钢渣在城市道路建设过程中的实践
俞海明1 陈伟2 赵旭章3 吴汉元1 解英明3
（1新疆中合大正冶金科技有限公司2新疆交通建设集团股份有限公司3新疆互利佳源环保科技有限公司）
摘要：钢渣是一种优质的路桥建设材料，在道路建设工艺中，钢渣的稳定性是首要解决的难题，新疆地区降水量偏少，钢渣陈化消解f-CaO的效果不稳定，本文介绍了在乌鲁木齐市头屯河区三供一业改造过程中全钢渣快速铺筑城市道路的工艺实践。
关键词：钢渣；粒度；碱度；稳定性；全钢渣道路结构层
1 前言
钢渣修路技术已有70余年的历史，关于钢渣修路的技术文献逾千篇、出台的标准有GB/T25824-2010《道路用钢渣》、GB/T24765-2009《耐磨沥青路面用钢渣》、GB/T24766-2009《透水沥青路面用钢渣》等。
钢渣的应用是公路领域，该领域的技术人员对于钢渣的稳定性存在较多的担心，消除担心的方法是钢渣的稳定性检验，按照GB/T24175-2009《钢渣稳定性试验方法》检验钢渣的稳定性，费用较高，单项每次超过1.5万元。八钢的钢渣是热闷渣与精炼渣、脱硫渣等钢渣破碎磁选后整体堆存的，所以取样测试的结果不具有普遍性。为了消除钢渣在道路建设过程中的不稳定性因素，我们针对钢渣的粒度、碱度与稳定性之间的关系做了全面的分析，提出了利用调整钢渣细集料的比例，消除钢渣不稳定性的方法，在乌鲁木齐市头屯河区三供一业的改造过程中应用，采用全钢渣铺筑城市道路15km以上，使用钢渣30余万吨，缩短了施工工期，并且道路实现了铺筑后即开放交通，为城市道路建设提供了示范性的工程，本文予以浅述，供同行参考。
2 钢渣f-CaO的产生和特点
文献指出[1]，钢渣中f-CaO的来源主要有以下的几个方面：
(1) 由于炼钢出渣时间缩短，投入的石灰过量，使石灰被已经饱和的钢渣所包裹。这些石灰石是原状石灰，在与钢渣接触面生成死烧石灰，一般固熔有氧化铁(FeO)。它是属于活性极差的结构致密石灰。水化速度十分缓慢。
(2) 石灰的溶解度已经饱和，石灰颗粒已不能与酸性氧化物结合成矿物。一般呈细小颗粒分散在钢渣内部，常固熔一部分氧化铁(FeO)。细小的CaO固熔了氧化铁(FeO)后具有很强的不稳定性。然而结构致密，水化很慢。
(3) f-CaO固熔有Fe和Mn的固溶体(CaO·Fe·MnO)，在扫描电镜下呈圆形颗粒，这种固溶体在一定的温度和空气较大湿度下是可以水化的，会造成钢渣不稳定性。
(4) 钢渣中C3S在一定的高温下分解，C3S→C2S+CaO产生的f-CaO。这部分f-CaO在湿度的情况下生产Ca(OH)2，体积膨胀也会造成钢渣的不稳定。游离氧化钙主要构成见下图1。
图1：钢渣中f-CaO的来源与特点
根据以上的论述，结合我们的检测试验，得出以下的结论：
1. 钢渣中游离氧化钙的分布有6种，每种分布都可以通过控制钢渣的粒度实现游离氧化钙颗粒与钢渣其它矿物相在物理状态下独立，能够在水稳料拌和生产中消除大部分的膨胀危害。
2. 钢渣中的硅酸三钙的含量低，即碱度越低，钢渣中的游离氧化钙含量越少。
3. 硅酸三钙相变析出的游离氧化钙与硅酸二钙矿物相共生。
所以我们采用了棒磨机处理热闷渣，然后进行磁选含铁物料，发现钢渣粒度、碱度和稳定性的关系如下：
1) 钢渣的碱度大于2.5（CaO/SiO2+P2O5），钢渣的粒度分布细集料（粒度低于2.36mm）部分占比超过30%，钢渣的整体膨胀率低于2%；
2) 钢渣的碱度（CaO/SiO2+P2O5）低于2.5，钢渣的稳定性与集料的粒度之间没有明显的线性关系；
3) 钢渣经过棒磨机处理后磁选的尾渣，粗集料部分，大多数为RO相和尖晶石相，其中的游离氧化钙含量低于3%，压蒸膨胀率低于2%
武钢工厂回填钢渣的实践表明，钢渣的粒度小于0.06mm，钢渣的膨胀率低于2%，即钢渣中的游离氧化钙能够达到安全的要求，与我们的试验分析吻合。
3 八钢钢渣的性能分析和工艺实践
3.1 八钢的钢渣性能分析
八钢的钢渣我们取样做的试验分析见下表1～3：
表1 钢渣筛分表
|
|
第1组 |
第2组 |
平均 |
||||||
|
总质量(g) |
3017.1 |
2943.9 |
|||||||
|
筛孔尺寸(mm) |
筛上重(g) |
分计筛余(%) |
累计筛余(%) |
通过百分率(%) |
筛上重(g) |
分计筛余(%) |
累计筛余(%) |
通过百分率(%) |
通过百分率(%) |
|
26.5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
19 |
52.4 |
1.7 |
1.7 |
98.3 |
48.6 |
1.7 |
1.7 |
98.3 |
98.3 |
|
16 |
109.6 |
3.6 |
5.3 |
94.7 |
104.9 |
3.6 |
5.3 |
94.7 |
94.7 |
|
13.2 |
178.5 |
5.9 |
11.2 |
88.8 |
192.2 |
6.5 |
11.8 |
88.2 |
88.5 |
|
9.5 |
229.8 |
7.6 |
18.8 |
81.2 |
308.6 |
10.5 |
22.3 |
77.7 |
79.4 |
|
4.75 |
694.2 |
23.0 |
41.8 |
58.2 |
685.2 |
23.3 |
45.6 |
54.4 |
56.3 |
|
2.36 |
581.3 |
19.3 |
61.1 |
38.9 |
552.9 |
18.8 |
64.4 |
35.6 |
37.2 |
|
1.18 |
277.9 |
9.2 |
70.3 |
29.7 |
250.0 |
8.5 |
72.9 |
27.1 |
28.4 |
|
0.6 |
243.3 |
8.1 |
78.4 |
21.6 |
227.6 |
7.7 |
80.6 |
19.4 |
20.5 |
|
0.3 |
236.6 |
7.8 |
86.2 |
13.8 |
202.3 |
6.9 |
87.5 |
12.5 |
13.2 |
|
0.15 |
140.6 |
4.7 |
90.9 |
9.1 |
123.8 |
4.2 |
91.7 |
8.3 |
8.7 |
|
0.075 |
126.0 |
4.2 |
95.1 |
4.9 |
112.0 |
3.8 |
95.5 |
4.5 |
4.7 |
|
筛底 |
146.9 |
4.9 |
100 |
0 |
135.8 |
4.6 |
100 |
0 |
0 |
通过表1筛分表数据可知，钢渣级配较好，粗细料比较均匀，细集料占比超过30%。
表2 钢渣压碎值
|
|
试样总质量（g） |
留在2.36mm筛上的试样质量（g） |
压碎值（%） |
平均压碎值（%） |
|
1组 |
3077 |
2559 |
16.8 |
16.8 |
|
2组 |
2984 |
2488 |
16.6 |
|
|
3组 |
3095 |
2566 |
17.0 |
道路建设中的水稳层，是以级配碎石作骨料，采用一定数量的胶凝材料和足够的灰浆体积填充骨料的空隙，按嵌挤原理摊铺压实。其压实度接近于密实度，强度主要靠碎石间的嵌挤锁结原理，同时有足够的灰浆体积来填充骨料的空隙。根据这一原理，我们认为，全钢渣铺筑城市道路的基层、水稳层，是最为经济和科学的工艺方法。
3.2 全钢渣道路结构层的实践
2018年，乌鲁木齐市头屯河区开始供水、供电燃气供应和供暖改造，头屯河区的主要的能源介质管线均在城市道路下方铺设。
工程建设开始，道路开挖，将原有的道路挖开，倒运走挖方后，开始管线的施工与铺设，对于居民的民生影响很大。为了尽快的完成施工，施工方参考了交建集团在高速道路的钢渣施工方法，实施了道路下方管线改造完成后，采用钢渣回填替代基层和水稳层的工艺，并且在回填结束后就开放道路，待自然养护后择机铺筑沥青混凝土面层，开放后的道路天无侧限抗压强度超过了6.1 MPa，施工现场的照片见下图：
图2：城市道路钢渣回填替代基层和水稳层的施工现场
铺筑水稳层后，铺筑了沥青混凝土面层，铺筑后的现场照片见下图3：
图3：道路铺装沥青混凝土后的实体照片
整个工程使用钢渣混合料30余万吨，铺筑道路15km，节约施工工期近1个月，节约钢渣堆存成本1000万元以上，并且铺筑的全钢渣道路在使用3年后，道路无干缩裂纹、平整度好、临近绿化带区域无沉陷、各种路害同比条件下大幅度降低。
4 结论
通过控制钢渣的粒度，能够有效的解决钢渣的不稳定性，能够使之成为道路建设过程中的优异材料。
乌鲁木齐市三供一业改造使用全钢渣回填替代传统的基础+水稳层的工艺方法，能够节约城市道路建设的时间，简化施工工艺，对于钢渣的资源化利用具有积极的示范性作用。
参考文献
[1] 俞海明、王强主编，钢渣处理与综合利用[M]，冶金工业出版社，北京，2015年.