转炉钢渣做集料在SMA-13中的应用研究

张彦峰

（山西路桥集团阳蟒高速公路有限责任公司，山西 晋城 048100）

0 引言

钢渣作为炼钢企业的第二大工业废渣，通常作为工业废料露天分散堆积和填埋处理，在钢厂周边占用大量土地。同时，由于钢渣堆积带来的粉尘污染也对空气治理带来严重影响。关于钢渣的资源化再利用一直是钢厂及相关单位的研究重点。在德国，钢渣作为建筑材料其利用率已达85%以上[1]；在美国，钢渣经过进一步处理用作筑路材料也得以大规模消化利用。对比玄武岩抗滑料，钢渣具有更高的硬度和抗滑性，非常适合作为沥青路面上面层集料，本文采用太钢闲置堆积的转炉钢渣，经力学分析、筛分处理后用在沥青路面SMA-13中，测试其路用性能并施工应用。

1 转炉钢渣的物理化学性能指标

1.1 转炉钢渣化学组分

本项目采用太钢转炉生产的废弃钢渣，废弃堆积时间超过1年以上，钢渣的矿物组成不尽相同，具体化学组分见表1，对路用性能影响较大的是钢渣的碱度，即游离氧化钙（f-CaO）的含量。由于f-CaO化学性能比较活泼，易与水发生化学反应，使钢渣体积增大，膨胀，且烧结后粒径越小的钢渣晶格结构越为紧密，自然水化分解速度慢，故在规范中严格要求f-CaO含量应小于3%[2]。测试放置不同时间段的钢渣后，确定堆积时间1年以上太钢转炉钢渣平均f-CaO含量不高于2.8%，满足规范要求。

表1 堆积1年期太钢转炉钢渣化学组分

1.2 转炉钢渣物理力学性能

太钢转炉钢渣物理力学性能见表2，从表中可以看出其性能满足集料的规范要求。为了考察钢渣的表面性能，需进行压汞试验[3]，试验结果见表3，钢渣的总孔隙率在5%以上，是玄武岩石料的15倍以上，造成这一结果的原因是炼钢过程中高温煅烧冷淬，各种物质的不均匀收缩，继而出现细微孔洞。孔洞的存在提高了钢渣的抗滑性能，同时也增加了其吸水的能力，路用集料吸水率要求不高于3%，超过该值石料易膨胀影响路面耐久性，在多次的测试中发现，粒径20 mm以上钢渣吸水率高于3%，不宜用作路面材料。结合本项目，选用矿粉和0～3 mm、5～10 mm、10～15 mm三种规格的转炉钢渣集料。

表2 太钢转炉钢渣物理力学性能

表3 压汞试验测太钢转炉钢渣表面孔隙率 %

2 混合料级配及配合比设计

对 0～3 mm、5～10 mm、10～15 mm的三档料分别进行详细的筛分试验，根据筛分结果进行SMA-13的合成级配设计，套用公式，最终确定各档料的用量比例为矿粉∶0～3 mm∶5～10 mm∶10～15 mm=10∶11∶39∶42。其级配曲线见图1。

图1 SMA-13钢渣沥青混合料级配曲线

本项目选用齐鲁石化生产的90号SBS改性石油沥青进行油石比测定试验，分别选用油石比为4.4%、4.8%、5.2%、5.6%、6.0%的5组试件进行马歇尔测试，根据油石比-马歇尔物理、力学指标关系曲线确定SMA-13钢渣沥青混合料的最佳油石比为5.5%。

3 路用性能

本文采用车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验来分别对高温稳定性、低温稳定性和水稳定性来进行评判。为更好地说明钢渣沥青混合料的路用性能，选用玄武岩和石灰岩分别替换10～15 mm档次的粗集料，做不同矿料组成的路用性能对比试验，两种石料级配及其配合比均满足规范要求。

3.1 高温稳定性

采用钢渣、玄武岩和石灰岩做粗集料的3种SMA-13沥青混合料经高温拌合后压制成300 mm×300 mm×50 mm的车辙板，放置48 h后进行车辙试验。试验中采用LHCZ-6型全自动车辙试验仪进行测试，测试前保温时间6 h。在标准试验温度60℃的基础之上增加50℃和70℃两组试验，用以评价3种沥青混合料在寒冷地区和高温条件下的高温稳定性，具体测试结果见图2。

对比发现，钢渣沥青混合料在3个温度下的高温稳定性均比同温度下的玄武岩沥青混合料、石灰岩沥青混合料的高温稳定性能要好，特别是在70℃高温条件下，其动稳定度是玄武岩沥青混合料的两倍。造成这种差异的主要原因是钢渣的整体形态和表面结构。大颗粒钢渣在烧制成型后其整体形态趋于一致，针片状颗粒几乎没有，外观规则一致，在车辙板击实成型过程中其堆积镶嵌效果较玄武岩和石灰岩更为紧密，骨架结构更为牢固，抗剪能力更强。此外，钢渣多孔隙的外观结构使其比表面积更大，与沥青的接触范围更广，沥青在趋近流动态的状态下深入接触钢渣的表面孔隙，与钢渣的黏附性更好。两种效果的叠加，增加了钢渣沥青混合料抵抗变形的能力。

图2 3种混合料在不同温度下的高温车辙试验

3.2 低温抗裂性

采用小梁弯曲试验方法进行低温抗裂性试验，压实成型后切割成30 mm×35 mm×250 mm的小梁件，保温大于8 h后进行试验，试验温度-10℃，加载速率50 mm/min，试验结果见表4。

表4 3种混合料的小梁弯曲试验结果

在沥青混合料的小梁弯曲试验中，通常以抗弯强度和最大弯拉应变作为考核指标，抗弯强度值越高，最大弯拉应变值越大，混合料的低温抗变形效果越强，其低温抗裂性能越好[4]。根据表4的试验结果，对比发现钢渣SMA-13沥青混合料的抗弯强度最强，最大弯拉应变值最大。在3种沥青混合料中，钢渣SMA-13沥青混合料的低温抗裂性能最好，比通常用作路面抗滑料的玄武岩性能优越。分析其中原因，也与钢渣骨料成型后的堆积镶嵌效果和更大的沥青接触面积息息相关。

3.3 水稳定性

由于钢渣中含有少量f-CaO，虽经过长时间的堆积放置，f-CaO含量已满足规范要求，但在应用中还是需要加强水稳性能的测试。本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验作为测试方法，选用马歇尔残留稳定度比和浸水冻融劈裂强度比作为考核指标进行相关测试，具体试验结果见表5、表6。

从表5可以看出，钢渣SMA-13沥青混合料较玄武岩SMA-13沥青混合料残留稳定度降低，结合表6冻融劈裂试验结果，残留强度比亦出现下降的情况，但和规范要求的残留稳定度大于80%及残留强度比大于80%相比，钢渣SMA-13沥青混合料的水稳定性能满足规范要求。在试验中还发现，钢渣沥青混合料的冻融劈裂试验试件表面出现少许白色结晶，分析结晶物为Ca(OH)2，可以看出钢渣中的f-CaO对混合料的水稳定性还是存在一定影响，在应用中应严格控制f-CaO的含量，且考虑使用剥落剂，避免水稳定性过低而出现过早的水损剥落。

表5 3种混合料的浸水马歇尔试验结果

表6 3种混合料的冻融劈裂试验结果

4 结论

钢渣具有因物理性能好，表面孔隙率高，与沥青黏附性好的特点，可尝试用作沥青上面层的筑路材料。同时借助对比3种粗集料的路用性能，表明采用钢渣作为集料的SMA-13沥青混合料具有更好的高温稳定性和低温抗裂性。试验中采用已经放置1年的钢渣进行试验测试，钢渣中的活性物质对沥青混合料的水稳定性仍有影响，应尽量选用放置时间更长的钢渣，降低应用中水损害出现的几率。