钢渣在沥青混凝土中的应用研究进展

广东建材2018年第3期

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苏利民

（上海龙孚道路养护工程有限公司）

【摘要】钢渣作集料配制沥青混凝土所具备的优良路用性能，使之成为钢渣综合资源化利用的重要途径，相关研究备受关注。本文在介绍了钢渣物化特性的基础上，综述了关于钢渣沥青混凝土高温稳定性、水稳定性及体积稳定性等方面的研究进展；就钢渣配置沥青混合料的组成设计方法、沥青与钢渣之间相互作用机制和长期稳定性等进一步研究方向提出了设想。【关键词】钢渣；沥青混凝土；物化特征；路用性能；长期稳定性

1引言

钢渣是炼钢过程中排出的废渣，主要由造渣材料、冶炼反应物、侵蚀脱落炉体、补炉材料、金属炉料带入的

杂质和为调整钢渣性质而加入的造渣材料所组成的复合固溶体。每生产1吨粗钢，约有0.15～0.2吨钢渣排

出[1]。我国作为钢铁生产大国，钢渣年产量十分庞大，但

资源化利用率却不到30%[2]。大量钢渣自然堆放造成了

严重的环境污染，还造成了资源的浪费。钢渣的物理力学性能堪比天然集料，还具有很好的

耐磨、防滑性能、抗车辙性，完全可以满足道路材料的有

关要求。将钢渣用作集料配制沥青混合料，是钢渣资源化利用的一个重要途径。目前欧洲约有50%的钢渣用于

道路建设[4]，在英国这一比例甚至高达98%[5]，而我国用于道路建设的钢渣还不足2%[6]，离发达国家还有很大差

距。

2钢渣的物化特性

钢渣在高温下呈液体状态，缓慢冷却后呈块状或粉

状。水淬钢渣则呈颗粒状，多数形状不规则，有些为圆球

形，表面有光泽。我国大部分钢渣是转炉钢渣，由于化学

成分及冷却条件不同造成其外观形态、颜色差异很大[7]。

当碱度低、氧化铁含量高时为灰黑色，碱度高、氧化铁低综合论述

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时为棕褐色。

钢渣的主要化学成分有：CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、f-CaO、S等。与矿渣成分相比，钢渣

中CaO含量较高，SiO2含量较低；另外还含有一定量的P2O5，而矿渣基本不含这一成分。钢渣的矿物组成取决于

其化学成分，尤其与其碱度（CaO/SiO2+P2O5）有关[8]。炼钢过程中需要不断加入石灰，石灰掺入量逐渐增加的过程

所产生钢渣矿物组成也随之变化。初期，钢渣的主要矿

物组成为钙镁橄榄石，其中镁可被铁和锰代替；石灰掺

量增加、碱度提高时，橄榄石吸收氧化钙变成蔷薇辉石，

同时放出RO相；进一步增加石灰含量，则会导致生成硅

酸二钙（C2S）和硅酸三钙（C3S）。此外，即便是高温条件钢

渣中还含有少量的Ca(OH)2和CaCO3。其中Ca(OH)2是钢

渣在水冷和存放过程中由f-CaO及活性硅酸盐矿物水化而成，CaCO3则是f-CaO及Ca(OH)2存放过程中碳化

形成[9]。如前所述，钢渣中物相组成受其碱度影响很大，同

时物相组成也决定了钢渣的胶凝活性。钢渣的水硬活性

主要有以下几个特点：一是钢渣中硅酸盐矿物不多，仅

占30%左右，且C3A和C4AF含量很少；二是硅酸盐矿物

结晶完整，钢渣的生成温度高，形成矿物具有结晶致密、

晶粒较大、水化速度缓慢，又称为过烧硅酸盐水泥熟料；

三是钢渣中的硅酸盐矿物含有磷，会进一步延缓水化速

度。此外，钢渣中所含石灰和方镁石，使得将其直接应用

于水泥混凝土作骨料，或磨细作水泥都存在安定性不

良，对工程安全造成极大隐患[10]。

3钢渣沥青混凝土性能研究

钢渣碱度较高却恰恰有益于其作沥青混凝土集料

的特性。沥青混凝土主体构架主要由集料与沥青接触而成，沥青分子与集料之间通过机械粘结和极性作用进行

粘附，这也是评价沥青混凝土优劣重要参数[11]。沥青中含有环烷酸，与钢渣碱性集料接触时，环烷酸中所含羧

基会与钢渣表面碳氢键吸引，使得沥青分子更为牢固吸

附在集料表面，从而提高沥青与集料的粘附性。已有研

究也表明钢渣与沥青之间粘附等级、粘附性衰减等相对

于石灰石集料都有一定的优势。钢渣改善沥青混凝土粘

附性还有助于提高一系列路用性能。3.1高温稳定性

高温稳定性是指沥青混凝土在高温条件下，经车辆

荷载重复作用，不产生车辙及波浪，不发生显著永久变形，保证路面平整度的能力。李建华[12]采用马歇尔稳定

度试验来评价钢渣配制沥青混凝土的高温稳定性，并与

AC-13级配类型进行对比研究。按照钢渣掺量的不同分

为三种类型进行对比分析：钢渣沥青混凝土、全石灰岩

沥青混土、粗钢渣细石灰岩沥青混凝土。结果表明三种

沥青混合料的稳定度均大于8kN，并且流值都能满足规范要求。其中全钢渣沥青混凝土稳定度最大，全石灰岩

沥青混凝土稳定度最小，表明钢渣集料有助于提高沥青

混凝土马歇尔稳定度。钢渣沥青混凝土高温稳定性的提

高，一方面是由于钢渣高碱度提高粘附性能；另一方面，

相对于普通集料，钢渣集料表面更为粗糙、棱角丰富且

接近立方体，颗粒间易形成更为紧密的嵌锁结构，提高混凝土抗剪性能。3.2水稳定性

水稳定性是表征在水作用下，集料表面沥青膜抵抗

剥离以及沥青胶浆内部抵抗破坏的能力，通常采用浸水

马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价[13]。胡金龙等[14]采用冻融劈裂试验，对钢渣、石灰岩、粗钢细石三种集料组合

配制沥青混凝土进行冻融循环，发现三种沥青混凝土冻

融劈裂强度均大于要求的75%。其中钢渣混凝土的冻融

劈裂强度最大，即水稳定性最佳。现阶段，我国主要生产

的钢渣均属于高碱度钢渣[15]，且具有多孔结构、比表面

积较大的特性，这些物化特性均有利于沥青混凝土水稳性能提高。3.3体积稳定性

由于钢渣中f-CaO含量较高，可达5%～10%。这些游离氧化钙水化形成氢氧化钙过程中体积可增大1～2

倍，极易导致钢渣粉化膨胀[16]，这也是影响钢渣作水泥混凝土集料使用的重要原因。通过对钢渣集料配制沥青

混凝土体积膨胀率研究发现，掺加钢渣后膨胀率反而较基准样更小。这可能是由于钢渣与沥青间良好的黏附

性，使得沥青包裹钢渣抑制了活性物质水化反应。但其长期体积稳定性的相关机制还有待深入研究。

4钢渣沥青混凝土发展中的不足

随着钢渣作集料配制沥青混凝土诸多优势被认识

和接受，涉及的研究也会逐渐由实验室向中试和产业化应用发展，为进一步提高钢渣资源化利用效率和配制沥

青混凝土路用性能，仍有一些盲区需要进一步探索：钢

渣物化特性对其与沥青形成界面的相互作用机制亟待

深入研究[17]。钢渣所具备的不同于传统集料特点，对沥综合论述

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青混凝土长期性能的影响以及有害反应控制等方面都

是需系统实验研究；现有钢渣沥青混凝土设计方法完全

参照普通混合料，但钢渣微孔多、比重大等特点使得其

并不完全适用于普通沥青混合料设计方法，会造成集料

组成比例设计不合理、沥青含量较低等不足，严重影响

混凝土长期性能；水侵蚀作用下，钢渣沥青混凝土破坏

机制、控制方法等耐久性问题还不清楚。钢渣中游离氧

化钙、方镁石等与水发生反应会造成混凝土开裂破坏，在沥青粘附作用下，这种不利反应是否发生、如何控制

及相关机理研究，都对钢渣作沥青混凝土集料应用起着

决定性作用[18]。

5结语

已有关于钢渣配制沥青混凝土，展现出了优于普通

沥青混合料的水稳定性和高温稳定性，这对钢渣零排

放、资源化梯度应用都有着极为重要的价值。同时我国道路用优质天然集料不断减少，也给钢渣在沥青混凝土

路面的应用提供了良好契机，对促进建立资源节约型和

环境友好型社会具有重要价值。但钢渣由于含有游离氧

化钙、方镁石等矿物，对沥青混凝土长期性能会有潜在威胁，为确保钢渣在沥青混凝土中安全使用，还需结合

钢渣物化特征深入开展其与沥青之间结合机制、混合料

组成设计方法及长期稳定性方面的研究。●

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