 示 。 3 1 2 钢渣沥青混凝土的施工特点 与 传 统玄 武岩 、 石灰 岩 沥青 混 合 料相 比，钢 渣 沥 青 混合 料 的施 工 工 艺有 其 自身 的特 点 。首 先 ，钢 渣 沥 青 混合 料在 运 输和 摊 铺 过 程 中一 般 不会 出现离 析 ，这 主要 是 因为其 多 孔结 构 比普 通 集 料 更 能有 效 吸 收 沥青 ；其 次 ， 由于钢 渣 中含 有大 量 铁 ， 因此钢 渣集 料导 热 性 能 良好 ， 故在 拌 和 、运 输 、摊 铺 和碾 压 过 程 中都 要 对 温度 进 行严 格 监 控 ，速 度 尽 量加 快 ，特 别 是在 碾 压 过 程 中， 压 路机 要 紧 跟摊 铺 机 ， 碾压 越快 越 好 ：在 钢 渣 出炉 处理( 热 泼 、水 淬 等 )时 因各部 分 收缩 程 度 不 同而 造 成钢 渣 自身结 构 不规 则 会 影 响其 与 沥 青之 间 的有 效 粘 附 ，需 适 当加 长 拌和 时间。 3 _ 2钢渣沥青混凝土实体工程应用 钢 渣 沥青 混 凝 土 的应 用 最 早 出 现在 2 0 世 纪 6 0 年代 末 ， 美 国和 加 拿 大用 钢 渣 沥青 混 凝土 联 合修 建 了试 验 段来 检 验 道路 的稳 固 性【 8 】 ；2 0 世 纪 7 0 8 0 年代 中期 ，美 国 马里 兰 州 巴 尔 的摩市 用 沥 青 混凝 土 铺筑 了许 多人行 道I 9 】 ；从 l 9 9 0 年 到 l 9 9 5 年 ，纽 表3 路 用性 能指 标 对 比 约市 钢 渣 沥青 混凝 土 使 用 总量 达 到 了2 5 1 0 。但 国外 目前 还 没 有 将 钢 渣 应 用于 高 速公 路 面 层集 料 的 相 关 技术和 实体 工 程报 道 。 国 内也 有 一 些 将钢 渣作 为 路 面 集 料 使 用 的标 志 性 工 程 。 1 9 9 7 年 ， 上 海 宝 山 区 杨 行 镇 铺 筑 了 国 内 首 条钢 渣 沥 青 混凝 土 路 面试 验 段 I l 】 ： 2 0 0 9 年 ，北 京 长 安 街 大修 工 程 中将 钢 渣用 于 沥青 路 面 表 层 】 ， 为钢 渣 沥青 混 凝 土 的实 际应 用 起 到 了示 范 作 用。 目前 ，笔 者 所在 课 题 组 与 武 汉 钢 铁 集 团联 合 开展 了对 实体 工 程 应 用 的深 入 研 究 。在 实 验 室 研 究 的 基 础 上 ， 先后 将 钢 渣AC级 配 型 、 s 级配 型 结构 沥 青 混凝 土在 实 际 路 面 工程 中进 行 了试 验段 的铺 筑 ， 包 括 武钢 厂 区 道路 改 造工 程 、 武 黄 高 速 匝 道抗 滑表 层 及 汉 江 大桥桥 面 铺 装面 层 。 3 2 1 厂 区 道 路 改 造 2 0 0 2 年 ，在 武钢 冶 金 渣公 司 厂 道 上 进 行 了试 验段 铺 筑 工作 。试 验 段 全 长2 3 0 m， 宽度 为6 5 m，施 工 总 面积 1 4 9 5 。试验 段 分两层 进行 铺 筑 ： 中面 层 为AC一 2 0 型 钢 渣 沥 青 混 凝 土 ，上 面 层 为A C一1 0 型 钢 渣 沥 青 混 凝 土 。在 交通 量 大 、 车载 重 的 考 验 下 ，定 期 对试 验 段进 行 了跟 踪 观 测 。从 使 用 效 果( 图4)来 看 ， 捐橱名 称 马歇尔稳定度 浸水残留稳定 冻融劈裂强度 车辙动稳定度 瓜 N 度 比 y ( 趺 - m ) 钢 渣沥 青混凝 土 l 68 8 9 6 9 9 4 5 67 4 5 玄武岩 沥青 混凝 土 1 2 4 O 9 4O 8 8 0 59 1 9 h ： w wwr - c h i n a c o rn 图4 武 钢厂 区道 路铺 设 图5 高速 公 路抗 滑表 层 结构 钢 渣s - 1 3 AC一2 0 S 土基 土工布 旧混凝土 路 面 基 本 平 整 ， 有 较 好 的 构 造 深 度 ， 同 时钢 渣 集料 颗 粒 分布 比较 均 匀 ，路 面 没 有 出现 拥 包 、开 裂 、松 散 等病 害 现 象 ，并 且 表现 出 了 良好 的抗 滑特 性 。试 验 段 稳定 的路 用性 能证 明 了钢 渣 沥青 混 凝 土 实际 铺筑 工作 取 得 了较 为理 想 的效 果 ，为钢 渣在 沥青 路 面 工程 中 的应 用提 供 了 保 障 。 3 2 2 高速公 路 抗滑表 层 钢 渣成 功应 用于 A C密 级配 沥青 路面 ，证 明 了其 作 为 路面 材 料 的 可 行 性 。鉴 于 钢 渣与 沥 青 良好 的粘 附 性 及 自身 良好 的耐 磨 特性 ，如 能将 其 应 用于 雨 水较 多或 山区 大纵 坡地 区 高速 公 路 则具 有 重 要 意义 ： 一 方 面 ， 能提 高 高速 公 路 路面 抵 抗 雨水 损 害 能力 和抗 滑性 能 ，延 长 路 面 使 用 寿命 ；另 一 方面 ，在缓 解 中国 高 速 公路 快 速 发展 引起 的优 质 天 然砂 石 资 源短 缺 矛 盾 的 同时 ，也 能 大 量 减 少钢 渣 的 占地 堆放 和环 境 污染 。 为 了对 其 进 行 验 证 ，2 0 0 3 年在 武黄 大 修 改造 工 程 中，选 用 破 碎钢 渣作 为集料，沥青选 用S BS 改性 沥 青 ， 制 备 出钢 渣S MA一 1 3 沥青 混合 料作 为路 面抗 滑 表 层铺 筑 在 武 黄 高 速 豹懈 段 匝 道上 ， 其 路面 结 构 如 图 5所 示 ， 施 工 现 场 如 图 6 所 示 。 时 隔 7 年 之 后 ，于 2 0 l 0 年 7 月对 试 验 段 进 行跟 踪 监 测 ， 路 面 状 况基 本 良好 ， 其 中构造 深 度 为0 6 3 1 T lr n ，平 整度 检 测值 为2 1 9 r n r n ，摩 擦 系数 检 测平 均 摆值 B P N为5 4 。 检 测 结 果 表 明 ， 目 前试 验段 的使用 性 能依 然 良好 。 3 _ 2 3 桥 面铺 装表层 为 了继 续 验 证 钢 渣作 为 沥青 混 凝 土 集 料 的优 越 性 ， 增 大 其 在 沥 青路 面 中 的应 用 范 围 。2 0 0 3 年 ，根 据 汉 江 公 路 大 桥 桥 面 铺 装 的 使 用 条件 及 性 能要 求 ，在 仙 桃 汉江 公 路 大桥 桥 面 铺 装 技术 的试 验 研 究 中 ， 桥 面 铺 装 采 用钢 渣集 料 及 改 性 沥 青 制 备 的S MA混 合 料 ， 目前 使 用效 果 良 好 。 4 结语 本 文运 用S u p e r p a V e 设 计 方法 将 钢 渣作 为集 料 来 制 备 沥青 混凝 土 ， 同时 进一 步 研 究 了钢 渣 沥青 混 凝 土 的实际 应用 情 况 ，得 出 以下 结论 。 ( 1 )钢 渣作 为全 部集 料 能制 备 出体 积性 能 合格 f1 4 3 S v e 1 2 5 型 钢 渣沥 青 混 凝 土 。 由于 钢 渣 粉 化 性及 多孔 原 因， 其油 石 比 为6 8 ， 高于 普 通 同级 配 玄 武岩 5 O 的 油 石 比 ； 与普 通 玄 武 岩 沥青 混 凝 土相 比，钢 渣沥 青 混凝 土在 抗 水 损 害 和抗 高 温 车辙 方面 效果优 异 。 ( 2) 钢 渣 沥 青 混 凝 土 的 制 备 与 施 工 工 艺 有其 自身 特 点 。钢 渣矿 料 的 处理 工 艺较 复 杂 ， 需 要 对其 活 图 6 武 黄 高速 改 造 工程 现 场 性 进行 检 验 ； 施 工 时 ，要 根 据 实 际 情况 对 施工 工 艺进 行相 应调 整 。 ( 3) 国 内 外 钢 渣 沥 青 混 凝 土 制 备 与施 工 技 术 目前 还 没 有 规 范 ； AC型 和 S MA型 钢 渣 沥 青 混 凝 土 在 厂 区道 路 、 高 速公 路 匝道 及桥 面 铺 装抗 滑 表 层 中 的应 用 证 明 了钢 渣作 为集 料 用 于制 备 沥 青 混 凝 土 的 可行 性 ，为 钢 渣 沥 青混 凝 土 的 实 际应 用 提供 了重 要 指导 。 m 脏期 参考文 献 ： 1 1 朱 桂林船敏 苓，荆 埘 山，等钢钝查 “ 零 放” 与节能减排0 中国钢铁业 ( 4 ) ： 1 1 1 7 【 2 】 M_ Ma s le h u d d i n , A lf a r a b i M S h a r iC o mp a fi s o n o f P r o p e n es o f S t e e S h g a n d C r u s h e dL i n l es t o n e Co w s O 1 C o m t mc t i o n a n d峨 Ma t e ri a l s ， 2 3 ( 1 7 ) ： 1 0 5 1 1 2 【 3 】 S h a o p e n g W u ， Yo n g j i e Xu e ，Qu n s h a n Uti li z a t io n o f S te e l S h g a s A g le g a t e s f o r S t o n e Ma s ti c A 中h a 1t ( ) M c c L Ir e S 】 B u i ld i r 培and E n v a x mt n 2 【) ( 4 2 ) ： 2 5 8 O - 2 5 8 5 【4 】 李建斌 沥青路面施工技术【 M】 北京： 中国建 筑 工 业 出版 社 2 ( ,09 I5 】 贺 炜 沥青混合料P S Mq &计方法研究【 I ) 西 安： 长安大学， 2 0 0 8 6 1 薛永杰钢渣沥青马蹄脂混合料制备与性能 研 究 ) 武汉： 武汉理工大学， 2 ( 0 5 J T G F 卜_ 2 ) ( 4 ， 公路沥青路面施工技术规 范l s 】 【 S Ma r aM M， Mi e l k e PEA S y n t h es is o f A s p h a l t Re wd i n g i nMi n n e s o t a lR】 Mi n n , o t a L o c a l R o a d R e s e a r c h Bo a r d , S y n th e s is Re p o r t , 2 0 0 2 【 9 L u x a n M P ， S o t o l o n g o R， Do r r e g o F ， e t a 1 Ch a r a c te c s o ft h eP r o d u c ed i nt h e F u s i o n o f S c r a p S t e e l b yE l e c t ri c A r c F u r n a c e C e me n t a n d Co n c r e te Re s e a r c h ， 2 0 0 0 ( 3 0 ) ： 5 1 7 - 5 1 9 【 l O Mo tz H， G e is e le r J P r o d u c t s o f S t e e l s h 吕a n Op p o mmi t yt O S a v e Na t u r a l Re s o u r c e W s r e Ma n a g e me n t 2 0 0 1 ( 2 1 ) ： 2 8 5 - 2 9 3 【 1 1 】 薛永杰， 昊少鹏， 陈向明，等钢渣在沥青路面工 程中的应用0 国外建捌平卜 麦 ) fi ，2 6 (1 ) ： 1 - 3 【 1 2 】 柳浩， 丁建平， 李振国，等新型材料在北京 长安街路 面大修 工程 中的应用卟 市政技 术，2 0 1 0 ，2 8 ( 1 ) ：2 3 2 5 ， 2 9 三一品牌的精 二 口 口 口 J 不 月 在于高可 精 确计量 ，助您笑傲市