钢渣在公路改扩建工程中的应用

王芳芳，董利鹏

（1.宁夏交投工程建设管理有限公司，宁夏 银川 750011；2.宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏 银川 750001）

钢渣作为钢铁冶炼过程中的副产物，即通俗意义上排放的熔渣，是典型的大宗固体废弃物之一，其形态为固体，主要成分为Si、Mn、P、S 等杂质形成的氧化物以及为调和钢渣性质添加的造渣材料[1]。同时，钢渣中也含有毒有害物质，主要为灰分、重金属、非晶态二氧化硅等。上述污染物的泄露将会给环境带来极大的威胁。

根据有关统计数据显示，2020—2022 年，我国连续3 年粗钢产量超过10 亿t。每产生1 t 粗钢约产生0.12～0.14 t 钢渣，因此在2020—2022 年，我国连续3 年产出超过1.2 亿t 钢渣。目前我国钢渣的综合利用率仅为20%左右，全国钢渣累计堆存近14.46 亿t。因钢渣含污染物较多，需要设置专门的场所来堆放，堆放场所需要大量的土地资源来建设，同时，长期的堆放也容易形成钢渣污染物的缓释，有毒有害物质将逐渐污染临近的土壤、水体、大气等，给周边环境带来严重威胁[2]。以宁夏北部某钢铁冶炼企业为例，现有企业生产能力下每年附带产生的钢渣量近百万吨，但目前综合利用率极低，逐渐积累的钢渣堆放量已接近堆场的设计负荷，而企业周边没有合适的场地用以扩建堆场，已对企业的正产生产运营带来极大影响。另外，随着公路建设、养护里程逐年增加，部分矿山相关企业因环保政策关停，砂石筑路材料开采受限，优质筑路材料短缺，亟需寻找新的筑路替代材料。钢渣以其优异的抗滑耐磨、黏附性好、抗水损能力强、资源成本低等性能，作为替代筑路材料，寻找可持续的、规模化的应用途径，减少钢渣堆放数量已经势在必行[3]。

G109 线惠农至黄渠桥段改扩建工程将钢渣应用于铺筑上面层和基层。项目的实施，对于解决钢渣规模化利用问题，促进“绿色交通”战略实施和生态文明建设发展，具有重要的示范意义。

1 适用性分析

1.1 钢渣的材料特点

国内外学者通过对钢渣的物理性质和力学特性分析研究[4]，发现其该项性能指标出色，具备极强的应用潜力，围绕其物理性质和力学特性开展相应的产品开发和工艺路线优化是对钢渣合理化利用的重要途径。与传统材料相比，钢渣在以下5 个方面具有突出特点和优势。

1.1.1 外观不规则性

钢渣在使用时一般要经过预处理，主要流程有破碎—筛分—磁选，经预处理后的钢渣级配均匀，颗粒多具有优良的棱角，呈不规则状，这一特性在与其他材料混合使用时能够获得较好的内摩擦嵌挤力，这也是钢渣具有较强适用性的重要依据之一。

1.1.2 材料密实度大

钢渣内包含大量的Fe 元素，在其形成过程中产生的特殊的压缩孔隙结构，使钢渣固体体积占总体积的比例较大，堆密度可达1 900 kg/m3，超过了同等条件下大部分天然砂石等传统筑路材料。正是这一特殊性能使得钢渣应用于路面时使路面拥有较强的抗碾压性，同时，路面的使用寿命也较传统材料有所提高。

1.1.3 材料PSV 值较高，经筛分后的钢渣材料磨光值区间为55～60，应用于路面时能使路面具备较强的抗滑性能，从而使车辆在行驶过程中安全性、舒适性满足规范要求。

1.1.4 黏附性好

颗粒级配形状好，呈碱性，表面多孔收缩性小，与沥青有良好的黏附性；经过多批次实测，钢渣的吸水率较大，一般大于2%。

1.1.5 低温适应性

为了保证钢渣沥青路面在低温条件下不发生沥青剥落病害。根据规范要求，应用于路面的钢渣收缩率要求严格，通过国内外研究表明，无论是常规试验还是更为严格的芒硝试验，钢渣的表现均符合要求。良好的收缩率保证了宁夏最冷月平均气温在-8 ℃以下，极端低温在-22 ℃以下，钢渣这一优良特性与宁夏气候适配度较高。

1.2 钢渣路面的路用性能

通过对钢渣的成分分析可知，其含有大量的水泥类矿物、f-CaO 等活性成分。将其作为集料应用于路面基层中，能与其他活性成分（主要为SiO2、Al2O3）发生火山灰反应，从而提升基层材料的力学、水稳、抗冲刷等路用性能。同时，通过钢渣膨胀抑制技术，将其不均匀膨胀转化为均匀微膨胀，还可在一定程度上补充基层收缩，提升基层材料的体积稳定性，降低收缩裂缝发生几率。

综上所述，将钢渣应用于路面工程中，能规模化利用钢渣，还可在降低公路工程建设对天然集料的巨大消耗，保证工程建设进度的同时，有效提升基层材料路用性能。

2 工程设计

2.1 项目概况

国道109 线惠农至黄渠桥段公路位于石嘴山市惠农区，起点位于G109 线与园艺路平面交叉口处，起点桩号K1112+229.3。终点位于黄渠桥镇南侧G109 线原有旧路，终点桩号为K1147 +628.463，路线全长35.399 km，双向四车道一级公路技术标准设计。依托该项目铺筑了1.6 km 钢渣路面试验段，其中，在K1134+600～1135+600 左幅上面层铺筑SMA-13 钢渣上面层，在K1135+600～1136+200 右幅铺筑水泥粉煤灰稳定钢渣路面基层，经检测技术指标满足公路路面质量要求，应用效果良好。

2.2 钢渣来源及预处理

钢渣来源：宁夏建龙龙祥钢铁有限公司，距离本试验段平均运距为15.7 km，拌合站距本试验段平均运距为2.3 km。

对钢渣道路化应用前，应先对钢渣进行预处理。主要包括破碎筛分以及水洗等工序。因为道路不同结构层对钢渣粒径的要求不同，基层主要用0～10 mm 粒径的钢渣，面层主要用5～15 mm 中粗集料的钢渣，因此需对钢渣进行破碎筛分等工序来实现钢渣的梯级化利用。同时对钢渣进行实地调研发现，陈化后的钢渣表面附着的杂质较多，在进行利用前需进行水洗以保证其黏附性等性能满足要求。

2.3 混合料配合比设计与应用

本工程所采用的配合比设计是在大量调查国内外及周边类似材料应用案例的基础上，结合试验数据，分析优化后形成，关键控制技术如下[5]。

2.3.1 钢渣沥青混合料级配设计与路用性能

钢渣表面多孔导致沥青用量增加，细粒径钢渣f-CaO 含量高、钢渣膨胀大、粉尘含量高，选用粗粒径钢渣做粗集料，减小比表面积，控制沥青用量，减小混合料膨胀性。采用钢渣、碎石两种集料，为避免密度差异大的影响，采用体积法进行级配设计。针对钢渣多孔吸水率大的问题，采用改性沥青浸渍法结合经验计算法确定最佳油石比。通过对钢渣SMA-13 室内试验，最佳油石比为6.3%，设计集料配比为10～15 mm 钢渣∶5～10 mm 钢渣∶0～3 mm 红砂岩∶矿粉=35%∶45%∶12%∶8%。钢渣SMA-13 混合料与宁夏地区常用面层红砂岩SMA-13 混合料进行对比试验，结果表明钢渣SMA-13混合料不仅能够满足高温、低温、水稳路用性能，3 项指标优于红砂岩SMA-13，具体指标如表1 所示。

表1 钢渣SMA-13 与红砂岩SMA-13路用性能试验结果对比表

2.3.2 钢渣碎石基层混合料设计及路用性能

设计选用水泥粉煤灰稳定钢渣碎石作为基层材料，掺用粉煤灰轻质组分，不仅能够引入活性成分，进一步激发钢渣潜在活性成分，还能减小钢渣干密度大的影响。为了避免钢渣材料中f-CaO 局部富集、分布不均匀造成的应力集中导致基层破坏的问题，在筛分的钢渣梯级中选用0～5 mm、5～10 mm 小粒径钢渣作为细集料进行混合料设计，经试验表明，能够满足半刚性基层。

3 施工要求

3.1 一般规定

3.1.1 气温会对钢渣类路面基层混合料的强度的增长产生较大的影响，为保证路面基层施工质量，施工作业宜在适宜的季节或温度下进行。当日最低气温低于5 ℃时，不宜施工。在冰冻地区，须在结冻-3～-5 ℃前15～30 d 施工完毕。

3.1.2 雨季施工易造成路基和基层原材料或混合料过湿，给施工带来困难并影响施工质量，为保证工程质量应避免雨季施工。

3.2 施工准备

3.2.1 钢渣筛分

陈化钢渣为0～5 mm 和5～10 mm 两档料进行备料。

3.2.2 粉煤灰

湿排粉煤灰应提前运到现场，以便滤水和晾晒。干排的粉煤灰装运前适量加水，以免扬灰。在堆放过程中，要防止雨淋和扬灰，如出现部分粉煤灰结块，使用前应将灰块打碎。

3.3 配料

3.3.1 施工中材料配合比必须符合设计要求，以保证工程质量，为适用于厂拌，配料方法采用质量法。

3.3.2 施工前需检测钢渣、集料以及粉煤灰含水量，扣除水分后计算生产配合比。

3.4 含水量的控制

3.4.1 施工过程中需严格控制混合料含水量，保证碾压时混合料含水量接近最佳含水量。含水量过低可能会导致难以到达预设的压实度；含水量过高，则可能引起基层的干缩开裂。

3.4.2 如遇炎热天气或运输距离较远，则混合料的含水量可比最佳含水量略高（0.5%～1.0%）。

3.4.3 在炎热季节基层混合料因失水发白时，碾压可洒适量水。

3.5 拌合[6]

3.5.1 施工过程中拌合一般选用强制性集中厂拌。

3.5.2 拌合工具等一般需具备自控系统、电子计量系统，能对拌合过程中流量等运行参数进行实施在线跟踪。

3.5.3 选用电子计量系统在使用前应对其精度进行校核，同时对其误差进行检验，其中集料控制精度为2%，水泥为1%，水为1%，精度在此范围内的设备才可投入使用。

3.5.4 通过观察混合料的颜色、离析等现象来侧面控制搅拌的均匀性，一般选用二级搅拌来提高混合料的均匀性。

3.5.5 装运混合料当粗、细集料有离析现象时，应用装载机翻拌均匀后，再运至工地摊铺。

3.5.6 水泥粉煤灰稳定钢渣碎石混合料，宜随拌合，随运送、随摊铺、随碾压，确保混合料在最长延迟碾压成型时间内完成混合料的碾压施工。

3.6 摊铺整型

松铺系数建议值1.25～1.40，通过试验确定。摊铺时，应打开强夯，尽可能提高预压度，并根据现场情况及时调整松铺系数。

3.7 碾压

3.7.1 碾压工序建议先采用胶轮静压—振动碾压—钢轮终压等工序进行，具体参数需根据试验确定。

3.7.2 碾压过程中，应时刻关注基层的表面的含水率，可适当多次洒水以弥补蒸发散失的水量，但应避免一次性洒水过多给碾压带来不便。

3.8 养生

3.8.1 根据以往经验，无论是采取土工布还是薄膜覆盖，均能达到较好的养生效果。当选用前者时，材料使用应为透水式，拼缝之前不得有缝隙，做到全断面搭接覆盖，同时，还需辅之以洒水。选用后者时，薄膜的厚度应符合设计要求，宜大于1 mm。薄膜覆盖工作应在混合料摊铺碾压成型后及时完成，覆盖拼接要求同土工布，此外，为避免风吹等对薄膜产生的损坏，一般采用沙土等对覆盖后的薄膜进行堆填。薄膜在养生过程中出现损坏时，一般采取局部更换等措施。

3.8.2 不宜过早将养生用土工布或薄膜掀开，应直至上层结构施工前1～2 d 再在结束土工布或薄膜养生。

其他施工技术要求按照《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF 20—2015）要求和规定执行。

4 结束语

通过已建成路面的效果及检测数据来看，本项目路面整体铺筑效果均达到规范要求。钢渣应用于公路改扩建工程，既能解决大宗固废无法处置的问题，减少土地占用，降低污染；又能减少传统公路工程修筑时对天然原材料的与日俱增的需求量。在当今“碳达峰、碳中和”的时代背景下，该研究对实现冶金行业和公路建设行业的绿色低碳发展具有重要意义。