钢渣应用于道路工程的研究

摘　要　叙述了钢渣的物理力学性质，并针对其膨胀特性提出了如何因势利导，扬长避短用于道路修建的几种方法。

关键词　钢渣　特性　路用性能　对策

1　前言

      钢渣是炼钢过程中排出的固态废弃物。随着我国钢铁产量的逐年提高，钢渣的排出量也随之增加， 目前全国年钢渣排出量也有几千万吨之多。就我市而言每年冶金企业产生的尾渣就达近百万吨之多， 大量积存的钢渣不但对钢铁企业的产生与发展造成巨大压力，此废弃物还成为环境的污染源。因此，如能将钢渣成功应用于道路工程，不但为冶金企业消除了发展的后顾之忧，减少占用的农田，且为道路建设提供廉价的建筑材料，还减少环境的污染，是一件即利于企业，又利于社会的一举两得的好事。我市从1995年开始利用钢渣修筑路面基层，至2003年已成功地将钢渣应用于苏边线、抚白线、沈环南线、高望线路面基层中，目前观察强度及刚度均好于水稳基层。

2　钢渣的物理力学性质

     钢渣是一种固态非金属物质。通过对抚顺钢铁公司和抚顺市鹅脖岭钢铁厂不同存放期的钢渣抽样测定表明，见表1。其物理力学性能与石料比较接近，钢渣的抗压强度，磨耗率、压碎值等主要力学指标可以满足修筑道路基层，乃至路面的要求。

3　钢渣在道路中应用的主要问题

      钢渣的主要物理力学性能虽能满足道路工程对集料的要求，但不能据此认为即可毫无问题地在道路工程中应用，主要问题如下：

      (1) 钢渣的稳定性不良

     钢渣与石料的一个主要差别在于其形成时间短暂，当我们将钢渣看成一种特殊的火成岩时，在它形成的初期钢渣内的许多分子在与空气、水、阳光等接触后将发生化学反应，生成在自然界中更为稳定的新分子，这个过程称之为钢渣的陈化。钢渣在陈化过程中对道路工程造成的危害主要是膨胀与粉化。而造成膨胀与粉化的主要原因有：

      a) 游离氧化钙消解

     在潮湿的环境下， 钢渣中的游离氧化钙( f - Cao)遇水生成氢氧化钙[Ca (OH) 2 ]体积增大达1～ 2倍。

      b)当钢渣内含硫量> 3%时，钢渣中的硫化亚铁[ FeS]和硫化亚锰[MnS ]与水生成氢氧化铁[ Fe (OH) 2 ]和氢氧化亚锰[Mn (OH) 2 ] ，体积将分别增大35%～40%及25%～30%。

      c)硅酸盐晶体转化钢渣中的硅酸二钙在500～845℃温度区间内， 由α及β型向γ型晶体转变， 体积增大10% ～ 20% ，致使钢渣碎裂。

      d)氧化镁消解

      钢渣中的氧化镁[MgO ]遇水后生成氢氧化镁[Mg(OH) 2 ] ，体积增长75% ～80% ，引起钢渣的胀裂。但是钢渣内的氧化镁通常以稳定晶体存在，在道路适用的环境中是稳定的。由此可见，游离氧化钙消解是钢渣膨胀与粉化对道路造成危害的主要原因。

      (2) 钢渣的密度过大

      钢渣的密度为3. 5 t/m3 左右，是普通石料的1. 2～1. 4倍。钢渣用于道路工程中，其运输、拌和、摊铺时的能耗要增加10%左右。另外，由于钢渣的密度较大，在地基承载力不足的软土地区不宜使用。

      (3) 钢渣对环境的影响

     钢渣的成份复杂，某些特种钢的钢渣内含有害物质，用这类钢渣筑路，会对道路沿线的环境造成污染。

4　针对钢渣膨胀特性的路用对策

      针对钢渣膨胀特性，结合道路工程的具体要求采取相应的对策，是可以找到钢渣的有效使用方法的。我们知道，钢渣的活泼化学成份与周围介质产生化学反应的过程是逐渐发展的，这是因为钢渣具有一定粒度，也因为钢渣内的活泼化学成份在钢渣内呈不均匀分布状态，位于颗粒表面的活泼化学成份与其周围介质最早接触，化学反应最早进行，并使钢渣表面产生碎裂、崩解、剥落、胀裂、裂隙等破坏， 使处于钢渣内部的活泼化学成分外露，并使它们的化学反应得以进行。在活泼化学成份集中部位，化学反应激烈、膨胀力大，该处的膨胀通常会造成整块钢渣的碎裂或其某一部分的崩解。在活泼化学成份均匀分布的区域，化学反应有所进行，但激烈程度与膨胀力较前均有极大消弱，这些区域内化学反应的结果，通常仅会造成钢渣表面的剥落、胀裂或松散， 而不至于造成整块钢渣的碎裂。因此，钢渣在道路工程中应用可遵循以下原则：

      a)应严格控制应用于道路工程中的钢渣粒度， 同时应尽量使大粒径钢渣稳定，这样就可使钢渣结构层内化学反应尽快完成，同时也不会因化学反应造成局部集中膨胀。

      b)正确设置钢渣结构层内孔隙，利用钢渣具有的膨胀特性，用膨胀量去充填原结构层内的孔隙，或引导膨胀量向土基发展，使土基更趋密实。

      c)利用钢渣化学反应过程中产生的胶体，使该结构层板体作用更强，强度更高。

5　钢渣的几种应用方法

      (1) 在低等级道路中用钢渣铺筑面层这些道路主要是乡村道路、矿区道路、高等级道路施工时的便道等。这些道路交通量不大，车速不快，即使钢渣略有膨胀，也不影响其使用。这类道路使用1～2年后再在上面铺筑沥青混凝土路面，则是非常理想的，因为随着时间的推移，钢渣内的活性材料均已反应并趋向稳定，而使钢渣层逐渐板结成具有一定强度，比较稳定的结构层。

      (2) 铺筑钢渣基层

     钢渣的另一种应用方法是单纯使用钢渣铺筑道路基层。由于钢渣具有一定粒度，因此压实仍具有一定孔隙，当钢渣产生膨胀时，大部分膨胀量将充填孔隙，使基层更趋密实。另外，钢渣在化学反应过程中产生的胶体材料对松散的钢渣起了胶结作用，而使基层形成具有一定板结性质的半刚性基层。但由于钢渣的膨胀性和膨胀后钢渣颗粒的细化，故采用钢渣铺筑基层时应注意以下几点：

      a)控制钢渣的最大粒径，使膨胀不至于集中于一点；

      b)选择合适的级配与压实度，使压实后的基层既有一定孔隙供膨胀去充填，又不至于因大颗粒裂解造成支承不足。

      c)确定合适的游离氧化钙含量，使膨胀量不至于过大，但又有一定的胶结能力。钢渣基层，其理想的混合料组成为：( 1)最大粒径dmax ≤50mm (方孔，下同) 。( 2)粒径20 ～50mm 占50%～70%，以形成混合料主骨架，其f - Cao含量应< 3% (或其粉化率< 5%) 。通常，露天堆放三个月以上的钢渣可达到此要求。( 3)粒径< 20mm 的细渣占30%～50% ，并要求有不少于70% < 5mm 的颗粒。其游离氧化钙含量6% ～9%。通常，露天堆放期不超过一个月的新渣均可满足这一要求。建议的级配见表2。

    用钢渣铺筑级配基层的特点是其承载力不如半刚性基层，其合适的应用范围是次干道的基层。或高等级公路的底基层。

6　结论

     钢渣应用于道路工程，国内已摸索了数十年，既有成功的经验，又有失败的教训。但钢渣的应用是社会发展的需要，而道路工程又是其最大的应用方向。在道路工程中成功地应用钢渣，源自于对钢渣特性的认识，也依赖于施工中的认真管理，精心操作。

      (1) 钢渣用于道路工程危害是它膨胀与粉化， 若不给予充分认识，采取相应措施就可能对工程造成危害。

      (2) 解决钢渣膨胀与粉化的关键是：a)控制钢渣的最大粒径； b)设置合适的孔隙率； c)控制钢渣内(尤其是大粒径钢渣)游离氧化钙含量。

      ( 3) 目前，提高普通钢渣稳定性的有效途径是：a)在冶金部门探索钢渣的处理工艺，力争在钢渣的初次处理中，降低游离氧化钙含量。b)将磁选后的尾渣堆置湿存是经济可行的陈化方法。

      (4)不同冶金企业的钢渣均有不同的特性，使用前均需摸清它们的适用性及其陈化规律。

      (5) 应充分利用钢渣的活性性能。