赵 华

(扶绥县公路发展中心，广西 崇左 532299)

0 引言

早在20世纪，很多发达国家的钢渣利用率就超过了85%，在日本，钢渣利用率更是接近100%，而我国作为世界最大的钢铁生产及消费国，截至目前钢渣利用率仍不足20%，为了提高钢渣的利用率，近年来不少学者及单位都进行了研究。

1995—1998年，首钢研究与开发公司联合北京市市政工程研究院，将钢渣用于道路基层，结果表明试验路段路面基本平整，无车辙及因基层引起的爆裂[2]；2000年，方卫民等将钢渣用于京沪高速铁路徐沪段的不良地基处理，提高了路基土的强度[3]；2004年，陶海生将钢渣用于二灰钢渣基层，研究了其早期强度[4]；2007年，许刚对转炉钢渣对海洋微藻生长、海水水质及海洋生物的影响进行了研究[5]；同年，张澎等研究发现钢渣对水泥稳定碎石的干缩有一定的抑制作用[6]；2011年，郭鹏等用转炉钢渣研制了钢渣混凝土渗水道路面层材料[7]；2015年，李兰兰研究了尾矿、钢渣制蒸压砖的工艺条件和养护制度；同年，孙朋等用不同粒度颗粒与添加造孔剂制备钢渣多孔陶瓷吸声材料[8]；2016年，逄博研究了以碳化钢渣为骨料的混凝土的性能，发现碳化钢渣作为骨料可显著提高混凝土力学性能[1]；同年，汪亚伟以尾渣代替部分石灰和水泥制备蒸压加气混凝土砌块，研究了配合比、原料细度和蒸压过程中的主要产物对砌块性能的影响[9]；同年，侯克伟研究了钢渣改性及其对水泥基材料性能的影响[10]；2017年，王皓研究了钢渣、粉煤灰等多种工业固体废弃物复配纤维化热熔特性[11]；同年，李晋岩提出采用选择性富集与相分离的方法来分离钢渣中的磷酸盐[12]。综上所述，钢渣在建筑、海洋、土木工程等多个领域均有所应用，而在土木工程领域的应用占据了主导地位。

钢渣经高温过烧后含有一定的游离氧化钙f-CaO与游离氧化镁f-MgO，遇水缓慢膨胀，给钢渣带来体积不安定性[13-14]，并且由于各地炼钢采用的矿石来源、钢渣处理工艺不同，钢渣带有明显的区域性特点，这些都是制约钢渣推广应用的重要原因。鉴于此，本文对防城港区域的钢渣矿物成分、毛体积密度以及压碎值、针片状颗粒含量等规范要求指标进行试验研究，同时对影响钢渣稳定性的游离氧化钙含量、蒸压粉化率、浸水膨胀率等指标进行分析研究，提出将钢渣应用于道路的基层中的建议，以期促进钢渣的利用。

1 原材料及试验方案

本研究主要的原材料为钢渣和石灰岩碎石，其中钢渣来源于防城港某钢铁厂，石灰岩来源于防城港茅岭镇某料场。

为研究陈化处理对钢渣矿物组成、物理力学指标以及体积稳定性的影响作用，本研究主要以陈化时间和陈化方法为变量，测试不同陈化处理后钢渣的上述技术性能，为推动钢渣在路面基层中的应用提供指导。

2 陈化处理对钢渣矿物组成的影响

因炼钢炉型、钢种以及每炉钢在冶炼阶段的不同导致钢渣中的各种物质成分有所波动，防城港地区钢渣的化学成分主要由CaO、TFe(包括Fe2O3、FeO、少量Fe等)、SiO2、MgO、MnO、Al2O3，以及少量K2O、TiO2、Na2O、P、Cu、Zn、Ni等组成，如表1所示。

表1 钢渣化学成分分析结果表(%)

经过1 000 ℃～1 100 ℃烧成的生石灰中的CaO是一种多孔结构的细小晶粒，内表面积大，水化能力极强。而经过1 500 ℃以上高温产生的钢渣中f-CaO(游离氧化钙)结构致密晶粒大，晶格较紧密，水化反应极慢，在水泥中水化时仍在发生膨胀[15]。

为了研究钢渣中f-CaO含量随时间变化的情况，按《钢渣中游离氧化钙含量测定方法》(YB/T 4328-2012)中测定f-CaO的方法，对钢渣中f-CaO的含量进行12个月的连续测定。将同一批钢渣存放在两个料池中，两个料池均放在露天自然环境中，对其中一个料池每天浇水一次，每次浇水保证均匀，直至有大量水从料池泄水孔溢出。对比分析浇水陈化与自然陈化两种方法对f-CaO含量的影响，测定结果如表2所示。

表2 不同陈化处理钢渣的游离氧化钙含量试验结果表

由表2可知，新钢渣(陈化0个月)f-CaO含量最高为5.78%，随着陈化时间的增长，f-CaO含量有所降低，但并没有逐月降低，而是呈现出波动降低的趋势。陈化12个月的钢渣f-CaO含量比陈化3个月和陈化6个月的钢渣均有所增加。这些结果说明，钢渣中f-CaO的分布不均匀，导致f-CaO含量测定结果波动较大。同时，《钢渣中游离氧化钙含量测定方法》中要求取样5 kg钢渣，将其磨细成用于游离总钙含量滴定和Ca(OH)2含量热重分析的钢渣粉约1 g，这1 g钢渣粉的测定结果显然不足以代表整个料场的钢渣f-CaO含量，因此工程实践中应增加取样及试验次数(建议3次及以上)，以多次测定结果的均值代表料场钢渣的f-CaO含量。

另对比浇水陈化和自然陈化两种方法处理下的钢渣f-CaO含量测定结果，浇水陈化3个月和12个月的钢渣中f-CaO含量反而比自然陈化钢渣大，浇水陈化6个月钢渣中f-CaO含量仅比自然陈化钢渣小0.6%，说明浇水陈化方法对钢渣中f-CaO含量的影响不大，因此钢渣出厂后并不需要进行浇水处理。

3 陈化处理对钢渣物理力学指标的影响

3.1 钢渣物理力学指标研究

根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)等规范对路面基层集料的要求，对新钢渣和陈化3个月钢渣的压碎值、针片状颗粒含量、软石含量、塑性指数等指标进行测定，结果如表3所示。

表3 不同陈化钢渣物理力学指标试验结果表

由表3可知，表中6项指标均能够满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20)的相关要求。经过3个月的陈化，钢渣的针片状颗粒含量、有机质含量、硫酸盐含量3项指标均无明显的变化，压碎值、软石含量、塑性指数3项指标有所增大，但也满足规范要求。

3.2 钢渣密度特性研究

为了解钢渣的密度特性，本文以石灰岩碎石为对比，按照《公路工程岩石试验规程》(JTG E41-2005)中的试验来分别测试了钢渣和石灰岩碎石的毛体积密度。试验选取4.75～31.5 mm的石灰岩碎石和钢渣碎石来进行试验。对于表面多孔钢渣，用凡士林将其表面空隙封闭，并用干毛巾擦除多余的凡士林，试验结果如表4所示。

表4 钢渣和石灰岩碎石的毛体积密度试验结果表

由表4可知，钢渣密度均值是2.9 t/m3，石灰岩密度均值是2.57 t/m3，因此在同等体积下，钢渣的质量比石灰岩约大12.84%。由于道路基层混合料的级配设计理论采用的是体积法，因此用钢渣替换碎石时，应进行同体积替换，即钢渣的质量用量要比石灰岩约大12.84%才能保证做到同体积替换。

4 陈化处理对钢渣体积稳定性的影响

4.1 钢渣浸水膨胀率研究

为研究钢渣混合料的稳定性，按《钢渣稳定性检测方法》(GB/T 24175-2009)，对钢渣掺量为100%和80%的陈化0个月和陈化3个月钢渣石灰岩碎石混合料进行浸水膨胀率试验，结果如表5及图1所示。

表5 不同陈化时间钢渣膨胀率试验结果表

图1 钢渣膨胀量变化曲线图

由表5可知，新钢渣膨胀率为4.2%，经过3个月的陈化后，钢渣的膨胀率明显下降，但仍然>2.0%，添加20%碎石后钢渣膨胀率降至0.6%，降低了76.6%，因此用添加碎石的方法可有效降低钢渣混合料的膨胀率。但由表4分析得知钢渣中f-CaO的分布不均匀，为降低钢渣应用的风险，建议陈化时间较短的钢渣使用率不超过60%。

由图1可知，新钢渣膨胀量增长速率较快，且至11 d膨胀量增长还没有明显减小的趋势，因此新钢渣体积稳定性较差；陈化3个月的钢渣，膨胀量在前2 d增长最快，之后膨胀量逐天减小，7 d后膨胀量增长曲线的斜率接近水平，膨胀量为2.57%，试件体积趋于稳定；陈化3个月的钢渣添加20%碎石后，膨胀量进一步减小，膨胀量的增长率从1 d开始就较为缓和，说明添加碎石后混合料的体积稳定性有了改善。

4.2 钢渣蒸压粉化率研究

钢渣颗粒的稳定性对混合料的级配有一定影响，为了研究钢渣颗粒的稳定性，按《钢渣稳定性监测方法》(GBT 24175-2009)，对新钢渣、浇水陈化5个月钢渣以及自然陈化5个月钢渣进行蒸压粉化率试验，结果如表6所示。

表6 不同陈化时间和方法下钢渣蒸压粉化率试验结果表

由表6可知，钢渣的蒸压粉化率随陈化时间的加长而下降，说明陈化时间加长有利于钢渣的稳定，但浇水陈化5个月钢渣的粉化率比自然陈化5个月的大，说明浇水陈化处理对钢渣稳定性改善影响不大。由于随着钢渣的陈化，部分钢渣颗粒会崩解为更小粒径的钢渣，即出现粉化，因此在钢渣应用过程中建议采用粒径较小的钢渣，以减少钢渣粉化对混合料骨架结构的影响。

5 结语

通过上述试验研究，可以得出以下结论：

(1)钢渣中f-CaO的分布不均匀，工程实践中建议增加取样及试验次数(建议3次及以上)，以多次测定结果的均值代表料场钢渣的f-CaO含量。

(2)本文试验所取钢渣的各项性能指标基本能够满足原料作为基层、底基层集料的要求，但钢渣稳定性较差，使用时应加以验证。

(3)同等体积下，钢渣的质量比石灰岩约大12.84%，为保证设计级配不变，用钢渣替换碎石时，应同体积替换，建议钢渣的质量用量要比石灰岩大12.84%。

(4)陈化时间加长有利于钢渣的稳定及f-CaO含量的降低，浇水陈化方法对钢渣中f-CaO含量及钢渣稳定性的影响不大，因此钢渣出厂后并不需要浇水处理。

(5)添加碎石可有效降低钢渣混合料的膨胀率，建议陈化时间较短的钢渣使用率≤60%。