钢渣沥青混凝土集料的研磨预处理工艺研究_章照宏
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图 2 各档钢渣所占比例与研磨次数的关系曲线
分析图 2 可知： 研磨过程开始后，1#钢渣所占比 例迅速降低，随着研磨的进行而逐渐趋于平缓； 3#钢 渣所占比例逐渐升高，并随着研磨次数的增加而趋于 平缓； 2#钢渣所占比例先增大后减小，表明在研磨 过程初期，1#钢渣粒径减小为 2#钢渣的量比 2#钢渣 粒径减小的量多； 这 3 种粒径钢渣所占的比例之和 随着研磨过程开始而急剧减小，随后这个趋势趋于 稳定。
钢渣研磨过程中伴随粉尘、杂质的剥离和颗粒的 破碎，为了研究在研磨过程中钢渣粒径的变化情况，
图 1 研磨前后 （左图） 和水洗前后 （右图） 钢渣表面形貌照片
实验测量了钢渣经过 50 次、100 次、200 次和 500 次 研磨后的 1#、2#和 3 #钢渣所占百分比，各档钢渣所 占百分比与研磨次数的关系曲线如图 2 所示。
2014 年 2 期（ 总第 110 期） 103
为了消除钢渣集料的表面粉尘和内部微裂纹，降 低钢渣沥青混凝土的油石比，同时提高混凝土路面的 服役性能，本文提出了钢渣的研磨预处理工艺。研磨 属于钢渣物理强化技术中的一种，在洛杉矶磨耗试验 机回转过程中，钢渣与钢球的碰撞和钢渣颗粒之间的 碰撞都会使钢渣内部微裂纹增殖发展直至集料颗粒破 碎，从而达到最终消除钢渣集料内部微裂纹的目的。 但目前尚无相关学者对钢渣集料预处理工艺的最佳研 磨程度进行系统的研究与探讨： 研磨程度不足就不能
有效剥离钢渣表面的粉尘杂质并消除内部微裂纹，研 磨程度太大则会破坏钢渣的正常结构，同时会造成能 源和钢渣资源的浪费。
1 原材料与实验方法
1. 1 实验仪器
实验主要用到洛杉矶磨耗试验机，试验机转动部
分呈圆柱体，两端封闭，投料口的钢盖是由螺栓和橡
胶垫来紧闭密封的，试验机工作时回转速率为 30 ～ 33r· min － 1 。方 孔 标 准 筛 一 套，以 及 测 量 密 度 的 天
平、网篮等设备。
1. 2 实验原材料
实验采用的钢渣来自武钢冶金渣分公司，经过实
验室筛分分为 4 档。按照 《公路工程集料实验规程》
（ JTG E42 － 2005） 的规定对 1# （9. 5 ～ 13. 2mm） 、2#
（4. 75 ～ 9. 5mm） 和 3 # （2. 36 ～ 4. 75mm） 钢渣的各
参考文献：
［1］ 甘万贵． 武钢钢渣用作沥青混凝土集料研究． 武钢技术，2006，44 （5） ：55 － 58．
［2］ 薛永杰． 钢渣沥青玛蹄脂混合料制备与性能研究． 武汉理工大 学，2005．
［3］ 丁庆军，立春，彭波，等． 钢渣作沥青混凝土集料研究． 武汉理工大 学学报，2001，23（6） ：9 － 13．
为更进一步分析钢渣在研磨过程中的颗粒的破碎 和粉尘的剥离情况，计算了钢渣在各个研磨阶段的磨 耗率，并绘制出钢渣磨耗率同研磨次数的曲线关系如 图 2 所示。在研磨前期磨耗率急剧增大，然后随着研 磨的进行上升速率逐渐减小，当研磨到 400 次之后钢 渣磨耗率呈现出直线上升的趋势。分别用抛物线和直 线两种模型来模拟这 2 个阶段的磨耗率变化： （1） 抛物 线 模 型： y = － 6 × 10 － 5 x2 + 0. 0561x + 9. 064， Ｒ2 = 1； （2） 直线模型： y = 0. 0283x + 17. 109，Ｒ2 = 0. 9993。由相关系数可知这 2 个模型能很准确地模拟 磨耗率的变化趋势。在研磨过程的第一个阶段，主要 是钢渣表面粉尘的剥离和内部含微裂纹的钢渣颗粒的 破碎，这 2 个过程随着研磨的进行强度越来越小，因 此磨耗率的变化是非线性的； 在研磨的第二个阶段主 要发生的是正常钢渣颗粒被研磨破坏，这个过程在整 个研磨过程中比较稳定，因此磨耗率呈现出线型变化 趋势。
钢渣在生产过程中也会在钢渣表面粘附一层粉尘 和其他杂质，这种钢渣如果不经过预处理而直接用来 制备沥青混凝土，会因为这些粘附在钢渣集料表面的 粉尘和杂质而的存在而造成沥青混凝土性能的波动和 降低。经过水洗处理后的钢渣表面多孔，这些孔隙与 粉尘在沥青混合料的拌和过程中会吸纳大量的沥青胶 结料，造成钢渣沥青混凝土油石比偏高，增加了沥青 路面的建设成本。
2#
2. 41
≤1
3#
3. 26
20. 95 5级 1. 9
≤26 ≥4 级 ≤3. 0
式中： Q 为钢渣磨耗率，% ； m1 为装入圆筒的钢渣质 量，g； m2 为研磨后 1. 18mm 标准筛筛余钢渣洗净烘 干后的质量，g。
重复上述实验过程，取出经过 50 次研磨的钢渣 用方孔 标 准 筛 分 为 4 档： 1 # （ 9. 5 ～ 13. 2mm） 、2 # （4. 75 ～ 9. 5mm） 、3 # （2. 36 ～ 4. 75mm） 和 4 # （0 ～ 2. 36mm） ，分别测量和计算 1 #、2 #和 3 #钢渣的表观 密度和吸水率。
图 5 研磨对各种粒径钢渣吸水率的影响关系曲线
3 结论
通过实验研究了经过不同程度研磨的钢渣粒径外 观形貌、毛体积密度和吸水率的变化，从而探讨了研 磨对钢渣表面形貌和内部结构的作用机理，得出以下 结论：
（1） 研磨能够有效剥离钢渣表面的软弱颗粒、 粉尘和杂质，消除内部的微裂纹，从而从根本上提高 钢渣的物理性能，主要表现为毛体积密度增大，吸水 率降低；
中，紧固密封筒盖，调整计数器至 50 次，启动磨耗 机以 30r·min － 1 的速度旋转。待研磨完成后，从圆筒
内拣出钢球并取出钢渣，用 1. 18mm 的标准筛筛分，
取筛上钢渣洗净烘干并冷却后称得质量 m2，则钢渣 磨耗率 Q 的计算公式如公式 （1） 所示。
Q = m1 － m2 × 100
（1）
102 2014 年 2 期（ 总第 110 期）
图 3 研磨过程中钢渣磨耗率的变化曲线
2. 3 研磨对钢渣吸水率和密度的影响 实验还测量了经过不同次数的研磨后钢渣的毛体
积密度和吸水率的变化趋势，结果如图 4 和图 5 所 示。分析图 4 可知，3 种粒径的钢渣毛体积密度都逐 渐增大，且前 100 次的研磨对钢渣毛体积密度的影响 最大，而其中前 50 次研磨又起到了主要作用。产生 这种趋势的主要原因是研磨作用剥离了钢渣表面的粉 尘、软弱颗粒和杂质，钢渣的内部微裂纹和其他缺陷 也得以消除，闭口孔隙、开口孔隙数量降低，使得钢 渣毛体积密度增大。此外，从图 4 还能分析出钢渣粒 径越大，其毛体积密度越大，这主要是因为钢渣粒径 越大，其 比 表 面 积 越 小， 所 含 表 面 开 口 孔 隙 相 对 较 少，因而毛体积密度越大。
将研磨次数分别设置为 100 次、200 次、300 次 ……700 次和 800 次重复上述实验过程，分别测量每 种研磨程度下的钢渣磨耗率、毛体积密度和吸水率 指标。
2 结果与讨论
2. 1 实验现象观察与分析 钢渣研磨过程结束后，产生大量的粉尘，且钢渣
颗粒破裂现象比较多，粒径减小，如图 1 （ 左图） 所 示。图 1 中左图是未处理钢渣 （ 图左） 和经过 50 次 研磨处理的钢渣 （ 图右） 外观形貌对比图，从图中 可以看出经过研磨后钢渣表面粉尘明显减少，表面孔 隙增多，但钢渣的颜色并没有发生变化。图 1 中右图 是未经处理的钢渣 （ 图左） 和经过水洗烘干处理的 钢渣 （图右） 的外观形貌对比图，可以看出水洗后 的钢渣表面几乎没有粉尘，钢渣颗粒表面孔隙多，且 钢渣的颜色变深。图 1 表明研磨处理可以在一定程度 上剥离钢渣表面的粉尘，但 50 次研磨处理明显不如 水洗烘干处理的效果好。 2. 2 实验过程中的磨耗率的计算与分析
（2） 钢渣颗粒的破碎、表面软弱颗粒和杂质的 剥离主要发生在研磨初期，研磨后期主要是正常钢渣 颗粒的破坏过程，钢渣性能不会得到有效改善，这从 研磨过程中钢渣毛体积密度和吸水率的变化趋势可以 得到证明；
（3） 研磨 100 次即能使钢渣各项性能得到有效 改善，再综合考虑生产效率和生产成本，推荐将研磨 50 次作为钢渣的最佳处理工艺。
［4］ 孟华栋，刘浏． 钢渣稳定化处理技术现状及展望． 炼钢，2009，25 （6） ：74 － 78．
［5］ 郭家林，赵俊学，黄敏． 钢渣综合利用技术综述及建议． 中国冶金， 2009，19（2） ：35 － 38．
［6］ 卢发亮，李晋． 钢渣沥青混合料级配特征研究． 公路，2013 （7 ） ： 222 － 227．
m1
2014 年 2 期（ 总第 110 期） 101
表 1 钢渣基本指标测试结果
实验项目
实验结果 技术要求
1#
3. 25表观Leabharlann 对密度2#3. 26
≥2. 6
3#
3. 30
1#
3. 83
集料吸水率 /%
2#
7. 17
≤2. 0
3#
8. 84
1#
2. 45
粉尘含量 /%
压碎值 /% 粘附性
软石含量 /%
图 4 研磨对各种粒径钢渣毛体积密度的 影响关系曲线
分析图 5 可知，随着研磨过程的进行，各种粒径 的钢渣集料吸水率均降低，且在前 100 次，尤其是前 50 次，这种趋势最为明显，研磨 100 次以后吸水率 逐渐趋于稳定。吸水率的降低也说明了对钢渣进行研 磨处理可以有效剥离钢渣表面的软弱颗粒和其他杂 质，消除钢渣内部的微裂纹。钢渣粒径越大，其吸水 率越小，这也是大粒径的钢渣表面孔隙相对较少的 原因。
钢渣沥青混凝土集料的研磨预处理工艺研究
章照宏1 ，刘代雄2 ，朱国军3 ，张恒通3 ，贺 辉3
（1． 湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410000； 2． 西藏自治区林芝地区公路分局，西藏 林芝 8601002；
3． 交通运输部公路科学研究院，北京 100088）
摘 要： 采用洛杉矶磨耗试验机对钢渣进行不同次数的研磨，分析研磨后钢渣的外观形貌、粒径变化、毛体积密度和
吸水率等指标的变化，探讨研磨对钢渣结构和性能的改善机理。实验结果表明，钢渣内部微裂纹、表面杂质和粉尘等
分析图 2 可知： 研磨过程开始后，1#钢渣所占比 例迅速降低，随着研磨的进行而逐渐趋于平缓； 3#钢 渣所占比例逐渐升高，并随着研磨次数的增加而趋于 平缓； 2#钢渣所占比例先增大后减小，表明在研磨 过程初期，1#钢渣粒径减小为 2#钢渣的量比 2#钢渣 粒径减小的量多； 这 3 种粒径钢渣所占的比例之和 随着研磨过程开始而急剧减小，随后这个趋势趋于 稳定。
钢渣研磨过程中伴随粉尘、杂质的剥离和颗粒的 破碎，为了研究在研磨过程中钢渣粒径的变化情况，
图 1 研磨前后 （左图） 和水洗前后 （右图） 钢渣表面形貌照片
实验测量了钢渣经过 50 次、100 次、200 次和 500 次 研磨后的 1#、2#和 3 #钢渣所占百分比，各档钢渣所 占百分比与研磨次数的关系曲线如图 2 所示。
2014 年 2 期（ 总第 110 期） 103
为了消除钢渣集料的表面粉尘和内部微裂纹，降 低钢渣沥青混凝土的油石比，同时提高混凝土路面的 服役性能，本文提出了钢渣的研磨预处理工艺。研磨 属于钢渣物理强化技术中的一种，在洛杉矶磨耗试验 机回转过程中，钢渣与钢球的碰撞和钢渣颗粒之间的 碰撞都会使钢渣内部微裂纹增殖发展直至集料颗粒破 碎，从而达到最终消除钢渣集料内部微裂纹的目的。 但目前尚无相关学者对钢渣集料预处理工艺的最佳研 磨程度进行系统的研究与探讨： 研磨程度不足就不能
有效剥离钢渣表面的粉尘杂质并消除内部微裂纹，研 磨程度太大则会破坏钢渣的正常结构，同时会造成能 源和钢渣资源的浪费。
1 原材料与实验方法
1. 1 实验仪器
实验主要用到洛杉矶磨耗试验机，试验机转动部
分呈圆柱体，两端封闭，投料口的钢盖是由螺栓和橡
胶垫来紧闭密封的，试验机工作时回转速率为 30 ～ 33r· min － 1 。方 孔 标 准 筛 一 套，以 及 测 量 密 度 的 天
平、网篮等设备。
1. 2 实验原材料
实验采用的钢渣来自武钢冶金渣分公司，经过实
验室筛分分为 4 档。按照 《公路工程集料实验规程》
（ JTG E42 － 2005） 的规定对 1# （9. 5 ～ 13. 2mm） 、2#
（4. 75 ～ 9. 5mm） 和 3 # （2. 36 ～ 4. 75mm） 钢渣的各
参考文献：
［1］ 甘万贵． 武钢钢渣用作沥青混凝土集料研究． 武钢技术，2006，44 （5） ：55 － 58．
［2］ 薛永杰． 钢渣沥青玛蹄脂混合料制备与性能研究． 武汉理工大 学，2005．
［3］ 丁庆军，立春，彭波，等． 钢渣作沥青混凝土集料研究． 武汉理工大 学学报，2001，23（6） ：9 － 13．
为更进一步分析钢渣在研磨过程中的颗粒的破碎 和粉尘的剥离情况，计算了钢渣在各个研磨阶段的磨 耗率，并绘制出钢渣磨耗率同研磨次数的曲线关系如 图 2 所示。在研磨前期磨耗率急剧增大，然后随着研 磨的进行上升速率逐渐减小，当研磨到 400 次之后钢 渣磨耗率呈现出直线上升的趋势。分别用抛物线和直 线两种模型来模拟这 2 个阶段的磨耗率变化： （1） 抛物 线 模 型： y = － 6 × 10 － 5 x2 + 0. 0561x + 9. 064， Ｒ2 = 1； （2） 直线模型： y = 0. 0283x + 17. 109，Ｒ2 = 0. 9993。由相关系数可知这 2 个模型能很准确地模拟 磨耗率的变化趋势。在研磨过程的第一个阶段，主要 是钢渣表面粉尘的剥离和内部含微裂纹的钢渣颗粒的 破碎，这 2 个过程随着研磨的进行强度越来越小，因 此磨耗率的变化是非线性的； 在研磨的第二个阶段主 要发生的是正常钢渣颗粒被研磨破坏，这个过程在整 个研磨过程中比较稳定，因此磨耗率呈现出线型变化 趋势。
钢渣在生产过程中也会在钢渣表面粘附一层粉尘 和其他杂质，这种钢渣如果不经过预处理而直接用来 制备沥青混凝土，会因为这些粘附在钢渣集料表面的 粉尘和杂质而的存在而造成沥青混凝土性能的波动和 降低。经过水洗处理后的钢渣表面多孔，这些孔隙与 粉尘在沥青混合料的拌和过程中会吸纳大量的沥青胶 结料，造成钢渣沥青混凝土油石比偏高，增加了沥青 路面的建设成本。
2#
2. 41
≤1
3#
3. 26
20. 95 5级 1. 9
≤26 ≥4 级 ≤3. 0
式中： Q 为钢渣磨耗率，% ； m1 为装入圆筒的钢渣质 量，g； m2 为研磨后 1. 18mm 标准筛筛余钢渣洗净烘 干后的质量，g。
重复上述实验过程，取出经过 50 次研磨的钢渣 用方孔 标 准 筛 分 为 4 档： 1 # （ 9. 5 ～ 13. 2mm） 、2 # （4. 75 ～ 9. 5mm） 、3 # （2. 36 ～ 4. 75mm） 和 4 # （0 ～ 2. 36mm） ，分别测量和计算 1 #、2 #和 3 #钢渣的表观 密度和吸水率。
图 5 研磨对各种粒径钢渣吸水率的影响关系曲线
3 结论
通过实验研究了经过不同程度研磨的钢渣粒径外 观形貌、毛体积密度和吸水率的变化，从而探讨了研 磨对钢渣表面形貌和内部结构的作用机理，得出以下 结论：
（1） 研磨能够有效剥离钢渣表面的软弱颗粒、 粉尘和杂质，消除内部的微裂纹，从而从根本上提高 钢渣的物理性能，主要表现为毛体积密度增大，吸水 率降低；
中，紧固密封筒盖，调整计数器至 50 次，启动磨耗 机以 30r·min － 1 的速度旋转。待研磨完成后，从圆筒
内拣出钢球并取出钢渣，用 1. 18mm 的标准筛筛分，
取筛上钢渣洗净烘干并冷却后称得质量 m2，则钢渣 磨耗率 Q 的计算公式如公式 （1） 所示。
Q = m1 － m2 × 100
（1）
102 2014 年 2 期（ 总第 110 期）
图 3 研磨过程中钢渣磨耗率的变化曲线
2. 3 研磨对钢渣吸水率和密度的影响 实验还测量了经过不同次数的研磨后钢渣的毛体
积密度和吸水率的变化趋势，结果如图 4 和图 5 所 示。分析图 4 可知，3 种粒径的钢渣毛体积密度都逐 渐增大，且前 100 次的研磨对钢渣毛体积密度的影响 最大，而其中前 50 次研磨又起到了主要作用。产生 这种趋势的主要原因是研磨作用剥离了钢渣表面的粉 尘、软弱颗粒和杂质，钢渣的内部微裂纹和其他缺陷 也得以消除，闭口孔隙、开口孔隙数量降低，使得钢 渣毛体积密度增大。此外，从图 4 还能分析出钢渣粒 径越大，其毛体积密度越大，这主要是因为钢渣粒径 越大，其 比 表 面 积 越 小， 所 含 表 面 开 口 孔 隙 相 对 较 少，因而毛体积密度越大。
将研磨次数分别设置为 100 次、200 次、300 次 ……700 次和 800 次重复上述实验过程，分别测量每 种研磨程度下的钢渣磨耗率、毛体积密度和吸水率 指标。
2 结果与讨论
2. 1 实验现象观察与分析 钢渣研磨过程结束后，产生大量的粉尘，且钢渣
颗粒破裂现象比较多，粒径减小，如图 1 （ 左图） 所 示。图 1 中左图是未处理钢渣 （ 图左） 和经过 50 次 研磨处理的钢渣 （ 图右） 外观形貌对比图，从图中 可以看出经过研磨后钢渣表面粉尘明显减少，表面孔 隙增多，但钢渣的颜色并没有发生变化。图 1 中右图 是未经处理的钢渣 （ 图左） 和经过水洗烘干处理的 钢渣 （图右） 的外观形貌对比图，可以看出水洗后 的钢渣表面几乎没有粉尘，钢渣颗粒表面孔隙多，且 钢渣的颜色变深。图 1 表明研磨处理可以在一定程度 上剥离钢渣表面的粉尘，但 50 次研磨处理明显不如 水洗烘干处理的效果好。 2. 2 实验过程中的磨耗率的计算与分析
（2） 钢渣颗粒的破碎、表面软弱颗粒和杂质的 剥离主要发生在研磨初期，研磨后期主要是正常钢渣 颗粒的破坏过程，钢渣性能不会得到有效改善，这从 研磨过程中钢渣毛体积密度和吸水率的变化趋势可以 得到证明；
（3） 研磨 100 次即能使钢渣各项性能得到有效 改善，再综合考虑生产效率和生产成本，推荐将研磨 50 次作为钢渣的最佳处理工艺。
［4］ 孟华栋，刘浏． 钢渣稳定化处理技术现状及展望． 炼钢，2009，25 （6） ：74 － 78．
［5］ 郭家林，赵俊学，黄敏． 钢渣综合利用技术综述及建议． 中国冶金， 2009，19（2） ：35 － 38．
［6］ 卢发亮，李晋． 钢渣沥青混合料级配特征研究． 公路，2013 （7 ） ： 222 － 227．
m1
2014 年 2 期（ 总第 110 期） 101
表 1 钢渣基本指标测试结果
实验项目
实验结果 技术要求
1#
3. 25表观Leabharlann 对密度2#3. 26
≥2. 6
3#
3. 30
1#
3. 83
集料吸水率 /%
2#
7. 17
≤2. 0
3#
8. 84
1#
2. 45
粉尘含量 /%
压碎值 /% 粘附性
软石含量 /%
图 4 研磨对各种粒径钢渣毛体积密度的 影响关系曲线
分析图 5 可知，随着研磨过程的进行，各种粒径 的钢渣集料吸水率均降低，且在前 100 次，尤其是前 50 次，这种趋势最为明显，研磨 100 次以后吸水率 逐渐趋于稳定。吸水率的降低也说明了对钢渣进行研 磨处理可以有效剥离钢渣表面的软弱颗粒和其他杂 质，消除钢渣内部的微裂纹。钢渣粒径越大，其吸水 率越小，这也是大粒径的钢渣表面孔隙相对较少的 原因。
钢渣沥青混凝土集料的研磨预处理工艺研究
章照宏1 ，刘代雄2 ，朱国军3 ，张恒通3 ，贺 辉3
（1． 湖南省高速公路管理局，湖南 长沙 410000； 2． 西藏自治区林芝地区公路分局，西藏 林芝 8601002；
3． 交通运输部公路科学研究院，北京 100088）
摘 要： 采用洛杉矶磨耗试验机对钢渣进行不同次数的研磨，分析研磨后钢渣的外观形貌、粒径变化、毛体积密度和
吸水率等指标的变化，探讨研磨对钢渣结构和性能的改善机理。实验结果表明，钢渣内部微裂纹、表面杂质和粉尘等
