周 闖 韓方元 趙 濤

（1.寧夏大學(xué),寧夏 銀川 750021；2.寧夏交通建設(shè)股份有限公司,寧夏 銀川 750004）

鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，含有大量金屬氧化物，具有強(qiáng)度高、耐磨、與瀝青黏附性良好以及熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被認(rèn)為是理想的筑路原材料[1]。鋼渣與瀝青結(jié)合，能夠有效提升瀝青路面的承載能力和抗剝落能力[2-3]，同時(shí)因?yàn)闊醾鲗?dǎo)能力強(qiáng)，鋼渣會(huì)改變?yōu)r青路面的熱學(xué)特性和熱傳導(dǎo)行為，對(duì)路面的耐久性造成影響。研究鋼渣的路用特性，對(duì)比其與天然集料的差異，能夠深入了解鋼渣對(duì)路面路用性能的影響，進(jìn)一步推動(dòng)鋼渣資源化利用。同時(shí)為路面工程設(shè)計(jì)和材料選擇提供更加科學(xué)和可靠的依據(jù)，促進(jìn)可持續(xù)和環(huán)保的道路建設(shè)。

既有研究普遍認(rèn)為鋼渣較天然集料具有更好的物理力學(xué)性能以及熱傳導(dǎo)能力。關(guān)于鋼渣的物理力學(xué)性能，Langer等研究發(fā)現(xiàn)，集料密度低往往代表著集料具有多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)其抗破壞能力較弱，因此高質(zhì)量的集料的特征之一就是具有較高的密度值[1-5]；Irem等研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣中含有較多的氧化鐵，同時(shí)鋼渣在微觀上具有致密的顆粒狀結(jié)構(gòu)，使鋼渣具有較高的密度[6]；大部分轉(zhuǎn)爐鋼渣的吸水率約是花崗巖的4倍～6倍，小部分優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)爐鋼渣的吸水率與石灰?guī)r集料的吸水率相差不大[7-8]；還有研究者發(fā)現(xiàn)，鋼渣較天然集料具有更好的抗磨損、抗破碎性能硬度、堅(jiān)固性以及耐磨性[9-10]。關(guān)于鋼渣的熱傳導(dǎo)能力，舒志強(qiáng)研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著鋼渣摻量的增加而增加，呈線性相關(guān)[11]；范威威指出，橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著鋼渣摻量的增加而增加[12]。

目前，國(guó)內(nèi)外在鋼渣物理力學(xué)方面的研究成果豐富，但在熱物理性質(zhì)方面的研究處于空白狀態(tài)，對(duì)鋼渣整體的路用性能研究仍較為欠缺，因此本文針對(duì)寧夏建龍鋼渣進(jìn)行路用特性研究，對(duì)其物理特性、化學(xué)特性、力學(xué)特性、熱傳導(dǎo)特性等進(jìn)行試驗(yàn)。

1 鋼渣物理特性

鋼渣含有大量金屬氧化物，與天然集料相差較大，同時(shí)鋼渣孔隙結(jié)構(gòu)較豐富，導(dǎo)致其吸水率較大。故本文對(duì)不同粒徑鋼渣與常用天然集料的密度及吸水率進(jìn)行了分析測(cè)試，結(jié)果如表1、圖1所示。

圖1 鋼渣與天然集料吸水率

（1）鋼渣的毛相對(duì)密度普遍大于3.0，較天然集料中相對(duì)密度最大的玄武巖高出約10%，較石灰?guī)r與紅砂巖高出約18%～27%。這是由于鋼渣作為冶金工業(yè)的副產(chǎn)品，其含有大量金屬成分，在生成過(guò)程中經(jīng)歷了冷卻和凝固，這些過(guò)程中的物理變化和化學(xué)反應(yīng)使得鋼渣具有較高的相對(duì)密度。因此，鋼渣的密度較天然集料更高，將其應(yīng)用在道路領(lǐng)域可以提高路面抗變形能力。

（2）鋼渣的吸水率普遍大于1.6%，約為天然集料的2.0倍。這是由于鋼渣在生成時(shí)，工藝和冷卻條件的限制，可能存在內(nèi)部的開(kāi)口孔隙。這些孔隙的存在一方面導(dǎo)致其相對(duì)于天然集料具有更高的吸水率，另一方面也使得鋼渣與瀝青的黏附性更強(qiáng)，有利于提高路面路用性能。

2 鋼渣化學(xué)特性

鋼渣為煉鋼副產(chǎn)品，其化學(xué)組成與天然集料相差較大，本文對(duì)鋼渣進(jìn)行X射線衍射（XRD）分析，掃描得到的X光衍射圖譜，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合平滑、去除背景等操作之后，得到XRD圖像，如圖2所示。

圖2 鋼渣XRD圖像

由圖2可知，鋼渣中含有較多鐵元素以及CaO，一方面大量鐵元素的存在，導(dǎo)致鋼渣密度較大，提升了其力學(xué)性能以及熱傳導(dǎo)能力；另一方面含有的大量CaO，其遇水反應(yīng)生成Ca(OH)2會(huì)膨脹，體積變大，對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成破壞。路面工程中使用鋼渣，應(yīng)提前對(duì)鋼渣進(jìn)行處理，避免其對(duì)路面質(zhì)量造成不利影響。

3 鋼渣力學(xué)特性

在道路工程中，集料的力學(xué)性質(zhì)對(duì)于確保路面的穩(wěn)定性、耐久性和安全性具有重要作用。其中，壓碎值和磨耗值是兩個(gè)關(guān)鍵的力學(xué)性能參數(shù)，在評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)路面材料時(shí)發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。壓碎值是指集料在經(jīng)歷連續(xù)的逐漸增加的荷載作用下抵抗壓碎和破碎的能力，磨耗值則是用來(lái)描述集料在路面使用過(guò)程中對(duì)車輪磨耗的抵抗能力。

本文參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）的方法，進(jìn)行壓碎值及洛杉磯磨耗值試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 鋼渣與天然集料壓碎值及洛杉磯磨耗值

由表2可以看出，鋼渣的壓碎值低于天然集料；磨耗值與玄武巖接近，小于石灰?guī)r與紅砂巖。這說(shuō)明鋼渣具有較好的強(qiáng)度以及耐磨性，這是由于鋼渣中的鐵、錳離子具有較強(qiáng)的極化能力，使得氧離子發(fā)生極化并脫離正硅酸鈣四面體，破壞其原有的正硅酸鹽四面體結(jié)構(gòu)并相互連接，形成復(fù)雜又巨大的網(wǎng)狀硅氧團(tuán)，晶粒尺寸增大，礦物相更加致密[1]。這些特性有利于提高路面的強(qiáng)度和剛度，增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)，提高路用性能。

4 鋼渣熱傳導(dǎo)特性

4.1 鋼渣導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容

使用如圖3所示的激光導(dǎo)熱儀測(cè)試鋼渣與天然集料的導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱容等熱物理性質(zhì)，結(jié)果如表3所示。

圖3 激光導(dǎo)熱儀

表3 鋼渣與天然集料的熱學(xué)性能指標(biāo)

（1）鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)普遍大于3.3 W/(m·K)，較天然集料中導(dǎo)熱系數(shù)最高的玄武巖高出約57%，較石灰?guī)r高出約70%，較紅砂巖高出約95%。這是由于鋼渣中的金屬成分其導(dǎo)熱性能明顯高于天然集料。因此鋼渣可以提高鋼渣瀝青路面的熱傳導(dǎo)能力，有助于更快地分散鋼渣瀝青路面溫度，減少溫度差異對(duì)路面性能的影響。

（2）鋼渣的比熱容小于900 kJ/(m3·K)，較天然集料中比熱容最高的石灰?guī)r低約29%，較玄武巖低約18%，較紅砂巖低約27%。鋼渣與天然集料在比熱容的差異可能會(huì)影響熱傳導(dǎo)過(guò)程中的溫度分布。較低的比熱容意味著鋼渣在相同的能量輸入下溫度變化更大，可能導(dǎo)致鋼渣在受熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生更大的溫度梯度，增加鋼渣瀝青路面的溫度應(yīng)力，進(jìn)而影響路面的路用性能和病害。

4.2 鋼渣升溫速率

鋼渣的熱傳導(dǎo)特性對(duì)使用鋼渣的道路工程的施工過(guò)程有影響。在瀝青混合料攤鋪過(guò)程中，需要將其保持在較高的溫度以維持其流動(dòng)性。本研究選取相同質(zhì)量的鋼渣與天然集料樣品，放入加熱溫度為200 ℃的烘箱進(jìn)行恒溫加熱，并每隔7 min使用紅外測(cè)溫槍測(cè)定溫度，探究鋼渣與天然集料的升溫速率差異。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 集料加熱試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，鋼渣升溫速率為1.54 ℃/min，而石灰?guī)r、玄武巖、紅砂巖升溫速率分別為1.42 ℃/min、1.44 ℃/min、1.41 ℃/min。鋼渣升溫速率較快，在105 min時(shí)溫度為183 ℃，較石灰?guī)r高13 ℃、較玄武巖高11 ℃、較紅砂巖高14 ℃。這是因?yàn)殇撛写罅拷饘傺趸铮瑢?dǎo)熱系數(shù)大于天然集料，從而導(dǎo)致鋼渣升溫速率較高。

鋼渣瀝青混合料在生產(chǎn)過(guò)程中加熱溫度極高，為研究鋼渣與天然集料在高溫升溫速率方面的差異，設(shè)定加熱溫度為450 ℃，并每隔30 s采集一次集料溫度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4及表5所示。

圖4 集料高溫放熱與時(shí)間

表5 集料高溫加熱試驗(yàn)結(jié)果

由圖4及表5可知：在450 ℃加熱溫度下，鋼渣升溫速率為1.725 ℃/s，而石灰?guī)r、玄武巖、紅砂巖升溫速率分別為1.66 ℃/s、1.68 ℃/min、1.63 ℃/s。鋼渣升溫速率明顯快于天然集料，在加熱30 s時(shí)，鋼渣的溫度比天然集料高出約30 ℃；加熱120 s時(shí)，鋼渣和天然集料溫度差異減小，但是鋼渣溫度仍然比天然集料高5 ℃～11 ℃，這說(shuō)明在路面施工過(guò)程中鋼渣較天然集料能夠更快達(dá)到拌和溫度。

4.3 鋼渣降溫速率

在190 ℃的烘箱中保溫至恒溫后，將鋼渣和天然集料置于室溫環(huán)境中，并每隔7 min采集一次集料溫度，記錄實(shí)際溫度變化情況，結(jié)果如表6所示。

表6 集料降溫試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：鋼渣降溫速率為1.57 ℃/min，而石灰?guī)r、玄武巖、紅砂巖降溫速率分別為1.48 ℃/min、1.49 ℃/min、1.46 ℃/min。鋼渣與天然集料相比降溫速率更快。當(dāng)放置105 min時(shí)，鋼渣實(shí)測(cè)溫度為25 ℃，而天然集料約為35 ℃，相差近10 ℃。在實(shí)際工程中，鋼渣放熱較快的特性會(huì)對(duì)瀝青混合料的運(yùn)輸與攤鋪造成不利影響，造成鋼渣瀝青混合料失溫過(guò)快，黏性增強(qiáng)，不利于鋪砌路面。

5 結(jié)論

本文對(duì)鋼渣的材料特性開(kāi)展研究，主要結(jié)論如下。

（1）鋼渣的相對(duì)密度和吸水率較天然集料均更高，其吸水率隨著粒徑的增加呈下降的趨勢(shì)。高密度特性能讓鋼渣提高路面的抗變形能力，高吸水率提高了其與瀝青的黏附性。鋼渣的加入有利于提高路面路用性能，但同時(shí)也要考慮到鋼渣中CaO水化可能對(duì)路面造成的結(jié)構(gòu)破壞。

（2）鋼渣的壓碎值低于天然集料，磨耗值與玄武巖接近，小于石灰?guī)r與紅砂巖。這說(shuō)明鋼渣具有較好的強(qiáng)度以及耐磨性，其優(yōu)良的力學(xué)性能有利于提高路面的強(qiáng)度以及剛度。

（3）鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)較天然集料高，比熱容較天然集料低。鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)較天然集料更高，比熱容較天然集料更低，在吸收熱量上鋼渣快于天然集料，在吸收相同熱量的情況下其升溫幅度也大于天然集料，吸熱與放熱速率相較于天然集料均更快。較高的導(dǎo)熱系數(shù)以及較低的比熱容使得使用鋼渣的道路施工過(guò)程需要注重溫控以及壓實(shí)效率，避免產(chǎn)生因混合料溫度下降過(guò)快導(dǎo)致壓實(shí)度不足的現(xiàn)象。