热闷渣在新疆高等级公路建设中的应用与实践

沈金生¹、俞海明²、吴汉元²、李玉新³ 陈跃军³赵旭章³

 （1、新疆交通建设股份有限公司、2新疆中合大正冶金科技有限公司、3新疆八钢佳域工贸总公司）

摘要：热闷渣的性能有别于传统钢渣，热闷渣在工业领域的利用除了水泥建材行业以外，最大的应用领域在于路桥建设，以及成型造块。新疆八一钢铁股份有限公司热闷渣工程建设成功以后，钢渣的利用与潜在价值的挖掘成为解决钢渣全量应用的难题，为此，新疆中合大正冶金科技有限公司于新疆交建集团、新疆八一钢铁股份有限公司等单位合作，先后斥资数百万，就钢渣在新疆路桥建设过程中的应用做了大量的探索和试验，取得了宝贵的经验和数据，本文在此予以陈述，供同行借鉴参考。

关键词：热闷钢渣，水稳层，面层，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

热闷渣工艺经过十多年的不断发展，目前已经成为最有效和最经济的钢渣处理工艺之一。据文献介绍，中冶建筑研究总院有限公司在调研和总结块状钢渣的热闷渣工艺以后，于2004年开发出将液态钢渣冷却到800℃，即可进入热闷渣装置进行热闷处理的工艺，成为第二代热闷渣技术。第二代的热闷渣技术与第一代热闷渣技术相比，将渣罐内的钢渣放置于渣罐内，自然冷却或者强制冷却，温度达到工艺要求时，即可将罐内的高温钢渣倒入热闷渣渣池子处理，与第一代技术相比，第二代技术缩短了钢渣的冷却时间，热闷周期缩短，减少了附属的热泼设施，使得此工艺在韶钢、太钢、天铁资源公司等应用。

热闷渣具有以下的优点：经热闷渣工艺处理后的钢渣粒度均匀，成分稳定，钢渣中的游离氧化钙含量稳定，是一种可以直接应用于路桥建设行业的优质原料。但是，由于对于该工艺的研究缺少系统化的投入，缺少必要的试验数据，热闷渣能不能直接应用于公路建设领域，是一项挑战。这种挑战的难度在于，钢渣应用于路桥建设虽然已经成熟，但是不同工艺处理的钢渣，公路领域的专家缺少必要的了解，疑虑和担心，是影响热闷渣应用于公路领域的主要问题。

新疆中合大正冶金科技有限公司为解决热闷渣的利用问题，结合新疆的土壤结构和地理特点，开展了钢渣应用于公路的研究与实践。先后在昌吉绕城高速、乌奎高速、八钢厂区道路、昌河大桥引桥段铺筑了数十公里的钢渣路，取得了优异的社会效益和环境效益。本文予以浅述，供同行参考，起到抛砖引玉之作用，以推动国内钢渣全量循环利用。

1 热闷渣工艺和特点简介

热闷渣的整体工艺基本上是相近的，不同的钢厂工艺细节有所不同，某一钢厂2010年投产的热闷渣生产线的工艺流程图如下图2所示：

通过以上的这些工艺的不断完善和发展，使得热闷渣工艺成为目前国内的主力渣处理工艺之一。与其它的渣处理工艺相比，热闷渣的特点可以简述如下：

（1） 钢渣粒度小于20mm的量占60%～80%，大于20mm的钢渣，多数采用多级破碎设备进行破碎再次深加工处理。

（2） 热闷渣工艺处理的钢渣，渣中的渣钢和钢渣分离效果好，大粒级的渣钢铁品位高，金属回收率高，尾渣中金属含量小于1%，有效的减少了金属资源的浪费。

（3） 经过热闷处理的钢渣，钢渣的f-CaO 约为2.63%～3.27%，明显低于热泼钢渣，可使尾渣中的游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）进行较为充分的消解反应，与其它热熔钢渣处理工艺相比，热闷渣工艺对钢渣安定性有明显的改善作用，在消解钢渣中的f-CaO、f-MgO 等不稳定物质方面具有明显的优势。消除钢渣不稳定因素，使钢渣用于建材和道路工程安全的安全性更加可靠，是一种可以直接利用的优质资源。但是热闷渣从诞生到现在已有20年的历史，其尾渣的利用，目前还没有文献报道有规模化的成功应用经验。为此，新疆中合大正冶金科技有限公司针对热闷渣的这一特点，展开的系列的研究。从物理化学成分的分析到物理性能和力学性能的测试，在取得了大量的试验数据的基础上，展开了钢渣路用性能的全方位研究。其中，该厂研究的热闷渣的主要成分如下表1：

2热闷渣在路桥工程中的实践

2.1钢渣的各种路用性能的研究

2.1.1 钢渣的膨胀性研究

在《道路用钢渣》（GB/T 25824-2010）中规定用于道路基层钢渣膨胀率≤2%，取f-CaO含量最高的一组分别做纯钢渣和钢渣与砾石的混合料膨胀率试验，表2计算公式为：

表2： 钢渣膨胀率试验（0.01mm）

根据式1和表1-2膨胀率试验，得到钢渣的膨胀率为0.7%，钢渣混合料的膨胀率为1.3%，均满足膨胀率不大于2%的要求，说明八钢的热闷渣钢渣具有一定的稳定性，可用于道路基层建设。

2.1.2钢渣物理指标分析

在室内试验中，主要对表观密度、毛体积密度、压碎值、吸水率、易溶盐指标进行检测，以分析钢渣的物理力学指标，试验结果见下表3。

表3 钢渣物理力学指标

分析表3试验结果可看出各项指标均满足标准要求，尤其是压碎值标准，根据杨三强对新疆北疆水稳基层集料调查分析，北疆范围砾石压碎值结果为23.1%。而压碎值指标是集料强度的表现，压碎值小的集料能形成较强的骨架结构，可提高水泥稳定类基层的模量、抗压强度等性能。从压碎值结果分析，钢渣用于水稳基层可增加半刚性基层强度，延长道路使用寿命。

2.2水稳钢渣级配设计

在实际的工程应用中，钢渣与砾石按一定比例形成复合级配，比例在50:50左右浮动所得到的无侧限抗压强度结果最好。因此，结合实际工程情况钢渣与砾石比例在40:60～50:50之间进行级配设计见下表4。从表中可看出5种不同比例掺配的级配基本上都很接近，且都满足规范要求。筛分见图3

表4：水稳钢渣级配设计

2.3水稳钢渣强度分析

按5种级配分别进行最大干密度和最佳含水量试验，结合工程实际水泥剂量为4.5%。制得抗压试件在标准养生条件下养生7d（图5），得到不同掺配比例强度结果，并以进行强度评定，其中为7d强度平均值，=3.0MPa，最终结果见表5和图4（其中Rd:设计抗压强度；Cv:试验结果的偏差细数；Za:随保证率而变化的系数）

从上表和图中间不同钢渣砾石比例可看出，5种级配7d强度平均值均大于评定值，随钢渣与砾石比例的变化，强度也在波动，且每种级配最大干密度和最佳含水量基本上接近，没有很大的差值。以强度最高为选择依据，结合依托工程实际情况，最终选定钢渣与砾石比例49:51在G30与昌吉高新技术产业开发区吉祥南路互通立交工程铺筑试验路，钢渣与砾石比例40:60在G312线昌吉过境段公路工程项目第二合同段辅道上铺筑试验段。

2.4 3.钢渣用于沥青混合料性能分析

2.4 3.1目标配合比设计

根据钢渣的筛分情况，钢渣粒径主要集中在5-10mm范围内，且0-5mm含量过多，影响沥青混合料级配设计。结合八钢钢渣料堆状况，现场过5-30mm筛网，以便用于沥青路面，满足配合比设计。G312线昌吉过境段公路工程项目第二合同段辅道沥青路面设计为5cmAC-16沥青混合料，根据钢渣粒径，现以钢渣5-20mm粒径范围取代一档碎石。AC-16沥青混凝土目标配合比设计如表6所示。

表6： AC-16沥青混凝土目标配合比设计

采用φ101.6mm×63.5mm标准试件，两面各击75次，60℃浸水30min进行马歇尔试验。用真空法测定各组级配的沥青混合料的最大理论相对密度，用表干法测定马歇尔试件的毛体积相对密度，计算空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等值，马歇尔试验结果如表7所示。

根据《公路工程沥青混合料试验规程》JTG E-2011、《公路沥青路面施工技术规范》确定最佳沥青用量为4.8%。

2.4 3.2钢渣沥青混合料性能分析

新疆气候具有多种特点，如晴天多，日照强，少雨，干燥，冬寒夏热，昼夜温差大，以及风沙较多等等。新疆地区冬冷夏热，大部分地区秋冬季气温偏低，极低气温能达到零下40℃。为此，考虑新疆特殊的气候因素，有必要对钢渣沥

青混合料的高低温性能进行分析。

（1）高温性能分析

为研究沥青混合料中参入钢渣对其高温性能的影响，在确定钢渣量混合料级配及最佳沥青用量后，通过监测动稳定度分析钢渣沥青混合料的高温性能，试验结果如表8所示。

表8：钢渣沥青混合料动稳定度

根据《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004，动稳定度越大，高温抗车辙性能越差，钢渣沥青混合料高温性能满足规范要求，具有一定的高温抗车辙性能。

（2）低温性能分析

相较水泥混凝土,沥青路面由于材料具有一定的应力松他性,有着一定的变形能力,因此沥青路面不设接缝。但浙青混合料的“柔性'会随着温度的降低而逐渐丧失,变得较脆硬。新疆地区气候多样复杂，在交通荷载的重复作用下, 沥青路面容易产生裂缝。伴随着雨雪水及大量行车荷载,裂缝逐渐产生冲刷和唧浆现象,最终演变为网裂、龟裂等病害。通过室内低温小梁弯曲试验来检验沥青混合料的低温性能，钢渣沥青混合料低温弯曲检测结果见表9。

试验环境温度为-10℃，加载速率为50mm/min。根据低温小梁弯曲试验可看出钢渣沥青混合料在低温环境下具备相应强度，其抗弯拉强度为6.9Mpa，弯拉应变为，这与一般沥青混合料强度相当。

（3）水稳定性分析

冻融劈裂试验是在国内外应用的最广泛的测定沥青混合料水稳性能的方法

之一。使用设计的级配击实马歇尔,这些马歇尔试件在低温环境(零下18℃)及高

温环境(60℃)下循环放置。且由于预先经过了真空饱水处理,试件内的自由水的膨胀作用导致试件整体强度的丧失。水稳性差 混合料在多次冻融后会发生试件崩裂现象。在冻融循环过程中,沥青混合料受到的水损害的程度逐渐增大,表现为劈裂抗拉强度的逐步减小。钢渣沥青混合料冻融劈裂试验结果见表10。

表10：钢渣沥青混合料冻融劈裂试验

经过冻融劈裂试验，可看出钢渣沥青混合料具有良好的低温性能，冻融劈裂前后抗拉强度比为91.3%，远超过不小于75%的规范值，说明钢渣用于沥青路面具有一定性能优势。

2.4 3.3生产配合比设计

该生产配合比最佳油石比为目标配合比设计的最佳油石比、最佳油石比以0.3%即4.5%、4.8%、5.1%三个油石比进行马歇尔试验，试验结果为表11确定生产配合比最佳油石比为4.8%。

3实施的试验段的情况简介

3.1八钢厂区道路的施工实践

八钢一号岗到热闷渣厂有3.5公里的厂区道路，由于设计时考虑到，该道路车载负荷和流量较大，为典型的重载交通道路。最初的设计方案，设计准备采用传统的SAC结构，公路设计为四层结构，即垫层、基层、水稳层、面层四层结构，

由于考虑到该道路行驶的载重车辆，80%以上是百吨以上的货运车辆，传统的设计服役周期，服役寿命均小于2年，为此，该道路工程的建设中，采用了创新的钢渣铺筑工艺，这一创新的工艺基础，是考虑到钢渣是一种过烧的硅酸盐水泥熟料这一特点进行的，经过技术人员的计算认为，这条厂区道路，如果采用钢渣铺筑，水稳层的CBR值将超过200以上，该道路的服役周期、服役时间也将会达到倍增的效果。该条路于2011年采用60%的钢渣与40%的戈壁土直接铺筑水稳层，水泥的添量降低到2%。工程施工结束以后，道路的开放时间提前30天，道路各项性能指标远远优于传统的施工工艺，从2012年12月该条道路开放到2017年，服役时间超过5年，该条道路上发生的病害较传统施工工艺修建的道路减少80%以上。2015年，新疆交建集团，新疆农业大学部分专家到现场实勘时发现，该条道路除少量的反射裂纹以外，其余道路常见的车辙，塌陷，拥包等路害均没有发现。该路段的经验表明，热闷钢渣用于重载交通无疑是具有不可比拟的优势的。

3.2 乌奎绕城高速的工艺实践

乌奎绕城高速昌吉州榆树沟段采用热闷渣作为水稳层骨料进行铺筑，试验段总共铺筑400米，道路铺筑完成以后，同济大学的部分专家教授到现场进行实勘，对于实勘结果给予了高度肯定。该试验段铺筑以后，出现过钻取水稳层芯样出现困难的问题，到达现场指导的同济大学的教授认为，该路段由于采用钢渣铺筑，由于钢渣具有的自粘结性特点以及钢渣具有的多面体性能，使得水稳层异常坚固，是导致取芯样不成功的主要原因。为此，同济大学等六家单位联合起草出台了《钢渣修路的地方标准》，这也证明了热闷钢渣应用于高等级公路所具有的优异性能，是传统材料无法相比的。

3.3 在昌吉绕城高速的工艺实践

在昌吉绕城高速的修路过程中，热闷钢渣的级配料作为钢渣沥青混凝土的骨料使用，该路段铺筑投入至今，服役性能优异，路面病害几乎没有发生，这也说明了，热闷钢渣作为SAC结构是完全没有问题的。

3.3 钢渣作为水稳层在昌河大桥西部连接段的铺筑

2016年，昌河大桥作为乌鲁木齐乌昌一体化的重要工程，建设已进入尾声，钢渣作为水稳层铺筑在西部的山区，施工结束以后，路面服役情况至今良好，该路段的铺筑同样暴露出钻芯取样的困难问题，这也是热闷钢渣应用于路桥建设中必须面临的一个问题即钢渣这种优异的路用材料在铺筑水稳层以后是不能够用常规手段检测分析其芯样结构的。

4 结语

热闷钢渣由于其优异的工艺性能，使得热闷渣在经过选铁以后，就直接的能够作为路用材料，应用于公路建设的每一个工艺环节。从处理湿软地基到换填土基到水稳层基层的应用，面层的建设均体现出了不同于传统路用材料的性能，证明热闷钢渣今后作为道路材料被大量应用的科学性，阡陌交通是国家和社会的经济动脉，修建绿色公路，利用热闷渣无疑是一种不同专业之间的创新，具有广阔的前景。据笔者分析认为，全国的钢产量，每年将达到7亿吨，产生的钢渣量在8400万吨以上。这些钢渣如果能够大部分应用于路桥的建设领域，不仅能够解决公路建设过程中的资源问题、环保问题，而且能够大幅度的提高修筑的路桥质量，减少路害和维护费用，有着重要的意义。