李新明， 张小旺， 乐金朝， 尹 松

(1.中原工学院 建筑工程学院， 河南 郑州 450007； 2.河南省交通科学技术研究院有限公司， 河南 郑州 450003； 3.郑州大学 水利与环境学院， 河南 郑州 450003)

电炉钢渣路床材料安定性能试验研究

李新明1， 张小旺2， 乐金朝3， 尹 松1

(1.中原工学院 建筑工程学院， 河南 郑州 450007； 2.河南省交通科学技术研究院有限公司， 河南 郑州 450003； 3.郑州大学 水利与环境学院， 河南 郑州 450003)

钢渣陈化龄期与钢渣粒径对钢渣安定性影响较大。以舞钢电炉钢渣为研究对象，分析钢渣陈化龄期、钢渣粒径对游离氧化钙f-CaO、粉化率等影响规律，结合CBR膨胀量综合评价电炉钢渣路床材料体积稳定性。结果表明：电炉钢渣f-CaO含量较转炉钢渣低；随陈化龄期延长，电炉钢渣f-CaO含量呈减小趋势。各粒径范围钢渣粉化率均随陈化龄期增长呈下降趋势，但不同粒径钢渣粉化率相差较大，粒径大的钢渣颗粒较粒径小的颗粒粉化率大。钢渣CBR膨胀量随陈化龄期的增加而减小，随钢渣粒径的增大而单调增大。与路床设计4%石灰土相比，掺8%钢渣稳定土CBR膨胀量较小，工程应用验证了钢渣用于处治路床材料的可行性。

钢渣； 安定性； 粉化率； 陈化龄期； 粒径

钢渣是炼钢工业副产品，主要来自于为炼钢工艺需要而加入的造渣材料[1]。截止2013年，中国粗钢产量约占全世界总产量的一半左右，钢渣年产出量高达4 000万t以上。但与欧美发到国家高达90%以上的综合利用率相比，我国钢渣的综合利用率仅为10%左右[2，3]。钢渣的大量堆积已成为我国重要的环境与社会问题。如何将这些钢渣合理高效的利用，是当今科学研究的热点问题。

钢渣用于建筑材料的研究已有几十年的历史，对其工程应用可行性及其劣化机理均已有较为深刻的认识。研究成果表明[4，5]，限制钢渣大规模工程应用的关键因素是其安定性。钢渣由于其特殊的形成过程，其物理力学性状与炼钢工艺密切相关[6]。目前，我国炼钢以转炉为主，对于钢渣的研究主要集中于转炉钢渣。近年来，由于电炉炼钢工艺的经济与环境优势，产量持续增加，电炉钢渣排放量也日益增加。电炉钢渣与转炉钢渣特点有很大差别，但电炉钢渣安定性及工程应用研究仍较薄弱[7，8]。电炉钢渣的安定性研究对于其在道路工程中的应用十分必要[9]。

钢渣陈化龄期与钢渣粒径是影响钢渣安定性的两个重要因素。本文参考已有体积稳定性检测方法，分别从钢渣陈化龄期、钢渣粒径角度对f-CaO、粉化率等安定性表征指标进行研究，并结合CBR膨胀量综合分析电炉钢渣体积稳定性能的陈化龄期与钢渣粒径效应，为其在路基工程中的应用提供参考依据。

1 试验材料

① 钢渣。试验用钢渣为舞钢电炉钢渣。堆积钢渣在空气、水、阳光等作用下发生化学反应，生成在自然环境下更稳定的新分子，这个过程称为钢渣的陈化。陈化龄期对钢渣安定性影响较大，处理不好将会对道路工程造成一定病害。

选取3种不同陈化时间的自然渣为研究对象，表观密度2.57～2.74 g/cm3，与普通石料密度基本相同，但较粘土压实路基密度大约30%，在软土路基地段慎用。化学成分如表1所示[10]。从表1可知：该钢渣氧化钙(CaO)含量高达49%，3种龄期钢渣的碱度均大于2.5，属高碱度的硅酸三钙渣，活性较大。

表1 不同龄期钢渣的主要化学成分Table1 Chemicalcompositionofsteelslagwithdifferentages%成分新渣4月渣8月渣CaO494448514761MgO532519508SiO2148915121415Al2O3141613061364Fe2O3224217200f-CaO266284108

② 石灰。采用舞阳钢铁公司钙质生石灰，属三级石灰。

③ 土样。取自叶舞高速公路施工现场，液限41.6%，塑限22.2%，为低液限黏土[11]，其最佳含水率14.5%，最大干密度1.90 g/cm3。

2 试验结果与分析

2.1 f-CaO含量及其规律研究

影响钢渣工程应用的主要原因是其体积安定性较差。钢渣的体积安定性差与游离氧化钙(f-CaO)、氧化镁、氧化铁等密切相关。如氧化钙与水结合形成氢氧化钙，体积增大1～2倍；氧化镁与水反应后形成氢氧化镁，体积增大约75%。但研究表明，氧化镁一般以晶体状态存在，在道路工程中基本处于稳定状态[12]。若游离氧化钙含量较高，将会导致路基隆起、裂缝等病害产生。游离氧化钙是最主要的影响因素[1]。

为了解陈化龄期对钢渣f-CaO含量的影响，对陈化龄期为0月、4月、8月钢渣进行f-CaO含量测试，同时搜集了3种转炉钢渣在不同陈化龄期下的f-CaO含量如图1所示[1，5，13]。

可以看出：转炉钢渣与电炉钢渣随陈化龄期的增大，其f-CaO含量均呈下降趋势，在陈化12个月后，除转炉钢渣3外，其余均满足《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》(CJJ35-90)“钢渣中f-CaO含量应小于3%”的要求[14]。延长陈化龄期是较为有效的提高钢渣安定性的方法。

转炉钢渣f-CaO含量较电炉钢渣高，转炉钢渣2新渣f-CaO含量高达12.54%。不同炼钢工艺等因素影响下，钢渣安定性差别较大。就本文选取电炉钢渣而言，游离氧化钙含量较低，分别为2.66%、2.84%、1.08%。钢渣内f-CaO含量随陈化时间延长有所减小，在陈化龄期增至8月后，其游离氧化钙含量仅为1.08%。在钢渣工程应用中，为减小其膨胀性的影响，一般建议采用陈化12个月以上的钢渣[12]。电炉钢渣由于其f-CaO含量较低，陈化时间可酌情减小，从而减小钢渣占地等不利影响。

图1 钢渣f-CaO含量Figure 1 f-CaO content of steel slag

2.2 陈化龄期对钢渣颗粒组成的研究

不同陈化龄期钢渣颗粒分析结果如图2所示。可以看出：

图2 不同陈化龄期钢渣颗粒组成Figure 2 Particle composition of steel slag with different ages

① 未磁选新渣最大粒径为9.5～19 mm，约占钢渣总质量的17%；陈化龄期为0月、4月和8月钢渣粒径均小于9.5 mm。这说明9.5～19 mm大粒径钢渣含铁量较高，磁选后可去除。磁选过程可降低氧化铁在钢渣工程应用的膨胀不稳定因素。

② 对比陈化龄期0月、4月和8月钢渣粒径分布可以看出，1.18～9.5 mm粒径钢渣随着龄期增加而逐渐减小，小于1.18 mm粒径钢渣则随龄期增加而逐渐增加。以陈化龄期为0月和8月为例，4.75～9.5 mm粒组、2.36～4.75 mm粒组、1.18～2.36 mm粒组分别由10%、5%、20%减小为7%、3%、16%。0.3～0.6 mm粒组、0.15～0.3 mm粒组、0.075～0.15 mm粒组分别由14.5%、15%、11%增加至19%、21%、13%。

究其原因，钢渣粒径的变化与钢渣内不均匀分布活泼化学成分有关[12]。钢渣具有一定的粒径，从而导致钢渣内活泼化学成分与周围介质(空气、水等)产生化学反应的过程是逐渐发展的。由于钢渣内其活泼化学成分分布的不均匀性，颗粒表面部分最早发生化学反应。在活泼化学成分集中部位，化学反应产生较大的膨胀力，导致其表面产生破裂、崩解等，进而使得钢渣粒径减小，随着陈化时间推移如此反复进行。

2.3 陈化龄期对钢渣粉化率的影响

粉化率是钢渣集料安定性测试的重要方面。传统粉化率测试方法[15]侧重于蒸煮过程，但其不足之处在于钢渣粉化膨胀后颗粒粒径不一定小于1 mm，故大于1 mm的粉化钢渣颗粒不能得到有效表征。

鉴于上述不足，本文钢渣粉化率试验步骤如下：选不同龄期自然级配钢渣过筛，获得粒径范围为1.18～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5 mm共3份渣样，每份渣样500 g，蒸煮过程同上。蒸煮完成后烘干并筛分，称取筛上各个粒径范围内的钢渣质量，计算获得小于1.18、2.36、4.75 mm钢渣粉化率，从而对大于1.18 mm粉化钢渣颗粒进行表征。在试验过程中发现，由于钢渣随陈化龄期的增加，部分细颗粒附着在粗钢渣颗粒表面，直接进行粉化率所得试验结果并不能确切的表明其粉化率。故在试验前先对不同粒径范围的钢渣浸泡一昼夜，经水筛后烘干，供钢渣粉化率试验使用。本试验通过对3种龄期及3种粒径范围钢渣粉化率分析其安定性能的龄期效应与粒径效应，试验结果如表3所示。

表3 钢渣粉化率试验结果Table3 Steelslagpulverizationratio龄期粒径/mm小于118mm粒径所得粉化率/%平均值/%传统方法所得粉化率/%小于236mm或475mm质量所得粉化率/%新渣———11480月118～236730236～475487475～95249489494—7529344月118～236683236～475442475～95373499549—7626968月118～236512236～475448475～95240400436—752622 注：传统方法离散性较大，本试验结果为6次平行试验结果平均值。

由表3可知：陈化龄期与钢渣粒径是影响钢渣粉化率的2个重要因素。

① 就陈化龄期对钢渣粉化率的影响而言，各粒径范围钢渣粉化率均随陈化龄期的增加呈下降趋势，陈化龄期对降低钢渣粉化率有一定作用。以1.18～2.36 mm粒组为例，陈化龄期为0月、4月和8月钢渣粉化率分别为7.30%、6.83%、5.12%。以小于1.18 mm粒径钢渣粉化率平均值来看，陈化龄期为0月、4月和8月钢渣粉化率分别为4.89%、4.99%、4.00%，而传统钢渣粉化率试验方法所得钢渣粉化率为4.94%、5.49%、4.36%。原冶金部利用钢渣铺路试验结果表明，钢渣粉化率<5%时，钢渣性能稳定，可用于道路工程中。由此可以看出，试验用钢渣除龄期4月钢渣粉化率略大于5%外，其余钢渣均符合该要求。但对于新渣，其钢渣粉化率高达11.48%，这进一步说明磁选过程对于电炉钢渣工程应用稳定性影响较大。

② 以小于1.18 mm粒径钢渣粉化率计算，不同粒组钢渣粉化率相差较大。以0月钢渣为例，其1.18～2.36、2.36～4.75、4.75～9.5 mm钢渣粉化率分别为7.30%、4.87%、2.49%，即粒径越大，钢渣粉化率反而越小，这与文献[1]的研究成果不同。究其原因，除与传统粉化率试验方法不足有关外，也说明钢渣粉化后其粒径并非均小于1.18 mm。以0月钢渣4.75～9.5 mm粒径范围钢渣为例，其小于4.75 mm所得粉化率为9.34%，这说明经粉化后，粒径范围为4.75～9.5 mm钢渣中有9.34%的钢渣粒径小于4.75 mm，但此部分质量未能完全计入小于1.18 mm粒径钢渣粉化率中。由此可见，采用不同粒径范围钢渣粉化率对于钢渣本真粉化特性及工程应用均具有重要意义。

③ 结合不同陈化龄期钢渣f-CaO含量(见图1)，发现钢渣粉化率与f-CaO有显著的正比例关系，而与其他化学成分关系不大。f-CaO含量越高，钢渣粉化率越大。对于试验用钢渣，钢渣粉化率与f-CaO含量可互相表征。这可解释为：随着陈化龄期的增加，f-CaO含量逐渐降低，使得钢渣颗粒中产生膨胀破坏的几率变小，从而导致粉化率降低，钢渣内部化学成分趋于稳定。

2.4 CBR膨胀量实验

《钢渣混合料路面基层施工技术规程》(YBT 4184-2009)[16]采用钢渣CBR膨胀量方法来评价其体积安定性。分别利用纯钢渣和钢渣混合料制作CBR试件，利用百分表记录试件的微膨胀值。不同龄期钢渣CBR膨胀量试验结果见图3。

图3 不同龄期钢渣CBR膨胀时程曲线Figure 3 Steel slag CBR expansion value with time for different ages

可以看出：钢渣陈化龄期、钢渣粒径对钢渣膨胀量均有一定影响。

① 不同陈化龄期、粒径下钢渣CBR膨胀时程曲线均表现为3个阶段：第一阶段为膨胀量加速阶段(0～20 h)，此阶段钢渣颗粒遇水后产生膨胀变形，钢渣的大部分膨胀变形在此阶段内完成；第二阶段为膨胀速率衰减阶段(20～40 h)，随着浸水时间的推移，钢渣膨胀变形趋势变缓；第三阶段钢渣膨胀量趋于稳定阶段(40 h以后)，此阶段历时较长但膨胀变形量很小。

② 就钢渣陈化龄期而言，钢渣CBR膨胀量随陈化龄期的增加而单调减小。以粒径范围0～0.6 mm钢渣为例，陈化龄期为0月和8月钢渣的CBR膨胀量为0.22、0.19 mm，减小0.03 mm。

③ 就钢渣粒径而言，钢渣CBR膨胀量随钢渣粒径的增大而单调增大。以0月钢渣CBR膨胀量为例，钢渣粒径范围为0～0.15、0～0.6、0～2.36 mm CBR膨胀量分别为0.18、0.22、0.25 mm，增大约39%。钢渣粒径对CBR膨胀量的影响较大，且粒径越小，钢渣稳定性越强[6]。此外，0～0.15 mm钢渣最大干密度仅1.37 g/cm3，钢渣CBR试件孔隙较大，这可能也是0～0.15 mm钢渣CBR膨胀量小的一个因素，在工程应用中需综合考虑。

2.5 常用路床材料CBR膨胀量对比分析

图4为素土、8%钢渣稳定土与4%石灰稳定土膨胀时程曲线。可以看出，素土、8%钢渣稳定土和4%石灰稳定土CBR浸水膨胀量分别为8.21、0.84、3.58 mm，8%钢渣稳定土CBR膨胀量约为4%石灰土的1/4，素土的1/10。钢渣稳定土CBR膨胀量比素土试件CBR膨胀量大大减小，并未出现由于钢渣的掺入导致的试件膨胀量增大。这说明钢渣活性较好，掺入后与素土中的矿物发生反应，生成了一定的胶结物，增加了对素土膨胀的约束力。电炉钢渣性质优良，膨胀量较小。

图4 3种路床材料CBR膨胀量Figure 4 Steel slag CBR expansion value for 3 roadbed materials

需要注意的是，钢渣中f-CaO等由于其形成温度较高，结晶完好，其完全水化所需时间较长，故仍需关注其长期膨胀特性。

3 工程应用

选用陈化龄期8个月钢渣，钢渣掺量8%(质量百分比)在叶舞高速公路K47+620～K47+800段进行试验路段铺筑，根据《路基施工技术规范》，对试验路段进行路床平整度和弯沉值(贝克曼梁法)现场测试。测试结果表明，钢渣稳定土路床顶平整度符合规范要求。试验路段10个测试点弯沉值平均值为103.41(0.01 mm)，与设计4%石灰土路床材料弯沉值98.65(0.01 mm)基本相近。工程竣工6 a来，高速公路运行良好，并未出现路基开裂、膨胀等病害，这说明使用钢渣稳定土进行路床铺筑是可行的。

4 结论

① 电炉钢渣游离氧化钙含量随陈化龄期延长呈减小趋势，8个月后降至1.08%，满足“钢渣石灰类道路基层施工及验收规范”(CJJ35-90)中 “钢渣中f-CaO含量应小于3%”的要求。电炉钢渣f-CaO含量较转炉钢渣低，可适当缩短陈化时间。

② 陈化龄期从0月增至8月后，1.18～9.5 mm粒径钢渣随着龄期增加而逐渐减小，小于1.18 mm粒径钢渣则随龄期增加而逐渐增加。

③ 通过改进钢渣粉化率试验方法，发现不同粒组钢渣粉化率相差较大，且粒径大的钢渣颗粒较粒径小的颗粒粉化率大，应用时应注意大颗粒钢渣含量。各粒径范围钢渣粉化率均随陈化龄期增长呈下降趋势，陈化龄期对降低钢渣粉化率有一定作用。

④ 对不同陈化龄期、粒径分布钢渣CBR膨胀量研究发现，电炉钢渣CBR膨胀量随陈化龄期的增加而单调减小，随钢渣粒径的增大而单调增大。需要说明的是，由于试验样本较少，对于其他炼钢工艺钢渣演化规律尚需进一步研究。

⑤ 8%钢渣稳定土CBR浸水膨胀量较小，试验路段铺筑验证了钢渣稳定土用于路床材料的可行性。

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Experimental Study on Electric Furnace Slag Stability for Roadbed Material

LI Xinming1， ZHANG Xiaowang2， YUE Jinchao3， YIN Song1

(1.Zhongyuan University of Technology School of Civil Engineering and Architecture， Zhengzhou， Henan 450007， China； 2.Henan Transportation Research Institute CO.， LTD， Zhengzhou， Henan 450003， China； 3.Zhengzhou University College of Water Conservancy & Environmental Engineering， Zhengzhou， Henan 450003， China)

Age and particle size are two important influence factors for the steel slag volume stability performance.Wuyang Steel Corporation electric furnace slag was studied as the research object.The effects of age and particle sizeon the free calcium oxide slag(f-CaO)and pulverization ratio were analyzed.Combined with the California Bearing Ratio(CBR)，comprehensive evaluation of the electric furnace slag expansion roadbed material volume stability was studied.The results show that the electric furnace slag f-CaO content was lower than that in converter slag.With the increasing of aging time，the electric furnace slag f-CaO content was decreased.Each particle size range of steel slag pulverization ratio decreased with aging time growth，but different particle size steel slag has different pulverization rate.The larger particle size steel slag，the bigger pulverization ratio.Steel slag CBR expansion decreases with the increasing of aging time.The larger the particle size，the larger steel slag CBR volume expansion.The CBR expansion volume of 8% steel slag stabilized soil is about 1/4 of that for 4% lime soil.The electric furnace slag has good volume stability performance，which is favorable for the engineering application.

steel slag； volume stability performance； pulverization ratio； age； particle size

2016 — 07 — 29

河南省高等学校重点科研项目资助(15A560013)

李新明(1987 — )，男，河南修武人，博士，讲师，主要从事岩土工程的科研与教学工作。

U 416.4

A

1674 — 0610(2016)06 — 0093 — 05