总第202期
45
公路与 汽运
Highways 4 Automotive Apptications
张洁】，杨义2，龙澄1
(1桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004；
2.广西鱼峰集团有限公司，广西 柳州 545000)
摘要：以广西北海诚德不锈钢厂的精炼钢渣为研究对象，对含水率、化学成分、物理性质、稳定
性、膨胀特性及有害物质重金属析出进行分析，将钢渣作为道路材料探究其可行性；将钢渣水泥稳 定混合料在5种水泥掺量下分别进行击实试验和7、28 d 无侧限抗压强度试验验证其抗压强度，在 14%水泥掺量下进行28.90 d 弯拉试验、劈裂试验验证其力学性能，进行干缩试验验证其稳定性%
结果表明，钢渣的主要成分是CaO ，活性较高，颗粒细腻，含水率较高，f —CaO 、f — MgO 的含量达 到规范要求，且无膨胀性，重金属析出也远低于规范要求；压制成型的钢渣水泥稳定混合料试块密
实性好，且抗压强度整体较高，水泥掺量为5%以上的钢渣水泥稳定混合料满足二级及二级以下公
路要求；钢渣水泥稳定混合料满足弯拉强度要求，且干缩性能稳定，符合路面基层材料要求％
关键词：公路；精炼钢渣；水泥稳定材料；路面基层；力学性能
中图分类号:U416.2 文献标志码:A 文章编号：1671 — 2668(2021 )01 — 0045 — 05
钢渣是钢铁冶炼过程中生成的固体残渣，其中 含有类似于石灰或水泥活性的C 2S.C 3S.C 3A 和C 4
AF 等液压材料，被认为是一种潜在的道路建筑类
材料黏合剂。日本某公司采用处理后的钢渣作为路 面材料，室内试验、厂内道路试验结果显示路面平 整、无膨胀％ 2002年，武汉钢铁集团冶金渣有限责 任公司在厂区内道路进行试验段铺砌，反馈结果显
示路面表层基本保持平整，结构深度好，颗粒均匀，
无鼓拱、裂缝等缺陷，具有良好的路用性能％然而钢
渣作为道路材料在实际应用中也存在一些危害，如 钢渣的化学成分较复杂，包含易膨胀的f -CaO 和
f — MgO，在潮湿环境中f -CaO 和f — MgO 的水化
作用会引起道路膨胀和开裂，导致体积不稳定；同时 钢渣的pH 值很高，可能含有有害的重金属物质，可
能造成周边环境污染。该文以广西北海诚德不锈钢 厂的精炼钢渣代替砂、石等天然材料应用于路面基 层水泥稳定类材料中，通过室内试验分析其性能及
用于道路工程的可行性％
1试验原材料的物理化学性能1.1钢渣的来源
取广西北海诚德不锈钢厂两处废弃钢渣屯放点
的钢渣样本，分别为A 组、B 组；取新产精炼钢渣样
本，为C 组(见图1)。新产钢渣为灰咖，自然风干 后外观呈灰白。它是高炉炉渣经水冷却后的产
物，由工厂统一生产、统一冷却，无其他杂质，有害杂 质较少。依据JTGE40 — 2007《公路土工试验规程》
采用容量瓶法分别测定A 、B 、C 3组钢渣的表观密 度，分别为 2.32、2.64、2.88 g/cm 3。
(a)钢渣屯放处A
(b)钢渣屯放处B
(0)新产钢渣C
图1
钢渣北海取样点
46公路与汽运2021年1月
1.2钢渣的化学成分分析
1.2.1化学成分
如表1所示，钢渣的主要化学成分为CaO、
SiO2,MgO,Al2O3,P2O5O相对而言，这次试验所
用钢渣样本的Fe2O3含量较低，分别为0.33%、
0.20%,0.095%，而Al2O3,SiO2成分的比例均较
高,SiO2.Al2O3后期易形成硅酸三钙及活性矿物铝
酸钙%3组钢渣样本中CaO含量分别高达52.52%、
56.34%,57.54%，钢渣成分中CaO含量越高，碱度
越大%A、B、C3组试样钢渣的碱度分别为2.214、
2.314,2.32，属于中碱度钢渣，其活性在一定碱性环
境中可被激发，能显著加速钢渣水化硬化，增强钢渣
在公路路基中的利用率％
表1钢渣的化学成分分析
化学成分
含量/%
A组B组C组
SiO2237200243500247900
CaO525200563400575400
MgO450004110051600
Fe2O3033000200000950
Al2O3226001630017400
SO3076000530008300
MnO097001040006500
P2O5000310002300012
1.2.2X射线衍射
在道路工程建设中，钢渣中的硫化亚铁、硫化锰与水结合，会生成氢氧化亚铁和氢氧化锰，其能分解硫化物，引起颗粒粉碎导致体积膨胀，故钢渣中硫、锰、钛等化合物的含量不应超过规定值％钢渣的质量系数应超过1.2，即：
%(CaO)+w(MgO)+w(Al O3)、2
%(SiOJ+w(MnO)+w(TiOJ)12⑴
样品钢渣的X射线衍射测试结果见图2%经测试，样品钢渣的主要矿物成分是CaSi2O4,CaF2，没有Mn、Ti、S、SO s等元素％经式(1)计算，样品钢渣
A、B、C组的质量系数分别为2.1、2.49、2.53，均大于
1.2，满足要求%
1.3钢渣的物理性质
按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》，对3组钢渣样品进行筛分，结果见表2%由表2可知：钢渣天然颗粒粒径及颗粒组成绝大部分在2.36-0.075mm，颗粒细腻，分布均匀。在
57cao
表2钢渣的筛分结果
试验组
下列筛孔(mm)的通过率/%
47523611806030150075<0.075 A组10097898067584413
B组1001001009893796227
C组10099979386786842
水化反应中，钢渣颗粒能与水的各方面接触从而加速反应，提高材料的胶凝活性，有利于水泥稳定钢渣混合料的压实和强度的形成%
按JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》测定A、B、C组钢渣的天然含水率，然后按JTG E40—2007《公路土工试验规程》进行液限、塑限试验，试验结果见表3%
由表3可知：屯放的钢渣含水率较高，而新产的钢渣含水率较低，但整体含水率偏高；3组钢渣的液限、塑限指标基本无差异，塑性指数均小于12，符合规范要求％
表3钢渣土的液、塑限试验结果
试验组
天然含
液限/%塑限/%
塑性
水率/%指数A组54365251110
B组46376261115
C组27345240105 1.4钢渣稳定性试验
f—CaO含量是影响钢渣稳定性的重要因素%依据CJJ35—90《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》，钢渣材料f—CaO的含量应小于3%%将f—CaO含量超过3%的钢渣应用于道路工程，
可能导
2021年第1期张洁，等：精炼钢渣水泥稳定混合料性能室内试验研究47
致路面或路基顶包开裂，导致道路耐久性差％因此，在钢渣应用之前，依据YB/T4382—2012《钢渣中游离氧化钙含量测定方法》测定其f—CaO、f—MgO 含量％再依据JTGE40—2007《公路土工试验规程》进行自由膨胀率试验，初步分析钢渣混合料用于道路工程的可行性％稳定性试验结果见表4%
表4钢渣的稳定性试验结果2.1击实试验
依据JTG/T F20—2015-公路路面基层施工技术细则》，选取0〜4.75mm粒径钢渣，按一定比例掺合形成钢渣混合料，进行击实试验，结果见图3%
试验组自由膨胀
率/%
f—CaO
含量/%
f—MgO
含量/%
A组15084011 B组0094010 C组10049036
(
¥
。
迪
龜
B
H-
.64&
.
62
.61
.60
.59
.58
157------------------------------------
19.020.522.023.525.0
含水率％
图3钢渣混合料的含水率一干密度曲线
由表4可知：f—CaO和f—MgO的含量远低于3%；钢渣材料的自由膨胀率*40%，具有弱膨胀性。表明钢渣具有较好的稳定性，初步确定其应用于道路工程可行%
1.5钢渣的有害物质分析
钢渣成分复杂，除一些氧化物外，还含有有害重金属物质％在道路工程中，经雨水冲刷和浸泡，钢渣材料中的重金属物质会析出，污染土壤及地下水资源，而且可能通过消化道和皮肤进入人体％因此，将其应用于公路工程时，根据CJJ35—90《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》测试其重金属含量，结果见表5%
表5钢渣中重金属浸出试验结果mg/L
由图3可知：钢渣混合料的干密度曲线呈抛物线形，最大干密度为1.632g/cm3，最佳含水率为21.8%%
2.2无侧限抗压强度试验
依据JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》，对不同水泥掺量的钢渣混合料进行无侧限抗压强度试验(见图4)，测试其7、28d无侧限抗压强度，试验结果见表6、图5%
(a)钢渣成型养护(b)压力机测抗压强度
重金属名称生活饮用水
卫生标准值
污水综合
排放标准值
重金属
检测结果
铬005150010200
锰010500*001000
汞—005000003
钒—200*002000
锌100500006000
由表5可知：在纯水浸出条件下，钢渣中仅检测到铬金属析出，低于污水综合排放标准值；其他重金属远低于综合排放标准值％
2水稳钢渣配合比设计及力学性能研究
表6不同配比下钢渣混合料的抗压强度
图47、28d无侧限抗压强度测试
级配
编号
水泥
掺量/%
钢渣
掺量/%
压实度/
%
不同龄期(d)的无侧限
强度/MPa
728 13979831203980 25959834204450 38929842255167 410909856706540 514869872008090
10
8%
*
%
综上3组钢渣材料差异不大，可作为一类材
料%为进一步检验钢渣应用于道路工程的适用性,
将水泥掺量为3%、5%、8%,10%&4%的钢渣混合
料制成试块，进行7、28d无侧限抗压强度试验和直
接弯拉强度、劈裂强度试验验证其弯拉强度，然后进
行干缩试验测试其稳定性％
图
不同配比下钢渣混合料的抗压强度
48
公路与 汽运
2021年1月
钢渣中CaO 和MgO 的活性成分很高，而且钢
渣的表面积小于水泥颗粒，可较好地填充水泥和钢 渣颗粒中孔隙，起到微集料填充的作用，改变水泥砂
浆机体的孔隙结构，使试件结构更紧密，强度也随着 增强％随着水泥用量的增加，钢渣强度也递增％水
泥掺量为5%以上的钢渣水泥稳定混合料基本满足 二级及二级以下公路的要求％ 14%水泥掺量下钢渣
试件强度高达7.20 MPa，达到极重、特重交通标准
结构层基层
底基层
要求，且后期强度呈线性增加(见表7)。
表7 水泥稳定材料7d 无侧限抗压强度标准 MPa
公路等级极重、特重交通重交通中、轻交通
高速公路和
一级公路
50〜70
40 -6030 -50二级及二级以下公路
40-6030 -50
20 -40高速公路和
一级公路
30〜50
25 -4520 -40
二级及二级以下 公路
25 -45
20 -40
10-30
2.3强度验证试验
参照JTG/T F20 —2015-公路路面基层施工技 术细则》，对水泥掺量为14%的钢渣混合料在28,90
d 龄期进行劈裂强度和弯拉强度试验(见图6)，进一
步探究钢渣混合料的抗弯拉性能，结果见表8。
(a)劈裂强度试验
(b)弯拉强度试验
表8
4*配比钢渣混合料的弯拉强度试验结果
图6 28、90 d 直接弯拉、间接弯拉强度测试龄期/d
劈裂强度/MPa
弯拉强度/MPa
280.4306790
075
114
由表8可知：随着龄期的增长，水泥稳定钢渣的
弯拉强度变大，间接抗拉强度达到0.75 MPa，直接 弯拉强度达到1.14 MPa，满足路面基层设计规范的 要求。
2.4干缩试验
参照JTG/T F20 —2015-公路路面基层施工技 术细则》，制作50 mmX 50 mmX 200 mm 钢渣水泥
稳定混合料试件，水泥掺量为8%、14%。对试件进
行干缩试验(见图7)，测试不同时间下试件的干缩 量，结果见图8。
试件成型
(b )干缩养护
图7钢渣水泥稳定混合料干缩试验
图8钢渣水泥稳定混合料的干缩变化趋势
由图8可知：以向上为收缩，水泥掺量越高收缩 越大。因钢渣中含有微量遇水膨胀的矿物成分，这 些矿物成分在水泥硬化后继续发生反应，使钢渣水
泥稳定试块体积增大，能在一定程度上抑制水泥砂 浆试件的干缩，故两组试件基本呈微收缩状况。
3结论
(1) 钢渣材料的主要成分为CaO，活性较高，属 于中碱度钢渣，与硅酸盐相似，具有一定的凝胶性。
钢渣粒径主要为0.075-2.36 mm，呈粉状。钢渣的 初始含水率较高，而含水率对钢渣水稳材料强度的
影响较大，路基铺筑时应严格控制钢渣的含水率。
(2) 钢渣中f —CaO 、f — MgO 含量远低于规范
3%的要求，且钢渣自由膨胀率小于40%，具弱膨胀
性，说明其具有一定的稳定性。重金属析出物仅检 测到微量铬金属，且其含量远低于污水排放标准，可
用于道路工程。
(3) 不同水泥掺量钢渣水泥稳定混合料中钢渣 颗粒细腻且分布均匀，钢渣水泥稳定混合料整体强 度较高。随着水泥掺量的增加抗压强度呈线性增
长，5%以上水泥掺量钢渣水泥稳定混合料可达到二 级及二级以下公路的强度标准要求。
(4) 14%水泥掺量钢渣水泥稳定混合料的弯拉
2021年第1期张洁，等：精炼钢渣水泥稳定混合料性能室内试验研究49
强度满足规范要求；随着龄期的延长$%、14%水泥掺量钢渣水泥稳定混合料的干缩量呈上升趋势，但整体偏小％
(5)钢渣代替砂石应用于路面基层水泥稳定材料可行％
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