鋼渣應用于道路工程的研究

摘　要　敘述了鋼渣的物理力學性質，并針對其膨脹特性提出了如何因勢利導，揚長避短用于道路修建的幾種方法。

關鍵詞　鋼渣　特性　路用性能　對策

1　前言

鋼渣是煉鋼過程中排出的固態(tài)廢棄物。隨著我國鋼鐵產量的逐年提高，鋼渣的排出量也隨之增加，目前全國年鋼渣排出量也有幾千萬噸之多。就我市而言每年冶金企業(yè)產生的尾渣就達近百萬噸之多，大量積存的鋼渣不但對鋼鐵企業(yè)的產生與發(fā)展造成巨大壓力，此廢棄物還成為環(huán)境的污染源。因此，如能將鋼渣成功應用于道路工程，不但為冶金企業(yè)消除了發(fā)展的后顧之憂，減少占用的農田，且為道路建設提供廉價的建筑材料，還減少環(huán)境的污染，是一件即利于企業(yè)，又利于社會的一舉兩得的好事。我市從1995年開始利用鋼渣修筑路面基層，至2003年已成功地將鋼渣應用于蘇邊線、撫白線、沈環(huán)南線、高望線路面基層中，目前觀察強度及剛度均好于水穩(wěn)基層。

2　鋼渣的物理力學性質

鋼渣是一種固態(tài)非金屬物質。通過對撫順鋼鐵公司和撫順市鵝脖嶺鋼鐵廠不同存放期的鋼渣抽樣測定表明，見表1。其物理力學性能與石料比較接近，鋼渣的抗壓強度，磨耗率、壓碎值等主要力學指標可以滿足修筑道路基層，乃至路面的要求。

3　鋼渣在道路中應用的主要問題

鋼渣的主要物理力學性能雖能滿足道路工程對集料的要求，但不能據此認為即可毫無問題地在道路工程中應用，主要問題如下：

(1) 鋼渣的穩(wěn)定性不良

鋼渣與石料的一個主要差別在于其形成時間短暫，當我們將鋼渣看成一種特殊的火成巖時，在它形成的初期鋼渣內的許多分子在與空氣、水、陽光等接觸后將發(fā)生化學反應，生成在自然界中更為穩(wěn)定的新分子，這個過程稱之為鋼渣的陳化。鋼渣在陳化過程中對道路工程造成的危害主要是膨脹與粉化。而造成膨脹與粉化的主要原因有：

a) 游離氧化鈣消解

在潮濕的環(huán)境下，鋼渣中的游離氧化鈣( f - Cao)遇水生成氫氧化鈣[Ca (OH) 2 ]體積增大達1～ 2倍。

b)當鋼渣內含硫量> 3%時，鋼渣中的硫化亞鐵[ FeS]和硫化亞錳[MnS ]與水生成氫氧化鐵[ Fe (OH) 2 ]和氫氧化亞錳[Mn (OH) 2 ] ，體積將分別增大35%～40%及25%～30%。

c)硅酸鹽晶體轉化鋼渣中的硅酸二鈣在500～845℃溫度區(qū)間內，由α及β型向γ型晶體轉變，體積增大10% ～ 20% ，致使鋼渣碎裂。

d)氧化鎂消解

鋼渣中的氧化鎂[MgO ]遇水后生成氫氧化鎂[Mg(OH) 2 ] ，體積增長75% ～80% ，引起鋼渣的脹裂。但是鋼渣內的氧化鎂通常以穩(wěn)定晶體存在，在道路適用的環(huán)境中是穩(wěn)定的。由此可見，游離氧化鈣消解是鋼渣膨脹與粉化對道路造成危害的主要原因。

(2) 鋼渣的密度過大

鋼渣的密度為3. 5 t/m3 左右，是普通石料的1. 2～1. 4倍。鋼渣用于道路工程中，其運輸、拌和、攤鋪時的能耗要增加10%左右。另外，由于鋼渣的密度較大，在地基承載力不足的軟土地區(qū)不宜使用。

(3) 鋼渣對環(huán)境的影響

鋼渣的成份復雜，某些特種鋼的鋼渣內含有害物質，用這類鋼渣筑路，會對道路沿線的環(huán)境造成污染。

4　針對鋼渣膨脹特性的路用對策

針對鋼渣膨脹特性，結合道路工程的具體要求采取相應的對策，是可以找到鋼渣的有效使用方法的。我們知道，鋼渣的活潑化學成份與周圍介質產生化學反應的過程是逐漸發(fā)展的，這是因為鋼渣具有一定粒度，也因為鋼渣內的活潑化學成份在鋼渣內呈不均勻分布狀態(tài)，位于顆粒表面的活潑化學成份與其周圍介質最早接觸，化學反應最早進行，并使鋼渣表面產生碎裂、崩解、剝落、脹裂、裂隙等破壞，使處于鋼渣內部的活潑化學成分外露，并使它們的化學反應得以進行。在活潑化學成份集中部位，化學反應激烈、膨脹力大，該處的膨脹通常會造成整塊鋼渣的碎裂或其某一部分的崩解。在活潑化學成份均勻分布的區(qū)域，化學反應有所進行，但激烈程度與膨脹力較前均有極大消弱，這些區(qū)域內化學反應的結果，通常僅會造成鋼渣表面的剝落、脹裂或松散，而不至于造成整塊鋼渣的碎裂。因此，鋼渣在道路工程中應用可遵循以下原則：

a)應嚴格控制應用于道路工程中的鋼渣粒度，同時應盡量使大粒徑鋼渣穩(wěn)定，這樣就可使鋼渣結構層內化學反應盡快完成，同時也不會因化學反應造成局部集中膨脹。

b)正確設置鋼渣結構層內孔隙，利用鋼渣具有的膨脹特性，用膨脹量去充填原結構層內的孔隙，或引導膨脹量向土基發(fā)展，使土基更趨密實。

c)利用鋼渣化學反應過程中產生的膠體，使該結構層板體作用更強，強度更高。

5　鋼渣的幾種應用方法

(1) 在低等級道路中用鋼渣鋪筑面層這些道路主要是鄉(xiāng)村道路、礦區(qū)道路、高等級道路施工時的便道等。這些道路交通量不大，車速不快，即使鋼渣略有膨脹，也不影響其使用。這類道路使用1～2年后再在上面鋪筑瀝青混凝土路面，則是非常理想的，因為隨著時間的推移，鋼渣內的活性材料均已反應并趨向穩(wěn)定，而使鋼渣層逐漸板結成具有一定強度，比較穩(wěn)定的結構層。

(2) 鋪筑鋼渣基層

鋼渣的另一種應用方法是單純使用鋼渣鋪筑道路基層。由于鋼渣具有一定粒度，因此壓實仍具有一定孔隙，當鋼渣產生膨脹時，大部分膨脹量將充填孔隙，使基層更趨密實。另外，鋼渣在化學反應過程中產生的膠體材料對松散的鋼渣起了膠結作用，而使基層形成具有一定板結性質的半剛性基層。但由于鋼渣的膨脹性和膨脹后鋼渣顆粒的細化，故采用鋼渣鋪筑基層時應注意以下幾點：

a)控制鋼渣的最大粒徑，使膨脹不至于集中于一點；

b)選擇合適的級配與壓實度，使壓實后的基層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。

c)確定合適的游離氧化鈣含量，使膨脹量不至于過大，但又有一定的膠結能力。鋼渣基層，其理想的混合料組成為：( 1)最大粒徑dmax ≤50mm (方孔，下同) 。( 2)粒徑20 ～50mm 占50%～70%，以形成混合料主骨架，其f - Cao含量應< 3% (或其粉化率< 5%) 。通常，露天堆放三個月以上的鋼渣可達到此要求。( 3)粒徑< 20mm 的細渣占30%～50% ，并要求有不少于70% < 5mm 的顆粒。其游離氧化鈣含量6% ～9%。通常，露天堆放期不超過一個月的新渣均可滿足這一要求。建議的級配見表2。

用鋼渣鋪筑級配基層的特點是其承載力不如半剛性基層，其合適的應用范圍是次干道的基層。或高等級公路的底基層。

6　結論

鋼渣應用于道路工程，國內已摸索了數十年，既有成功的經驗，又有失敗的教訓。但鋼渣的應用是社會發(fā)展的需要，而道路工程又是其最大的應用方向。在道路工程中成功地應用鋼渣，源自于對鋼渣特性的認識，也依賴于施工中的認真管理，精心操作。

(1) 鋼渣用于道路工程危害是它膨脹與粉化，若不給予充分認識，采取相應措施就可能對工程造成危害。

(2) 解決鋼渣膨脹與粉化的關鍵是：a)控制鋼渣的最大粒徑； b)設置合適的孔隙率； c)控制鋼渣內(尤其是大粒徑鋼渣)游離氧化鈣含量。

( 3) 目前，提高普通鋼渣穩(wěn)定性的有效途徑是：a)在冶金部門探索鋼渣的處理工藝，力爭在鋼渣的初次處理中，降低游離氧化鈣含量。b)將磁選后的尾渣堆置濕存是經濟可行的陳化方法。

(4)不同冶金企業(yè)的鋼渣均有不同的特性，使用前均需摸清它們的適用性及其陳化規(guī)律。

(5) 應充分利用鋼渣的活性性能。