吴少鹏-钢渣在沥青混凝土中的应用研究

钢渣在沥青混凝土中的应用研究研究背景及意义原材料及沥青混合料设计钢渣的物化性能.钢渣球磨尾渣的研究与再利用钢渣沥青混凝土性能研究

报告内容钢渣沥青路面实体工程研究背景及意义原材料及沥青混合料设计钢渣的物化性能.钢渣球磨尾渣的研究与再利用钢渣沥青混凝土性能研究

报告内容钢渣沥青路面实体工程钢渣：在炼钢过程中，残留的助熔剂（如石灰粉等）与氧化物烧结，然后与铁元素反应形成钢渣。1.1钢渣的来源（1）转炉渣平炉渣电炉渣1.1钢渣的来源（2）1.2钢渣的处理工艺（1）武钢热泼工艺1.2钢渣的处理工艺（2）武钢渣山冷弃法1.4与钢渣相关的民生问题（1）●钢渣产量占原钢产量的13%以上，2015年全国钢渣总产量超过1亿吨，全国钢渣堆存面积超过34万平方米；●将钢渣循环利用到道路建设中，对于环境保护和资源综合利用具有显著意义。1.4与钢渣相关的民生问题（2）欧洲中国美国1.4与钢渣相关的民生问题（3）公路建设消耗大量天然集料，破坏生态环境我国当前每年新增道路15万公里，其中高速公路约7000公里公路建设每年消耗砂石料10亿吨，环境负荷大优质天然集料面临供需矛盾石灰岩等优质石料的储量按照目前的消耗速度，只够维持生产建设至多20年石灰石将是比煤炭更为宝贵的资源沥青路面植被破坏地质环境破坏沥青混凝土可以多级消纳钢渣资源。钢渣粗集料、细集料、碎屑以及尾渣粉均可以在沥青混凝土中得到应用。价格低廉：钢渣作为炼钢过程中的副产品，长久以来被当作废弃物堆放；优异耐磨性能：钢渣中含有一定数量的金属元素，包括单质铁等；1.4与钢渣相关的民生问题（4）研究背景及意义原材料及沥青混合料设计钢渣的物化性能.钢渣球磨尾渣的研究与再利用钢渣沥青混凝土性能研究

报告内容钢渣沥青路面实体工程原材料描述沥青道路石油沥青70号填料石灰石矿粉、钢渣球磨尾渣集料钢渣、石灰岩、玄武岩2.1原材料（1）2.2钢渣性能指标（1）武钢转炉钢渣试验项目试验结果技术要求试验规程密度试验31.5-19.0mm表观相对密度3.250≥2.6T0304-2005吸水率%1.2≤319.0-13.2mm表观相对密度3.250≥2.6吸水率%1.9≤313.2-4.75mm表观相对密度3.258≥2.6吸水率%2.7≤3

压碎值%14.6≤22T0316-2005

洛杉矶磨耗值%12.9＜26T0317-2005针片状含量%11.3≤18T0312-2005粘附性等级5≥4级T0616-2000磨光值67≥42T0321-2005

坚固性%1.5≤12T0314-2000水洗法0.075mm以下含量%2.8≤3T0310-2005浸水膨胀率1.1＜2T03482.2钢渣性能指标（2）2.3球磨钢渣尾渣（1）2.3钢渣球磨尾渣（2）筛孔

(mm)通过率

(%)TaTb2.3697.396.01.1880.484.80.669.167.20.341.842.90.1515.419.90.0756.97.5粒度基本小于2.36mm；0.075mm通过率均低于8%，表明其中的粉尘、泥等成分被雨水冲洗含量较少。2.4.1AC-25C配合比设计（1）组成材料配合比（%）（31.5-19mm）钢渣20（19-9.5mm）钢渣24（13.2-4.75mm）石灰石12（16-2.36mm）钢渣22（4.75-0mm）石灰石19矿粉3AC-25C级配混合料配合比2.4.1AC-25C配合比设计（2）OAC1=4.3OAC2=4.25OAC=(OAC1+OAC2)=4.3AC-25C配合比设计最佳油石比定为4.3%a1=4.0a4=4.6a3=4.3a2=4.52.4.2AC-13C配合比设计（1）组成材料配合比（%）（19-9.5mm）钢渣10（16-2.36mm）钢渣43（4.75-2.36mm）石灰石22（4.75-0mm）石灰石22矿粉3AC-13C级配混合料配合比2.4.2AC-13C配合比设计（2）OAC1=5.0OAC2=4.85OAC=(OAC1+OAC2)=4.9AC-13C配合比设计最佳油石比定为4.9%研究背景及意义原材料及沥青混合料设计钢渣的物化性能.钢渣球磨尾渣的研究与再利用钢渣沥青混凝土性能研究

报告内容钢渣沥青路面实体工程化学组分（%）CaOMgOFe2O3Al2O3SiO2其它LoI碱值转炉钢渣42.75.1924.553.2519.241.520.322.2石灰岩46.81.740.20.314.5530.11.023.1玄武岩7.145.590.518.358.095.40.690.2武钢钢渣属于中碱度钢渣，说明钢渣与石灰岩性质类似，同属碱性集料。集料碱值：

3.2钢渣的物化性能（1）化学成分—XRF微观表面形貌—SEM扫描电镜分析放大倍数：500倍（左）；5000倍（右）3.2钢渣的物化性能（2）钢渣表面呈现多孔特征；质地坚硬。3.2钢渣的物化性能（3）在2θ=33.86°处最强衍射峰代表铝硅酸钙内物质(CaO.(Al2O3)2.(SiO2)2)。第二及第三衍射峰分别表示γ-C2S和β-C2S；2θ=42.62°处代表FeO，氧化铁一种形式；囊状结构的钢渣中β-C2S的含量极少或没有。3.2钢渣的物化性能（4）ABCEPMA电子探针显微镜:OMgCaFeCaAlOMnOCaAlFePointAPointBPointC固熔体分布；过烧的CaO含量较多；物质组成呈“块状”分布。3.2钢渣的物化性能（5）钢渣热稳定性—DSC-TG分析在试验开始至200度：钢渣中的液态水及物质的结晶水在逐渐蒸发。200-480度：2水石膏逐渐脱水，转变为CaSO4.εH2O。在487.7度处有一脱水放热谷，是物质内发生结构转化，即无定形硅酸钙结晶产生的放热峰。在803.6度处有一吸热峰，说明钢渣的晶型发生转变，则是β-C2S转化为α-C2S。3.2钢渣的物化性能（6）钢渣毒性—原子吸收光谱分析对人体危害最大的五种重金属离子为铅(Pb),汞(Hg),铬(Cr),砷(As)和隔(Cd)；包括铝元素在内的重金属浓度满足美国二级饮用水标准；钢渣沥青混凝土是一种对环境较安全的材料。

AlBaCaKLiMgCdSrZn要求0.052.000----0.005-5.000未处理0.3100.80419130.0407.0660.0080.0000.0000.196沥青包裹0.020.661823.30.010.0040.0070.0010.3650.0123.2钢渣的物化性能（7）汞压逐级提升至60,000PSI:从钢渣表面的微孔直径在350μm至0.03μm之间

；0.1-0.03μm微孔应该是钢渣长期吸附沥青的主要孔径结构。3.2钢渣的物化性能（8）维氏硬度HV:利用维氏硬度值评价钢渣的本体硬度；最小显著差数法统计结果发现钢渣的维氏硬度仅次于玄武岩，高于片麻岩和石灰岩；钢渣集料拥有较高的硬度。3.3球磨钢渣尾渣的物化性能（1）钢渣碎屑与其它杂质共同构成结构十分复杂的聚合体；杂质主要包括高炉渣粉、炼炉内部粉尘3.3球磨钢渣尾渣的物化性能（2）Ta中主要含有钙铁金属氧化固熔体，氧化钙，钙铝金属氧化固熔体，硅酸三钙以及大量的硅酸二钙。Tb中主要含有硅酸二钙，钙铝金属氧化物固熔体，硅酸三钙以及氧化钙；球磨尾渣中的CaO来自钢渣形成后期添加的生石灰。钢渣球磨尾渣Ta（左）；Tb（右）3.3球磨钢渣尾渣的物化性能（3）主要成分CaO、Fe2O3和SiO2，组成规律与钢渣类似；钢渣粉、尾渣Ta和Tb的碱值分别为3.45，2.35以及4.32。研究背景及意义原材料及沥青混合料设计钢渣的物化性能.钢渣球磨尾渣的研究与再利用钢渣沥青混凝土性能研究

报告内容钢渣沥青路面实体工程4.1抗永久变形性能（1）永久形变ev时间ePeEs1t4.1抗永久变形性能（2）4.2低温疲劳性能（1）4.2低温疲劳性能（2）除体积性能之外，胶浆主要影响沥青混合料低温疲劳寿命；主集料为钢渣时疲劳寿命略高于传统的玄武石沥青混合料。沥青路面在自然环境中沥青面层基层水的蒸发太阳照射雨水雪虹吸效应4.3水损害（1）4.3.1集料与沥青的粘结（1）粘附性破坏与粘聚性破坏集料与沥青粘结的四种理论：力学理论：沥青与集料表面分子间力的相互作用。；化学反应理论：集料与沥青表面发生了剧烈的化学反应；表面能理论：液体通常在固体表面形成一定的湿润角，代表了它们的亲和状态，与液体的表面张力息息相关；分子定向理论：由于沥青中存在较多的酸根，例如羧酸（-COOH）与集料表面的定向吸附。OWRK模型确定表面能:Probeliquids:甘油去离子水乙二醇4.3.2接触角与表面能（7）假定分子色散力(disperse)，极性力(polar)为各自独立作用且合力可加总4.3.2接触角与表面能（2）OWRK模型:钢渣与沥青间的粘附功是玄武岩与沥青粘附功的两倍左右。4.3.3钢渣与沥青的粘结强度（1）利用万能试验机进行拉拔实验:温度：-5℃,5℃,15℃应变速率：0.1mm/min沥青膜厚：0.4mm,3mm集料：钢渣、石灰岩、玄武岩4.3.4温度的影响（1）温度主导着沥青与集料间的破坏模式；低温区时集料与沥青呈现瞬时破坏，各集料的拉应力差别不明显；钢渣与沥青间显示出最大的拉应力。钢渣与沥青破坏横截面（0.4mm）4.3.5断裂能（1）钢渣与沥青间的断裂能最大，达到3.3kJ/m3。4.4水稳性能（1）钢渣沥青混凝土的初始动态蠕变耗散能DCSEf和断裂能比同级配的玄武岩沥青混凝土要大；使用DCSEf的冻融循环残留比值也有类似的规律。4.4水稳性能（2）4.4水稳性能（3）经动水损害处理后的沥青混凝土试件的疲劳寿命下降非常厉害；钢渣沥青混凝土显示出较好的疲劳寿命。4.4.1水损害机理（1）4.4.1水损害机理（2）采用XRD和SEM确定钢渣的水化产物:水化一天后的产物；存在少量的CaO。钢渣中含有一定量的C3S和β-C2S，具有弱水化活性；钢渣的水化产物是否会影响其与沥青的粘结力？4.4.1水损害机理（3）体系碱性成份逐渐增多，至第7天时pH值达到12；水化反应进程说明钢渣表面存在着硫酸钙；少量氢氧化钙生成。4.4.1水损害机理（4）3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)22CaO·SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2在83.3℃时，失重速度达到最大。在99℃时有一吸热峰，表明液态水在蒸发。在762.4℃时有一吸热峰，极有可能由于CaCO3的脱水峰，伴随着700℃到800℃时由于凝胶CSH的持续分解造成样品迅速失重此时CaSO4水合物脱水。未见到氢氧化钙的特征吸热峰，表明样品中它的含量极少。4.4.1水损害机理（5）4.4.1水损害机理（6）硫酸钙（石膏）的含量较大；表面含有的物质十分复杂；4.4.1水损害机理（7）反应物质摩尔重相对比重体系绝对体积的增加量cm3绝对体积增加量%反应前反应后体系固相CaO56.083.34

H2O18.021.00

Ca(OH)274.102.2334.8133.23-4.5497.92水化生成硅酸钙与硫酸钙类物质；在钢渣表面形成“保护膜”，使钢渣与沥青隔离；造成钢渣与沥青间的空间膨胀，加速沥青的剥离。钢渣沥青混凝土在潮湿环境中的主要破坏形式:研究背景及意义原材料及沥青混合料设计钢渣的物化性能.钢渣球磨尾渣的研究与再利用钢渣沥青混凝土性能研究

报告内容钢渣沥青路面实体工程5.1球磨钢渣尾渣的利用（1）测试温度40℃

钢渣球磨尾渣制备的沥青胶浆拥有良好的抗蠕变性能。5.1球磨钢渣尾渣的利用（2）尾渣粉与沥青相互作用：填料与沥青之间基本不发生化学反应。碳氢键alkyl(CH)振动峰2924cm−1

和2853cm−1

；CH非对称性振动在1461cm−1和1376cm−1；吸收峰1545–1640cm−1

为C-C链。5.1球磨钢渣尾渣的利用（5）尾渣粉与沥青相互作用：

Buttlar公式:填料类型体积粉胶比（%）0.220.370.550.59石灰石1.181.191.21.19钢渣粉1.271.211.191.19Ta1.071.081.131.15Tb1.301.271.251.20

钢渣球磨尾渣显示出最大的沥青吸附活性。5.1球磨钢渣尾渣的利用（6）通过冻融循环实验研究钢渣球磨尾渣粉的抗剥落功效：

钢渣球磨尾渣能显著提高沥青混合料的水稳性能。研究背景及意义原材料及沥青混合料设计钢渣的物化性能.钢渣球磨尾渣的研究与再利用钢渣沥青混凝土性能研究

报告内容钢渣沥青路面实体工程7.1钢渣沥青混凝土（1）

5cm8cm7.2钢渣集料的生产（1）7.2钢渣集料的生产（1）存在的问题集料表面杂质含量集料生产变异集料棱角性三种钢渣：1）自然堆放；2）新鲜破碎；3）水浴浸泡15天7.2钢渣集料的生产（2）自然晾晒的钢渣表面有较厚的泥尘；钢渣易吸取粉尘；含量较杂，包含高岭土。采用水煮法测试不同存放条件下钢渣与沥青的粘附性：7.2钢渣集料的生产（3）钢渣表面杂质严重削弱了其与沥青的粘结力。7.2钢渣集料的生产（4）随着筛分的进行，集料粒径逐渐减小。颚式破碎机反击式破碎机采用二次反击技术可有效解决集料棱角性不丰富、针片状大等问题。7.2钢渣集料的生产（5）钢渣沥青混凝土应用成果建设地点、时间建设时间1AC-10I武钢环厂西路加铺武钢金资公司2002年AC-20I2SMA-13武黄大修工程豹澥匝道武黄高速豹澥镇2003年3SMA-13仙桃汉江公路大桥桥面铺装仙桃天仙大桥2004年4AC-13C武汉光谷四路道排工程规划一路至高新五路2012年AC-25C5AC-13C黄鄂高速黄鄂高速2014年6AC-13C“汉十”高速“汉十”高速养护段上面层2015年7AC-13C“宜张”高速宜昌－当枝段2015年8SMA-13武汉三环线孟家铺立交2015年7.3钢渣沥青混凝土工程应用典型案例1-武黄大修工程豹澥匝道（钢渣SMA路面）铺筑现场路面现状四、钢渣沥青混凝土工程应用2/5

●施工地点：宜张(宜昌-张家界)高速当枝(当阳-枝江)段；●应用类型：高速公路面层新建；●铺筑面积：2千米长的双向六车道路面。典型案例2-宜张高速新建工程（密集配钢渣沥青路面）摊铺碾压钢渣沥青路面1、一般等级路面—武钢环厂西路加铺(2002年)工程概括：检测结果表明，在超载重载车较多的环境下服役3年后，钢渣试验段路用性能衰减并不明显，显现出优良的耐久性。试验段全长1300m，路面宽度为6.5m，分2层进行铺筑:

下面层为10cm厚的AC-20I型钢渣沥青混凝土，上面层为5cm厚的AC-10I型钢渣沥青混凝土，钢渣用量约8000吨。服役情况：2002年，铺筑完成2005年，路面检测其他工程项目2、一般等级路面—武汉光谷四路道排工程(2012年)工程概括：武汉光谷四路钢渣沥青路面试验段位于东湖高新技术园区，规划一路至高新五路之间，设计等级为次干道。铺筑完成铺筑现场试验段全长2500m，设计路面宽度为16m