《水泥混凝土路面用钢渣砂应用技术规程》

《水泥混凝土路面用钢渣砂应用技术规程》 编制 二〇一二年二月 目 录 一 任务来源及标准编制的必要性 .......................................................................... 1 1 任务来源............................................................................................................................... 1 2 标准编制的必要性 ............................................................................................................... 1 3 标准编制的意义和目的 ....................................................................................................... 2 二 标准编制原则、编制过程及主要工作内容 ...................................................... 3 1 编制原则............................................................................................................................... 3 2 编制过程............................................................................................................................... 3 3 主要工作内容 ....................................................................................................................... 3 3.1 国内外情况调研 ........................................................................................................ 3 3.2 试验研究 .................................................................................................................... 5 三 主要内容说明 ..................................................................................................... 5 1 总则....................................................................................................................................... 5 2 规范性引用文件 ................................................................................................................... 5 3 术语和定义 ........................................................................................................................... 5 4 钢渣砂技术要求 ................................................................................................................... 6 4.1 规格与类别 ................................................................................................................ 6 4.2 技术指标与试验方法 ................................................................................................ 6 4.3 检验和验收规则 ........................................................................................................ 9 5 钢渣砂水泥混凝土的配制 ................................................................................................... 9 5.1 钢渣砂应用 ................................................................................................................ 9 5.2 钢渣砂水泥混凝土配合比设计 ................................................................................ 9 6 钢渣砂水泥混凝土生产及质量检验评定 ........................................................................... 9 四 与有关标准、法规的一致性............................................................................ 10 五 与专利关系 ....................................................................................................... 10 六 预期的社会经济效果 ....................................................................................... 10 七 标准属性 .......................................................................................................... 10 八 标准实施建议 ................................................................................................... 10 I 《水泥混凝土路面用钢渣砂应用技术规程》编制说明 一 任务来源及标准编制的必要性 1 任务来源 根据工信部工信厅科[2010]74号要求，由中冶建筑研究总院有限公司、马鞍山钢铁股份有限公司技术中心、中国京冶工程技术有限公司等单位负责编制《水泥混凝土路面用钢渣砂应用技术规程》行业标准，计划号为2010-2484T-YB。 2 标准编制的必要性 (1)快速发展的道路工程建设需要大量骨料 道路工程作为我国重要的基础设施，近年来发展突飞猛进。《交通运输“十二五”发展规划》中提出，到2015年，公路总里程达到450万公里，国家高速公路网基本建成，高速公路总里程达到10.8万公里，覆盖90%以上的20万以上城镇人口城市，二级及以上公路里程达到65万公里，国、省道总体技术状况达到良等水平，农村公路总里程达到390万公里。道路工程建设需要的大量的砂石料资源，在高速发展的同时，也面临着砂石料资源短缺的难。在北京、上海等大中城市，可供开采的天然砂石资源日渐紧缺。优质天然砂如河砂等已严禁开采，只能开采山砂加以破碎生产机制砂(人工砂)或使用尾矿生产人工砂石。出于保护山体和植被的考虑，开采山砂的路子势必会越走越窄。而大中城市周围矿山尾矿较少，因此急需寻找可代替砂的细集料以满足日益增加的工程建设需要。 (2)钢渣作道路工程的特点 2011年我国粗钢产量已达6.955亿吨，每吨钢约产生钢渣0.13吨，因此2011年我国钢渣产生量超过9000万吨。钢厂将钢渣中的金属铁分选后，尾渣绝大部分堆弃，占用农田，污染环境。虽然钢渣可用作冶炼熔剂、生产钢渣粉和钢渣水泥、工程回填等，但有效利用率较低，仅22,，与发达国家近100,的利用率差距很大。美国、日本、欧洲等发达国家将大部分钢渣用作道路工程建设，如路基工程、基层材料和面层骨料等。钢渣优异的耐磨性能和缓慢水化特点使它特别适合用于道路工程建设中，而且道路工程建设所需材料量巨大，是实现钢渣大宗利用的主要方向。 钢渣作为炼钢产生的副产品，其主要矿物为硅酸二钙(CS)、硅酸三钙(CS)、蔷薇辉石23 1 (CMS)及橄榄石(CRS)等矿物。它是一种优良的道路工程材料，其中的惰性矿物蔷薇辉石和32 橄榄石等赋予钢渣耐磨、硬度高等优点，活性矿物硅酸二钙和硅酸三钙等又赋予钢渣作集料和水泥混凝土粘结良好等优点。 经加工处理后的钢渣砂大部分级配范围都和普通砂相似，可替代天然砂作为建筑用砂，用作道路工程的路基回填、基层混合料和面层材料等。用作路基回填和基层混合料时，由于钢渣具有缓慢水硬的特点，可大大改善路基和基层材料的抗冲刷性、抗裂性和水稳定性，且后期强度可持续增长;用作沥青面层骨料时，由于钢渣是碱性材料，与酸性的沥青又有很好的亲和性，可铺筑高质量柔性道路，且其不易开裂、拉裂，承重层变形小，道路工作寿命长;用作水泥混凝土路面骨料时，钢渣中的水硬性矿物硅酸二钙和硅酸三钙等可在后期缓慢水化，使得集料和水泥浆体间粘结良好，有利于钢渣砂混凝土强度的提高。 钢渣的处理工艺有热闷、热泼、风淬等方式，不同的处理工艺赋予钢渣不同的形貌特征。采用热闷工艺处理后的钢渣，体积安定性良好，表面粗糙，与水泥砂浆粘结牢固。采用风淬粒化工艺进行处理时，液态钢渣经高速空气冲击，分割成细小液滴，在飞行过程中受到周围空气的冷却，表面温度急剧下降而凝固，落入水池后成表面光滑封闭的颗粒，粒度均在5mm以下，体积安定性良好，用于混凝土中还具有滚珠效应，可提高混凝土拌合物的流动性。 3 标准编制的意义和目的 扩大钢渣砂在道路工程建设中的应用，对于提高道路工程寿命，降低工程造价，减少环境污染，促进我国循环经济和可持续发展战略的顺利实施都具有重要的技术和经济意义。 由于目前我国还没有钢渣砂作水泥混凝土路面细骨料的应用技术规程，影响了钢渣砂的推广使用，因此制定本规程很有必要。其意义如下: (1)促使钢厂采用新工艺、新方法处理钢渣，改善钢渣的体积安定性，扩大钢渣的利用范围。 (2)提高钢渣的利用率。道路工程中采用钢渣代替天然砂使用，可以大量消纳钢渣，有了应用技术规范可大大提高其利用率。 (3)保护环境，减少污染。钢渣的充分利用，不仅可节省排渣占地，减少环境污染，而且可以减少天然砂开采量，保护河床，减少开山采砂带来的植被破坏。 (4)提高道路工程的耐久性能和使用寿命。钢渣砂用作水泥混凝土路面细骨料可大大改善面层的耐磨性能，显著提高道路工程的使用寿命。 2 二 标准编制原则、编制过程及主要工作内容 1 编制原则 (1)体现国家的节能减排精神，针对目前国内道路建设中集料匮乏的现状提出钢渣可作为道路工程集料使用，并针对技术要求、验收、混凝土配制注意事项等作出规定。 (2)科学性与实用性相结合。在部分钢厂成功应用钢渣砂作水泥混凝土路面细集料的基础上制定本标准，又制定了严格的技术控制指标，可以让使用单位放心使用钢渣这种不安定的细集料，使标准具有较强的科学性、指导性和可操作性。 2 编制过程 标准编制过程的进度和主要工作内容如下: (1)2011年1月，标准编制组成立; (2)2011年2月~2011年7月，开展国内外调研和收集资料，制定试验; (3)2011年8月~2011年12月，提出标准初稿，开展试验研究; (4)2012年2月~2012年4月，完成标准征求意见稿和标准编制说明，广泛征求意见; (5)2012年4月，根据意见反馈情况，修改完善标准，进行必要的试验验证; (6)2012年4月底，完成标准送审稿，召开标准审定会。 3 主要工作内容 3.1 国内外情况调研 标准编制组广泛调研了国内外钢渣砂作细集料的标准、应用实例等。 (1)国内外标准制定情况 日本已有将钢渣用于道路路基和沥青混凝土路面的标准 JIS A5015-1992《筑路用钢铁炉渣》。 欧盟已有钢渣用作沥青路面骨料和无胶结料混合料用骨料的标准。 美国已有钢渣用作沥青路面粗骨料和细骨料的标准ASTM D5106《钢渣作沥青筑路混合料集料标准规范》。 中国已基本形成了钢渣作道路工程材料的系列标准，但没有钢渣作水泥混凝土路面细骨料的应用技术规程。 a) 作混合料方面，建设部、交通部和钢标委都先后制定了钢渣作混合料的行业标准，分别是:建设部CJJ35-90《钢渣石灰类道路基层及验收规范》、YB/T4184-2009《钢渣 3 混合料路面基层施工技术规程》和交通部JTJ 034-2000《公路路面基层施工技术规范》、JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》。 b) 作沥青混凝土集料方面，有交通部发布的JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》和钢标委归口的国家标准GB/T24766-2009《透水沥青混凝土用钢渣》、GB/T24765-2009《耐磨沥青混凝土用钢渣》。 c) 作水泥混凝土路面集料方面，有已发布的冶金行业产品标准YB/T4187-2009《道路用钢渣砂》。 从国内外的标准制定情况看，我国在钢渣作道路工程材料方面制定的标准较为完善，但仅仅在钢渣作基层混合料和沥青混凝土骨料方面有相应的施工规范，在作水泥混凝土路面细骨料方面，由于没有相应的应用技术规范，市场推广方面难度较大，制约了钢渣砂作水泥混凝土路面细骨料的发展，因此急需制定相应的应用技术规范。 (2)应用实例 a) 1987年7月13日,14日安徽马鞍山市市政工程处利用马鞍山钢铁公司试生产的37t风淬钢渣砂直接配制300,混凝土，在马鞍山市城市主干道湖南路铺设一条50m长的风淬钢渣混凝土路面，除此以外，其余路段均为普通黄砂配制的普通混凝土路面。风淬钢渣混凝土配合比为:水泥378kg，水170kg，风淬钢渣823kg，5,20mm石子488kg，20,40mm石 3子731kg。每m混凝土比用建筑黄砂配制的混凝土节约水泥11kg，28天强度提高10,。2003年1月在试验路段和其它路段钻芯取样进行抗压强度检验，结果如下:风淬钢渣砂路面和普通黄砂路面混凝土的抗压强度分别为85.3MPa和70.1MPa(混凝土龄期为15年)。湖南路至今在使用，试验路段使用情况良好。 b) 广西柳州北面的柳长路(209国道)是广西柳州的重要出入口，属特重型交通，1997年8月进行改造。改造工程从蔗鸪江路口至蔗鸪江加油站共长500m，宽12m，水泥混凝土路面，混凝土设计强度为4.5MPa。铺粉煤灰钢渣砂混凝土的试验路段桩号:柳长路右半幅，K0，095.3,K0，186.3。粉煤灰钢渣砂混凝土配合比为:水泥254kg，粉煤灰63kg，砂527kg，钢渣93kg，碎石1317kg，水146kg，减水剂2.536kg。所用钢渣为经过10mm筛孔筛分的转炉钢渣。取四组抗折强度，28d强度分别为6.1MPa、6.2MPa、4.75MPa、4.5MPa，均达到设计要求。试验路段养护14d后于1997年9月4日通车。1997年12月,1998年1月，柳州市建设工程质量检测中心对试验路路面进行取芯，检测其抗折和抗压强度，均满足设计要求。到目前为止试验路无裂缝，无露石，防滑槽清晰。 4 c) 广西柳州市政公司厂区道路，主要用于山场石料运输，和混凝土搅拌站的混凝土运输，属特重型交通。道路全长300m，宽6m，水泥混凝土路面，混凝土设计强度为4.5MPa。铺粉煤灰钢渣混凝土的试验路段桩号:0，097,0，160路段左边。粉煤灰钢渣混凝土配合比为:水泥289.6kg，粉煤灰72.4kg，砂595.8kg，碎石1247kg，钢渣105.2kg，水165kg。所用钢渣砂为经过10mm筛孔筛分的转炉钢渣。成型抗折试块3组，1组15d强度达4.5MPa，2组28d强度分别为5.5MPa和5.9MPa，均达到设计要求。试验路养护15d，通车日期为1997年10月8日。1997年12月,1998年1月，柳州市建设工程质量检测中心对试验路路面进行取芯，检测其抗折和抗压强度，均满足设计要求。到目前为止，试验路无裂缝，无露石，防滑槽清晰。 3.2 试验研究 标准编制组先后从九江钢厂、新余钢厂、宝钢、唐山国丰钢厂、鞍钢、建龙钢厂、天津大无缝钢厂、马钢等取得钢渣样品，样品按炼钢炉型分有转炉渣和电炉渣，按处理工艺分有热闷渣、热泼渣、滚筒渣、风淬渣，基本代表了国内钢渣的现状。 试验研究重点研究了各类钢渣的压蒸粉化率和混凝土热水养护膨胀率的关系等，为制定技术指标奠定了基础。 三 主要内容说明 1 总则 1.1 在目前国内细集料匮乏的情况下，开发钢渣砂作细集料同时具有保护环境和节能减排的双重效果，但钢渣砂具有体积不安定性，因此在用作混凝土细集料应十分慎重。 1.2 本条规定了钢渣砂的适用范围。 1.3 本条指出了本规程与其它有关标准的关系。 2 规范性引用文件 本章规定了规程中用到的有关技术标准，涵盖行业较多，有冶金行业标准、交通行业标准、建工行业标准和市政行业标准。 3 术语和定义 本规程中规定了2条术语，并进行了解释。 5 4 钢渣砂技术要求 4.1 规格与类别 本节规定了钢渣砂按细度模数的分类。JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中将砂分为四类(还有特细砂)，而刚发布的GB/T14684-2011《建设用砂》中砂分为三类。考虑到钢渣作为人工集料，均是从大颗粒逐级破碎至要求粒级，而特细砂一般为天然砂，在道路混凝土中使用并不普遍，因此钢渣砂仅规定三类。 4.2 技术指标与试验方法 规定了钢渣砂颗粒级配、四项技术指标及相应的试验方法。 (1)压碎值 钢渣砂压碎值要求不大于30%，这一指标与YB/T4187-2009《道路用钢渣砂》、YB/T4201-2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》等均一致，表4-1为部分钢厂钢渣的压碎值指标。 表4-1 部分钢厂钢渣的压碎值指标 厂 别 炉型 压碎值指标(,) 首钢 转炉渣 19.0 天津铁厂 转炉渣 21.2 太钢第二炼钢厂 转炉渣 12.2 太钢第三炼钢厂 电炉渣 18.7 太钢第一炼钢厂 电炉渣 29.6 阿城钢厂 转炉渣 6.8 新渣 转炉渣 24.5 陈放一月渣 转炉渣 25.6 武钢 陈放四月渣 转炉渣 21.2 陈放六月渣 转炉渣 20.3 陈放一年渣 转炉渣 20.6 新渣 转炉渣 21.4 陈放一月渣 转炉渣 21.6 马钢 陈放三月渣 转炉渣 16.5 陈放一年渣 转炉渣 15.2 (2)表观密度 6 表观密度是钢渣砂重要的物理指标，与天然砂、高炉渣等物料差别较大，标准中规定钢 33渣砂密度不低于2900kg/m。表4-2为部分钢厂钢渣的表观密度，最低为3120kg/m，最高 33为3830kg/m。可见，均满足不低于2900kg/m的要求。 表4-2 部分钢厂钢渣的表观密度 3厂 别 炉型 表观密度(kg/m) 阿城钢厂 转炉渣 3550 天津钢管厂 电炉渣 3830 天津铁厂 转炉渣 3680 北台钢厂 转炉渣 3450 太钢第一炼钢厂 电炉渣 3630 太钢第二炼钢厂 转炉渣 3620 太钢第二炼钢厂 转炉渣 3190 太钢第三炼钢厂 电炉渣 3350 柳钢 转炉渣 3650 新渣 转炉渣 3440 陈放一月渣 转炉渣 3280 武钢 陈放四月渣 转炉渣 3360 陈放六月渣 转炉渣 3120 陈放一年渣 转炉渣 3160 新渣 转炉渣 3250 陈放一月渣 转炉渣 3300 马钢 陈放三月渣 转炉渣 3150 陈放一年渣 转炉渣 3050 重庆钢厂 转炉渣 3720 (3)压蒸粉化率 钢渣中含有游离氧化钙，可能还含有游离氧化镁，这些矿物会缓慢与水反应，体积膨胀，造成破坏，因此在使用钢渣作原材料时，均需要检验其体积安定性。钢渣用途广泛，既可以磨细作水泥和混凝土掺合料，又可以作道路基层混合料、沥青混凝土集料、工程回填材料等，因用途不同，对体积安定性要求亦不同，安定性检验方法亦不同。钢渣磨细作水泥和混凝土掺合料时，采用净浆试件沸煮和净浆压蒸安定性方法检验;作道路基层混合料、沥青混凝土集料和工程回填材料时，采用浸水膨胀率方法检验;但作水泥混凝土集料国内外尚没有完善 7 的安定性检验方法，相近领域中使用钢渣作集料的还有砂浆、建材制品等，相应的标准有YB/T4201-2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》、GB/T24764-2009《外墙外保温抹面砂浆和粘结砂浆用钢渣砂》和YB/T4228-2010《混凝土多孔砖和路面砖用钢渣》，采用的安定性检验方法有压蒸粉化率和砂浆压蒸膨胀率两种。首钢在制定YB/T4201-2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》标准时，通过实验研究表明压蒸粉化率与砂浆压蒸前后强度变化、砂浆压蒸膨胀率之间存在对应关系，由此确定压蒸粉化率控制指标为不超过5.90%。由于上述标准中钢渣砂是作为砂浆集料使用，而在混凝土中是否适用并未清楚。另外，GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中提出了碱-骨料反应试验方法和评定标准，在38?热水中养护75mm×75mm×275mm混凝土试件至1年，膨胀率不超过0.04%为合格，这种方法是目前为止检验混凝土体积安定性较为客观的方法，但试验周期太长，实际操作较为困难。 在上述研究的基础上，本标准提出水泥混凝土路面中钢渣砂安定性检验方法，即用压蒸粉化率作为控制指标，借鉴混凝土碱骨料反应试验方法，用80?热水养护75mm×75mm×275mm混凝土试件测定膨胀率的方法作为道路混凝土体积安定性检验方法。压蒸粉化率控制指标借鉴标准YB/T4201-2009《普通预拌砂浆用钢渣砂》，其中规定钢渣砂1.18mm~2.36mm压蒸粉化率不超过5.90%。部分验证试验结果见表4-3。从试验结果中可以看出，压蒸粉化率低于5.90%时，80?热养混凝土试件膨胀率均低于0.04%;压蒸粉化率超过5.90%时，80?热养混凝土试件开始出现不同程度的碎裂。试验结果表明该指标作为控制水泥混凝土路面中钢渣砂安定性较为合理。 表4-3 钢渣砂压蒸粉化率与混凝土80?热水养护膨胀率关系 钢渣来源 钢渣砂:天然砂比例 钢渣砂和天然砂压蒸粉化率/% 80?热养28d混凝土试件膨胀率 XG 35:65 5.90% 0.020% XG 65:35 11.09% 碎裂1/3 XG 95:5 16.21% 全部碎裂 TJ 100:0 1.46% 0.016% MG 100:0 0.81% 0.016% (4)金属铁含量 未经处理的钢渣原渣中金属铁含量在10%左右，回收这部分金属铁经济效益明显，因此钢渣处理单位均通过破碎、筛分、磁选等工序进行选铁，最后剩余的尾渣中金属铁含量一般 8 低于2.0%。若钢渣中金属铁含量过高，可能会造成后期的体积膨胀等危害，因此标准中规定了金属铁含量的指标。 4.3 检验和验收规则 规定了钢渣砂检验批次、检验项目和判定规则等。 5 钢渣砂水泥混凝土的配制 5.1 钢渣砂应用 5.1.2 规定钢渣砂取代率不应少于50%。主要是考虑到各钢厂产生的钢渣体积安定性存在差别，需要通过压蒸粉化率检验合格后方可使用。 5.2 钢渣砂水泥混凝土配合比设计 钢渣砂混凝土的配合比设计可参照JGJ55、JTG F30或CJJ1的相关规定。由于钢渣砂密 33度与天然集料表观密度存在较大差异(天然集料表观密度一般为2600kg/m~2700kg/m，而 33钢渣表观密度一般为3300kg/m~3800kg/m)，为保证混凝土拌合物良好的和易性，应根据 3钢渣砂的细度模数、表观密度适当提高砂率。如天然砂为中砂(表观密度为2650kg/m)，细度模数为2.6，配制混凝土时砂率为40%，混凝土配合比为:水泥:水:天然砂:天然碎 3石=420:180:699:1048;钢渣砂亦为中砂(表观密度为3680kg/m)，细度模数为2.6，完全取代天然砂配制混凝土时，要考虑钢渣砂是全部取代天然砂所占的体积，从而计算钢渣砂的用量，即钢渣砂用量为:699?2650×3680=971，钢渣砂的砂率为971?(971+1048)×100%=48%，相比天然砂而言砂率提高8%。 混凝土配合比计算有两种方法:质量法(也有称密度法)和体积法，钢渣砂取代率不同会造成混凝土单位质量波动较大，因此配合比计算不采用质量法，应采用体积法。 6 钢渣砂水泥混凝土生产及质量检验评定 6.1 目前国内水泥混凝土生产均采用重量法计量，虽然钢渣砂配合比计算采用体积法，但在混凝土生产时，应采用重量法计量。 6.3 考虑到钢渣砂表观密度较大，若搅拌时间较短可能会造成离析、沉降等不均匀现象，因此在搅拌时，宜适当延长搅拌时间，确保搅拌均匀。 6.5 钢渣砂混凝土的质量检验和评定，应按公路行业或市政工程有关标准执行。 9 四 与有关标准、法规的一致性 本标准的适用范围是水泥混凝土路面用钢渣砂，目前国内与本标准有关联的标准是YB/T4187-2009《道路用钢渣砂》，但《道路用钢渣砂》适用范围为道路面层(水泥混凝土面层和沥青混凝土面层)和基层(包括底基层)混合料用钢渣砂，涵盖范围较广，且作为产品标准，技术控制指标也与本标准有所不同，尤其是钢渣砂体积安定性指标，采用的是浸水膨胀率。考虑到水泥混凝土路面对细集料安定性要求要高于沥青混凝土、基层等，因此在执行过程中，若钢渣砂应用于水泥混凝土路面，应以《水泥混凝土路面中钢渣砂应用技术规程》为准。 本标准与其他标准、法规不冲突。 五 与专利关系 本标准中不涉及专利内容。 六 预期的社会经济效果 本标准制定完成后，可以提高钢渣综合利用率，减少钢铁企业钢渣排渣占地及由此带来的环境污染，提高钢渣砂在水泥混凝土路面中的用量，规范钢渣砂在水泥混凝土路面中的使用。 七 标准属性 本标准为推荐性标准。 八 标准实施建议 由于钢渣安定性对混凝土安定性尤为重要，建议钢渣砂生产单位应长期检测本单位产生的钢渣砂安定性，以充分了解钢渣砂体积安定性变化规律，保证在水泥混凝土路面中的安全使用。 10