冶金钢渣在道路工程中路用性能研究

吴俊新 唐成云 蔡全财

(青海西钢再生资源综合利用开发有限公司 西宁 810000)

1 引言

随着我国经济的发展，钢铁产量增加，钢渣的排放量也随之增加。通常生产1吨钢会产生125～140kg钢渣，钢渣中含有大量的渣钢、氧化钙、铁及氧化镁等可利用物质[1-4]。2019年12月，国家住建部发布了《钢铁渣处理与综合利用技术标准 GBT 51387-2019》，此标准中列举了钢渣可适用的范围，9.2.7条款中明确说明“钢渣可用于道路沥青混合料的粗集料，也可用于道路基层和路基材料”。为此，参考《YBT4187-2009道路用钢渣砂标准》《GB/T 24765-2009 耐磨沥青路面用钢渣》《GB/T 24766-2009 透水沥青路面用钢渣》《GBT 25824-2010 道路用钢渣》等多项国家标准与行业标准，开展钢渣在道路工程中的应用研究。

西宁特殊钢股份有限公司作为青海省唯一一家钢铁生产企业，是省内钢渣产生的唯一来源。2018年股份公司产生钢渣29万吨，2019年产生31万吨，2020年产生33.5万吨钢渣，钢渣的堆放会占用场地，制约生产；此外，钢渣为电炉、转炉渣，含有大量的重金属物质和化学物质，化学物质的挥发和渗透会污染周边的空气和河流[5-7]。

目前，钢渣作为固体废弃物的使用渠道单一，仅在矿山修复填充及作为水泥生产的原料少量使用，使用途径单一、经济效益低廉。研究如何将钢渣应用至道路工程中，从经济效益方面来看，将钢渣掺入到道路工程材料(水泥混凝土、沥青混合料)中代替部分水泥或部分碎石[8-10]，从直观上看，将降低道路工程材料成本。因此对冶金钢渣展开研究，通过一系列室内试验探究冶金钢渣在道路中的应用。

2 试验材料及方案

2.1 冶金钢渣

冶金钢渣，采用的是西宁特殊钢股份有限公司在炼钢过程中产出的固体废物。冶金钢渣化学成分及级配碎石表见表1。

表1 冶金钢渣化学成分表

级配碎石检测参数表观相对密度毛体积相对密度压碎值(%)吸水率(%)针片状颗粒含量(%)<0.075颗粒含量(%)10～15mm2.7172.680/0.519.00.810～20mm2.6982.65113.40.65100.520～30mm2.7072.653/0.767.50.4

2.2 试验方案

对冶金钢渣碎石水泥无机结合料进行击实试验，确定了其最佳含水量和最大干密度，分别为最佳含水率4.8%，最大干密度2.42g/cm3。为下一步试验提供依据。

此次试验，钢渣代替0～10mm碎石，其余级配料均采用稳定碎石，结合料采用P042.5普通硅酸盐水泥。配合比如表2所示。

方案设计见表3。

表2 配合比

表3 方案设计

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)规定，本试验采用直径150mm、高度150mm的试模，采用静力压实法成型。然后用塑料薄膜包裹，置于恒温恒湿养护箱内进行养护。养护至第六天，将试件浸泡在水中24h后再进行试验。

将养护后的试件放到路面材料强度试验机上，进行无侧限抗压试验。试验过程中，应使试件的变形等速增加，并保持速率约为1mm/min，记录试件破坏时的最大荷载P(N)。

试件的无侧限抗压强度Rc的计算：

Rc=P/A(MPa)

(1)

式中：P—试件破坏时的最大荷载(N)；

3 试验结果分析

3.1 不同含水率下的无侧限抗压强度关系

含水率的大小直接影响工程质量，合适的含水率对工程的质量有着促进只有而且能够使工程的寿命增加，进而降低成本，对环境和社会带来一定的经济效益。不同含水率下的冶金钢渣的无侧限抗压强度关系见图1。

由图1可知，随着含水率的增加，我们发现无侧限抗压强度呈现先增加后减小的趋势。在最佳含水率4.8%时，无侧限抗压强度达到最大为4.6MPa。当含水率为6.8%时，发现其无侧限抗压强度急剧下降。

3.2 不同压实度下的无侧限抗压强度关系

不同压实度下试样无侧限抗压强度关系曲线见图2。

图1 不同含水率下试样无侧限抗压强度关系曲线 图2 不同压实度下试样无侧限抗压强度关系曲线

从不同压实度与无侧限抗压强度曲线可以得到，随着压实度的增加，其无侧限抗压强度也随之增长。

4 经济效益分析

对冶金钢渣开展一系列研究，在耐磨性能、强度、抗冻融性能方面均优于普通的花岗岩等碎石料，性能指标等均满足工程集料的技术要求，钢渣所具有的潜在活性被称为“过烧硅酸盐水泥熟料”。

从经济效益方面来看，将钢渣掺入到道路工程材料中代替部分水泥或部分碎石，从直观上看，将直接降低道路工程材料成本15%以上。同时，采用钢渣制备道路工程材料将大幅度提高其服役性能，全寿命周期养护及维护成本降低20%以上。

从社会效益来看，将钢渣应用到道路工程中后，大大减少了石料的用量，这样就避免了大量开采山石，避免了对自然生态的破坏，同时减少了机械运作，减少了粉尘、尾气的排放，真正意义上实现了变废为宝，做到了人与自然和谐发展。钢渣运用到道路工程中实现了废物利用、节能减排，为当地带来了很好的社会效益和经济效益，造福了子孙后代。与此同时，水泥中掺入了一定量的钢渣微粉，减少水泥生产过程中环境污染。如果将钢渣用于水泥中，将会大量减少水泥熟料用量，而生产1吨熟料约排放1吨CO2，所以CO2排放量也会大量降低。采用钢渣制备的沥青混合料和水泥混凝土具有优异的耐磨抗滑性能，公路在运营期间，将显著减少高速公路(尤其是特殊路段)交通事故率，保障人民群众生命财产安全。在有效提高路面使用品质和使用寿命的同时降低全寿命周期成本，助力青海省“平安公路”、“品质公路”又好又快发展。

5 结论

(1)冶金钢渣可作为集料应用至道路中的水稳基层，发现其无侧限抗压强度随着含水率的增加呈现递减趋势，但以最佳含水率时，无侧限抗压强度值最优，强度符合设计要求。

(2)冶金钢渣作为集料用于公路工程，不仅能带来降低成本，还可以变废为宝，促进自然和谐发展。