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1、水泥、粉煤灰稳定钢渣在高速公路底基层应用的原材料试验与分析摘 要：钢渣传统上是作为治金工业排放的废料，本文介绍了将钢渣作为高速公路底基层材料的原材料试验，探讨了钢渣作为高速公路路面基层材料的评价标准，并进行了其路用适应性分析。关键词：道路工程；钢渣；高速公路；底基层；试验0 前 言钢渣是冶金工业排放的第二大渣，随着我国钢铁工业的发展，钢渣的排放量也逐年扩大，大量钢渣废弃堆放，侵占农田、污染环境，已成为社会的一大公害。在欧美等发达国家的钢渣利用率已近100，；而我国的钢渣利用率较低，造成了大量钢渣的积存。究其原因，虽然道路建设是大规模利用钢渣的有效途径，但由于钢渣有其相对特殊的物理力学性能，我国
2、曾进行过的应用尝试有些没有成功，致使推广应用较慢。近年来我国公路工程特别是高速公路的快速发展，对建筑材料尤其是石料的需要量增加，如果能将钢渣代替石料，安全而经济地用于道路工程建设，将大大降低道路工程建设费用，另一方面也增加钢铁企业的经济效益。 1 背景工程情况概述昌金高速公路是上海至云南瑞丽国道主干线在江西省境内的西段，路线经过新余和萍乡两个主要的钢渣、粉煤灰生产地。从环保、公路的可持续发展及降低工程造价等方面综合考虑，经认真分析论证，认为在昌金高速公路进行水泥、粉煤灰稳定钢渣底基层的应用研究具有非常重要的意义。2 原材料试验2.1粉煤灰水泥粉煤灰稳定钢渣采用的粉煤灰取自萍乡电厂，粉煤灰的主要
3、技术指标均符合规范要求（见表1）。表1序号检验依据检验项目单位检验结果规范要求1GB/T176-96GB212-91SiO2%61.85702Al2O3%22.873Fe2O3%5.024CaO%3.655MgO%1.496SO3%0.247Loss%8.30208比表面积cm2/g28002500收稿日期：2004-12-17本课题为交通部科技项目；课题号：2003353336300本课题为江西省省级科技项目；课题号：工业攻关20030292.2水泥所用青峰水泥所检项目符合水泥强度等级P.O.32.5要求，具体指标略。2.3钢渣水泥粉煤灰稳定钢渣厂使用的钢渣是萍乡钢厂排放的钢渣。为保证水泥粉
4、煤灰稳定钢渣混合料的稳定性，取自萍乡钢渣堆场, 采用通过5mm筛的钢渣, 其化学成分见表2。表2样品化 学 成 分SiO2Fe2O3CaOMgOTiO2+Al2O3FeOf-CaO新渣9.0412.4648.258.933.3413.806.98老渣7.1114.9142.0410.682.3211.782.83 原材料技术要求国内外己有资料表明，路面工程师尤其注意钢渣的路用稳定性。常规路用石料为随地球的演变而自然形成，其化学性能与耐久性能较稳定；而钢渣具有粉化膨胀的特性，随意取用易引起道路的膨胀起裂，危害较大。引起膨胀的最主要原因是钢渣内所含的游离氧化钙遇水反应生成氢氧化钙，体积增大1-2倍
5、，因此，对钢渣的质量控制通常为钢渣所含游离氧化钙数量或相关性能。对萍乡钢渣的稳定性研究分以下几点进行：1)钢渣内游离氧化钙含量的测定；2)钢渣混合料浸水膨胀性测定。3.1钢渣的物理力学稳定性测试钢渣的物理力学稳定性测试值见表3，钢渣样品根据龄期分为新渣（半年内）、及1年渣进行研究，并根据颗粒组成，各龄期的钢渣都分为0-10mm及大于10mm两种粒径范围的集料。钢渣内游离氧化钙含量的测定见表4。表3 钢渣的物理力学性质类别视 密 度饱和面干吸水率（）磨耗值（）压碎值（）粗细天然新渣3.3353.4523.4063.923.927.0一年渣3.3343.4123.3824.218.426.4表4
6、萍乡钢铁公司钢渣内游离氧化钙含量存放期半年内一年fCaO含量（）6.982.803.2钢渣的特性分析从表2 可以看出钢渣的化学成份主要是由SiO2、Al2O3、CaO、 MgO、Fe2O3、fCaO。钢渣的成分决定了其性质。 3.2.1硅酸盐分解 钢渣中含有相当数量的硅酸二钙（C2S）矿物，以、d、和4种晶体状态存在，在一般情况下，它们是稳定的。由于它们各自生成时的温度与具有极限比重及安定性不同，在温度为675时，C2S由型晶体转变为型晶体，体积增大约10，引起钢渣的破裂粉化。喷水冷却，可以缩短这个过程的进行。钢渣硅酸盐分解现象在钢渣冷却过程中开始，并且在其冷却后几天甚至几个小时内就基本结束。
7、分解现象结束后，含有C2S 的钢渣在常温下结构是稳定的。3.2.2铁、锰分解 钢渣中的FeS、MnS在水的作用下，生成氧化亚铁和氢氧化锰，同时体积发生膨胀，体积相应增大38和24，致使在钢渣中产生内应力，当FeS或MnS含量很高，该内应力超过钢渣本身组织的结合力时，就会导致酥碎，即所谓铁分解或锰分解。只有当钢渣中FeS、MnS的含量大于3或当硫的含量大于1时才会发生铁、锰的分解。萍乡的钢渣中硫的含量很低。通常在1以下，因此钢渣不会发生这种分解。 3.2.3fCaO 遇水分解 在炼钢过程中，由于不断添加石灰，渣的碱度逐渐提高，矿物的组成也随之变化，炼钢初期，钢渣中碱度低，主要矿物为橄榄石(CaO
8、ROSiO2，其中RO为MgO、FeO、MnO的固熔体的总称)，随着碱度不断增加，依次发生如下反应：2(CaOROSiO)十CaO3CaORO2SiO2RO (橄榄石) (镁蔷薇辉石)3CaOROSiO十CaO2(CaOSiO2)RO2CaOSiO2十CaO3CaOSiO2由于上述反应是连续不断而又非均匀进行，因此在钢渣中就有未吸收的原生石灰，部分吸收的弥散状石灰，或是在液渣中析晶的次生石灰，这三种石灰不同于经100012000C烧成的普通生石灰。普通生石灰是一种结晶颗粒小的多孔结构，有很大的内表面积和间隙率，具有强烈的水化反应能力。钢渣中的这些游离氧化钙都经受了1700左右的高温锻浇，其结构
9、致密，结晶颗粒粗大，水化速度极慢，在常温下比水泥熟料中的锻烧(14000C)fCao更难水化。同时，钢渣中f-CaO固溶了一定量的MgO、FeO和MnO，其含量超过15，形成带状结构，使其反应能力降低，具有水化缓慢特点。当f-Ca0与水接触时，会渐渐消解生产Ca(0H)2，体积增加约一倍，使钢渣中产生内应力，内应力随fCa0含量的增多而增大，当其超过钢渣本身的结合力时，就会导致钢渣崩裂甚至粉化。3.2.4f-MgO吸水分解 近年来，国内外为提高转炉炉龄而采用在冶炼中提高MgO操作，造成渣中MgO浓度的增加。由于MgO的浓度较高而可能造成钢渣后期体积不安定，因而引起了各国研究者的普遍重视。 钢渣
10、中MgO的形态与钢渣中MgO、FeO的等2价金属氧化的含量及钢渣的碱度有关。根据碱度的高低可分为三类：即碱度较高时，钢渣的矿物组成是以硅酸3钙为主；碱度较低时，是以硅酸2钙为主；碱度很低时，是以钙镁橄榄石为主。萍乡钢渣的矿物组成是以硅酸2钙为主。在碱度低的钢渣中，所含MgO主要为化合状态存在于钙镁橄榄石和镁蔷薇辉石等矿物中。以往的研究成果表明，以钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石形式存在的MgO不会引起安定性不良，此时RO相主要是含少量Fe2O3的方铁石(FeO)，它不会引起安定性不良。在碱度高的钢渣中，含有较多的FeO及MnO，他们能与MgO形成广阔的固溶体。所以MgO既非化合态，又非游离态，而是存在于
11、RO相固溶体中。已有的研究结果表明，RO的稳定性与其化学组成紧密相关，参数MgO/(FeO+MnO)可作为钢渣的RO相属性参数，以符号KM表示。根据KM值的大小，可将钢渣中的RO相分成3种：KM1，RO为方铁石；KM1，RO相为方镁石KM1，RO为方铁石或方镁石。当KM1，MgO不影响钢渣的稳定性。当KM1时，钢渣的稳定性可能会受到影响。当KM1时，钢渣的稳定性有2种可能。萍乡钢渣的KM1，所以fMg0吸水分解不会影响钢渣的稳定性。通过上述分析可知，硅酸盐分解是晶体转化造成的，它发生在溶渣冷却到常温过程中，一般几天时间即可完成，由于硅酸盐分解，使钢渣由大块变成小块或细粉。研究已经表明：通过常压
12、沸煮和高压蒸煮两种稳定性试验的结果发现，钢渣粉化膨胀与其f-Ca0含量存在着明显的相关性，而与其它化学成份和因素关系不大。存放期1年的钢渣大部分已完成膨胀粉化过程，但必须采取必要的措施，严格限制使用粒径过大的渣块，选用合理的施工工艺等，以保证使不稳定的钢渣遇水后出现的膨胀控制在工程允许的范围之内。从钢渣的矿物组成中可以看出，钢渣中含有水硬性胶凝矿物C2S及C11A7CaF2(富铝酸钙)等。这些矿物具有水硬活性，遇水则发生水化反应，生成C-S-H凝胶及CH等。C2S本身虽然水化速度较慢，早期强度较低，但是，由于钢渣中的C2S固熔引入杂质，易致使其晶体畸化，因此水化速度有所增加，到水化后期C2S等
13、大量水化，胶结料的强度较高，因此钢渣具有一定的水硬活性。作为路基材料，具有水硬性的钢渣比碎石能更好地提高地基的承载能力和变形模量。3.3水泥粉煤灰稳定钢渣混合料试件浸水膨胀性测定由于钢渣在使用中的主要问题是膨胀破坏问题，而且按照本研究使用方法，因此采用CBR方法测钢渣混合料的稳定性，已经做的稳定性试验采用1种龄期3种级配水泥粉煤灰稳定钢渣混合料 试验结果见表5，CBR试验结果见表6。试验结果表明：试件的膨胀率很小，与以往我们所做的水泥稳定类基层相比，基本相同（试件编号含义见表2）。表5 水泥粉煤灰稳定钢渣混合料膨胀率试验结果试件编号膨胀率，A10.0075A30.0125A50.0089C10
14、.0089C30.0080C50.0092E10.0081E30.0075E50.0108表6三种级配不同水泥剂量试件的CBR值表编号 CBR（%）编号 CBR（%）编号C BR（%）A1270C1314E1305A3201C3282E3215A5148C5190E51623.4原材料基本结论3.4.1钢渣的压碎值 两类钢渣的压碎值均小于30，满足交通部颁公路路面基层施工技术规范(JTJ05894)中有关道路路面基层粒料混合料使用碎石的抗压碎能力，即在承受施工机械作用时不产生道路工程不容许的碎裂。3.4.2根据试验数据 钢渣内游离氧化钙含量随龄期的增长而明显减少，按目前钢渣的处理工艺，一年以后
15、即基本稳定在以内。3.4.3由膨胀率试验结果可见 具有一定级配的水泥粉煤灰稳定钢渣混合料在压实之后可自行板结成整体，因此，使用此种结构层可按半刚性基层对待。3.4.4试验证明 钢渣内的游离氧化钙具有一定的作用。因为它在与水反应生成氢氧化钙的同时将对松散的钢渣起胶结作用。当钢渣混合料内的游离氧化钙过多时，生成氢氧化钙时的膨胀且使已压实的颗粒发生错动与松散，相反，当钢渣内游离氧化钙过少时，钢渣的胶结能力过低，使得颗粒胶结不牢，无侧限抗压强度同样很低。增加水泥，或钢渣游离氧化钙含量合适时，颗粒胶结力较强，同时膨胀的体积可以全部或大部分的去填充颗粒间的空隙。水泥粉煤灰稳定钢渣混合料试件的CBR值可达到
16、标150-300，正确使用可以形成高承载力的道路基层。尤以级配C的CBR最高。 此外，钢渣混合料膨胀量较小，满足道路使用要求。3.4.5原材料的作用 在混合料中，钢渣仅作为骨料，水泥，粉煤灰起结合料和填充料的使用，混合料内空隙小，钢渣稍有膨胀即会危及结构层的稳定，因此要严格控制游离氧化钙的含量(小于3)是合理的。4 原材料使用建议由以上分析可知，萍乡一年钢渣力学和稳定性均满足底基层要求。钢渣具有一定的活性，如用做道路建筑材料，应着重安全使用的前提，解决稳定性问题；另一方面，由于牵扯到道路、冶金两大行业，两者必须分工明确，通力合作，取得各方面政策上的支持与认识上的统一，使钢渣这一活性材料顺利应用
17、于施工。4.1用于道路基层时必须考虑合适的级配，使钢渣内的空隙恰好能被游离氧化钙遇水产生的膨胀所填充，以获得足够的强度和密实度。如果钢渣中粗集料过多，空隙率过高，开始时遇靠大颗粒间的嵌挤摩擦可取得一定的强度和稳定性，但随着钢渣中游离氧化钙的消解，钢渣体积膨胀的同时，崩解为小粒径颗粒，填充了原有的空隙，如果空隙过大，可能引起面层高程的下降；同样，如果钢渣中细集料过多，则易引起相反情况。由于这一要求，钢渣基层道路施工建设时的压实度不仅考虑下限，亦应考虑一定上限，即留(下转第8页)出一定空间供膨胀填充。一个工厂生产的钢渣，由于其矿石来源，冶炼工艺的相对稳定，其化学成分通常是稳定的。因此，道路施工单位
18、应根据钢铁厂家的钢渣生产线的具体情况和道路需要提出具体的级配要求，供料单位应保证钢渣颗粒组成使用的稳定性。4.2钢渣的陈化与管理控制钢渣内的游离氧化钙含量方法较多，主要有堆积陈化法等，也通过改进钢铁的冶炼工艺或钢渣的处理工艺进行控制，各钢渣生产厂家应根据自身条件，选择合适的方法。堆积陈化法包括自然消解法和湿存方法，在历史较长，工艺已定型，进行技术改造较麻烦的厂家可采用此法。并且对于陈化了的钢渣，建议采用条推法进行管理，即按生产时间有序堆放、取用钢渣，以保证控制游离氧化钙的含量。4.3钢渣使用的就近性钢渣的比重一般比常规石料大，因此，如远途运输，使用运费高，反而不合算。建议钢渣用于钢厂周围的道路建设。此外，地基承载力不足的地方，慎用钢渣做筑路材料。4.4钢渣使用的安全性钢渣做基层材料的推广方向考虑到级配钢渣做道路基层时，钢渣的膨胀将向约束弱的方向发展，城市道路由于两侧建筑较多，可能会引起膨胀破坏，即钢渣用于公路较城市道路要安全。同样，用于水泥混凝土路面道路较沥青混凝土道路要安全。影响钢渣作路基垫层，使用的另一个要求是钢渣的力学强度，试验测试表明，钢渣压碎值26.3，小于现行规范的30指标，钢渣的力学性能指标完全能满足道路施工要求。5 结 语本课题的背景工程高速公路已于2004年9月建成通车，经行车实际使用，试验路段目前效果良好。
