冶金鋼渣在道路工程中路用性能研究

吳俊新 唐成云 蔡全財(cái)

(青海西鋼再生資源綜合利用開發(fā)有限公司 西寧 810000)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)量增加，鋼渣的排放量也隨之增加。通常生產(chǎn)1噸鋼會產(chǎn)生125～140kg鋼渣，鋼渣中含有大量的渣鋼、氧化鈣、鐵及氧化鎂等可利用物質(zhì)[1-4]。2019年12月，國家住建部發(fā)布了《鋼鐵渣處理與綜合利用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) GBT 51387-2019》，此標(biāo)準(zhǔn)中列舉了鋼渣可適用的范圍，9.2.7條款中明確說明“鋼渣可用于道路瀝青混合料的粗集料，也可用于道路基層和路基材料”。為此，參考《YBT4187-2009道路用鋼渣砂標(biāo)準(zhǔn)》《GB/T 24765-2009 耐磨瀝青路面用鋼渣》《GB/T 24766-2009 透水瀝青路面用鋼渣》《GBT 25824-2010 道路用鋼渣》等多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開展鋼渣在道路工程中的應(yīng)用研究。

西寧特殊鋼股份有限公司作為青海省唯一一家鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，是省內(nèi)鋼渣產(chǎn)生的唯一來源。2018年股份公司產(chǎn)生鋼渣29萬噸，2019年產(chǎn)生31萬噸，2020年產(chǎn)生33.5萬噸鋼渣，鋼渣的堆放會占用場地，制約生產(chǎn)；此外，鋼渣為電爐、轉(zhuǎn)爐渣，含有大量的重金屬物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)，化學(xué)物質(zhì)的揮發(fā)和滲透會污染周邊的空氣和河流[5-7]。

目前，鋼渣作為固體廢棄物的使用渠道單一，僅在礦山修復(fù)填充及作為水泥生產(chǎn)的原料少量使用，使用途徑單一、經(jīng)濟(jì)效益低廉。研究如何將鋼渣應(yīng)用至道路工程中，從經(jīng)濟(jì)效益方面來看，將鋼渣摻入到道路工程材料(水泥混凝土、瀝青混合料)中代替部分水泥或部分碎石[8-10]，從直觀上看，將降低道路工程材料成本。因此對冶金鋼渣展開研究，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)探究冶金鋼渣在道路中的應(yīng)用。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 冶金鋼渣

冶金鋼渣，采用的是西寧特殊鋼股份有限公司在煉鋼過程中產(chǎn)出的固體廢物。冶金鋼渣化學(xué)成分及級配碎石表見表1。

表1 冶金鋼渣化學(xué)成分表

級配碎石檢測參數(shù)表觀相對密度毛體積相對密度壓碎值(%)吸水率(%)針片狀顆粒含量(%)<0.075顆粒含量(%)10～15mm2.7172.680/0.519.00.810～20mm2.6982.65113.40.65100.520～30mm2.7072.653/0.767.50.4

2.2 試驗(yàn)方案

對冶金鋼渣碎石水泥無機(jī)結(jié)合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定了其最佳含水量和最大干密度，分別為最佳含水率4.8%，最大干密度2.42g/cm3。為下一步試驗(yàn)提供依據(jù)。

此次試驗(yàn)，鋼渣代替0～10mm碎石，其余級配料均采用穩(wěn)定碎石，結(jié)合料采用P042.5普通硅酸鹽水泥。配合比如表2所示。

方案設(shè)計(jì)見表3。

表2 配合比

表3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)規(guī)定，本試驗(yàn)采用直徑150mm、高度150mm的試模，采用靜力壓實(shí)法成型。然后用塑料薄膜包裹，置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至第六天，將試件浸泡在水中24h后再進(jìn)行試驗(yàn)。

將養(yǎng)護(hù)后的試件放到路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，應(yīng)使試件的變形等速增加，并保持速率約為1mm/min，記錄試件破壞時的最大荷載P(N)。

試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc的計(jì)算：

Rc=P/A(MPa)

(1)

式中：P—試件破壞時的最大荷載(N)；

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同含水率下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

含水率的大小直接影響工程質(zhì)量，合適的含水率對工程的質(zhì)量有著促進(jìn)只有而且能夠使工程的壽命增加，進(jìn)而降低成本，對環(huán)境和社會帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。不同含水率下的冶金鋼渣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖1。

由圖1可知，隨著含水率的增加，我們發(fā)現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在最佳含水率4.8%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大為4.6MPa。當(dāng)含水率為6.8%時，發(fā)現(xiàn)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度急劇下降。

3.2 不同壓實(shí)度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

不同壓實(shí)度下試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線見圖2。

圖1 不同含水率下試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線 圖2 不同壓實(shí)度下試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

從不同壓實(shí)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線可以得到，隨著壓實(shí)度的增加，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增長。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

對冶金鋼渣開展一系列研究，在耐磨性能、強(qiáng)度、抗凍融性能方面均優(yōu)于普通的花崗巖等碎石料，性能指標(biāo)等均滿足工程集料的技術(shù)要求，鋼渣所具有的潛在活性被稱為“過燒硅酸鹽水泥熟料”。

從經(jīng)濟(jì)效益方面來看，將鋼渣摻入到道路工程材料中代替部分水泥或部分碎石，從直觀上看，將直接降低道路工程材料成本15%以上。同時，采用鋼渣制備道路工程材料將大幅度提高其服役性能，全壽命周期養(yǎng)護(hù)及維護(hù)成本降低20%以上。

從社會效益來看，將鋼渣應(yīng)用到道路工程中后，大大減少了石料的用量，這樣就避免了大量開采山石，避免了對自然生態(tài)的破壞，同時減少了機(jī)械運(yùn)作，減少了粉塵、尾氣的排放，真正意義上實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，做到了人與自然和諧發(fā)展。鋼渣運(yùn)用到道路工程中實(shí)現(xiàn)了廢物利用、節(jié)能減排，為當(dāng)?shù)貛砹撕芎玫纳鐣б婧徒?jīng)濟(jì)效益，造福了子孫后代。與此同時，水泥中摻入了一定量的鋼渣微粉，減少水泥生產(chǎn)過程中環(huán)境污染。如果將鋼渣用于水泥中，將會大量減少水泥熟料用量，而生產(chǎn)1噸熟料約排放1噸CO2，所以CO2排放量也會大量降低。采用鋼渣制備的瀝青混合料和水泥混凝土具有優(yōu)異的耐磨抗滑性能，公路在運(yùn)營期間，將顯著減少高速公路(尤其是特殊路段)交通事故率，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。在有效提高路面使用品質(zhì)和使用壽命的同時降低全壽命周期成本，助力青海省“平安公路”、“品質(zhì)公路”又好又快發(fā)展。

5 結(jié)論

(1)冶金鋼渣可作為集料應(yīng)用至道路中的水穩(wěn)基層，發(fā)現(xiàn)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加呈現(xiàn)遞減趨勢，但以最佳含水率時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值最優(yōu)，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

(2)冶金鋼渣作為集料用于公路工程，不僅能帶來降低成本，還可以變廢為寶，促進(jìn)自然和諧發(fā)展。