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钢渣在道路工程中的应用郭浪阔

发表时间：2020/9/8 来源：《基层建设》2020年第14期作者：郭浪阔1 王雨苗2

[导读] 摘要：据联合国环境署统计，全球每年会消耗500亿吨的砂石资源，大规模的砂石开采导致洪水、干旱、含水层降低、环境污染等一系列的环境问题。而中国每年钢渣产量超过1.2亿吨，大量的钢渣堆放占用了土地资源，同时造成了严重的环境问题。

        1.长安大学材料学院陕西省西安市 710000 2.四川农业大学园艺学院
        摘要：据联合国环境署统计，全球每年会消耗500亿吨的砂石资源，大规模的砂石开采导致洪水、干旱、含水层降低、环境污染等一系列的环境问题。而中国每年钢渣产量超过1.2亿吨，大量的钢渣堆放占用了土地资源，同时造成了严重的环境问题。欧美国家钢渣利用率高达90%，而我国目前处于起步状态，回收利用的钢渣仅占30%，对钢渣进行回收利用成为目前的研究热点。
        1钢渣的基本性质
        根据炼钢工艺不同，钢渣可分为转炉、电炉和平炉钢渣，宜选用陈放半年以上的转炉或电炉钢渣作为沥青混合料集料[1]。钢渣转变过程经理复杂物理化学变化，其物理性质，化学组成，体积安定性等与天然集料不同。
        1.1钢渣的物理性质
        形貌上，钢渣表面孔隙率大且孔径较大，表面凹凸不平，棱角丰富；其针片状含量低，外观接近于正方体。
        力学性能上，相较玄武岩，石灰岩等天然集料，其密度、吸水率、粘附性、磨光值等指标更大，同时其洛杉矶磨耗值，压碎值更小。钢渣由于多孔结构导致其吸水率较大，远高于天然集料；但其力学性质相较天然石料有较大优势，可以很好的满足路用使用要求[2]。
        1.2 钢渣的化学组成
        钢渣主要由硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁酸二钙、RO（镁、铁、锰的氧化物，即FeO、MgO、MnO形成的固熔体）、游离石灰（ｆ－ＣａＯ）等组成[3]。
        钢渣中含量最高的为CaO和Fe2O3，较高的CaO和Fe2O3赋予钢渣高碱活性，较高的碱活性提高钢渣与沥青的粘附性，使其有潜力成为良好的路用集料。
        1.3 钢渣的体积安定性
        影响集料安定性的主要因素是游离氧化镁、游离氧化钙及RO相的含量。游离氧化镁、游离氧化钙的水化反应所生成的Ca（OH）2和Mg（OH）2导致钢渣体积急剧膨胀，国内普遍采用游离氧化钙含量作为钢渣安定性指标（不大于3%）。
        2改性钢渣沥青混合料的路用性能
        2.1高温稳定性
        改性钢渣沥青混合料高温性能优于天然集料混合料高温性能，其动稳定度可提高约50%~70%。王雅婷等分别以掺量0%、20%、40%、60%、80%、100%的改性钢渣制备了AC-10，SMA-10两种沥青混合料，研究发现，当掺量为40%时，其动稳定度达到最大值[4]
        2.2 低温抗裂性
        由于钢渣，沥青等原材料不同，级配类型，实验条件不同，钢渣沥青混合料的低温性能试验研究结果差异较大。在多因素耦合的状态下，其低温抗裂性能有待进一步研究。现阶段大多数研究结果表明，部分掺入钢渣可以提高其低温抗裂性能[5]。
        2.3 水稳定性
        钢渣沥青混合料的水稳定性明显优于普通天然集料沥青混合料，其冻融劈裂强度比（TSR）相较天然集料沥青混合料可提高3%~13%，对细粒式沥青混合料，钢渣对沥青混合料的水稳性提升程度随最大公称粒径减小而降低。
        此外，改性钢渣沥青混合料水稳性对沥青种类敏感度小，即使采用改性沥青，其对水稳定性的贡献也不大，因此，可以认为钢渣作为集料对抗水损害性的贡献多余沥青。
        部分研究认为，改性钢渣与沥青的粘结情况好于天然集料，其混合料中自由沥青相对较少，结构沥青较多，沥青膜较厚，水稳定性好。改性钢渣呈高碱性，其表面碱性成分可与沥青中的酸性基团发生化学反应，生成沥青酸盐，在其表面形成化学吸附，提高粘结效果，防止剥落、松散等病害[6]。

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        2.4 抗疲劳性能
        掺入改性钢渣后，其疲劳寿命可提高约27%~70%，可从多个角度解释其改性机理。首先，改性钢渣与沥青之间形成化学吸附，提高吸附强度。其次，钢渣表面凹凸不平，使沥青在其表面侵入一定深度形成锚固，有效提高其疲劳寿命。另外，改性钢渣表面能高于天然集料，其降低表面能的趋势更高，与沥青吸附效果更好。综上所述，由于改性钢渣与沥青的粘附性强于天然集料，其抗疲劳性能较天然集料沥青混合料更强。
        3 钢渣的利用现状
        3.1 国外利用情况
        日本的钢渣利用率目前已达95%，其对电炉及转炉钢渣进行外销，填埋，自使用等；美国对钢渣的利用率已经超过98%，用于烧结和高炉再利用以及道路工程的占钢渣使用量的65%以上；瑞典通过向熔融钢渣中加入改性剂，改变其成分，回收后用于水泥生产；阿拉伯地区将电弧炉钢渣用作混凝土外加掺合料，提高混凝土性能；加拿大对钢渣进行改性后用于道路建设。
        3.2 国内道路工程中利用情况
        钢渣用作水泥及混凝土掺合料由于其含有具有火山灰活性的硅酸二钙C2S，硅酸三钙C3S及铁铝酸盐，满足水泥基材料的添加要求，可以作为水泥掺合料生产水泥。
        钢渣代替部分集料由于改性钢渣表面特性好，与沥青粘结力较强，且其强度，耐磨性，耐久性，体积安定性相较天然集料均有优势，因此可部分代替沥青混合料中的天然集料，提升路面强度及稳定性。乌鲁木齐新建钢渣沥青混凝土试验段，其试验段性能良好，满足《公路工程质量检验评定标准》要求，为钢渣用于道路建设指明方向[7]。
        钢渣用于新型自发热路面钢渣由于自身固有特性，其可用作自发热路面的集料，发热路面路面发生损坏时，可以通过对其进行电磁感应加热等方式使路面进行自修复[8 孙吉书等.掺钢渣SBS改性沥青混凝土自修复性能的研究[J].2018，43（3）：202-206]，也可用于冬季路面的融雪除冰，降低融雪剂对环境的污染。
        4 结语
        将钢渣用于道路工程中，充分发挥了钢渣强度高，耐磨性好，表面棱角分明等优点，不但一定程度上解决了钢渣的无处堆放问题，同时减少了对天然石料的开采，缓解了日渐突出的环境问题。但钢渣用作集料时需对其进行表面改性，现阶段所用改性剂大多成本较高，作者认为寻找高效低成本的钢渣改性剂是下一个研究热点。
        参考文献：
        [1]何亮.钢渣沥青混合料应用现状[J].交通运输工程学报.2020，20（2）：15-33.
        [2]谢君.钢渣沥青混凝土的制备、性能与应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.
        [3]张朝晖.钢渣处理工艺与国内外钢渣利用技术[J].钢铁研究学报.2013，25（07）：01-04.
        [4]王雅婷.钢渣集料在沥青路面超薄康磨耗层中的应用研究[D].重庆：重庆交通大学，2013.
        [5]向晓东.钢渣OGFC-13型排水沥青混合料的配合比设计与性能研究[J].武汉科技大学学报.2013，36（6）：272-274.
        [6]丁庆军.钢渣作沥青混凝土集料的研究[J].武汉理工大学学报.2001，23（6）：9-13.
        [7]田思聪.钢渣制备高效钙基 CO2吸附材料用于钢铁行业碳捕集研究[D].北京：清华大学，2016.
        [8]孙吉书.掺钢渣SBS改性沥青混凝土自修复性能的研究[J].2018，43（3）：202-206.
        作者简介：郭浪阔（1999-04-17），男，汉族，籍贯：河南省洛阳市，当前职务：在校本科生，学历：本科在校，研究方向：道路与机场工程材料