杨鑫博  姜永华  李志芹  孙有斌

（云南天朗再生资源有限责任公司  昆明 安宁65002）

摘  要：钢渣属于冶金生产排放量大，利用率低，处置困难的大宗固废，大量堆存造成生态环境破坏；与此同时，随经济发展我国道路基础设施建设投资的持续增加，很多地区出现了严重的道路工程材料缺乏情况。钢渣含有一定量的AlO^2–、Ca²⁺离子及C2S、C3S等水硬性矿物，其物理硬度高、长期强度高、水稳性好，是一种潜在的道路工程材料。将钢渣作为主材应用到道路工程将具有重要的意义。本文通过钢渣特性分析，论述了钢渣性能及其在道路工程应用中存在的问题，针对其膨胀特性提出了一些解决对策，同时对以钢渣为主多固废制备较长凝结时间和微膨胀性道路基层进行论述，探索新型道路材料的应用。

关键词：钢渣；道路工程；应用

1  前言

钢渣是钢铁生产过程中用石灰提取杂质在炼钢阶段产生的钢铁冶金大宗固废之一，产生量约为粗钢产量的10~15%；我国作为钢铁大国，同时也是钢渣排放大国。随着钢铁生产产能的不断提升，大量钢渣因其硬度高及膨胀特性暂无有效消纳途径，已堆积如山，严重威胁生态环境。如何合理有效地利用钢渣，已成为行业及社会亟待解决的问题。另一方面，我国在道路工程建设方面道路基层约90%为水泥稳定类或石灰粉煤灰（二灰）半刚性基层，这类传统的道路基层对自然资源消耗很大，以常规公路为例，道路基层厚度一般为56cm、 宽为24m，则每公里需基层材料约2.6万吨。即每生产1m³的道路基层材料需消耗2.4吨左右的天然土石料和80kg~160kg的水泥或石灰。这些天然材料在开采过程中不可避免将造成生态环境的破坏。同时根据实际调查目前我国大部分传统道路基层存在使用年限无法达到设计要求的情况，这是因为传统水泥稳定料虽然早期强度高、抗冲刷性和水稳性较好，但存在自然收缩产生反射裂缝及凝结时间过短导致在施工碾压过程中强度损失；而采用石灰粉煤灰（二灰）稳定料虽然抗裂性较好，但其早期强度较低，且早期水稳性和抗冲刷性差。结合钢渣特性与道路基层缺陷问题，将钢渣应用于道路工程建设中将一方面解决钢渣的利用难、道路工程材料缺乏等问题，又可利用钢渣的膨胀特性解决道路基层收缩缺陷，实现一举多得。

本文通过钢渣特性分析，论述了钢渣性能及其在道路工程应用中存在的问题，针对其膨胀特性提出了一些解决对策，同时对以钢渣为主多固废制备较长凝结时间和微膨胀性道路基层进行论述。

2  钢渣特性

2.1钢渣化学特性

钢渣是一种由多种矿物和玻璃态组成的集合体，以昆明钢铁股份有限公司两种不同预处理手段处置钢渣为测定对象，钢渣化学成分见表1。

表1 钢渣化学成分

经化学分析钢渣中主要成分为CaO、FeO，且无论采用热泼或者热闷对钢渣进行预处理，钢渣中均含有f-CaO、f-MgO两种膨胀性成分，但经热泼法处置后的钢渣f-CaO含量较高无法达到国家《矿物掺合料应用技术规范 GB/T 51003-2014 》相关技术要求。

2.2钢渣物理特性

因经过热泼处理钢渣f-CaO远超相关涉及标准，以昆明钢铁股份有限公司热闷钢渣为检测对象，结果见表2。

表2 钢渣物理性能

经检测热闷钢渣的压碎值、磨耗率、磨光值等主要物理力学指标均满足《公路工程集料试验规程 JTG E42-2005》、《土工试验方法标准 GB/T50123—1999》中道路用材要求，可用于道路工程建设。

3  钢渣在道路工程应用

3.1钢渣在道路工程应用问题

经过物化检测，虽经热闷处理后的钢渣各项指标可满足道路工程建设要求，但钢渣与传统道路石料的一个主要差别在于其形成时间短暂；钢渣在炼钢瞬时形成，在形成后其内部的许多物质仍将持续与空气、水等接触反应，逐步才可形成更为稳定的新结构形态，这个过程称为钢渣消减陈化。钢渣在消减陈化过程中发生的膨胀将造成道路裂缝或道路顶包的形成。而造成膨胀的主要原因有：

（1）游离氧化钙消解

经化学分析钢渣中含有一定量的f-CaO，而f-CaO特性为遇水生成氢氧化钙，体积可膨胀达1~2倍。

（2）游离氧化镁及氧化镁消解

经化学分析钢渣中含有一定量的f-MgO及MgO，钢渣中的f-MgO及MgO遇水后生成氢氧化镁体积急剧膨胀可引起钢渣的胀裂。

（3） 硫化物影响

有研究表明当钢渣内含硫量＞3%时钢渣中的硫化亚铁和硫化亚锰与水可生成氢氧化铁和氢氧化亚锰体积将分别增大35%~40%及25%~30%。

综上所述，钢渣作为多种矿物和玻璃态组成的集合体在缓慢的消减陈化中游离氧化钙的消解、游离氧化镁及氧化镁消解和物料含硫量将是影响钢渣膨胀程度的主要原因和造成钢渣应用于道路危害的主要因素。

3.2针对钢渣膨胀特性的对策

针对钢渣膨胀特性结合道路工程的相关要求。钢渣的不稳定化学成份与环境介质反应的过程是缓慢逐渐发生的，这是因为钢渣的物质玻璃态及钢渣内的不稳定化学成份在钢渣内呈不均匀分布，位于钢渣表面的不稳定化学成份与环境介质最早接触，最早反应并产生裂隙等破坏，使处于钢渣内部的不稳定化学成分快速外露开始反应。在不稳定化学成份集中的部位反应激烈、膨胀力大，通常可使钢渣充分崩解。在不稳定化学成份均匀分布的区域反应连续进行，但激烈程度与膨胀力相互间消弱。因此钢渣在道路工程中应用可遵循以下原则：                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

（1）严格对钢渣源头进行追溯，原则使用经过热闷处置后的钢渣，同时充分对钢渣进行物化分析重点检测f-CaO、f-MgO及硫含量，是否满足《矿物掺合料应用技术规范 GB/T 51003-2014 》、《道路用钢渣 GB/T 25824-2010 》中相关标准要求。

（2）选择合适的级配并严格控制应用于道路工程中的钢渣粒径，保障施工压实后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。经分析测试钢渣在道路工程应用，其理想的钢渣组成为最大粒径dmax≤35mm。粒径15~35mm的钢渣占40%~60%，以形成主骨架，其f-CaO含量应＜3%（或其粉化率＜2%）。粒径5~15mm钢渣占20%~25%，粒径＜5mm的钢渣占10%~15%，并要求有不少于60%＜3mm的颗粒。

4  钢渣与多固废协同道路基层应用探讨

利用水化产物钙矾石去补偿水泥稳定类半刚性道路基层的收缩是抑制其收缩开裂的有效途径，钙矾石的形成与物质中的AlO^2–、Ca²⁺、OH^-、SO₄^2–离子浓度有关。研究表明钙矾石的形成速度取决于AlO^2–，而SO₄^2–则保证了钙矾石的稳定性，因此物质中能否提供大量的Al源和S源对钙矾石的形成和稳定至关重要。

4.1固废种类选择

钢渣物化成分含有一定量的AlO^2–、Ca²⁺离子及C2S、C3S等水硬性矿物，而火电固废粉煤灰中含有较多Al₂O₃，能为钙矾石的大量生成提供足够的Al。磷石膏是生产磷酸过程中产生的工业废弃物，CaSO₄·2H₂O含量通常都在85%以上，能为钙矾石的大量生成提供足够的SO₄^2–，如将三者联合起来则可在解决现行道路基层缺陷的同时，进一步促进大宗固废的消纳并探索新型道路材料的应用

4.2机理探讨

钢渣在水化时可产生水化硅酸钙及少量的铝酸钙、铁铝酸钙等物质；磷石膏本质为酸性含磷、氟的石膏，钢渣的水化物与其反应，可快速生成三硫型水化硫铝酸钙（AFt）。同时粉煤灰同步与钢渣水化产生的Ca(OH)₂开展反应，产生水化硅酸钙，在磷石膏的参与激发下，也生产大量的三硫型水化硫铝酸钙（AFt），这些水化物间相互连接，形成紧密的结构，使物料具有很好的前期强度和整体性见表3，解决了较传统石灰粉煤灰（二灰）稳定料早期强度较低的问题。

表3 物料强度

另外因磷石膏中含有一定量的P₂O₅和F^-，它们与钢渣水化产生的Ca²⁺和OH^-生成氟化钙和磷酸钙等难溶盐，并吸附在物料颗粒表面，延缓C3A和C3S等熟料矿物的早期水化速度，使得材料的凝结时间得到延长，避免传统水泥稳定料凝结时间过短，导致在施工碾压过程中强度损失问题；同时磷石膏为物料整体提供大量SO₄^2-，粉煤灰中的Al也不断溶出，SO₄^2-、Ca²⁺和AlO^2-相互反应生成钙矾石。可抑制钢渣中C2S、C3S等矿物在早期水化生成C-S-H凝胶及三硫型水化硫铝酸钙（AFt）的形成，使AFt膨胀的同时又提高了早期强度。

5  结论

钢渣应用于道路工程国内已摸索了多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，同时钢渣作为道路基层材料具有性能优势，而道路工程又是其大宗消纳的有效应用方向。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对钢渣情况的分析及应用控制。

参考文献

[1]  许远辉,陆文雄,王秀娟等.钢渣活性激发的研究现状与进展[J].上海大学学报（自然科学版）.2004,10(2):91~95.

[2]  唐明述,袁美栖,韩苏芬等.钢渣中MgO、FeO、MnO的结晶状态与钢渣的体积安定性[J].硅酸盐学报,1979,7(1):35~45.