吳少鵬-鋼渣在瀝青混凝土中的應(yīng)用研究

鋼渣在瀝青混凝土中的應(yīng)用研究研究背景及意義原材料及瀝青混合料設(shè)計(jì)鋼渣的物化性能.鋼渣球磨尾渣的研究與再利用鋼渣瀝青混凝土性能研究

報(bào)告內(nèi)容鋼渣瀝青路面實(shí)體工程研究背景及意義原材料及瀝青混合料設(shè)計(jì)鋼渣的物化性能.鋼渣球磨尾渣的研究與再利用鋼渣瀝青混凝土性能研究

報(bào)告內(nèi)容鋼渣瀝青路面實(shí)體工程鋼渣：在煉鋼過程中，殘留的助熔劑（如石灰粉等）與氧化物燒結(jié)，然后與鐵元素反應(yīng)形成鋼渣。1.1鋼渣的來源（1）轉(zhuǎn)爐渣平爐渣電爐渣1.1鋼渣的來源（2）1.2鋼渣的處理工藝（1）武鋼熱潑工藝1.2鋼渣的處理工藝（2）武鋼渣山冷棄法1.4與鋼渣相關(guān)的民生問題（1）●鋼渣產(chǎn)量占原鋼產(chǎn)量的13%以上，2015年全國鋼渣總產(chǎn)量超過1億噸，全國鋼渣堆存面積超過34萬平方米；●將鋼渣循環(huán)利用到道路建設(shè)中，對(duì)于環(huán)境保護(hù)和資源綜合利用具有顯著意義。1.4與鋼渣相關(guān)的民生問題（2）歐洲中國美國1.4與鋼渣相關(guān)的民生問題（3）公路建設(shè)消耗大量天然集料，破壞生態(tài)環(huán)境我國當(dāng)前每年新增道路15萬公里，其中高速公路約7000公里公路建設(shè)每年消耗砂石料10億噸，環(huán)境負(fù)荷大優(yōu)質(zhì)天然集料面臨供需矛盾石灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)石料的儲(chǔ)量按照目前的消耗速度，只夠維持生產(chǎn)建設(shè)至多20年石灰石將是比煤炭更為寶貴的資源瀝青路面植被破壞地質(zhì)環(huán)境破壞瀝青混凝土可以多級(jí)消納鋼渣資源。鋼渣粗集料、細(xì)集料、碎屑以及尾渣粉均可以在瀝青混凝土中得到應(yīng)用。價(jià)格低廉：鋼渣作為煉鋼過程中的副產(chǎn)品，長久以來被當(dāng)作廢棄物堆放；優(yōu)異耐磨性能：鋼渣中含有一定數(shù)量的金屬元素，包括單質(zhì)鐵等；1.4與鋼渣相關(guān)的民生問題（4）研究背景及意義原材料及瀝青混合料設(shè)計(jì)鋼渣的物化性能.鋼渣球磨尾渣的研究與再利用鋼渣瀝青混凝土性能研究

報(bào)告內(nèi)容鋼渣瀝青路面實(shí)體工程原材料描述瀝青道路石油瀝青70號(hào)填料石灰石礦粉、鋼渣球磨尾渣集料鋼渣、石灰?guī)r、玄武巖2.1原材料（1）2.2鋼渣性能指標(biāo)（1）武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果技術(shù)要求試驗(yàn)規(guī)程密度試驗(yàn)31.5-19.0mm表觀相對(duì)密度3.250≥2.6T0304-2005吸水率%1.2≤319.0-13.2mm表觀相對(duì)密度3.250≥2.6吸水率%1.9≤313.2-4.75mm表觀相對(duì)密度3.258≥2.6吸水率%2.7≤3

壓碎值%14.6≤22T0316-2005

洛杉磯磨耗值%12.9＜26T0317-2005針片狀含量%11.3≤18T0312-2005粘附性等級(jí)5≥4級(jí)T0616-2000磨光值67≥42T0321-2005

堅(jiān)固性%1.5≤12T0314-2000水洗法0.075mm以下含量%2.8≤3T0310-2005浸水膨脹率1.1＜2T03482.2鋼渣性能指標(biāo)（2）2.3球磨鋼渣尾渣（1）2.3鋼渣球磨尾渣（2）篩孔

(mm)通過率

(%)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通過率均低于8%，表明其中的粉塵、泥等成分被雨水沖洗含量較少。2.4.1AC-25C配合比設(shè)計(jì)（1）組成材料配合比（%）（31.5-19mm）鋼渣20（19-9.5mm）鋼渣24（13.2-4.75mm）石灰石12（16-2.36mm）鋼渣22（4.75-0mm）石灰石19礦粉3AC-25C級(jí)配混合料配合比2.4.1AC-25C配合比設(shè)計(jì)（2）OAC1=4.3OAC2=4.25OAC=(OAC1+OAC2)=4.3AC-25C配合比設(shè)計(jì)最佳油石比定為4.3%a1=4.0a4=4.6a3=4.3a2=4.52.4.2AC-13C配合比設(shè)計(jì)（1）組成材料配合比（%）（19-9.5mm）鋼渣10（16-2.36mm）鋼渣43（4.75-2.36mm）石灰石22（4.75-0mm）石灰石22礦粉3AC-13C級(jí)配混合料配合比2.4.2AC-13C配合比設(shè)計(jì)（2）OAC1=5.0OAC2=4.85OAC=(OAC1+OAC2)=4.9AC-13C配合比設(shè)計(jì)最佳油石比定為4.9%研究背景及意義原材料及瀝青混合料設(shè)計(jì)鋼渣的物化性能.鋼渣球磨尾渣的研究與再利用鋼渣瀝青混凝土性能研究

報(bào)告內(nèi)容鋼渣瀝青路面實(shí)體工程化學(xué)組分（%）CaOMgOFe2O3Al2O3SiO2其它LoI堿值轉(zhuǎn)爐鋼渣42.75.1924.553.2519.241.520.322.2石灰?guī)r46.81.740.20.314.5530.11.023.1玄武巖7.145.590.518.358.095.40.690.2武鋼鋼渣屬于中堿度鋼渣，說明鋼渣與石灰?guī)r性質(zhì)類似，同屬堿性集料。集料堿值：

3.2鋼渣的物化性能（1）化學(xué)成分—XRF微觀表面形貌—SEM掃描電鏡分析放大倍數(shù)：500倍（左）；5000倍（右）3.2鋼渣的物化性能（2）鋼渣表面呈現(xiàn)多孔特征；質(zhì)地堅(jiān)硬。3.2鋼渣的物化性能（3）在2θ=33.86°處最強(qiáng)衍射峰代表鋁硅酸鈣內(nèi)物質(zhì)(CaO.(Al2O3)2.(SiO2)2)。第二及第三衍射峰分別表示γ-C2S和β-C2S；2θ=42.62°處代表FeO，氧化鐵一種形式；囊狀結(jié)構(gòu)的鋼渣中β-C2S的含量極少或沒有。3.2鋼渣的物化性能（4）ABCEPMA電子探針顯微鏡:OMgCaFeCaAlOMnOCaAlFePointAPointBPointC固熔體分布；過燒的CaO含量較多；物質(zhì)組成呈“塊狀”分布。3.2鋼渣的物化性能（5）鋼渣熱穩(wěn)定性—DSC-TG分析在試驗(yàn)開始至200度：鋼渣中的液態(tài)水及物質(zhì)的結(jié)晶水在逐漸蒸發(fā)。200-480度：2水石膏逐漸脫水，轉(zhuǎn)變?yōu)镃aSO4.εH2O。在487.7度處有一脫水放熱谷，是物質(zhì)內(nèi)發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，即無定形硅酸鈣結(jié)晶產(chǎn)生的放熱峰。在803.6度處有一吸熱峰，說明鋼渣的晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變，則是β-C2S轉(zhuǎn)化為α-C2S。3.2鋼渣的物化性能（6）鋼渣毒性—原子吸收光譜分析對(duì)人體危害最大的五種重金屬離子為鉛(Pb),汞(Hg),鉻(Cr),砷(As)和隔(Cd)；包括鋁元素在內(nèi)的重金屬濃度滿足美國二級(jí)飲用水標(biāo)準(zhǔn)；鋼渣瀝青混凝土是一種對(duì)環(huán)境較安全的材料。

AlBaCaKLiMgCdSrZn要求0.052.000----0.005-5.000未處理0.3100.80419130.0407.0660.0080.0000.0000.196瀝青包裹0.020.661823.30.010.0040.0070.0010.3650.0123.2鋼渣的物化性能（7）汞壓逐級(jí)提升至60,000PSI:從鋼渣表面的微孔直徑在350μm至0.03μm之間

；0.1-0.03μm微孔應(yīng)該是鋼渣長期吸附瀝青的主要孔徑結(jié)構(gòu)。3.2鋼渣的物化性能（8）維氏硬度HV:利用維氏硬度值評(píng)價(jià)鋼渣的本體硬度；最小顯著差數(shù)法統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼渣的維氏硬度僅次于玄武巖，高于片麻巖和石灰?guī)r；鋼渣集料擁有較高的硬度。3.3球磨鋼渣尾渣的物化性能（1）鋼渣碎屑與其它雜質(zhì)共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的聚合體；雜質(zhì)主要包括高爐渣粉、煉爐內(nèi)部粉塵3.3球磨鋼渣尾渣的物化性能（2）Ta中主要含有鈣鐵金屬氧化固熔體，氧化鈣，鈣鋁金屬氧化固熔體，硅酸三鈣以及大量的硅酸二鈣。Tb中主要含有硅酸二鈣，鈣鋁金屬氧化物固熔體，硅酸三鈣以及氧化鈣；球磨尾渣中的CaO來自鋼渣形成后期添加的生石灰。鋼渣球磨尾渣Ta（左）；Tb（右）3.3球磨鋼渣尾渣的物化性能（3）主要成分CaO、Fe2O3和SiO2，組成規(guī)律與鋼渣類似；鋼渣粉、尾渣Ta和Tb的堿值分別為3.45，2.35以及4.32。研究背景及意義原材料及瀝青混合料設(shè)計(jì)鋼渣的物化性能.鋼渣球磨尾渣的研究與再利用鋼渣瀝青混凝土性能研究

報(bào)告內(nèi)容鋼渣瀝青路面實(shí)體工程4.1抗永久變形性能（1）永久形變ev時(shí)間ePeEs1t4.1抗永久變形性能（2）4.2低溫疲勞性能（1）4.2低溫疲勞性能（2）除體積性能之外，膠漿主要影響瀝青混合料低溫疲勞壽命；主集料為鋼渣時(shí)疲勞壽命略高于傳統(tǒng)的玄武石瀝青混合料。瀝青路面在自然環(huán)境中瀝青面層基層水的蒸發(fā)太陽照射雨水雪虹吸效應(yīng)4.3水損害（1）4.3.1集料與瀝青的粘結(jié)（1）粘附性破壞與粘聚性破壞集料與瀝青粘結(jié)的四種理論：力學(xué)理論：瀝青與集料表面分子間力的相互作用。；化學(xué)反應(yīng)理論：集料與瀝青表面發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)；表面能理論：液體通常在固體表面形成一定的濕潤角，代表了它們的親和狀態(tài)，與液體的表面張力息息相關(guān)；分子定向理論：由于瀝青中存在較多的酸根，例如羧酸（-COOH）與集料表面的定向吸附。OWRK模型確定表面能:Probeliquids:甘油去離子水乙二醇4.3.2接觸角與表面能（7）假定分子色散力(disperse)，極性力(polar)為各自獨(dú)立作用且合力可加總4.3.2接觸角與表面能（2）OWRK模型:鋼渣與瀝青間的粘附功是玄武巖與瀝青粘附功的兩倍左右。4.3.3鋼渣與瀝青的粘結(jié)強(qiáng)度（1）利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn):溫度：-5℃,5℃,15℃應(yīng)變速率：0.1mm/min瀝青膜厚：0.4mm,3mm集料：鋼渣、石灰?guī)r、玄武巖4.3.4溫度的影響（1）溫度主導(dǎo)著瀝青與集料間的破壞模式；低溫區(qū)時(shí)集料與瀝青呈現(xiàn)瞬時(shí)破壞，各集料的拉應(yīng)力差別不明顯；鋼渣與瀝青間顯示出最大的拉應(yīng)力。鋼渣與瀝青破壞橫截面（0.4mm）4.3.5斷裂能（1）鋼渣與瀝青間的斷裂能最大，達(dá)到3.3kJ/m3。4.4水穩(wěn)性能（1）鋼渣瀝青混凝土的初始動(dòng)態(tài)蠕變耗散能DCSEf和斷裂能比同級(jí)配的玄武巖瀝青混凝土要大；使用DCSEf的凍融循環(huán)殘留比值也有類似的規(guī)律。4.4水穩(wěn)性能（2）4.4水穩(wěn)性能（3）經(jīng)動(dòng)水損害處理后的瀝青混凝土試件的疲勞壽命下降非常厲害；鋼渣瀝青混凝土顯示出較好的疲勞壽命。4.4.1水損害機(jī)理（1）4.4.1水損害機(jī)理（2）采用XRD和SEM確定鋼渣的水化產(chǎn)物:水化一天后的產(chǎn)物；存在少量的CaO。鋼渣中含有一定量的C3S和β-C2S，具有弱水化活性；鋼渣的水化產(chǎn)物是否會(huì)影響其與瀝青的粘結(jié)力？4.4.1水損害機(jī)理（3）體系堿性成份逐漸增多，至第7天時(shí)pH值達(dá)到12；水化反應(yīng)進(jìn)程說明鋼渣表面存在著硫酸鈣；少量氫氧化鈣生成。4.4.1水損害機(jī)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℃時(shí)，失重速度達(dá)到最大。在99℃時(shí)有一吸熱峰，表明液態(tài)水在蒸發(fā)。在762.4℃時(shí)有一吸熱峰，極有可能由于CaCO3的脫水峰，伴隨著700℃到800℃時(shí)由于凝膠CSH的持續(xù)分解造成樣品迅速失重此時(shí)CaSO4水合物脫水。未見到氫氧化鈣的特征吸熱峰，表明樣品中它的含量極少。4.4.1水損害機(jī)理（5）4.4.1水損害機(jī)理（6）硫酸鈣（石膏）的含量較大；表面含有的物質(zhì)十分復(fù)雜；4.4.1水損害機(jī)理（7）反應(yīng)物質(zhì)摩爾重相對(duì)比重體系絕對(duì)體積的增加量cm3絕對(duì)體積增加量%反應(yīng)前反應(yīng)后體系固相CaO56.083.34

H2O18.021.00

Ca(OH)274.102.2334.8133.23-4.5497.92水化生成硅酸鈣與硫酸鈣類物質(zhì)；在鋼渣表面形成“保護(hù)膜”，使鋼渣與瀝青隔離；造成鋼渣與瀝青間的空間膨脹，加速瀝青的剝離。鋼渣瀝青混凝土在潮濕環(huán)境中的主要破壞形式:研究背景及意義原材料及瀝青混合料設(shè)計(jì)鋼渣的物化性能.鋼渣球磨尾渣的研究與再利用鋼渣瀝青混凝土性能研究

報(bào)告內(nèi)容鋼渣瀝青路面實(shí)體工程5.1球磨鋼渣尾渣的利用（1）測(cè)試溫度40℃

鋼渣球磨尾渣制備的瀝青膠漿擁有良好的抗蠕變性能。5.1球磨鋼渣尾渣的利用（2）尾渣粉與瀝青相互作用：填料與瀝青之間基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。碳?xì)滏Ialkyl(CH)振動(dòng)峰2924cm?1

和2853cm?1

；CH非對(duì)稱性振動(dòng)在1461cm?1和1376cm?1；吸收峰1545–1640cm?1

為C-C鏈。5.1球磨鋼渣尾渣的利用（5）尾渣粉與瀝青相互作用：

Buttlar公式:填料類型體積粉膠比（%）0.220.370.550.59石灰石1.181.191.21.19鋼渣粉1.271.211.191.19Ta1.071.081.131.15Tb1.301.271.251.20

鋼渣球磨尾渣顯示出最大的瀝青吸附活性。5.1球磨鋼渣尾渣的利用（6）通過凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究鋼渣球磨尾渣粉的抗剝落功效：

鋼渣球磨尾渣能顯著提高瀝青混合料的水穩(wěn)性能。研究背景及意義原材料及瀝青混合料設(shè)計(jì)鋼渣的物化性能.鋼渣球磨尾渣的研究與再利用鋼渣瀝青混凝土性能研究

報(bào)告內(nèi)容鋼渣瀝青路面實(shí)體工程7.1鋼渣瀝青混凝土（1）

5cm8cm7.2鋼渣集料的生產(chǎn)（1）7.2鋼渣集料的生產(chǎn)（1）存在的問題集料表面雜質(zhì)含量集料生產(chǎn)變異集料棱角性三種鋼渣：1）自然堆放；2）新鮮破碎；3）水浴浸泡15天7.2鋼渣集料的生產(chǎn)（2）自然晾曬的鋼渣表面有較厚的泥塵；鋼渣易吸取粉塵；含量較雜，包含高嶺土。采用水煮法測(cè)試不同存放條件下鋼渣與瀝青的粘附性：7.2鋼渣集料的生產(chǎn)（3）鋼渣表面雜質(zhì)嚴(yán)重削弱了其與瀝青的粘結(jié)力。7.2鋼渣集料的生產(chǎn)（4）隨著篩分的進(jìn)行，集料粒徑逐漸減小。顎式破碎機(jī)反擊式破碎機(jī)采用二次反擊技術(shù)可有效解決集料棱角性不豐富、針片狀大等問題。7.2鋼渣集料的生產(chǎn)（5）鋼渣瀝青混凝土應(yīng)用成果建設(shè)地點(diǎn)、時(shí)間建設(shè)時(shí)間1AC-10I武鋼環(huán)廠西路加鋪武鋼金資公司2002年AC-20I2SMA-13武黃大修工程豹澥匝道武黃高速豹澥鎮(zhèn)2003年3SMA-13仙桃漢江公路大橋橋面鋪裝仙桃天仙大橋2004年4AC-13C武漢光谷四路道排工程規(guī)劃一路至高新五路2012年AC-25C5AC-13C黃鄂高速黃鄂高速2014年6AC-13C“漢十”高速“漢十”高速養(yǎng)護(hù)段上面層2015年7AC-13C“宜張”高速宜昌－當(dāng)枝段2015年8SMA-13武漢三環(huán)線孟家鋪立交2015年7.3鋼渣瀝青混凝土工程應(yīng)用典型案例1-武黃大修工程豹澥匝道（鋼渣SMA路面）鋪筑現(xiàn)場(chǎng)路面現(xiàn)狀四、鋼渣瀝青混凝土工程應(yīng)用2/5

●施工地點(diǎn)：宜張(宜昌-張家界)高速當(dāng)枝(當(dāng)陽-枝江)段；●應(yīng)用類型：高速公路面層新建；●鋪筑面積：2千米長的雙向六車道路面。典型案例2-宜張高速新建工程（密集配鋼渣瀝青路面）攤鋪碾壓鋼渣瀝青路面1、一般等級(jí)路面—武鋼環(huán)廠西路加鋪(2002年)工程概括：檢測(cè)結(jié)果表明，在超載重載車較多的環(huán)境下服役3年后，鋼渣試驗(yàn)段路用性能衰減并不明顯，顯現(xiàn)出優(yōu)良的耐久性。試驗(yàn)段全長1300m，路面寬度為6.5m，分2層進(jìn)行鋪筑:

下面層為10cm厚的AC-20I型鋼渣瀝青混凝土，上面層為5cm厚的AC-10I型鋼渣瀝青混凝土，鋼渣用量約8000噸。服役情況：2002年，鋪筑完成2005年，路面檢測(cè)其他工程項(xiàng)目2、一般等級(jí)路面—武漢光谷四路道排工程(2012年)工程概括：武漢光谷四路鋼渣瀝青路面試驗(yàn)段位于東湖高新技術(shù)園區(qū)，規(guī)劃一路至高新五路之間，設(shè)計(jì)等級(jí)為次干道。鋪筑完成鋪筑現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段全長2500m，設(shè)計(jì)路面寬度為16m