楊鑫博  姜永華  李志芹  孫有斌

（云南天朗再生資源有限責(zé)任公司  昆明 安寧65002）

摘  要：鋼渣屬于冶金生產(chǎn)排放量大，利用率低，處置困難的大宗固廢，大量堆存造成生態(tài)環(huán)境破壞；與此同時，隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展我國道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的持續(xù)增加，很多地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的道路工程材料缺乏情況。鋼渣含有一定量的AlO^2–、Ca²⁺離子及C2S、C3S等水硬性礦物，其物理硬度高、長期強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好，是一種潛在的道路工程材料。將鋼渣作為主材應(yīng)用到道路工程將具有重要的意義。本文通過鋼渣特性分析，論述了鋼渣性能及其在道路工程應(yīng)用中存在的問題，針對其膨脹特性提出了一些解決對策，同時對以鋼渣為主多固廢制備較長凝結(jié)時間和微膨脹性道路基層進(jìn)行論述，探索新型道路材料的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋼渣；道路工程；應(yīng)用

1  前言

鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)過程中用石灰提取雜質(zhì)在煉鋼階段產(chǎn)生的鋼鐵冶金大宗固廢之一，產(chǎn)生量約為粗鋼產(chǎn)量的10~15%；我國作為鋼鐵大國，同時也是鋼渣排放大國。隨著鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)能的不斷提升，大量鋼渣因其硬度高及膨脹特性暫無有效消納途徑，已堆積如山，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境。如何合理有效地利用鋼渣，已成為行業(yè)及社會亟待解決的問題。另一方面，我國在道路工程建設(shè)方面道路基層約90%為水泥穩(wěn)定類或石灰粉煤灰（二灰）半剛性基層，這類傳統(tǒng)的道路基層對自然資源消耗很大，以常規(guī)公路為例，道路基層厚度一般為56cm、 寬為24m，則每公里需基層材料約2.6萬噸。即每生產(chǎn)1m³的道路基層材料需消耗2.4噸左右的天然土石料和80kg~160kg的水泥或石灰。這些天然材料在開采過程中不可避免將造成生態(tài)環(huán)境的破壞。同時根據(jù)實(shí)際調(diào)查目前我國大部分傳統(tǒng)道路基層存在使用年限無法達(dá)到設(shè)計要求的情況，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)水泥穩(wěn)定料雖然早期強(qiáng)度高、抗沖刷性和水穩(wěn)性較好，但存在自然收縮產(chǎn)生反射裂縫及凝結(jié)時間過短導(dǎo)致在施工碾壓過程中強(qiáng)度損失；而采用石灰粉煤灰（二灰）穩(wěn)定料雖然抗裂性較好，但其早期強(qiáng)度較低，且早期水穩(wěn)性和抗沖刷性差。結(jié)合鋼渣特性與道路基層缺陷問題，將鋼渣應(yīng)用于道路工程建設(shè)中將一方面解決鋼渣的利用難、道路工程材料缺乏等問題，又可利用鋼渣的膨脹特性解決道路基層收縮缺陷，實(shí)現(xiàn)一舉多得。

本文通過鋼渣特性分析，論述了鋼渣性能及其在道路工程應(yīng)用中存在的問題，針對其膨脹特性提出了一些解決對策，同時對以鋼渣為主多固廢制備較長凝結(jié)時間和微膨脹性道路基層進(jìn)行論述。

2  鋼渣特性

2.1鋼渣化學(xué)特性

鋼渣是一種由多種礦物和玻璃態(tài)組成的集合體，以昆明鋼鐵股份有限公司兩種不同預(yù)處理手段處置鋼渣為測定對象，鋼渣化學(xué)成分見表1。

表1 鋼渣化學(xué)成分

經(jīng)化學(xué)分析鋼渣中主要成分為CaO、FeO，且無論采用熱潑或者熱悶對鋼渣進(jìn)行預(yù)處理，鋼渣中均含有f-CaO、f-MgO兩種膨脹性成分，但經(jīng)熱潑法處置后的鋼渣f-CaO含量較高無法達(dá)到國家《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范 GB/T 51003-2014 》相關(guān)技術(shù)要求。

2.2鋼渣物理特性

因經(jīng)過熱潑處理鋼渣f-CaO遠(yuǎn)超相關(guān)涉及標(biāo)準(zhǔn)，以昆明鋼鐵股份有限公司熱悶鋼渣為檢測對象，結(jié)果見表2。

表2 鋼渣物理性能

經(jīng)檢測熱悶鋼渣的壓碎值、磨耗率、磨光值等主要物理力學(xué)指標(biāo)均滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程 JTG E42-2005》、《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) GB/T50123—1999》中道路用材要求，可用于道路工程建設(shè)。

3  鋼渣在道路工程應(yīng)用

3.1鋼渣在道路工程應(yīng)用問題

經(jīng)過物化檢測，雖經(jīng)熱悶處理后的鋼渣各項(xiàng)指標(biāo)可滿足道路工程建設(shè)要求，但鋼渣與傳統(tǒng)道路石料的一個主要差別在于其形成時間短暫；鋼渣在煉鋼瞬時形成，在形成后其內(nèi)部的許多物質(zhì)仍將持續(xù)與空氣、水等接觸反應(yīng)，逐步才可形成更為穩(wěn)定的新結(jié)構(gòu)形態(tài)，這個過程稱為鋼渣消減陳化。鋼渣在消減陳化過程中發(fā)生的膨脹將造成道路裂縫或道路頂包的形成。而造成膨脹的主要原因有：

（1）游離氧化鈣消解

經(jīng)化學(xué)分析鋼渣中含有一定量的f-CaO，而f-CaO特性為遇水生成氫氧化鈣，體積可膨脹達(dá)1~2倍。

（2）游離氧化鎂及氧化鎂消解

經(jīng)化學(xué)分析鋼渣中含有一定量的f-MgO及MgO，鋼渣中的f-MgO及MgO遇水后生成氫氧化鎂體積急劇膨脹可引起鋼渣的脹裂。

（3） 硫化物影響

有研究表明當(dāng)鋼渣內(nèi)含硫量＞3%時鋼渣中的硫化亞鐵和硫化亞錳與水可生成氫氧化鐵和氫氧化亞錳體積將分別增大35%~40%及25%~30%。

綜上所述，鋼渣作為多種礦物和玻璃態(tài)組成的集合體在緩慢的消減陳化中游離氧化鈣的消解、游離氧化鎂及氧化鎂消解和物料含硫量將是影響鋼渣膨脹程度的主要原因和造成鋼渣應(yīng)用于道路危害的主要因素。

3.2針對鋼渣膨脹特性的對策

針對鋼渣膨脹特性結(jié)合道路工程的相關(guān)要求。鋼渣的不穩(wěn)定化學(xué)成份與環(huán)境介質(zhì)反應(yīng)的過程是緩慢逐漸發(fā)生的，這是因?yàn)殇撛奈镔|(zhì)玻璃態(tài)及鋼渣內(nèi)的不穩(wěn)定化學(xué)成份在鋼渣內(nèi)呈不均勻分布，位于鋼渣表面的不穩(wěn)定化學(xué)成份與環(huán)境介質(zhì)最早接觸，最早反應(yīng)并產(chǎn)生裂隙等破壞，使處于鋼渣內(nèi)部的不穩(wěn)定化學(xué)成分快速外露開始反應(yīng)。在不穩(wěn)定化學(xué)成份集中的部位反應(yīng)激烈、膨脹力大，通?？墒逛撛浞直澜?。在不穩(wěn)定化學(xué)成份均勻分布的區(qū)域反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，但激烈程度與膨脹力相互間消弱。因此鋼渣在道路工程中應(yīng)用可遵循以下原則：                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

（1）嚴(yán)格對鋼渣源頭進(jìn)行追溯，原則使用經(jīng)過熱悶處置后的鋼渣，同時充分對鋼渣進(jìn)行物化分析重點(diǎn)檢測f-CaO、f-MgO及硫含量，是否滿足《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范 GB/T 51003-2014 》、《道路用鋼渣 GB/T 25824-2010 》中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）選擇合適的級配并嚴(yán)格控制應(yīng)用于道路工程中的鋼渣粒徑，保障施工壓實(shí)后既有一定孔隙供膨脹去充填又不至于因大顆粒裂解造成支承不足。經(jīng)分析測試鋼渣在道路工程應(yīng)用，其理想的鋼渣組成為最大粒徑dmax≤35mm。粒徑15~35mm的鋼渣占40%~60%，以形成主骨架，其f-CaO含量應(yīng)＜3%（或其粉化率＜2%）。粒徑5~15mm鋼渣占20%~25%，粒徑＜5mm的鋼渣占10%~15%，并要求有不少于60%＜3mm的顆粒。

4  鋼渣與多固廢協(xié)同道路基層應(yīng)用探討

利用水化產(chǎn)物鈣礬石去補(bǔ)償水泥穩(wěn)定類半剛性道路基層的收縮是抑制其收縮開裂的有效途徑，鈣礬石的形成與物質(zhì)中的AlO^2–、Ca²⁺、OH^-、SO₄^2–離子濃度有關(guān)。研究表明鈣礬石的形成速度取決于AlO^2–，而SO₄^2–則保證了鈣礬石的穩(wěn)定性，因此物質(zhì)中能否提供大量的Al源和S源對鈣礬石的形成和穩(wěn)定至關(guān)重要。

4.1固廢種類選擇

鋼渣物化成分含有一定量的AlO^2–、Ca²⁺離子及C2S、C3S等水硬性礦物，而火電固廢粉煤灰中含有較多Al₂O₃，能為鈣礬石的大量生成提供足夠的Al。磷石膏是生產(chǎn)磷酸過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，CaSO₄·2H₂O含量通常都在85%以上，能為鈣礬石的大量生成提供足夠的SO₄^2–，如將三者聯(lián)合起來則可在解決現(xiàn)行道路基層缺陷的同時，進(jìn)一步促進(jìn)大宗固廢的消納并探索新型道路材料的應(yīng)用

4.2機(jī)理探討

鋼渣在水化時可產(chǎn)生水化硅酸鈣及少量的鋁酸鈣、鐵鋁酸鈣等物質(zhì)；磷石膏本質(zhì)為酸性含磷、氟的石膏，鋼渣的水化物與其反應(yīng)，可快速生成三硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）。同時粉煤灰同步與鋼渣水化產(chǎn)生的Ca(OH)₂開展反應(yīng)，產(chǎn)生水化硅酸鈣，在磷石膏的參與激發(fā)下，也生產(chǎn)大量的三硫型水化硫鋁酸鈣（AFt），這些水化物間相互連接，形成緊密的結(jié)構(gòu)，使物料具有很好的前期強(qiáng)度和整體性見表3，解決了較傳統(tǒng)石灰粉煤灰（二灰）穩(wěn)定料早期強(qiáng)度較低的問題。

表3 物料強(qiáng)度

另外因磷石膏中含有一定量的P₂O₅和F^-，它們與鋼渣水化產(chǎn)生的Ca²⁺和OH^-生成氟化鈣和磷酸鈣等難溶鹽，并吸附在物料顆粒表面，延緩C3A和C3S等熟料礦物的早期水化速度，使得材料的凝結(jié)時間得到延長，避免傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定料凝結(jié)時間過短，導(dǎo)致在施工碾壓過程中強(qiáng)度損失問題；同時磷石膏為物料整體提供大量SO₄^2-，粉煤灰中的Al也不斷溶出，SO₄^2-、Ca²⁺和AlO^2-相互反應(yīng)生成鈣礬石?？梢种其撛蠧2S、C3S等礦物在早期水化生成C-S-H凝膠及三硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）的形成，使AFt膨脹的同時又提高了早期強(qiáng)度。

5  結(jié)論

鋼渣應(yīng)用于道路工程國內(nèi)已摸索了多年既有成功的經(jīng)驗(yàn)又有失敗的教訓(xùn)。但鋼渣的應(yīng)用是社會發(fā)展的需要，同時鋼渣作為道路基層材料具有性能優(yōu)勢，而道路工程又是其大宗消納的有效應(yīng)用方向。在道路工程中成功地應(yīng)用鋼渣源自于對鋼渣特性的認(rèn)識也依賴于對鋼渣情況的分析及應(yīng)用控制。

參考文獻(xiàn)

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