冶金废渣在道路工程中的应用

王子涵， 牛 哲， 周子玥， 赵永利

（1.东南大学交通学院，江苏 南京 210096； 2.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

1 概 述

金属冶炼生产期间，会产生各类工业固体废弃物，例如废渣、粉末、碎屑等，称为冶金废渣。国家统计局数据显示2022 年，中国的钢材产量13.4 亿吨。1 吨生铁在冶炼过程中会产生0.3~0.9 吨的高炉矿渣；1 吨钢在冶炼过程中能产生至多0.3 吨钢渣；1 吨铝则能产生0.6~2 吨的赤泥［1］。此外，中国在金属冶炼过程中每年还会产生大量的铜渣、铅渣、锌渣、镍渣等冶金废渣， “十四五”工业绿色发展规划中提出到2025 年，冶炼渣（不含赤泥）的综合利用率要达到73%。

冶金废渣可分为两大类：一类是具有一定活性的；另一类是活性较低或不具备活性的，其使用方式也不同。研究发现，部分冶金废渣例如矿渣、脱硫灰渣等冶金废渣具有潜在的胶凝活性，与土壤混合后可以形成胶凝物质，起到胶结土粒，提高土体整体性和抗压强度的作用。各国多将此类工业固废用于改良土中，代替成本较高的无机结合料稳定材料［2-3］。例如脱硫灰中的消石灰与粉煤灰加水后会发生类水泥的胶凝性水化硅酸钙从而提高强度。陈永瑞等［4］就在新疆石河子市建设了采用脱硫灰作为底基层和换填层材料的试验路，其结构强度随着养护周期的增加持续显著增强，并且经过2 个冬季1 个夏季的交通运输负荷路面并未出现沉降、裂缝等不良现象。更为典型的代表就是矿渣硅酸盐水泥，高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，根据《通用硅酸盐水泥标准》（GB 175—2007），矿渣硅酸盐水泥中最高可以掺加70%的粒化高炉矿渣。

而另一部分的冶金矿渣并不具备活性，经过处理后可直接作为路基填料或沥青混合料和水泥混凝土的集料使用。英国就在1937 年铺设道路时采用了钢渣作为沥青混合料的粗集料；在20 世纪60 年代末美国和加拿大两国也以钢渣为粗集料共同铺设了试验路。Euroslag［6］的数据显示，在欧洲，2021 年的钢炉矿渣的产量达到1680 万吨，64%的钢渣被用于道路铺筑（如图1 所示），成为了钢渣最重要的用途。

图1 欧洲2021 年钢渣应用现状Fig.1 Status of steel slag application in Europe 2021

日本1979 年开始研究钢渣在道路中的应用技术，并于1988 年确认钢渣处理后可用于铺路［6］。考虑到钢产业尾渣处置的困难，国家政府要求地方政府购买钢铁渣以及其他的附属产品以及其他废料，以支持日本提升再利用率的计划。与此同时，经贸工业部也支援提升钢铁渣的利用率。日本最近的一个钢渣项目为将钢铁渣存留雨水做阻水路面，在水蒸发时降低环境温度，从而减轻城市热岛效应。早在2007 年，约85%~95%的钢铁渣在中央和地方政府的工程项目中就得到了应用［7］。据日本钢铁渣协会（Nippon Slag Association）统计［8］，2017 年日本钢渣基本全部得到了再生利用，应用情况如图2 所示。

中国大面积铺筑钢渣沥青混凝土路面工程很少，但试验路面很多。尤光辉等［9］在试验路工程应用中采用钢渣SMA-13 铺筑上面层、钢渣Sup-25 铺筑下面层，铺筑完成以及通车一年后分别对该试验路和常规道路表面进行渗水、构造深度、厚度以及压实度检测，各项指标均满足要求，并且发现钢渣沥青路面的抗滑性能明显优于常规沥青路面，提高了15.9%；其代表弯沉值小于常规沥青路面，顶面当量回弹模量大于常规沥青路面，表明钢渣沥青路面具有较好的承载力。

近年来国内外学者研究发现破碎后的钢渣具有抗滑耐磨等优点并对钢渣集料在沥青路面抗滑磨耗层应用展开大量研究。马永宾等［10］依托高速公路预养护工程，对钢渣超薄抗滑磨耗层施工进行质量控制并检测钢渣混合料性能与磨耗层性能，结果均表明钢渣的掺入不仅减少施工成本，还使路面具有良好的抗滑性能与平整度，有效修复了路面车辙，恢复路面摩擦力。

2 钢渣在道路工程中的应用

2.1 钢渣的基本性能

钢渣是炼钢过程中产生的杂质的集合体，是炼钢过程中的副产品，根据目前国内外炼钢水平，其产量为粗钢产量的10%~15%。近5 年来，中国钢铁行业的钢渣产量数据表明，目前中国钢渣年产量约为1 亿吨，累计存储量已达20 亿吨［10］，目前中国的钢渣综合利用率仍降低，尚不足40%。根据炼钢炉的炉型的不同，钢渣又可分为平炉渣、吹氧转炉渣（Basic Oxygen Furnace， BOF）和 电 弧 炉 渣（Electric Arc Furnace， EAF）；按排渣的次序分类，有初期渣、中期渣和后期渣。钢渣的种类不同性质各不相同，同种类的钢渣也会因铁矿石的成分、成渣工艺或者堆置条件的微小差异而表现出不同的理化性质。表1 是中国几个大型钢铁集团钢渣化学成分比较［11-12］，可以看出钢渣的主要成分是氧化钙和氧化硅，因此具有一定的潜在活性；但同时钢渣中的游离氧化钙（f-CaO）含量较高，会影响其体积稳定性。

表1 中国几个大型钢铁企业钢渣的化学成分Tab.1 Chemical composition of slag in several large iron and steel enterprises in China

表2 是部分钢厂钢渣物理性能指标，可以看出，其主要技术指标均可满足沥青混合料所需粗集料的要求；特别是钢渣因其自身致密的晶体结构可具有足够的强度和耐磨性，其磨光值和磨耗值均远小于规范要求，表明钢渣具有极强的耐磨性，更适用于高速公路的表面层，以替代供需日益紧张的玄武岩集料。

表2 部分钢厂钢渣物理性能指标Tab.2 Physical property index of steel slag in some steel mills

同时多数钢渣颗粒形态良好，细长扁平颗粒含量少，所以较容易形成嵌挤型骨架结构。采用贯入试验对集料的摩阻力进行研究：集料选用单一粒径4.75~9.5 mm，设置三组平行试验。试验结果如图3所示，单一粒径的贯入试验结果表明，在相同贯入深度情况下，钢渣粗集料的贯入阻力要明显高于玄武岩，表明其矿料的骨架性能更强，更适用于高温重载地区的沥青路面。

图3 单一粒径钢渣与玄武岩贯入曲线Fig.3 Penetration curves of steel slag and basalt with a single grain size

钢渣碱度高，比表面积大且多孔，钢渣中的碱性成分与沥青酸结合易形成大量结构沥青，且沥青膜厚度较厚，因此钢渣与沥青的粘附性能好［14］。但在其冶炼冷却过程中，易形成较多的孔隙，如图4 所示，因此会增加沥青的使用量。

图4 钢渣的结构Fig.4 Structure of steel slag

2.2 钢渣沥青混合料路用性能

本文按照常用的AC-13 和SMA-13 两种级配，进行钢渣沥青混合料的设计和制备。混合料试验中，沥青均采用SBS 改性沥青。设置试验组和对照组：试验组的粗集料除大于13.2 mm 的集料采用了玄武岩，2.36~13.2 mm 均采用南钢的钢渣；对照组的粗集料采用玄武岩，试验组和对照组的细集料均采用石灰岩。经配合比设计，在AC-13 混合料中，钢渣的用量占矿料总质量的61.7%，在SMA-13 混合料钢渣的用量占到了矿料总质量的77.3%。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中T0719 对钢渣的AC-13 混合料和SMA-13 混合料进行车辙试验，用以测定其高温稳定性，试验结果如图5 所示。

图5 混合料的动稳定度与60 min 车辙量Fig.5 Dynamic stability and 60 min rutting of mixes

车辙试验表明，相比于玄武岩集料，对于AC-13级配，钢渣沥青混合料的车辙稳定度较低、车辙量较大；但对于SMA 级配钢渣沥青混合料的动稳定度较高。这说明不同级配的钢渣混合料钢渣发挥的作用差异很大。这主要是用于钢渣的形状及表面特性决定的，本文所选用的南钢钢渣，虽然表面较粗糙，在嵌挤状态下具有较大的内摩阻力，但由于其经过棒磨机破碎后，形状偏圆润，如图6 所示。在悬浮密实结构的AC-13 混合料中，由于钢渣呈悬浮状态，钢渣与钢渣不接触，因此其表面粗糙的特性表现不充分，反而受其颗粒形状的影响，导致其骨架的稳定性下降。而在骨架密实结构的SMA-13 混合料中，由于钢渣与钢渣紧密嵌挤，因此其粗糙的表面提高了其内摩阻力，因此其高温稳定性表现得比玄武岩更好。

图6 棒磨机破碎后钢渣的形状Fig.6 Shape of steel slag after rod mill crushing

本文按照45 cm×40 cm×5 cm 的规格成型试件板，通过加速磨耗打磨仪对沥青混合料进行磨耗（如图7 所示）。加速磨耗仪的荷载配重设置为130 kg，以模拟0.7 MPa 的标准胎压，转速为720 r/h。加速磨耗仪磨耗4 h 后，使用动态旋转式摩擦系数测试仪，按照JTG E60—2008《公路路基路面现场测试规程》T0968 的方法，测试潮湿状态，60 km/h 的模拟车速下不同级配、不同集料类型沥青混合料的动态摩擦系数DF60。接着按照JTG E60—2008《公路路基路面现场测试规程》T0961 和T0964 的方法测算不同混合料的构造深度TD（mm）和20 ℃的摆值BPN20，结果如表3 所示。可以看出，在各项指标评价下，钢渣沥青混合料的抗磨耗和抗滑性能均优于玄武岩，表明将钢渣替代玄武岩用于高速公路的表面层具有非常好的前景。

表3 各种沥青混合料的抗滑性能Tab.3 Slip resistance of various asphalt mixtures

由于钢渣中含有较多的f-CaO，易产生后期膨胀，导致路面病害，因此现行规范中对于钢渣的使用，要求必须进行膨胀性测试，浸水膨胀率不大于2%。

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为更精确地对钢渣沥青混合料的浸水膨胀进行评价，进行如图8 所示的小梁的浸水膨胀试验。成型AC-13 级配钢渣沥青混合料和对照组玄武岩沥青混合料的小梁试件，每种混合料成型18 个平行试件，其中12 个进行浸水，6 个备用。使用精确度为0.01 mm 的外径千分尺测量跨径方向的长度变化。小梁在室温的水浴中自由膨胀。整个测量过程持续25 d，得到小梁的膨胀率如图9 所示。

图8 小梁的浸水膨胀试验Fig.8 Experiments on water swelling of small beams by immersion

图9 小梁的膨胀率Fig.9 Expansion of trabeculae

小梁的自由膨胀试验表明，钢渣混合料小梁跨度方向的自由膨胀率反而小于对照组玄武岩混合料，25 d 内的膨胀率最大值仅有0.06%。其原因与南钢采用的钢渣热闷工艺有关，通过热闷可以促进f-CaO 的消解，大幅度减少钢渣的后期膨胀。

综合对比钢渣沥青混合料和玄武岩沥青混合料的性能可以看出，钢渣具备替代部分玄武岩的潜质，并且在耐磨性等方面还表现出明显的优势。

3 脱硫灰在道路工程中的应用

3.1 脱硫灰的基本性能

脱硫灰是钢厂燃煤过程中，为减少烟气中的硫含量，利用CaCO3/Ca（OH）2浆液为脱硫剂吸收烟气中的SO2，而产生的一种工业副产物［15］。烟气脱硫技术可以分为湿法脱硫、半干法脱硫和干法脱硫三大类脱硫工艺，其中干法脱硫是烟气脱硫的主流工艺，干法脱硫灰的成分及性质受煤种、脱硫剂和工况等影响有所不同［16］。不同来源干法脱硫灰矿物组成如表4 所示［17］。此类方法的脱硫副产物主要是烧结烟气与脱硫剂反应后经旋风分离器或袋式除尘器分离后产生的颗粒混合物，即半干法烧结烟气脱硫灰（以下简称脱硫灰），与电厂燃煤脱硫灰渣相比，其化学成分中亚硫酸钙、氧化钙的比重更高，成分易随时间及环境的改变而发生变化，如亚硫酸钙热分解后会再度释放二氧化硫，造成二次污染，部分脱硫副产物还含有重金属等有害成分，是需要慎重处理的污染物［18-19］。

表4 典型不同来源干法脱硫灰的主要矿物组成Tab.4 Major mineral composition of typical dry FGD ash from different sources

根据目前对于脱硫灰理化特性的研究成果，烧结烟气脱硫灰的主要元素为Ca 和S，属于高钙、高硫脱硫灰，可以提供大量的钙离子和硫酸根离子，具有潜在的胶凝性能，与常用的胶凝材料如石灰、石膏等有相似的物理及化学特性，且脱硫灰的微观形貌多呈现出结构松散的特性，具有一定的吸水能力，适宜处理高含水率土体。

陈袁魁等［20］验证了燃煤脱硫渣作硅酸盐水泥钙质原料配料的可行性，发现适量脱硫灰渣具有矿化作用，能改善生料易烧性，促进C3S 矿物的形成完善。苏达根等［21］验证了烧结烟气脱硫灰作为生产水泥熟料的原材料的可行性，其成分中的SiO2和Al2O3与水泥的原材料成分相似，同时所含有的CaSO4可以促进水泥熟料的早强。尹元坤等［22］指出预处理的脱硫灰表现出良好的体积安定性，结果表明试件28 d 无侧限抗压强度达到5.98 MPa，说明了脱硫灰替代传统路面基层材料的可行性。陈永瑞等［4］也认为干法脱硫灰用作路基材料是可行的，通过系列室内试验， 并且采用脱硫灰作为底基层和换填层材料建设了脱硫灰沥青混凝土示范工程道路。

本文采用南京梅钢“臭氧氧化+循环流化床”协同脱硫脱硝系统中所收集的脱硫灰，选取不同吸收塔所收集的样品编为D1，D2 及D3 进行主要化学元素及化合物含量的分析，结果如表5-6 所示，可以看出其主要成分为氧化钙和氧化硫。

表5 脱硫灰元素组成Tab.5 Elemental composition of desulfurized ash

表6 脱硫灰氧化物质量分数Tab.6 Desulfurization ash oxide mass fraction

为定量研究脱硫灰的自硬性强度，本文采用脱硫灰胶砂强度评价其自硬性水平。如表7 所示。试验中发现，部分试件在标准条件养生过程中发生软化变形，甚至断裂损坏。基于此性质，为定量研究不同水灰比的脱硫灰胶砂硬化体强度，参考石膏干强度的试验方法［23］，本试验在脱硫灰胶砂试件养生龄期达到14 d 时，放入40 ℃的烘箱中烘至恒重，测定其干强度。所测的脱硫灰胶砂干强度参数是在脱硫灰胶砂干燥状态，其烘干抗折强度最高仅可达到0.17 MPa，性能较差，抗压强度最高可达到0.85 MPa，无法满足建筑石膏的力学性能要求。

表7 脱硫灰胶砂抗折抗压强度Tab.7 Flexural and compressive strength of desulfurization ash mortar

3.2 石灰脱硫灰稳定土性能研究

为了实现脱硫灰在道路中的大规模应用，本文将脱硫灰添加进石灰稳定土中，具体配比如表8所示。

表8 石灰脱硫灰稳定土配合比方案Tab.8 Lime desulphurization ash stabilized soil proportioning scheme

利用无侧限抗压强度试验对不同配比试件的不同龄期强度进行测试， 结果如图10 所示。可以看出，脱硫灰的加入对石灰稳定土的强度影响较大。从图11 可以看出，当脱硫灰的掺量在5%~10%时，试件的强度提高幅度明显，特别是后期强度提高幅度较大，其28 d 和60 d 强度的增长幅度可达40%~50%，这大大提高了石灰稳定土的性能。但随着脱硫灰掺量的增加，强度反而出现了明显的下降，这主要是与脱硫灰的膨胀特性有关。

图10 石灰脱硫灰稳定土强度随龄期变化趋势

图11 脱硫灰对石灰土强度的影响Fig.11 Effect of desulfurization ash on the strength of limestone soils

上述试验结果表明，脱硫灰在石灰稳定土基层中具有良好的使用前景，可用于低等级公路的建设。

4 锂渣在道路工程中的应用

4.1 锂渣的基本性能

锂是电动汽车电池的重要原料，锂在提炼过程中会产生大量的锂渣。中国是世界上锂辉石精矿储量最大的国家，锂渣多产自新疆、四川以及江西等地，不同地区所产的锂渣，特性存在较大差别。表9是各地锂渣的化学成分及烧失量［24-28］。从表9 可以看出，锂渣的主要成分为硅铝酸盐，具有潜在的火山灰活性。

表9 国内典型锂渣主要化学成分及烧失量Tab.9 Typical domestic lithium slag main chemical composition and burnt loss amount

4.2 锂渣制备地聚物研究

锂渣中含有无定形SiO2和Al2O3，具有火山灰活性。研究表明水玻璃和NaOH 对锂渣碱激发效果较好，本文对锂渣进行NaOH 碱激发地聚物试验，试验结果表明，在0.4 水灰比情况下，8%NaOH 掺量锂渣地聚物7 d 抗压抗折强度最高，如图12 所示。因此具有将锂渣作为道路路基、底基层等工程材料的可行性。目前对于锂渣的研究尚不深入，对于其活性的激发及与其他胶凝材料的复合使用尚需进行细致的研究；同时锂渣在使用过程中，易产生重金属析出，产生二次环境污染，这也是锂渣再利用中需要加以重视的。

图12 不同NaOH 掺量下锂渣地聚物7 d 强度Fig.12 7 d strength of geopolymer with different NaOH dosage

5 结 语

本文通过室内试验，分析了钢渣、脱硫灰、锂渣等冶金废渣作为原材料掺入道路基层、沥青面层中的可行性。试验结果表明：

（1） 钢渣具有突出的耐磨性，可在很大程度上替代日益紧张的玄武岩集料，用于道路的表面层；利用钢渣替代玄武岩，不仅可以保证其高温稳定性，还可以显著提高其耐磨性能。

（2） 钢渣的膨胀性与其生产工艺有密切关系，通过热闷等工艺可以大幅度消除f-CaO 的影响，保障钢渣沥青混凝土的膨胀性能满足要求。

（3） 脱硫灰虽然活性不高，且膨胀性较大，但其对石灰稳定土具有显著的增强效果，可用于低等级道路的建设。

（4） 对于新近出现的锂渣，系统化研究尚不多，但室内试验已证明其具有潜在活性，可作为地聚物等胶结料的原材料。