鋼渣應(yīng)用于道路工程的研究

摘　要　敘述了鋼渣的物理力學(xué)性質(zhì)，并針對其膨脹特性提出了如何因勢利導(dǎo)，揚(yáng)長避短用于道路修建的幾種方法。

關(guān)鍵詞　鋼渣　特性　路用性能　對策

1　前言

      鋼渣是煉鋼過程中排出的固態(tài)廢棄物。隨著我國鋼鐵產(chǎn)量的逐年提高，鋼渣的排出量也隨之增加， 目前全國年鋼渣排出量也有幾千萬噸之多。就我市而言每年冶金企業(yè)產(chǎn)生的尾渣就達(dá)近百萬噸之多， 大量積存的鋼渣不但對鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展造成巨大壓力，此廢棄物還成為環(huán)境的污染源。因此，如能將鋼渣成功應(yīng)用于道路工程，不但為冶金企業(yè)消除了發(fā)展的后顧之憂，減少占用的農(nóng)田，且為道路建設(shè)提供廉價(jià)的建筑材料，還減少環(huán)境的污染，是一件即利于企業(yè)，又利于社會(huì)的一舉兩得的好事。我市從1995年開始利用鋼渣修筑路面基層，至2003年已成功地將鋼渣應(yīng)用于蘇邊線、撫白線、沈環(huán)南線、高望線路面基層中，目前觀察強(qiáng)度及剛度均好于水穩(wěn)基層。

2　鋼渣的物理力學(xué)性質(zhì)

     鋼渣是一種固態(tài)非金屬物質(zhì)。通過對撫順鋼鐵公司和撫順市鵝脖嶺鋼鐵廠不同存放期的鋼渣抽樣測定表明，見表1。其物理力學(xué)性能與石料比較接近，鋼渣的抗壓強(qiáng)度，磨耗率、壓碎值等主要力學(xué)指標(biāo)可以滿足修筑道路基層，乃至路面的要求。

3　鋼渣在道路中應(yīng)用的主要問題

      鋼渣的主要物理力學(xué)性能雖能滿足道路工程對集料的要求，但不能據(jù)此認(rèn)為即可毫無問題地在道路工程中應(yīng)用，主要問題如下：

      (1) 鋼渣的穩(wěn)定性不良

     鋼渣與石料的一個(gè)主要差別在于其形成時(shí)間短暫，當(dāng)我們將鋼渣看成一種特殊的火成巖時(shí)，在它形成的初期鋼渣內(nèi)的許多分子在與空氣、水、陽光等接觸后將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成在自然界中更為穩(wěn)定的新分子，這個(gè)過程稱之為鋼渣的陳化。鋼渣在陳化過程中對道路工程造成的危害主要是膨脹與粉化。而造成膨脹與粉化的主要原因有：

      a) 游離氧化鈣消解

     在潮濕的環(huán)境下， 鋼渣中的游離氧化鈣( f - Cao)遇水生成氫氧化鈣[Ca (OH) 2 ]體積增大達(dá)1～ 2倍。

      b)當(dāng)鋼渣內(nèi)含硫量> 3%時(shí)，鋼渣中的硫化亞鐵[ FeS]和硫化亞錳[MnS ]與水生成氫氧化鐵[ Fe (OH) 2 ]和氫氧化亞錳[Mn (OH) 2 ] ，體積將分別增大35%～40%及25%～30%。

      c)硅酸鹽晶體轉(zhuǎn)化鋼渣中的硅酸二鈣在500～845℃溫度區(qū)間內(nèi)， 由α及β型向γ型晶體轉(zhuǎn)變， 體積增大10% ～ 20% ，致使鋼渣碎裂。

      d)氧化鎂消解

      鋼渣中的氧化鎂[MgO ]遇水后生成氫氧化鎂[Mg(OH) 2 ] ，體積增長75% ～80% ，引起鋼渣的脹裂。但是鋼渣內(nèi)的氧化鎂通常以穩(wěn)定晶體存在，在道路適用的環(huán)境中是穩(wěn)定的。由此可見，游離氧化鈣消解是鋼渣膨脹與粉化對道路造成危害的主要原因。

      (2) 鋼渣的密度過大

      鋼渣的密度為3. 5 t/m3 左右，是普通石料的1. 2～1. 4倍。鋼渣用于道路工程中，其運(yùn)輸、拌和、攤鋪時(shí)的能耗要增加10%左右。另外，由于鋼渣的密度較大，在地基承載力不足的軟土地區(qū)不宜使用。

      (3) 鋼渣對環(huán)境的影響

     鋼渣的成份復(fù)雜，某些特種鋼的鋼渣內(nèi)含有害物質(zhì)，用這類鋼渣筑路，會(huì)對道路沿線的環(huán)境造成污染。

4　針對鋼渣膨脹特性的路用對策

      針對鋼渣膨脹特性，結(jié)合道路工程的具體要求采取相應(yīng)的對策，是可以找到鋼渣的有效使用方法的。我們知道，鋼渣的活潑化學(xué)成份與周圍介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過程是逐漸發(fā)展的，這是因?yàn)殇撛哂幸欢６?，也因?yàn)殇撛鼉?nèi)的活潑化學(xué)成份在鋼渣內(nèi)呈不均勻分布狀態(tài)，位于顆粒表面的活潑化學(xué)成份與其周圍介質(zhì)最早接觸，化學(xué)反應(yīng)最早進(jìn)行，并使鋼渣表面產(chǎn)生碎裂、崩解、剝落、脹裂、裂隙等破壞， 使處于鋼渣內(nèi)部的活潑化學(xué)成分外露，并使它們的化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行。在活潑化學(xué)成份集中部位，化學(xué)反應(yīng)激烈、膨脹力大，該處的膨脹通常會(huì)造成整塊鋼渣的碎裂或其某一部分的崩解。在活潑化學(xué)成份均勻分布的區(qū)域，化學(xué)反應(yīng)有所進(jìn)行，但激烈程度與膨脹力較前均有極大消弱，這些區(qū)域內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，通常僅會(huì)造成鋼渣表面的剝落、脹裂或松散， 而不至于造成整塊鋼渣的碎裂。因此，鋼渣在道路工程中應(yīng)用可遵循以下原則：

      a)應(yīng)嚴(yán)格控制應(yīng)用于道路工程中的鋼渣粒度， 同時(shí)應(yīng)盡量使大粒徑鋼渣穩(wěn)定，這樣就可使鋼渣結(jié)構(gòu)層內(nèi)化學(xué)反應(yīng)盡快完成，同時(shí)也不會(huì)因化學(xué)反應(yīng)造成局部集中膨脹。

      b)正確設(shè)置鋼渣結(jié)構(gòu)層內(nèi)孔隙，利用鋼渣具有的膨脹特性，用膨脹量去充填原結(jié)構(gòu)層內(nèi)的孔隙，或引導(dǎo)膨脹量向土基發(fā)展，使土基更趨密實(shí)。

      c)利用鋼渣化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的膠體，使該結(jié)構(gòu)層板體作用更強(qiáng)，強(qiáng)度更高。

5　鋼渣的幾種應(yīng)用方法

      (1) 在低等級(jí)道路中用鋼渣鋪筑面層這些道路主要是鄉(xiāng)村道路、礦區(qū)道路、高等級(jí)道路施工時(shí)的便道等。這些道路交通量不大，車速不快，即使鋼渣略有膨脹，也不影響其使用。這類道路使用1～2年后再在上面鋪筑瀝青混凝土路面，則是非常理想的，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，鋼渣內(nèi)的活性材料均已反應(yīng)并趨向穩(wěn)定，而使鋼渣層逐漸板結(jié)成具有一定強(qiáng)度，比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)層。

      (2) 鋪筑鋼渣基層

     鋼渣的另一種應(yīng)用方法是單純使用鋼渣鋪筑道路基層。由于鋼渣具有一定粒度，因此壓實(shí)仍具有一定孔隙，當(dāng)鋼渣產(chǎn)生膨脹時(shí)，大部分膨脹量將充填孔隙，使基層更趨密實(shí)。另外，鋼渣在化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的膠體材料對松散的鋼渣起了膠結(jié)作用，而使基層形成具有一定板結(jié)性質(zhì)的半剛性基層。但由于鋼渣的膨脹性和膨脹后鋼渣顆粒的細(xì)化，故采用鋼渣鋪筑基層時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

      a)控制鋼渣的最大粒徑，使膨脹不至于集中于一點(diǎn)；

      b)選擇合適的級(jí)配與壓實(shí)度，使壓實(shí)后的基層既有一定孔隙供膨脹去充填，又不至于因大顆粒裂解造成支承不足。

      c)確定合適的游離氧化鈣含量，使膨脹量不至于過大，但又有一定的膠結(jié)能力。鋼渣基層，其理想的混合料組成為：( 1)最大粒徑dmax ≤50mm (方孔，下同) 。( 2)粒徑20 ～50mm 占50%～70%，以形成混合料主骨架，其f - Cao含量應(yīng)< 3% (或其粉化率< 5%) 。通常，露天堆放三個(gè)月以上的鋼渣可達(dá)到此要求。( 3)粒徑< 20mm 的細(xì)渣占30%～50% ，并要求有不少于70% < 5mm 的顆粒。其游離氧化鈣含量6% ～9%。通常，露天堆放期不超過一個(gè)月的新渣均可滿足這一要求。建議的級(jí)配見表2。

    用鋼渣鋪筑級(jí)配基層的特點(diǎn)是其承載力不如半剛性基層，其合適的應(yīng)用范圍是次干道的基層?；蚋叩燃?jí)公路的底基層。

6　結(jié)論

     鋼渣應(yīng)用于道路工程，國內(nèi)已摸索了數(shù)十年，既有成功的經(jīng)驗(yàn)，又有失敗的教訓(xùn)。但鋼渣的應(yīng)用是社會(huì)發(fā)展的需要，而道路工程又是其最大的應(yīng)用方向。在道路工程中成功地應(yīng)用鋼渣，源自于對鋼渣特性的認(rèn)識(shí)，也依賴于施工中的認(rèn)真管理，精心操作。

      (1) 鋼渣用于道路工程危害是它膨脹與粉化， 若不給予充分認(rèn)識(shí)，采取相應(yīng)措施就可能對工程造成危害。

      (2) 解決鋼渣膨脹與粉化的關(guān)鍵是：a)控制鋼渣的最大粒徑； b)設(shè)置合適的孔隙率； c)控制鋼渣內(nèi)(尤其是大粒徑鋼渣)游離氧化鈣含量。

      ( 3) 目前，提高普通鋼渣穩(wěn)定性的有效途徑是：a)在冶金部門探索鋼渣的處理工藝，力爭在鋼渣的初次處理中，降低游離氧化鈣含量。b)將磁選后的尾渣堆置濕存是經(jīng)濟(jì)可行的陳化方法。

      (4)不同冶金企業(yè)的鋼渣均有不同的特性，使用前均需摸清它們的適用性及其陳化規(guī)律。

      (5) 應(yīng)充分利用鋼渣的活性性能。