摘要：高炉矿渣是冶炼生铁时排放的一种废渣。由于我国钢铁产量巨大，相应产生的高炉矿渣数量亦十分惊人。据粗略估计，仅2008年我国高炉矿渣排放量高达46694.11万吨。目前对于高炉矿渣的利用方法不足，大量废渣只能闲置堆积，浪费资源，污染环境。而道路工程是材料高消耗型行业，每一条高等级道路的修建都需要消耗大量的沥青、石材及水泥等资源。其中在当前被大力推广的乳化沥青冷再生技术中，通常采用掺加水泥来提高混合料早期强度，而水泥的生产是高耗能高污染的。如果能用高炉矿渣粉替代水泥，这势必带来巨大的经济效益与社会效益。基于这个目的，本文对此开展相关研究。
关键词：高炉矿渣；乳化沥青冷再生；再生利用
随着我国经济的日益繁荣，钢铁产业高速发展。根据国家统计局相关数据，2008年我国共生产生铁47067.41万吨，粗钢50091.53万吨，钢材58488.1万吨，以及各种钢铁制品若干万吨。巨大的钢铁产量必然伴随着相应副产品的产生，高炉矿渣便是冶炼生铁时排出的一种废渣。目前，高炉矿渣的利用方法不足且利用率不高，大量高炉矿渣仍只能闲置堆积，浪费矿渣资源，提高炼铁成本，占用大量土地并严重污染环境。因此，积极开拓高炉矿渣的应用范围和利用方法无疑将带来巨大的经济效益与社会效益。就材料需求方面看，道路工程是高消耗型行业，特别是每一条高等级道路的修建都需要消耗大量的沥青、石材及水泥等资源。出于这个初衷，本文结合乳化沥青冷再生技术，开始尝试将高炉矿渣应用于该技术中的研究。首先对高炉矿渣粉进行了细致的材料性能评价，并将其与水泥进行对比后发现，高炉矿渣粉的各项指标与普通硅酸盐水泥较为接近。然后在对RAP及乳化沥青等材料进行评价后，采用考虑二次热压实过程的修正马歇尔方法确定乳化沥青冷再生混合料的最佳配合比后，并以此为基础进行高炉矿渣粉再生利用方式研究。通过直接掺加与以消石灰做激发剂的方案对比，并经过后续强度、高温性能及水稳定性能等方面的检验，最终确定后者为高炉矿渣粉合理可行的再生利用方式。
1、高炉矿渣粉性能评价
本文的研究对象是上海宝山钢铁公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉。大致生产工艺如下：当热熔状态的高炉矿渣从高炉出渣口通过流渣槽流出时，即冲入一股或几股高压水流，矿渣与水在成粒槽内激烈混合急冷形成粒化高炉矿渣，集中干燥后最后掺入少量其他组分如石膏等研磨到一定细度加工制成。粒化高炉矿渣是由高炉热熔矿渣经过急剧冷淬而成的，故其显微结构绝大部分是不稳定的玻璃体，具有很高的活性。
从化学成分上看，主要包含SiO2，Al2O3，CaO等氧化物，占90%以上，另外还含有少量硫化物，如CaS，MnS，FeS等。宝钢高炉矿渣粉与普通硅酸盐水泥的主要成分分别如表1与表2所示，可见高炉矿渣粉的化学组成与硅酸盐水泥很相似，其中CaO含量低一些而SiO2与Al2O3含量高一些。
表1宝钢矿渣粉主要成分组成
经检测，宝钢生产的高炉矿渣粉三大物理指标（密度、含水量、比表面积）均满足国家标准。相比普通硅酸盐水泥，矿渣粉的密度小但比表面积大。普通硅酸盐水泥密度在3.10 g/cm3左右，比表面积通常为300 m2/kg ~400 m2/kg，而高炉矿渣粉分别达到2.84 g/cm3与470 m2/kg。
由于未掺加消石灰的高炉矿渣粉试件完全无法硬化成型，掺加消石灰后高炉矿渣粉试件强度开始形成，并且随着消石灰掺量的增加，强度总体保持上升趋势，当消石灰掺量超过20%时增幅趋缓，在20%掺量下，高炉矿渣粉的强度性能较为接近且优于普通硅酸盐水泥32.5。从标准稠度用水量、凝结时间与安定性试验共同证明，消石灰的掺入能有效激发高炉矿渣粉活性，使其硬化形成强度。从试验结果看，20%的消石灰掺量是较为适宜的，这样既能有效提高强度又能做到经济合理。
2、再生利用方式
高炉矿渣粉的再生利用研究以表3配合比为试验基础，矿渣粉与水泥一样在配制集料时加入。基于再生利用方法应尽可能方便有效的原则，本文设计了两种方案依次进行试验，方案一是直接替代水泥使用，方案二是以消石灰为激发剂替代水泥使用。
表3乳化沥青冷再生混合料试验配合比
注：乳化沥青与水泥为外掺方式加入。
经过相关试验的探索，本文发现高炉矿渣粉单独与水拌合时，无法进行充分的水化作用，难以形成强度。以此为参考，在乳化沥青冷再生混合料中，本文采用20%掺量的消石灰为激发剂进行试验研究。四组对比配合比类型中，使用消石灰作为激发剂后的试件，高炉矿渣粉乳化沥青混合料的性能与水泥乳化沥青混合料已很接近，其水稳定性已与水泥乳化沥青混合料基本一致并满足规范要求，且远远高于都不掺加或只掺加高炉矿渣粉或消石灰的乳化沥青冷再生混合料，而单纯加入0.3%的消石灰只能略微提高混合料的水稳定性。由此可见，以消石灰为激发剂能有效发挥高炉矿渣粉的活性，该再生利用方案可行。
然后本文进一步分析了在该利用方式下高炉矿渣粉掺量变化对乳化沥青冷再生混合料的性能影响后，发现在消石灰的激发作用下，随着高炉矿渣粉掺量的增加，乳化沥青混合料的强度与水稳定性不断提高，而当掺量超过2.0%后增幅减小，可见一味增加高炉矿渣粉的掺量并不能带来混合料性能的匀速上升，掺量控制在2.0%以下是较为经济的。另外，与水泥类似，过高的高炉矿渣粉掺量可能会导致乳化沥青冷再生结构层的刚度偏高，不利于其耐久性。因此，本文最终选择1.5%高炉矿渣粉+0.3%消石灰方案为其再生利用方式，并进一步进行各方面性能检验加以验证。
3、冷再生混合料的性能评价
本文对掺加高炉矿渣粉后的乳化沥青冷再生混合料各项性能进行检验，主要包括稳定度流值、动稳定度、抗剪强度及抗压回弹模量等。总体上来说，掺加1.5%高炉矿渣粉+0.3%消石灰后的乳化沥青冷再生混合料性能非常接近并略微低于掺加1.5%水泥的乳化沥青冷再生混合料。
试验显示，掺加高炉矿渣粉或水泥的乳化沥青冷再生混合料40℃稳定度、流值基本一致，且40℃稳定度均远远满足《公路沥青路面再生技术规范》中不小于5.0KN的要求，性能优良。动稳定度略高于掺加水泥后的混合料，这在一定程度上说明高炉矿渣粉在受消石灰激发后相比水泥能更大幅提高混合料的抗车辙能力。其抗剪性能基本一致，说明高炉矿渣粉所起的增强作用与水泥相当。掺加高炉矿渣粉或水泥后的乳化沥青冷再生混合料的强度性能接近，其中高炉矿渣粉乳化沥青混合料的模量值略低于水泥乳化沥青混合料。
4、结语
消石灰的掺入能有效激发高炉矿渣粉活性，使其硬化形成强度。在一定的消石灰作用下，高炉矿渣粉的标准稠度用水量、凝结时间及安定性三大指标均满足普通硅酸盐水泥的技术标准。消石灰掺量20%（相对于高炉矿渣粉）较为合适。在该掺量下，高炉矿渣粉的强度性能较为接近且优于普通硅酸盐水泥32.5。在乳化沥青冷再生混合料中，采用1.5%高炉矿渣粉+0.3%消石灰激发剂后，可使混合料具备与1.5%水泥基本相当的高温性能、水稳定性及强度性能。因此，1.5%高炉矿渣粉+0.3%消石灰的再生利用方式合理可行。
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论文作者:陈国强,陈国明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/14
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