熱悶渣在新疆高等級公路建設中的應用與實踐

沈金生¹、俞海明²、吳漢元²、李玉新³ 陳躍軍³趙旭章³

 （1、新疆交通建設股份有限公司、2新疆中合大正冶金科技有限公司、3新疆八鋼佳域工貿總公司）

摘要：熱悶渣的性能有別于傳統鋼渣，熱悶渣在工業領域的利用除了水泥建材行業以外，最大的應用領域在于路橋建設，以及成型造塊。新疆八一鋼鐵股份有限公司熱悶渣工程建設成功以后，鋼渣的利用與潛在價值的挖掘成為解決鋼渣全量應用的難題，為此，新疆中合大正冶金科技有限公司于新疆交建集團、新疆八一鋼鐵股份有限公司等單位合作，先后斥資數百萬，就鋼渣在新疆路橋建設過程中的應用做了大量的探索和試驗，取得了寶貴的經驗和數據，本文在此予以陳述，供同行借鑒參考。

關鍵詞：熱悶鋼渣，水穩層，面層，CBR值

The steel slag playcation in rode instruction XinJiang province

Abstract: Tightness performance is different from the traditional steel slag, slag hot stuffy slag used in the field of industrial besides cement building materials industry, the largest applications is to bridge construction, and building blocks. Xinjiang bayi iron and steel co., LTD., and fever slag project successful, the use of steel slag and the potential value of mining as to solve the problem of the application amount of steel slag fully, therefore, of the xinjiang dazheng metallurgy technology co., LTD. / building group in xinjiang, xinjiang bayi iron and steel co., LTD and other units cooperation, road and bridge construction process, the application of steel slag in xinjiang to do a lot of exploration and try. In road base cushion layer water stable level did a lot of experiments, gained valuable experience and data, has spent millions. In this paper, in this statement, for the colleague reference.

Keywords: Fever steel slag, water stable layer, layer, CBR value,

前言

熱悶渣工藝經過十多年的不斷發展，目前已經成為最有效和最經濟的鋼渣處理工藝之一。據文獻介紹，中冶建筑研究總院有限公司在調研和總結塊狀鋼渣的熱悶渣工藝以后，于2004年開發出將液態鋼渣冷卻到800℃，即可進入熱悶渣裝置進行熱悶處理的工藝，成為第二代熱悶渣技術。第二代的熱悶渣技術與第一代熱悶渣技術相比，將渣罐內的鋼渣放置于渣罐內，自然冷卻或者強制冷卻，溫度達到工藝要求時，即可將罐內的高溫鋼渣倒入熱悶渣渣池子處理，與第一代技術相比，第二代技術縮短了鋼渣的冷卻時間，熱悶周期縮短，減少了附屬的熱潑設施，使得此工藝在韶鋼、太鋼、天鐵資源公司等應用。

熱悶渣具有以下的優點：經熱悶渣工藝處理后的鋼渣粒度均勻，成分穩定，鋼渣中的游離氧化鈣含量穩定，是一種可以直接應用于路橋建設行業的優質原料。但是，由于對于該工藝的研究缺少系統化的投入，缺少必要的試驗數據，熱悶渣能不能直接應用于公路建設領域，是一項挑戰。這種挑戰的難度在于，鋼渣應用于路橋建設雖然已經成熟，但是不同工藝處理的鋼渣，公路領域的專家缺少必要的了解，疑慮和擔心，是影響熱悶渣應用于公路領域的主要問題。

新疆中合大正冶金科技有限公司為解決熱悶渣的利用問題，結合新疆的土壤結構和地理特點，開展了鋼渣應用于公路的研究與實踐。先后在昌吉繞城高速、烏奎高速、八鋼廠區道路、昌河大橋引橋段鋪筑了數十公里的鋼渣路，取得了優異的社會效益和環境效益。本文予以淺述，供同行參考，起到拋磚引玉之作用，以推動國內鋼渣全量循環利用。

1 熱悶渣工藝和特點簡介

熱悶渣的整體工藝基本上是相近的，不同的鋼廠工藝細節有所不同，某一鋼廠2010年投產的熱悶渣生產線的工藝流程圖如下圖2所示：

通過以上的這些工藝的不斷完善和發展，使得熱悶渣工藝成為目前國內的主力渣處理工藝之一。與其它的渣處理工藝相比，熱悶渣的特點可以簡述如下：

（1） 鋼渣粒度小于20mm的量占60%～80%，大于20mm的鋼渣，多數采用多級破碎設備進行破碎再次深加工處理。

（2） 熱悶渣工藝處理的鋼渣，渣中的渣鋼和鋼渣分離效果好，大粒級的渣鋼鐵品位高，金屬回收率高，尾渣中金屬含量小于1%，有效的減少了金屬資源的浪費。

（3） 經過熱悶處理的鋼渣，鋼渣的f-CaO 約為2.63%～3.27%，明顯低于熱潑鋼渣，可使尾渣中的游離氧化鈣（f-CaO）和游離氧化鎂（f-MgO）進行較為充分的消解反應，與其它熱熔鋼渣處理工藝相比，熱悶渣工藝對鋼渣安定性有明顯的改善作用，在消解鋼渣中的f-CaO、f-MgO 等不穩定物質方面具有明顯的優勢。消除鋼渣不穩定因素，使鋼渣用于建材和道路工程安全的安全性更加可靠，是一種可以直接利用的優質資源。但是熱悶渣從誕生到現在已有20年的歷史，其尾渣的利用，目前還沒有文獻報道有規模化的成功應用經驗。為此，新疆中合大正冶金科技有限公司針對熱悶渣的這一特點，展開的系列的研究。從物理化學成分的分析到物理性能和力學性能的測試，在取得了大量的試驗數據的基礎上，展開了鋼渣路用性能的全方位研究。其中，該廠研究的熱悶渣的主要成分如下表1：

2熱悶渣在路橋工程中的實踐

2.1鋼渣的各種路用性能的研究

2.1.1 鋼渣的膨脹性研究

在《道路用鋼渣》（GB/T 25824-2010）中規定用于道路基層鋼渣膨脹率≤2%，取f-CaO含量最高的一組分別做純鋼渣和鋼渣與礫石的混合料膨脹率試驗，表2計算公式為：

表2： 鋼渣膨脹率試驗（0.01mm）

根據式1和表1-2膨脹率試驗，得到鋼渣的膨脹率為0.7%，鋼渣混合料的膨脹率為1.3%，均滿足膨脹率不大于2%的要求，說明八鋼的熱悶渣鋼渣具有一定的穩定性，可用于道路基層建設。

2.1.2鋼渣物理指標分析

在室內試驗中，主要對表觀密度、毛體積密度、壓碎值、吸水率、易溶鹽指標進行檢測，以分析鋼渣的物理力學指標，試驗結果見下表3。

表3 鋼渣物理力學指標

分析表3試驗結果可看出各項指標均滿足標準要求，尤其是壓碎值標準，根據楊三強對新疆北疆水穩基層集料調查分析，北疆范圍礫石壓碎值結果為23.1%。而壓碎值指標是集料強度的表現，壓碎值小的集料能形成較強的骨架結構，可提高水泥穩定類基層的模量、抗壓強度等性能。從壓碎值結果分析，鋼渣用于水穩基層可增加半剛性基層強度，延長道路使用壽命。

2.2水穩鋼渣級配設計

在實際的工程應用中，鋼渣與礫石按一定比例形成復合級配，比例在50:50左右浮動所得到的無側限抗壓強度結果最好。因此，結合實際工程情況鋼渣與礫石比例在40:60～50:50之間進行級配設計見下表4。從表中可看出5種不同比例摻配的級配基本上都很接近，且都滿足規范要求。篩分見圖3

表4：水穩鋼渣級配設計

2.3水穩鋼渣強度分析

按5種級配分別進行最大干密度和最佳含水量試驗，結合工程實際水泥劑量為4.5%。制得抗壓試件在標準養生條件下養生7d（圖5），得到不同摻配比例強度結果，并以進行強度評定，其中為7d強度平均值，=3.0MPa，最終結果見表5和圖4（其中Rd:設計抗壓強度；Cv:試驗結果的偏差細數；Za:隨保證率而變化的系數）

從上表和圖中間不同鋼渣礫石比例可看出，5種級配7d強度平均值均大于評定值，隨鋼渣與礫石比例的變化，強度也在波動，且每種級配最大干密度和最佳含水量基本上接近，沒有很大的差值。以強度最高為選擇依據，結合依托工程實際情況，最終選定鋼渣與礫石比例49:51在G30與昌吉高新技術產業開發區吉祥南路互通立交工程鋪筑試驗路，鋼渣與礫石比例40:60在G312線昌吉過境段公路工程項目第二合同段輔道上鋪筑試驗段。

2.4 3.鋼渣用于瀝青混合料性能分析

2.4 3.1目標配合比設計

根據鋼渣的篩分情況，鋼渣粒徑主要集中在5-10mm范圍內，且0-5mm含量過多，影響瀝青混合料級配設計。結合八鋼鋼渣料堆狀況，現場過5-30mm篩網，以便用于瀝青路面，滿足配合比設計。G312線昌吉過境段公路工程項目第二合同段輔道瀝青路面設計為5cmAC-16瀝青混合料，根據鋼渣粒徑，現以鋼渣5-20mm粒徑范圍取代一檔碎石。AC-16瀝青混凝土目標配合比設計如表6所示。

表6： AC-16瀝青混凝土目標配合比設計

采用φ101.6mm×63.5mm標準試件，兩面各擊75次，60℃浸水30min進行馬歇爾試驗。用真空法測定各組級配的瀝青混合料的最大理論相對密度，用表干法測定馬歇爾試件的毛體積相對密度，計算空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等值，馬歇爾試驗結果如表7所示。

根據《公路工程瀝青混合料試驗規程》JTG E-2011、《公路瀝青路面施工技術規范》確定最佳瀝青用量為4.8%。

2.4 3.2鋼渣瀝青混合料性能分析

新疆氣候具有多種特點，如晴天多，日照強，少雨，干燥，冬寒夏熱，晝夜溫差大，以及風沙較多等等。新疆地區冬冷夏熱，大部分地區秋冬季氣溫偏低，極低氣溫能達到零下40℃。為此，考慮新疆特殊的氣候因素，有必要對鋼渣瀝

青混合料的高低溫性能進行分析。

（1）高溫性能分析

為研究瀝青混合料中參入鋼渣對其高溫性能的影響，在確定鋼渣量混合料級配及最佳瀝青用量后，通過監測動穩定度分析鋼渣瀝青混合料的高溫性能，試驗結果如表8所示。

表8：鋼渣瀝青混合料動穩定度

根據《公路瀝青路面施工技術規范》JTG F40-2004，動穩定度越大，高溫抗車轍性能越差，鋼渣瀝青混合料高溫性能滿足規范要求，具有一定的高溫抗車轍性能。

（2）低溫性能分析

相較水泥混凝土,瀝青路面由于材料具有一定的應力松他性,有著一定的變形能力,因此瀝青路面不設接縫。但浙青混合料的“柔性'會隨著溫度的降低而逐漸喪失,變得較脆硬。新疆地區氣候多樣復雜，在交通荷載的重復作用下, 瀝青路面容易產生裂縫。伴隨著雨雪水及大量行車荷載,裂縫逐漸產生沖刷和唧漿現象,最終演變為網裂、龜裂等病害。通過室內低溫小梁彎曲試驗來檢驗瀝青混合料的低溫性能，鋼渣瀝青混合料低溫彎曲檢測結果見表9。

試驗環境溫度為-10℃，加載速率為50mm/min。根據低溫小梁彎曲試驗可看出鋼渣瀝青混合料在低溫環境下具備相應強度，其抗彎拉強度為6.9Mpa，彎拉應變為，這與一般瀝青混合料強度相當。

（3）水穩定性分析

凍融劈裂試驗是在國內外應用的最廣泛的測定瀝青混合料水穩性能的方法

之一。使用設計的級配擊實馬歇爾,這些馬歇爾試件在低溫環境(零下18℃)及高

溫環境(60℃)下循環放置。且由于預先經過了真空飽水處理,試件內的自由水的膨脹作用導致試件整體強度的喪失。水穩性差 混合料在多次凍融后會發生試件崩裂現象。在凍融循環過程中,瀝青混合料受到的水損害的程度逐漸增大,表現為劈裂抗拉強度的逐步減小。鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗結果見表10。

表10：鋼渣瀝青混合料凍融劈裂試驗

經過凍融劈裂試驗，可看出鋼渣瀝青混合料具有良好的低溫性能，凍融劈裂前后抗拉強度比為91.3%，遠超過不小于75%的規范值，說明鋼渣用于瀝青路面具有一定性能優勢。

2.4 3.3生產配合比設計

該生產配合比最佳油石比為目標配合比設計的最佳油石比、最佳油石比以0.3%即4.5%、4.8%、5.1%三個油石比進行馬歇爾試驗，試驗結果為表11確定生產配合比最佳油石比為4.8%。

3實施的試驗段的情況簡介

3.1八鋼廠區道路的施工實踐

八鋼一號崗到熱悶渣廠有3.5公里的廠區道路，由于設計時考慮到，該道路車載負荷和流量較大，為典型的重載交通道路。最初的設計方案，設計準備采用傳統的SAC結構，公路設計為四層結構，即墊層、基層、水穩層、面層四層結構，

由于考慮到該道路行駛的載重車輛，80%以上是百噸以上的貨運車輛，傳統的設計服役周期，服役壽命均小于2年，為此，該道路工程的建設中，采用了創新的鋼渣鋪筑工藝，這一創新的工藝基礎，是考慮到鋼渣是一種過燒的硅酸鹽水泥熟料這一特點進行的，經過技術人員的計算認為，這條廠區道路，如果采用鋼渣鋪筑，水穩層的CBR值將超過200以上，該道路的服役周期、服役時間也將會達到倍增的效果。該條路于2011年采用60%的鋼渣與40%的戈壁土直接鋪筑水穩層，水泥的添量降低到2%。工程施工結束以后，道路的開放時間提前30天，道路各項性能指標遠遠優于傳統的施工工藝，從2012年12月該條道路開放到2017年，服役時間超過5年，該條道路上發生的病害較傳統施工工藝修建的道路減少80%以上。2015年，新疆交建集團，新疆農業大學部分專家到現場實勘時發現，該條道路除少量的反射裂紋以外，其余道路常見的車轍，塌陷，擁包等路害均沒有發現。該路段的經驗表明，熱悶鋼渣用于重載交通無疑是具有不可比擬的優勢的。

3.2 烏奎繞城高速的工藝實踐

烏奎繞城高速昌吉州榆樹溝段采用熱悶渣作為水穩層骨料進行鋪筑，試驗段總共鋪筑400米，道路鋪筑完成以后，同濟大學的部分專家教授到現場進行實勘，對于實勘結果給予了高度肯定。該試驗段鋪筑以后，出現過鉆取水穩層芯樣出現困難的問題，到達現場指導的同濟大學的教授認為，該路段由于采用鋼渣鋪筑，由于鋼渣具有的自粘結性特點以及鋼渣具有的多面體性能，使得水穩層異常堅固，是導致取芯樣不成功的主要原因。為此，同濟大學等六家單位聯合起草出臺了《鋼渣修路的地方標準》，這也證明了熱悶鋼渣應用于高等級公路所具有的優異性能，是傳統材料無法相比的。

3.3 在昌吉繞城高速的工藝實踐

在昌吉繞城高速的修路過程中，熱悶鋼渣的級配料作為鋼渣瀝青混凝土的骨料使用，該路段鋪筑投入至今，服役性能優異，路面病害幾乎沒有發生，這也說明了，熱悶鋼渣作為SAC結構是完全沒有問題的。

3.3 鋼渣作為水穩層在昌河大橋西部連接段的鋪筑

2016年，昌河大橋作為烏魯木齊烏昌一體化的重要工程，建設已進入尾聲，鋼渣作為水穩層鋪筑在西部的山區，施工結束以后，路面服役情況至今良好，該路段的鋪筑同樣暴露出鉆芯取樣的困難問題，這也是熱悶鋼渣應用于路橋建設中必須面臨的一個問題即鋼渣這種優異的路用材料在鋪筑水穩層以后是不能夠用常規手段檢測分析其芯樣結構的。

4 結語

熱悶鋼渣由于其優異的工藝性能，使得熱悶渣在經過選鐵以后，就直接的能夠作為路用材料，應用于公路建設的每一個工藝環節。從處理濕軟地基到換填土基到水穩層基層的應用，面層的建設均體現出了不同于傳統路用材料的性能，證明熱悶鋼渣今后作為道路材料被大量應用的科學性，阡陌交通是國家和社會的經濟動脈，修建綠色公路，利用熱悶渣無疑是一種不同專業之間的創新，具有廣闊的前景。據筆者分析認為，全國的鋼產量，每年將達到7億噸，產生的鋼渣量在8400萬噸以上。這些鋼渣如果能夠大部分應用于路橋的建設領域，不僅能夠解決公路建設過程中的資源問題、環保問題，而且能夠大幅度的提高修筑的路橋質量，減少路害和維護費用，有著重要的意義。