钢渣沥青混凝土研究进展.pdf
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1、 第 2期 2 0 1 6年 4月 矿 产 综 合 利 用 M u l t i p u r p o s e Ut i l i z a t i o n o f M i n e r a l Re s o u r c e s No 2 Ap r 2 01 6 钢渣 沥青混凝 土研 究进展 刘国威L , 朱李俊 , 金 强 , 韩甲兴 ( 1 西安建筑科技大学材料与矿资学院, 陕西西安7 1 0 0 5 4; 2 中冶宝钢技术服务有限公司,上海2 0 0 9 4 1 ) 摘要: 钢渣沥青混凝土作为沥青混凝土的重要部分之一, 国内外研究者对其开展了众多的研究 和应用。 本文基于钢渣和沥青混合料的研究进展
2、, 系统介绍和分析了国内外钢渣沥青混凝土的研究和应用情况, 指出 了钢渣沥青混凝土具有优异的性能和良好的性价比, 并提出未来应从钢渣的分类、 体积膨胀性消除、 配合比三 个方面开展系统的研究, 确保钢渣沥青混凝土得到大量的应用。 关键词: 钢渣, 沥青混凝士, 沥青混合料, 路面 d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 - 6 5 3 2 2 0 1 6 0 2 0 0 2 中图分类号: T D 9 8 9 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 0 6 5 3 2 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 1 1 0 6 钢渣是炼钢过程中加入石灰 、 萤石
3、等造渣溶剂 而形成的复合固溶体, 2 0 1 3年我国的产出量超过 9 0 0 0万 t , 综合利用量为 2 6 0 0余万 t , 综合利用率不 足 3 0 。作为冶炼行业的主要固体 副产物 , 由于化 学成份和后期处理工艺的不 同, 钢渣 的物化性能有 着较大的差异 , 造成其难 以大量综合 利用 , 大量 的钢渣堆存造成了严重的环境污染 , 占用 了大量 的 土地, 破坏生态环境。因此, 如何提高钢渣的综合利 用水平迫在眉睫。 1 国内外钢渣与沥青混合料应用研究 进展 随着 国内外钢渣堆存量 的不断增高 , 研究者们 开始注重对 于钢渣综合利用技术的研究 , 其技术成 果层次不穷 。综
4、合来说 , 钢渣 目前 主要用于钢铁 冶炼溶剂、 农 业生产 、 环保利用 、 建筑材料 等方 面。 作为钢铁冶炼溶剂使用时, 主要利用不同的钢渣作 为烧结原料以及应用钢渣替代生石灰和白云石作 为 高炉溶剂。在农业 生产 中, 主要利用钢渣中富含磷 和硅元素特征生产磷肥、 硅肥 J 。在环保应用方 面, 主要利用钢渣多孔性特征作为吸附材料用于重 金属处理。在建筑材料应用方面 , 主要用于制备砖 、 砌块、 混凝土 、 公路工程材料 以及制备微晶玻 璃和陶瓷材料 J 。 沥青混合料作为一种重要 的复合材料 , 在路面 材料 中得到 了大量 的应用 i o - 1 2 。国内外 的学者也 对沥青混
5、合料的路用性能如高温稳定性 、 低 温抗裂 性 、 水稳定性 、 耐疲劳性等 多方 面开展了研究。彭 勇 , 孙立军等 H 研究表明在常温下 , 随着级配变 粗 , 沥青混合料劈裂强度增大 ; 低温条件下 , 随着油 石比增大, 沥青混合料劈裂强度和劲度模数增大, 破 坏应变减小 , 随着空隙率 的增大 , 沥青混合料劈裂强 度减小; 沥青混合料均匀性与劈裂强度没有明显相 关性。朱洪洲 副通过不同因素条件下沥青混合料 高温车辙试验, 分别以动稳定度和总变形量作为参 考序列 , 对影响因素进行灰关联分析。朱梦良等 分析了集料级配 、 沥青类型、 沥青用量 、 空隙率等材 料参数以及压实方法、 试
6、验温度等因素对沥青混合 料高温稳定性的影响。朱福等 1 研究了交通荷载、 环境温度、 材料类型和水作用( 高温浸水和冻融循 环 ) 对沥青混合料高温稳定性能 的影响。 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 2 2 1 作者简介: 刘国威( 1 9 8 5 一 ) , 男 , 从事钢渣固体废弃物资源综合利用研究。 1 2 矿产综合利用 2 0 1 6短 2 钢渣沥青混凝土研究进展 随着公路建设 的发展 , 对公路等级的需求也随 之提高 , 沥青路面逐渐在国家路 网中发挥着显而易 见的优势。在这种背景下 , 沥青路面的研究也越来 越受到国内科研机构和有关高等院校 的重视 。 钢渣作为炼钢工业产生 的
7、废渣 , 生产率约为粗 钢产量的 1 0 1 5 , 是冶炼行业的主要 固体副产 物 , 其严峻的综合利用形势使各 国对钢渣资源化利 用空前重视 , 因此 , 研究钢渣 的特性 , 开发新 的综合 利用途径具有重要 的意义_ 1 。 钢渣 的成分随着工艺 的不 同会有些变动 , 利用 其化学特性进行综合利用的相关研究也存在一定的 困难 J 。在物理特性方面 , 国内外的众多研究成果 表明钢渣具有 出色的物理力学性质 , 利用其物理特 性开发出的综合利用技术与产 品已成为钢渣综合利 用最主要 的途径 。总体来说 , 它的主要物理特性 集 中表现在以下几个方面: ( 1 ) 良好的棱角性 : 钢渣
8、 经破碎、 筛分 、 磁选处理后 , 颗粒多呈不规则状 , 具有 良好的内摩擦嵌挤力 , 而内摩擦嵌挤力是评判道材 、 集料适用性的重要依据; ( 2 ) 密实度高: 钢渣中富含 铁 , 其压缩孔隙结构使其成为一种较为密实的材料 , 堆密度 B D超过 1 9 0 0 k g m , 大于大部分天然砂石 , 比重大确保了钢渣作为路面材料或者混凝土掺合料 的抗碾压强度和有效耐久 性 ; ( 3 ) 磨光值较 高, P S V值位于 6 0 6 5之 间, 能提供好 的抗 滑路 面, 保 证车辆舒适安全行驶 ; ( 4 ) 抗水性和粘附性好 : 钢 渣吸水率不 到 2 , 与其 他天然砂石相近。且
9、 颗粒 级配形状好 , 呈碱性 , 表面多孔 收缩性小 , 与沥青有 良好的粘 附性 ; ( 5 ) 良好的抗冻性 : 硫酸镁稳定性 试验 MS S要求材质浸酸干燥后体收缩不超过 1 2 , 钢渣测定值很小。有些国家地区采用更严格的芒硝 ( 硫酸钠 ) 试验 , 钢渣的收缩率仍很 小。良好 的收缩 率保证了钢渣沥青路面在霜冻情况下不宜产生沥青 剥落现象 。 上述研究成果 已表 明钢渣具有的耐磨 、 吸水性 低 、 水硬性好、 多棱角等特点 , 是一种潜在的具有优 良路用性能的建筑材料 , 可在公路建设 中充分发挥 其优势。与沥青碎石混合料进行 比较 , 钢渣具有更 广阔的应用前景 。因此 利用
10、钢渣替代原先 的玄 武岩等优质石料成为沥青混凝土的研究热点 , 一方 面 , 减少玄武岩等石料 的需 求量 , 降低工程造价 , 具 有显著的经济效益和社会效益 ; 另一方面 , 用钢渣替 代( 或部分 替代 ) 优质匮乏的石料 。实现 了废 旧资 源的再生利用 , 降低工程成本 , 减少对特定材料资源 的过度开发 , 有利于保护生态环境和地 区经济 的可 持续发展 。 2 1 国外研 究进展 国外钢渣沥青混凝土应用最早 出现在 2 0世纪 6 0年代末 , 美 国和加拿大用钢渣沥青混凝土联合修 建了试验段来检验道路稳 固性 , 从使用的效果来看 , 钢渣沥青路面的质量和耐久性都毫无问题 ,
11、而且证 明钢渣 比用天然石料 的抗滑性能还要好 。2 0世 纪 7 08 0年代 中期 , 美国马里兰州巴尔的摩市用沥 青混凝土铺 筑 了许多人 行道。从 1 9 9 0年到 1 9 9 5 年 , 纽约市钢渣沥青混凝 土使用 总量达到 了 2 5 1 0 t 。随后 , 在北欧的丹麦 、 挪威 、 瑞典以及荷兰、 奥 地利等国, 钢渣沥青混凝土的发展由于受到美 国、 加 拿大的影 响, 应用相当广泛 , 先后在欧洲很多国家应 用发展起来 , 并成为风靡欧洲的高等级沥青路面。 2 1 1 钢渣沥青混凝土基本性能研究 随着钢渣沥青混凝土在欧美 的广泛应 用 , 研究 者也从不 同的角度研究和评价
12、了钢渣应用于沥青混 凝土的性能及影响。M a r c o P a s e t t o 使用两种不同 类型的电炉渣代替天然骨料应用于柔性路面组成中 的基层和路面基层沥青混凝土, 通过旋转压实试验 、 永久变形试验、 劲度模量试验 , 测试其疲劳和间接拉 伸强度 。试验结果表 明, 所有含 电炉渣 的混合料相 对于天然骨料都表现 出了更好 的机械性能, 并且满 足意大利公路部分技术标准的验收条件 , 因此 , 其可 以在公路建设 中得 到使用。S t o c k 研究了钢渣沥 青混凝土路面的抗滑性能 , 得益于钢渣粗糙的表面 , 钢渣沥青混凝土具有优 良的抗滑性能。采用 1 4 m m 的钢渣碎石
13、封层 , 在相同的磨光值的情况下 , 其抗滑 性能 要 比天 然 石 料 的 同等 级 封 层 的 性 能 更好 。 A l i l 3 分别将 电炉钢渣作为粗集料和细集料制备沥 青混凝土。通过测试项 目包括弹性模量、 动态螺变 、 低温劲度模量与水稳性验证沥青路面的承载能力 、 第 2期 刘国威等: 钢渣沥青混凝土研究进展 。l 3 抗车辙能力 、 抗低温开裂能力和抗水损 害能力。试 验结果证明, 钢渣沥青混凝土 的这些路用性能全面 超过同级配的石灰石沥青混凝土。A i r e y 【 3 利用高 炉钢渣作为粗集料、 转炉渣作为细集料、 石灰石矿粉 作为填料的密级配沥青混合料和沥青玛蹄脂(
14、S MA 一 1 3 ) 型沥青混合料的性能 , 通过评价劲度模量 、 蠕变 特性 、 疲劳特性 以及耐久性等性能 , 发现钢渣作为集 料使沥青混凝土的劲度提高了接近 2 0 , 永久变形 也大幅下降 , 疲劳性能也并未减弱 , 抗老化性能也有 相应的提高。 2 1 2 钢渣沥青混凝土环境与社会效益研究 在钢渣沥青混凝土表现 出优异性能的同时, 研 究者们开始注意到钢渣应用于沥青混凝土的环境影 响、 经济效益 、 工程实际应用等问题。S h e n 【 3 特别 研究 了钢渣沥青路面的噪音问题 。结果表明钢渣的 应 用 可 有 效 降 低 沥 青 路 面 的 噪 音 。 P e r v i z
15、 A h m e d z a d e 3 3 研究了钢渣作为粗骨料利用量 的多少 对热拌沥青混凝土性能的影响 , 利用两种类 型的沥 青水泥( A C - 5 , A C 一 1 0 ) 和粗骨料 ( 石灰 石 ; 钢渣 ) 制 备四种不 同的沥青混合料, 以此来制备马歇尔试件 并确定最佳沥青含量。所有混合料的机械特性由马 歇尔稳定度 、 间接拉伸劲度模量、 蠕变劲度、 间接拉 伸强度测试 结果进行评 价。试样 的电灵敏度根据 A S T MD 2 5 7 9 1进行研究。可 以观察到 , 钢 渣作 为 粗骨料可以提高沥青混凝土的机械性能 。而且 , 体 积电阻值测试结果表明钢渣混合料的导电率
16、 比石灰 石混合料更好 。L o n g S h e n g H u a n g L 3 利用转炉渣作 为骨料的沥青混凝土路面在不 同的压实号码下进行 静态 的、 动态的以及半静态的震动滚动试验 , 评价现 场压实号码、 滚动方法、 冷却时间对转炉渣沥青混凝 土的影响效果 。这项研究结果表 明, 如果路面是通 车的, 且同时考虑转炉渣沥青混 凝土的强度增长和 稳定性 , 路 面应先振动滚动约 3 4个来 回, 其次是 静态滚动完成路面施工压实。N o u r e l d i n 【 3 将 钢渣 粗骨料、 天然砂细集料配制成 A C 2 0型密级配沥青 混合料 , 采用马歇尔的标准设计方法 ,
17、 进行马歇尔稳 定度 、 间接拉伸强度、 劲度模量 以及垂直应变测试 。 结果表明, 采用该组成 的钢渣沥青面层 的厚度可以 有效降低, 从而节约建造成本。 2 1 3 钢渣沥青混凝土问题研究 在钢渣沥青混凝土研究如火如荼的同时, 钢渣 膨胀性的问题成为研究者的难题。由于炼钢出渣时 间缩短, 投入的石灰过量 , 钢渣含有极易膨胀的游离 氧化钙 、 自由氧化镁 以及多种氧化物和矿物质 , 具有 与硅酸盐相似的物化成分, 在一定 的环境条件下经 过电 解 水 化 作 用 后 , 使 钢 渣 具 有 不 稳 定 性 。 K a n d h a l _ 3 钊通过采用钢渣取代石灰石细集料制备密 级配混
18、合料研究钢渣沥青混凝土 的膨胀性 能, 结果 证 明, 钢渣细集料部份的膨胀率与其 “ 同源” 的粗集 料的膨胀率之间有较好的相关性 , 氧化镁极易与金 属氧化物形成 固溶体而失去活性 , 游离氧化钙是造 成钢渣体积膨胀 的主要因素。所以钢渣的回收利用 在道路工程中 目前仅采用较低游离氧化钙 、 自由氧 化镁的品种 , 特别是游离钙含量要尽可能的低 。 2 1 4 钢渣沥青混凝土政策保障与工程应用研究 在钢渣沥青混凝土实际应用和政策保 障方面 , 法国的公路面层的沥青路面防滑材料 , 有的全部用 钢渣 , 有的将钢渣 和石灰石混合使用 , 都取得 了成 功 , 并且得到了大量应用。 日本钢铁协
19、会也专门制 订了 使用钢铁渣的沥青路面设计施工手册 和 钢 渣路面基 层设计施工手册 。根据钢渣的特点 , 已 成功将钢渣用于路基上的隔离层和路面层 , 应用表 明转炉渣和沥青拌制的混合料用于寒冷区域或交通 荷载大的路面, 有明显的耐磨性和耐流动性 , 其性能 优于天然石料 。西德 的联邦 9号公路 , 用钢渣沥青 混凝土铺筑 , 开放交通 以后一直很好。比利时公路 局颁发了用钢渣拌制沥青混合料 , 铺筑公路的有关 技术文件 。 总之 国外在利用钢渣沥青混凝土的研究方面积 累了大量 的经验 , 充分发挥 了钢渣的机械性能的优 点 , 而且在环境影响、 经济效益、 工程实际应用 、 政策 保障、
20、 技术规范设定等方面积 累了大量的经验。国 外钢渣已经越来越多的使用到路面材料铺装中。 2 2 国内研究进展 国内对钢渣在沥青混凝土中的应用研究起步稍 晚 , 但在基于国外研究的基础上 , 发展 比较迅速 , 主 要集中在钢渣在不同沥青混凝土路面结构型式中的 应用 、 钢渣潜在膨胀性及其消除、 钢渣对沥青混凝土 l 4 矿产综合利用 2 0 1 6年 重金属浸出影响等方面。 2 2 1 钢渣沥青混凝土性能、 环境影响研究 吴少鹏 探讨了钢渣作为骨料在 S MA中的应 用 , 对沥青混合料 的性能进行 了评估。通过利用 x 射线衍射 、 扫描电子显微镜和汞压人法来研究骨料 的成分、 结构和聚集体
21、形态 , 同时对钢渣作为骨料的 S M A混合料和玄武岩作为骨料 的 S MA混合料的性 能进行对比分析。研究结果显示 , 钢渣作为骨料 的 S M A混合料的体积特性 满足相关规范 , 且 7 d膨胀 率小于 1 。相对于玄武岩 , 利用钢渣作为骨料 的 S M A混合料的高温性 能和低 温抗开裂性能均得 到 改善。使用中的钢渣 S MA路面在粗糙度和 B P N表 面系数方面表现出了优异的性能。陈南重点研究了 钢渣与沥青的粘附性能。采用水煮法研究 了不 同时 间下粘附性的衰减度 , 结果表明, 钢渣的高碱度使其 粘附性衰减度小 , 而且沥青 中的羟基会与钢渣表 面 的碳氧键互相吸引, 使得
22、钢渣表 面改性而促使沥青 更牢固的吸附于其上 。Y o n g j i e X u e _ 加 转炉渣 的 物理和微特性、 钢渣沥青材料 和路面性能这两点来 讨论转炉渣作为骨料在沥青路面 中应用的可行性 , 通过 X R D 、 S E M、 T G和压汞仪等分析和测试方法研 究 了转炉渣的机械化学和物理变化 , 采用转炉渣 为 原料设计钢渣 S MA混合料 , 通过传统 的车辙试验 、 浸泡轮距和改性 L o t t m a n试验测试高温稳定性能和 耐水性能 , 以单轴压缩试验 和间接拉伸试验评价其 低温抗裂性能和疲劳特性 。结果表明 , 试验路面可 以与传统的沥青路面相媲美 , 甚 至在
23、某些方面优 于 后者。该研究成果使钢渣可以在更广泛的领域得到 应用 , 特别是在沥青混合料摊铺工程这样一个广阔 的领域中的应用具有重要的意义。章照宏 提出 了 3种用于沥青混凝土的钢渣处理工艺 , 采用陈化 处理、 防水抗油剂浸泡处理 、 研磨处理 3种工艺研究 了钢渣替代天然集料用 于沥青混凝土的可行性 , 评 价 了处理后钢渣沥青混凝土 的改善效果 , 结果表明 经过处理后钢渣的抗 水损 害性 能有不 同程度 的提 高。张春刚【4 2 在沥青混合料中通过使用钢渣替代 石料作为骨料, 验证了沥青混合料的重金属离子浸 出效果 , 通过使用 T C L P方法 , 探讨 了钢渣及钢渣沥 青混合料
24、中重金属浸 出行为以及沥青种类对重金属 浸 出的影 响。结果表明 , 钢渣 中 C u 、 V、 Z n 、 A s 、 Mn 浸 出浓度均超出标准。3种不 同沥青制成的 A C 一 1 6 沥青混合料 中 C u 、 V、 z n 、 A s 、 Mn浸 出浓度相 差不 大, 说明沥青种类对重金属浸 出影 响不大 。C u 、 z n 浸出浓度在标准之内, A s 、 Mn浸出浓度超 出标准。 2 2 2 钢渣沥青混凝土应用 大量使用钢渣沥青混合料来摊铺高等级柔性路 面的有效实践不多。在 2 0世纪 6 0年代曾经进行过 利用转炉钢渣铺筑道路基层和沥青 面层 的试验 , 但 在之后 的相当长
25、一段时间里进展 不大。2 0 0 4年仙 桃天门一级公路汉江大桥桥面铺装采用了武钢钢渣 作为主集料 的 S MA沥青混凝土。李灿华 、 魏糍 3 _ 等人对这三条试验段服役八年后的路用性能做了跟 踪检测 。检测结果表明这些钢渣沥青路面服役性能 良好 , 抗滑能力衰减度 比同类型的石灰石路面小得 多 , 路面结构并未出现大的损坏 , 显示出较好的耐久 性能。2 0 0 9年为迎接 国庆六十周年北京长安街大 修工程 中, 用钢渣替代玄武岩用于沥青路面表层 , 为 钢渣沥青 昆 凝 土的实际应用起到 了示范作 用。总 之 , 道路建设需要消耗大量的原材料 , 而钢渣出色的 棱角性及力学性能可 以替代
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