钢渣水泥混合料的分析研究

李永强

（柳州市政设施维护管理处，广西 柳州 545004）

1 引言

近年来，钢铁行业的产能快速扩大，产生大量钢渣多露天堆放在厂区内，钢渣运输、露天堆放易产生扬尘，对周边环境造成不良影响，给社会和企业均带来很大负担[1-3]。为保障环境空气质量，改善城市形象，必须寻找钢渣综合利用出路。

不同种类的钢渣成分相似，具有质地坚硬，密度大（矿渣密度约3.5 g/cm3）、吸水率大、针片状含量少、压碎值小等特点[4-6]，不少学者将钢渣代替碎石，开展钢渣混凝土的研究。在道路工程中，钢渣抗压强度高，耐磨且压碎值低，符合路面结构对路面基层结构强度和稳定性的要求[7-9]。钢渣用于路面基层可弥补一般道路水泥稳定碎石基层干燥空气下体积收缩变形的不足，研究水泥稳定钢渣基层有重要的工程现实意义[10-11]。

以上研究多在配合比的基础上及路用性能方面进行试验，钢渣当中的微量重金属元素对环境造成的影响方面研究较少。文章以柳州生产的钢渣为基料，通过毒性分析，并掺加一定比例的水泥，研究水泥稳定钢渣作为基层的路面性能，节约生产成本，推动钢渣在道路工程中的应用。

2 钢渣的物化性质

2.1 压碎值与稳定性试验

为了确保钢渣能用作路基材料，对破碎后的钢渣进行各项性能试验。

（1）压碎值试验。钢渣要替代石料作为路基材料，其压碎值必须符合要求。按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）压碎值试验方法进行试验。

（2）稳定性试验。采用《钢渣稳定性试验方法》（GB/T 24175—2009）中浸水膨胀率试验来测定钢渣的稳定性。其原理是采用90 ℃水浴养护的方法，经过一定时间后使钢渣中的游离氧化钙、游离氧化镁消解，产生体积膨胀，通过体积变化率来评定钢渣的稳定性。

具体各项试验结果见表1。由表1的结果可知，钢渣样品的压碎值和浸水膨胀率均符合《道路用钢渣》（GB/T 25824—2010）中道路基层用钢渣集料的技术要求，其他指标也满足规范要求，表明钢渣作为路基材料使用是可行的。

表1 钢渣各项性能试验结果

2.2 钢渣的毒性浸出试验

钢渣作为炼钢过程中产生的工业废渣，虽不属于《国家危险废物名录》中列明的危险废物，但为确保钢渣综合利用的环境安全性，避免二次污染，对钢渣进行了浸出毒性鉴别，通过固体废物浸出液体中相关危害成分含量判定是否为危险废物。从用于铺设路基材料的钢渣中随机采集5个钢渣样品进行毒性浸出试验，确定其属性，并初步分析其利用风险。

按照《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB5085.3—2007）要求，钢渣的浸出毒性方法选择中华人民共和国环境保护行业标准《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007），其原理为以硝酸/硫酸混合溶液为提取剂，模拟废物在不规范填埋处置、堆放或经无害化处理后废物的土地利用时，其中的有害组分在酸性降水的影响下，从废物中浸出而进入环境的过程。

浸出试验的主要过程：将粒径大的颗粒通过破碎、切割或研磨等方式降低粒径，混合均匀后通过9.5 mm 筛。取钢渣置于浸出容器中，按照液固比为10∶1的比例，加入400 mL浸出剂（质量比1∶2的浓硝酸与浓硫酸加入去离子水中调节pH为3.20左右，用于测定样品中重金属的浸出毒性）盖紧瓶盖后置于翻转式振荡器上，在室温下震荡18 h。震荡完毕，确认没有漏气后，用收集有初始液相的同一个浸出液采集装置收集毒性浸出液。钢渣浸出试验结果见表2。

表2 钢渣浸出试验结果（mg/L）

从表2可以看出：抽检的钢渣样品浸出毒性量均在《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）规定限值范围内，钢渣作为固体废弃物用作路基材料，浸出污染风险较小。因此，钢渣作为路基材料使用，从环境保护因素的考虑上是可行的。

3 钢渣用于水泥稳定材料试验

3.1 水泥稳定钢渣配合比设计

3.1.1 钢渣的级配情况

先进行钢渣的级配试验，通过对不同粒级的钢渣进行筛分试验，经过计算确定出不同粒级的百分比，然后对混合料分别进行筛分，确定符合级配范围的集料配合比。钢渣料由0～5 mm、5～20 mm、20～30 mm三种粒级的钢渣组成。钢渣料的筛分结果见表3。

表3 钢渣料的筛分结果

3.1.2 水泥稳定钢渣混合料配合比确定

（1）水泥：试验所用水泥为鱼峰牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，测试其主要化学成分和基本技术指标见表4。

表4 水泥其主要化学成分和基本技术性能

（2）水泥稳定钢渣混合料配合比采用正交试验方法确定。确定4个考察因素：0～5 mm（因素A），5～20 mm（因素B），20～30 mm（因素C），水泥（因素D），每个因素各取3个水平，采用正交表L9（34），具体的表格详见表5和表6。

表5 试验因素与水平

表6 试验设计方案

通过正交试验，确定水泥稳定钢渣的最优配合比为0～5 mm：5～20 mm：20～30 mm：水泥为43∶37∶20∶6。通过击实试验测得混合料的最佳含水率为6.7%，最大干密度为2.530 g/cm3；其7 d无侧限抗压强度为6.9 MPa。

3.2 试验路段现场试验

在柳州市北外环路开展了以钢渣作为路基材料铺设道路的试验，该试验路段是以水泥稳定钢渣作为路基材料铺设。水泥稳定钢渣是以钢渣为骨料、水泥为混合料通过一定比例进行配制。检测内容和方法包括压实度和回弹弯沉[12]。

3.2.1 压实度

采用灌砂法现场测定结构层的压实度，测定频率为每1 000 m2测1点。试验结果为：压实度达到98.1%，标准差S为0.09。

3.2.2 回弹弯沉

采用贝克曼梁测定结构层的回弹弯沉。利用后轴10 t标准轴载BZZ-100的汽车和路面弯沉仪测定回弹弯沉。测定频率每车道20 m测1点。试验结果为：回弹弯沉平均值=18.6（0.01 mm），标准差S=3.44，代表弯沉值Lr=24.2（0.01 mm）。从检测的结果来看，所检测的所有指标均可以达到相关技术规范要求。

3.3 实践检验

经过一年多的行车，再次对水泥稳定钢渣为道路基层结构的试验路段进行回弹弯沉试验，采用落锤式弯沉仪进行弯沉试验，测定频率每车道20 m测1点。试验结果为：回弹弯沉平均值=20.4（0.01 mm），标准差S=3.51,代表弯沉值Lr=26.2（0.01 mm）。试验路段路况良好，无任何裂缝、鼓包、沉降等现象。实践证明，水泥稳定钢渣作为道路路基基层是可行的，以钢渣作为路基材料在技术和工程上都是可行的。

4 经济效益分析

目前柳州城市道路结构层的传统做法基本上均为沥青路面或水泥砼路面+5%水泥稳定碎石上基层+级配碎石下基层。级配碎石主要供应地为柳州市辖区。使用钢渣混合料替代级配碎石作为道路基层，具有以下优势：

（1）价格优势。钢渣混合料价格比级配碎石价格更低廉。按级配碎石价格150元/m3，钢渣混合料价格70元/m3计算，则钢渣代替天然石料，原料成本节省53.3%。

以柳钢为例，2020年粗钢产量为1 691×107kg，产钢渣量约144×107kg（约57.6×104m3）。按此计算，如果全部钢渣用于筑路，可铺宽20 m、长14.4×104m、厚0.2 m，约288×104m2的道路，产生的全部钢渣就能得到有效利用，还可减少天然石料的开采和使用，同时产生至少2 000万元的经济效益。降低生产成本同时还可解决堆积占地问题。

（2）运输优势。在运输距离上，位于柳州市区北部，距市区各主要城市道路均在15×103m范围以内，与级配碎石供应加工厂相比，距离各条城市道路更近，交通运输方便、快捷，运输费用更低。

（3）节约用地。柳钢总面积仅13×106m2，远小于武钢的21×106m2，更加不能跟宝钢、鞍钢等同类企业相提并论。目前钢渣的堆放占地不少，开辟新的钢渣利用途径，减少堆放，可以有效节约用地。

5 结论

（1）钢渣样品的压碎值和浸水膨胀率均符合要求，同时，从毒性分析角度，钢渣不会造成二次污染，满足环保要求。

（2）实际铺路试验结果表明，以钢渣为骨料、水泥为混合料通过一定比例配制而成的路面基层，材料铺设的道路使用情况良好，在技术和工程上可行。

（3）钢渣作为路基材料铺设。能降低道路建设成本,变废为宝,带来直接经济效益,同时可减少自然石材资源的开采，既保护了生态环境，又有很大的社会效益，可大规模推广应用。