未陈化钢渣在水稳碎石基层的应用

陈云飞，郑文俊，周剑波，胡力群，肖 栋

（1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.浙江省衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000）

0 引 言

钢渣是钢铁生产过程中的副产品，每炼1t钢产生125～140kg钢渣。随着中国钢铁工业的发展，钢渣的排放量逐年增大，大量钢渣废弃堆放，侵占农田、污染环境。将钢渣代替部分石料应用到道路工程中，可大量减少天然土石料的开采，同时大量消纳钢渣，在节约能源方面具有显著的社会、经济效益。

现阶段，将钢渣代替碎石应用到道路基层上的研究已有不少。曹宝贵［1］和游润卫［2］将放置一年以上、充分消解的钢渣应用到了二灰稳定钢渣基层的建设中，发现强度、压实度、弯沉等指标均符合相关规范要求。张澎［3］发现不同粒径（4.75mm 与9.5 mm）的钢渣代替同粒径集料的混合料时，其抗压强度是减小的，劈裂抗拉强度有所增大。李飞［4］通过对水泥稳定类路面基层材料掺入不同比例的钢渣集料以进行室内干缩和温缩试验，发现随着钢渣在集料中的比例由0%增至100%，水泥稳定类材料的总干缩系数最多减少40.0%，水泥稳定类材料的平均温缩系数最多增加23.6%。冯群英［5］将堆放陈化一年以上的钢渣应用到水泥稳定钢渣碎石基层中，发现水泥稳定钢渣碎石基层的强度、弯沉值均优于水泥稳定碎石基层，可以用于铺筑基层。

这些在道路基层中应用的钢渣大都是在自然界中陈化一年甚至数年达到稳定的钢渣，这样的钢渣需要时间陈化，需要空间堆积，消纳不及时。受工期影响、产量有限的自然陈化的钢渣会限制钢渣大规模地应用到道路工程中，所以需要更深入地研究如何将龄期两周左右、未经自然陈化到稳定状态的钢渣应用到道路基层中。本工程采用衢州市元立钢厂生产的龄期2周左右的未陈化钢渣，依托浙江省46省道衢州樟潭至廿里公路施工项目，以基层试验路为研究对象，展开对未陈化钢渣应用到道路基层的研究。

1 未陈化钢渣的处理方法

（1）自然风化。Qasrawi［6］建议将钢渣放置在室外暴露一段时间，以让钢渣经历短期和长期水化反应而自由膨胀和粉碎，进而使实现物理和化学稳定。

（2）浸水陈化。钢渣中主要的膨胀成分f－CaO能水化生成Ca（OH）2，吴旻［7］对游离氧化钙含量为3.74%的原始钢渣分别作露天陈放处理和浸水陈化处理，并测定不同时间段钢渣中f－CaO含量变化情况，结果表明相同的时间内浸水陈化对改善钢渣膨胀性效果较自然风化更好。

（3）改进钢渣处理工艺。例如采用冷却前处理，控制炉渣在冷却阶段的冷却速率，可以使得钢渣具有可接受的水硬性和安定性。Gautier［8］指出可通过缓慢冷却（72h）来降低转炉渣中的f－CaO含量。Wachsmuth［9］等指出这种方法对于f－CaO含量高的钢渣而言效率并不高，由于大多数f－CaO呈过烧形态而不是沉淀状态，从而使得冷却速率对f－CaO的影响不大。又如在排渣期间添加硅质材料可以对钢渣进行改性从而起到稳定作用。Mombelli等［10］在电炉渣排渣期添加石英，使得SiO2与铝酸钙反应生成水化活性低的钙铝黄长石（即C2AS，是粒化高炉矿渣的主晶相）从而起到稳定钢渣的效果。

（4）钢渣碳酸化。钢渣碳酸化处理，是让钢渣中碱性氧化物与二氧化碳反应生成稳定的碳酸盐（如碳酸钙），从而防止水化膨胀物的形成，使钢渣达到稳定。该方法的优点之一是可对现有钢渣堆进行处理，另一个优点是存在于转炉渣中2种形式的游离氧化钙（过烧与沉淀）可与二氧化碳反应而不断降低转炉渣的碱度。Ko等［11］研究表明：在碳化条件为200℃、40%的CO2和60%的相对湿度时，转炉渣的f－CaO含量可降至最低水平，此时碳酸化后转炉渣的CBR（承载比）得到提高。

（5）添加外掺材料。使用钢渣时可以向其中添加外掺材料以降低其膨胀性。肖琪仲［12］发现在一定条件下，钢渣中掺加硅质材料（如二氧化硅）能抑制钢渣的膨胀性，并且掺加硅质材料后的钢渣强度会变大。本文就使用这种方法，即掺入硅灰。硅灰中的活性SiO2含量很高，CaO含量较低，90℃水浴条件下活性SiO2很快和f－CaO水解产生的Ca（OH）2发生火山灰反应，促进f－CaO颗粒继续水解，从而降低其膨胀率。

2 未陈化钢渣处理前后体积稳定性试验

按照《钢渣混合料路面基层施工技术规程》（YB／T 4184—2009）规定的钢渣稳定性试验方法，对元立钢厂钢渣料堆中具有代表性的龄期为2周左右的新钢渣进行试验。

膨胀率测定装置如图1所示。按照钢渣的浸水膨胀率公式进行计算即可得到新钢渣每天的累计膨胀率，计算结果见表1。由表1中数据可知，按照规程粒径分布的钢渣的浸水膨胀率为2.69%，而《钢渣混合料路面基层施工技术规程》（YB／T 4184—2009）中规定钢渣用于基层时其浸水膨胀率低于2.0%。因此，元立钢厂产生的新钢渣由于其浸水膨胀率太大，不能直接应用于路面基层。

（1）首次揭示在郎酒高温制曲进程中，细菌与真核微生物种类具多样性，但细菌与真核微生物变化趋势差异显著。

图1 钢渣浸水膨胀率测定装置

根据抑制钢渣膨胀的研究现状，本研究尝试掺加外掺剂硅灰来改善钢渣的膨胀性，硅灰中的活性SiO2含量很高，CaO含量较低，90℃水浴条件下活性SiO2很快和f－CaO水解产生的Ca（OH）2发生火山灰反应，促进f－CaO颗粒继续水解，从而降低其膨胀率。在钢渣中分别掺入 0.7%、0.5%、0.3%、0.1%的硅灰，按照规程进行试验，试验数据如表1所示。钢渣中不同硅灰掺量试件的累计膨胀率随水浴时间的关系如图2所示。

表1 各配合比钢渣的累计膨胀率

图2 掺不同比例硅灰的钢渣的累计膨胀率随水浴时间的关系

试验表明：掺入质量分数分别为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%的硅灰均能有效抑制新钢渣的膨胀性，且新钢渣的浸水膨胀率随着外掺剂硅灰掺量的增加而减小，分别降低了 66.3%、78.2%、92.6%、94.8%。有其他研究表明［13］，钢渣中加入不同掺量的硅灰后，对其进行的XRD物相分析中Ca（OH）2特征峰强度随着硅灰掺量的增加而降低，即游离氧化钙（f－CaO）的含量随着硅灰掺量的增加而降低。掺入0.1%、0.3%、0.5%、0.7%的硅灰后钢渣的浸水膨胀率分别为0.91%、0.58%、0.20%、0.14%，对比可以发现，掺入的硅灰剂量超过0.5%之后，对新钢渣的膨胀性改善效果不明显，从节约成本、保证浸水膨胀率在安全范围内的角度考虑，本研究采用0.5%的硅灰掺量改善新钢渣的膨胀性。

3 试验方案

3.1 工程概况

浙江省46省道衢州樟潭至廿里公路为省、市重点建设项目，主线里程30.24km，元立金属制品有限公司与拟建的该公路项目距离非常近。从环保、公路的可持续发展及降低工程造价等方面综合考虑，经认真分析论证，认为在该公路上进行未陈化钢渣底基层的应用研究具有重要意义。施工图设计说明中对水泥稳定碎石底基层的要求为：混凝土压实度大于97%，7d无侧限抗压强度大于4.0MPa，设计弯沉值为60.8（0.01mm）。试验路段位于第5－2施工标段中的巨化支线上，里程桩号为ZK1＋000～ZK1＋300，全路线长300m，底基层采用水泥稳定钢渣碎石混合料，分两层摊铺，每层厚度为16cm。

3.2 原材料试验

3.2.1 水泥

本试验路段采用水泥标号为32.5的陕西秦岭牌复合硅酸盐水泥，其相关技术指标实测值如表2所示。检测结果表明，所选用的水泥类型符合规范要求。

表2 试验水泥检测结果

3.2.2 碎石

试验中用到的石料是常见的石灰岩矿石，各项常规的物理力学指标见表3。

3.2.3 钢渣

试验中用到的钢渣是衢州市元立钢厂生产的龄期2周左右的新钢渣，取具有代表性钢渣依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）进行物理性能试验，试验数据见表4，可知各项指标符合标准要求。

表3 碎石的物理性能检测结果

表4 钢渣的物理性质

3.3 配合比

（1）水泥剂量为4.3%。设计文件中巨化支线路段的底基层的设计强度要求大于4MPa，通过对比试验，水泥剂量为4.0%、4.5%的配合比均能满足要求，选取4.0%的水泥剂量。考虑到施工的变异性等因素，厂拌时添加的水泥剂量为4.3%。硅灰剂量为0.5%。

（2）钢渣掺量为40%。根据室内对水泥稳定钢渣碎石混合料进行的力学性能试验、耐久性能试验以及可压实性能的研究，试验路段最终决定采用40%的钢渣掺量替代碎石。

（3）0～4.75mm石屑、9.5～19mm碎石、19～31.5mm碎石、新钢渣的比例为10∶38∶12∶40，最佳含水率为5.5%。

4 试验路检测结果和成本分析

4.1 压实度

底基层碾压完后，在左幅路上每50m选取一个点，按照《公路路基路面现场测试规程》（JTG 60—2008）采用灌砂法检测压实度。

试验段底基层中第一层、第二层的压实度（灌砂法）均符合施工图设计说明（46省道5－2合同段）要求。其中第一层的压实度检测数据如表5所示。

4.2 7d无侧限抗压强度

取现场摊铺的料，按《公路路面基层施工技术规范》（JTG／T F20—2015）取样制作标准试块，在规定的条件下养生7d后进行无侧限抗压强度试验。

表5 ZK1＋000～ZK1＋300左幅底基层第一层压实度检测结果

底基层的第一层、第二层的7d无侧限抗压强度检测结果均符合施工图设计说明（46省道5－2合同段）的要求，其中底基层第一层的7d无侧限抗压强度检测结果如表6所示。

表6 底基层7d无侧限抗压强度检测结果

4.3 回弹弯沉

试验段的底基层的设计弯沉值为60.8（0.01mm），贝克曼梁测定底基层的回弹弯沉值如表7所示，结果判定如表8所示。

表7 底基层回弹弯沉值检测数据

该段底基层水泥稳定碎石回弹弯沉检测结果符合《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80／1—2004）及施工图设计说明（46省道5－2合同段）。

表8 底基层第2层回弹弯沉值结果判定

4.4 试验路经济效益分析

以本试验段为例对水泥稳定碎石、水泥稳定钢渣碎石2种类型的底基层的造价进行计算和分析，计算对象为长1km、宽24m、厚0.32m的底基层构造物造价。原材料的单价：碎石58元·t－1，水泥400元·t－1，钢渣25元·t－1，硅灰1 100元·t－1。根据2种类型底基层的最大干密度和最佳含水率以及计算对象的体积，可以计算出按照计算对象铺筑所需的各原材料质量。不同类型底基层所需的原材料质量及总造价如表9所示。

表9 不同类型底基层的原材料造价

结果表明：铺筑1km底基层，仅考虑原材料，采用水泥稳定钢渣碎石材料比水泥稳定碎石材料节省约9万元，同时消纳约6 839t钢渣。

5 结 语

本文使用掺硅灰的办法处理未陈化钢渣，并应用到试验路中，得到以下结论。

（1）掺硅灰能有效抑制新钢渣的膨胀性，且浸水膨胀率随着硅灰掺量的增加而减小，但当掺入的硅灰剂量超过0.5%之后，对新钢渣的膨胀性改善效果不明显。

（2）将掺硅灰的新钢渣运用到道路基层中，试验路通车半年后未见病害，但其长期路用性能有待进一步观察。

本文对未陈化钢渣在道路基层的应用只是做了初步的尝试，仍有许多不足之处有待改善，从今后的研究方向和趋势及应用于实际工程的情况来看，可以结合中国道路工程发展实际情况探索钢渣浸水膨胀率的限值；加强对钢渣表观和微观的研究，从进而更好地提高和改善水泥稳定钢渣碎石的路用性能。