摘要

针对河北省武安市某钢厂钢渣,主要开展钢渣大比例用于沥青混合料铺筑路面的研究,有效替代粗集料,形成沥青路面材料中的骨架支撑,发挥钢渣抗压强度大?耐磨能力强等特点,提出基于陈化处理的原材料质量控制方法?钢渣沥青混合料体积设计方法,经过路用性能验证后,将钢渣占比提升到35%,钢渣AC-16C沥青混合料成功应用于武安市道路工程路面表层中,取得了明显的技术经济及环保效益?

关键词:路面;钢渣;沥青混合料;膨胀性

1钢渣应用现状

我国钢铁产量现已超过8亿t,稳居世界第一,其中河北省占据总产量的25%,高达2亿t?钢渣是炼钢工业的废渣,钢渣堆放占用土地?容易扬尘甚至会引发滑坡灾害?将陈化处理后的钢渣快速?有效地应用到道路工程建设中是无害化?资源化利用的最佳途径?

在我国,经过多年的试验研究,钢渣的预处理与资源化利用技术已逐步稳定,目前已在半刚性基层?沥青面层中得以推广应用?然而,钢渣在我国的利用率却不足20%?利用钢渣筑路,可以大量消纳钢渣,推动其资源化利用,符合循环经济的发展战略,达到节约天然砂石资源的目的,同时能够减少其堆存所占的土地,对节约型城市的建设意义重大?

河北省武安市是个以钢铁工业为主的新兴城市,道路交通以重载货车为主,同时该地区钢渣产量巨大?本着因地制宜的原则,考虑将陈化处理后的优质钢渣投入于当地某道路工程中,既能消纳钢渣,同时还能提高道路使用性能?该项目的开展将有助于解决武安市钢渣消纳无门?造成环境污染的顽疾,同时还能降低材料采购成本?延长路面养护周期?

2钢渣技术特点

钢渣集料颗粒具有坚硬?耐磨?多孔等特征,路用性能指标见表1?经过合理工艺加工而成的钢渣集料具有强度高?耐磨性好?表面粗糙?与沥青黏附性好的特点,钢渣的压碎值?磨耗值低于石灰岩,略大于玄武岩,吸水率和黏附性与玄武岩相当,而针片状含量与坚固性与石灰岩相当,符合武安市公路自然区划1-3-2(夏炎热冬冷湿润区)对高等级沥青路面表层的技术要求,作为沥青混合料骨架的粗集料,充分发挥其高强?耐磨等优点,可形成具有良好高温抗车辙稳定性?低温抗裂性和耐久性的钢渣沥青混合料,广泛应用于高等级公路和城市道路的沥青面层中?

表1钢渣粗集料路用性能指标

从表1可以看出,钢渣密度与其他组成材料有明显差异,是石灰岩?玄武岩的1.2倍,其混合料配合比应采用体积法设计?然而钢渣存在残留的活性物质,压实后会发生膨胀,表现为壅包?开裂等问题,因此钢渣沥青混合料的膨胀性是其材料组成设计和使用过程中必须控制的关键指标?

钢渣资源化利用最重要的问题是钢渣中游离氧化钙?氧化镁的含量及其膨胀性,游离氧化钙?氧化镁含量偏高一般将导致钢渣?钢渣无机混合料?钢渣沥青混合料等膨胀性过大,影响工程应用?目前我国已经形成一整套钢渣陈化稳定处理技术,可以将钢渣破碎后露天放置约6个月,或者自然放置的同时辅以喷水加快消解,膨胀性问题可以得到有效解决,为钢渣的应用扫清了障碍?

3钢渣在道路工程中的应用技术经验

美国对钢渣的应用早有规范,明确了在解决膨胀性后可以将钢渣用于道路回填?底基层?基层和沥青混合料面层等工程中?经调研发现,许多国家已有多个关于钢渣骨料在路面工程中应用的标准?我国也不例外,先后出台了钢渣在工程回填?路面基层?沥青混合料?透水沥青路面?耐磨沥青路面等工程中应用的技术规范,明确了钢渣稳定性检测方法?早在年,北京市公路局公路设计研究院已开展相关研究,并发表了关于钢渣修筑SMA沥青路面的发明专利,开创了我国将钢渣用于SMA路面技术的先河?

年,财政部和税务总局联合下发财税78号文推动资源综合利用国策的落地,明确规定钢渣应用单位可享受产品与劳务的增值税即征即退政策,为钢渣利用“插上翅膀”?

总之,钢渣在道路工程中的应用技术逐渐成熟,该项目针对武安市的交通?气候特点,发挥循环经济和可持续发展理念,将钢渣用于铺筑道路的沥青路面表层,将有助于提升地产资源的综合利用水平,更好地实现城市转型发展?

4钢渣沥青混合料性能研究

钢渣在道路工程中的应用,关键是保证路面在铺筑后不发生膨胀变形破坏?原材料优选后,材料配合比设计是钢渣混合料的关键,由于钢渣密度与普通集料差异较大,因此采用体积设计方法确定最佳油石比?

4.1材料检验

按照工程要求,选择我国A级沥青道路石油沥青作为该项目的胶结料?为了充分发挥骨架结构功能,粗集料必须表面粗糙?洁净?干燥?选择本地的粒径为5~10mm钢渣和外购的粒径为10~15mm石灰岩粗集料来配制钢渣AC-16C沥青混合料,具体技术指标见表2?

表2AC-16C沥青混合料技术指标

4.2配合比设计

4.2.1矿料组成设计

在进行钢渣AC-16C沥青混合料配合比设计时,根据骨架密实理论,考虑到掺加钢渣集料的规格,初步提出了工程设计级配范围?为此采取智能优化的方法确定矿料组成,见表3。

表3钢渣AC-16C沥青混合料矿料组成

从表3可以看出,钢渣AC-16C沥青混合料级配接近规范中值,形成的级配曲线线形较好?由于武安市的钢渣膨胀性较大,在工程中的掺量一直较低,几乎没有超过20%的实例,该项目将钢渣掺量提高到35%,突破了应用极限?

4.2.2最佳油石比确定

选取5个油石比进行马歇尔试验,采用表干法测定试件毛体积密度,采用真空法实测理论最大相对密度,从而计算其体积指标?钢渣AC-16C沥青混合料的物理力学指标见表4。

基于以上物理力学指标优化得到,钢渣AC-16C的最佳油石比为4.6%,有效沥青含量为3.87%,粉胶比为1.5,沥青膜有效厚度为8.3μm,可以保证充足的路面耐久性?

表4钢渣AC-16C沥青混合料物理力学指标

4.3沥青混合料的性能检验

为了检验目标配合比设计的可靠性,按照规范要求,对钢渣AC-16C沥青混合料进行了全面的路用性能指标检验,结果见表5?

表5钢渣AC-16C沥青混合料路用性能指标

从表5可以看出,钢渣AC-16C沥青混合料的动稳定度和残留稳定度?冻融劈裂强度比?低温极限应变和渗水系数均符合规范要求,且膨胀性小于规范1.5%的要求,因此钢渣AC-16C沥青混合料可以在工程中应用?

5钢渣AC-16C沥青混合料在武安市路面表层的应用

年11月,钢渣AC-16C沥青混合料在河北省武安市钢铁退城进园配套道路工程中成功应用?先后攻克了钢渣的陈化预处理?材料设计及应用的关键技术,完成了钢渣品种优选?目标配合比设计?生产配合比设计以及现场的施工?

该道路工程宽16m,长m,现场组织了2台摊铺机?3台压路机等主要施工设备,拌合站组织10余辆自卸货车,提供不间断的运输保障,确保钢渣AC-16C沥青混合料的连续施工作业?考虑到钢渣导热性好,将拌和温度提高5~10℃,2台摊铺机保持较近距离,同步推进,路面中央形成纵向热接缝?碾压作业采用“紧跟慢压”方式进行,使碾压作业始终在有效温度范围内,确保钢渣AC-16C沥青混合料的碾压密实?

累计铺筑钢渣AC-16C沥青混合料多t,有效替代优质集料多t,铺筑面积达m2?该次钢渣替代集料35%,按照集料元/t?钢渣30元/t计算,每吨节约成本90元,经济效益十分可观?

6结语

从环保角度来看,钢渣沥青混合料在武安市道路工程路面表面层建设与养护工程中的应用,目前的利用率占混合料的三分之一,随着今后研究的深入和技术的发展,这个比例将继续增大,大量的钢渣将变废为宝,广泛应用于城市道路建设,对缓解城市建设砂石料资源紧张?发展城市循环经济?推动节约型城市建设具有重要意义。

一、项目背景

钢渣是炼钢过程中排出的废渣，主要是由造渣材料、冶炼反应物、侵蚀脱落炉体、补炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢渣性质而加入的造渣材料所组成的复合固溶体。废弃钢渣侵占耕地、河道，造成环境污染，如何将其变废为宝，一度成为一个难题。

图1废弃钢渣侵占河流

二、钢渣的路用性能

钢渣的物理力学性能堪比天然集料，还具有很好的耐磨、防滑性能、抗车辙性，完全可以满足道路材料的有关要求。将钢渣用作集料配制沥青混合料，是钢渣资源化利用的一个重要途径。

钢渣碱度较高却恰恰有益于其作沥青混凝土集料的特性。沥青混凝土主体构架主要由集料与沥青接触而成，沥青分子与集料之间通过机械粘结和极性作用进行粘附，这也是评价沥青混凝土优劣的重要参数。沥青中含有环烷酸，与钢渣碱性集料接触时，环烷酸中所含羧基会与钢渣表面碳氢键吸引，使得沥青分子更为牢固吸附在集料表面，从而提高沥青与集料的粘附性。钢渣改善沥青混凝土粘附性还有助于提高一系列路用性能。

三、钢渣沥青混凝土技术的应用

钢渣沥青混凝土技术应用前，需要通过对钢渣沥青混合料进行高温稳定性、动稳定度、水稳定性、低温稳定性、体积稳定性等试验，确保其路用性能完全能满足规范要求。

图2钢渣筛分

图3混合料试配

钢渣混凝土不仅有性能优势，还有它的价格优势。钢渣价格不仅低廉，经过破碎筛分后，还可以回收其中的金属Fe。这样既实现了资源的循环利用，又能够降低建筑工程的造价。

图4钢渣沥青混凝土摊铺

钢渣沥青混凝土目前已经在邯郸市武安西三环道路工程、山西阳莽高速公路等项目中进行了应用，积极响应了我国提倡的生态环保理念，实现了工业固废的再生循环利用。

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