摘 要

钢渣是炼制钢铁产品过程中的副产物，属于工业固体废弃物。我国钢铁产量巨大，因此钢渣的产生量也十分巨大。现阶段我国对于钢渣的利用手段比较单一、利用技术相对落后，钢渣的综合利用率还有待提高。目前，我国道路建设事业的飞速发展，对天然矿料的需求量与日俱增。通过破碎、适当工艺成型的钢渣，在外形上与天然集料有相似的形态，且力学性能更好，因此具有成为道路工程材料骨料的潜力。利用处理后的钢渣代替天然集料，同时添加了电磁感应材料而制备成的钢渣电磁感应愈合沥青混凝土，可以在电磁场的作用下加热沥青胶浆，进而修复混凝土内部的裂缝，来达到延长沥青混凝土路面服役寿命的目的。因此，掺入了电磁感应材料而制备成的具有感应愈合功能的钢渣沥青混凝土，既可以解决钢渣带来的环境问题，又可以节约道路的建设和养护成本，对社会、经济和环境有着不可估量的效益。

本文研究了利用钢渣代替天然集料作为骨料制备而成的沥青混合料，依次研究了钢渣微观性能、设计与制备了具有感应愈合功能的钢渣沥青混合料、表征了感应愈合钢渣沥青混合料的热学性能、量化了感应愈合钢渣沥青混合料的自愈合性能。

首先，本文依据规范对各档钢渣的密度进行了测量；通过扫描电镜、多通道比表面积与孔隙分析仪分析得到玄武岩与钢渣集料的比表面积的差异；设计并制备了AC—13级配的普通钢渣沥青混凝土、普通玄武岩沥青混凝土与感应愈合钢渣沥青混凝土与感应愈合玄武岩沥青混凝土。本研究首先对不同类型的沥青混凝土进行了热常数测试，得到热导率、热扩散系数和比热容；其次，为了解不同类型沥青混合料在电磁感应加热作用下的升温特性与降温特性，对不同种类的沥青混凝土进行了电磁感应加热，利用红外热成像仪监控温度得到升温曲线与降温曲线；最后，采用了半圆马歇尔三点弯曲试验表征了不同类型沥青混合料感应加热前后的力学性能，通过计算感应愈合率比较了沥青混合料的愈合性能。

关键词：沥青混凝土，钢渣，电磁感应加热，力学性能，愈合性能。

Abstract

Steel slag is a by-product of the process of refining steel products and it belongs to industrial solid waste. China's steel production is huge, so the amount of steel slag is also huge. At present, China's utilization of steel slag is relatively simple, and the utilization technology is relatively backward. The comprehensive utilization rate of steel slag needs to be improved. At present, the rapid development of China's road construction industry, the demand for natural mineral materials is increasing. The steel slag formed by crushing and proper process has a similar shape to the natural aggregate in shape and has better mechanical properties, so it has the potential to become the aggregate of road engineering materials. The steel slag electromagnetic induction healing asphalt concrete prepared by using the treated steel slag instead of the natural aggregate and the electromagnetic induction material can heat the asphalt cement under the action of the electromagnetic field, thereby repairing the crack inside the concrete to satisfy the purpose of extend the service life of the asphalt concrete pavement. Therefore, the steel slag asphalt concrete with inductive healing function prepared by incorporating the electromagnetic induction material can not only solve the environmental problems brought by the steel slag, but also save road construction and maintenance cost, and has inestimable benefits to society, economy and environment.

In this paper, the asphalt mixture prepared by using steel slag instead of natural aggregate as aggregate is studied. Firstly, the microscopic properties of steel slag are studied. Then, the steel slag asphalt mixture with induction healing function is designed and prepared, and then The thermal properties of the induction healing steel slag asphalt mixture is characterized. Finally the self-healing properties of the induction-healed steel slag asphalt mixture is quantified.

First of all,the density of steel slag in particle size was measured according to the specifications. The difference of specific surface area between basalt and steel slag aggregate was obtained by scanning electron microscopy, multi-channel specific surface area and pore analyzer. Ordinary steel slag asphalt concrete, ordinary basalt asphalt concrete and induction healing steel slag asphalt concrete and induction healing basalt asphalt concrete using the AC-13 gradation was designed and prepared. Firstly, different types of asphalt concrete were tested for thermal conductivity to obtain thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat capacity in this study. Secondly, to understand the temperature rise characteristics and temperature drop characteristics of different types of asphalt mixtures under electromagnetic induction heating, the electromagnetic induction heating of different kinds of asphalt concrete was carried out, and the temperature rise curve and the temperature drop curve were monitored by infrared thermal imager. Finally, the semi-circular Marshall three-point bending test was used to characterize the mechanical properties of different types of asphalt mixture before and after induction heating. The healing properties of the asphalt mixture were compared by calculating the inductive healing rate.

Keywords: Asphalt concrete, steel slag, induction heating, mechanical properties, healing properties

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目录 1II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1钢渣沥青混凝土的特性 3

1.2.2感应加热技术与愈合性能研究 3

1.3 主要研究内容及技术路线图 5

1.3.1主要研究内容 5

1.3.2技术路线 6

第2章 原材料与实验方法 7

2.1 原材料 7

2.1.1 沥青 7

2.1.2 矿粉 9

2.1.3 玄武岩与钢渣 7

2.1.4 钢纤维 10

2.2性能测试方法 11

2.2.1 热常数测试 11

2.2.2力学性能测试 12

2.2.3愈合性能测试 13

第3章 沥青混凝土的制备与热物性能研究 14

3.1 沥青混凝土的制备 14

3.1.1 矿料级配组成设计 14

3.1.2 沥青混凝土最佳油石比的确定 15

3.2 骨料类型/钢纤维掺量对沥青混凝土热常数的影响 16

3.2.1 热常数试验方法 16

3.2.2 骨料类型对沥青混凝土热常数的影响 17

3.2.3 钢纤维掺量对沥青混凝土热常数的影响 19

第4章 沥青混凝土感应加热愈合特性研究 19

4.1 电磁感应加热技术 20

4.2 沥青混凝土电磁感应加热升温与降温分析 20

4.2.1 升温曲线分析 20

4.2.2 降温曲线分析 22

4.3 沥青混凝土的愈合性能研究 23

4.3.1 试验方法 23

4.3.2 试验结果分析 24

第5章 结论 27

参考文献 27

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1研究背景

钢渣是在炼钢过程中形成的固体废弃物。在炼制钢铁产品的过程中为了去除碳、锰、磷等元素，会使用空气或者氧气与石灰岩在高温条件下反应，这样形成的熔渣就是钢渣。钢渣的成分较为复杂，其中不仅含有多种元素被氧化后形成的氧化物，还有被侵蚀的反应炉材料，同时也加入了调整钢铁产品的特性的石灰石、铁矿石等造渣材料^【1】。钢渣的化学成分受到许多因素的影响，如原矿石的种类、炼制方式以及出渣顺序，但是其主要是由钙、铁、硅、镁、铝、锰、磷等元素组成，钙元素的含量最多，其次是铁元素、硅元素、镁元素，与石灰岩、花岗岩等天然集料相比，钢渣的元素分布区别较大^【2】。

钢渣是全球产量最多的固体废弃物之一，我国是全世界钢渣产生量最高的国家，且每年钢渣的产量仍呈现出增加的趋势，如表1.1所示。

表1.1 近年我国钢渣产量及利用情况

我国庞大的钢铁产业在生产钢铁的同时，也产出着数量同样庞大的钢渣。长时间以来，钢渣在我国被当做工业废渣，通常的处理方式是将钢渣进行堆存处理，这种处理方式对环境的破坏很大，同时也没有将钢渣有效合理利用。现阶段，我国对钢渣的利用方式主要是将钢渣经过研磨制成钢渣粉后，用于水泥或水泥配料，这种利用率较为低下。截止2014年，我国钢渣利用率保持在21.9%^【3】，与美国、日本等发达国家相比，我国对于钢渣的使用方式与利用率仍有较大差距^【4】。在德国、英国以及日本，钢渣已经实现了100%的再利用，其中90%被用于沥青混凝土以及水泥混凝土^【5】。钢渣在我国的利用存在许多问题：由于我国钢铁产量巨大，产生的钢渣的量也十分巨大，落后的钢渣处理技术使得钢渣的利用十分不充分；导致大量钢渣堆存；这些堆存的钢渣又占用了大量的土地资源，并对堆存区域的环境造成了难以估计的破坏。在“十二五规划”中，国家希望在五年期间内，钢渣在我国综合利用率能够超过60%^【6】。那么如何更好地利用钢渣，怎样有效提升钢渣的综合利用率，如何通过对钢渣的梯级利用实现“零排放”已经成为钢铁产业迫在眉睫的任务。

道路工程建设作为国家经济发展、社会进步和公共服务的重要基础工程，已经逐渐成为评判国家工业发展水平与经济增长水平的重要指标。近年来我国的道路工程建设随着中国经济事业的高速发展完成质与量的飞跃。依据中国交通部公布的数据，至2018底，我国仅高速公路通车总里程就达到14.26万 km , 公路养护里程达到 475.78万km^【7】。沥青混凝土路面相对于其他类型的路面来说具有许多优势，如在车辆行驶的过程中产生更小的噪音；车辆行驶过程中更加平稳的行驶环境，更好的驾驶体验；更高的路面平整度等。我国现有的高等级路面中，有超过90%的路面使用的是沥青混凝土^【8】。道路工程的蓬勃发展导致需要更多的优质材料，其中最大的原材料需求就是天然集料，这也造成了天然集料的日益匮乏。目前，许多省份已经开始限制天然矿石的开采，部分地区甚至禁止开采天然矿料，一旦天然矿石的供应量不足，势必会严重影响公路事业的发展。钢渣作为工业固体废物，在外形上与天然集料有相似的形态，且具有十分优秀的力学性能，强度性能表现更好，耐磨性也超出预期，并且钢渣碱度较高，更易与沥青胶结料结合，因此具有成为道路工程材料的潜力。使用钢渣作为沥青混凝土路面的骨料，一方面也可以缓解对天然集料的过度开采，另一方面可以解决钢渣的堆存问题，同时为钢渣的循环利用提出了新的解决思路。

沥青混凝土应用广泛，其作为道路工程材料铺筑的路面在受荷服役过程中，由于沥青自身性质问题会出现老化现象，路面会有掉粒、裂缝等病害，降低路面的寿命。我国沥青路面公里数长，但是养护技术落后，导致每年需要投入大量经费对产生的病害进行维修与处理。沥青混凝土具有自愈合的特性，可有效地修复其内部的微小裂纹。电磁感应加热技术能够帮助沥青在短时间内达到流动态，通过沥青自身的流动性，对裂纹进行修复。这种技术加热时间短，并且加热产生的热量可以直接作用于沥青本身，不仅能够更有针对性的加热，对保持沥青混凝土自身结构稳定性有较大优势。钢渣是一种多孔结构的物体，其多孔结构导致孔隙内部留有大量孔隙，使得钢渣具有较大的比热容，理论上。将电磁感应加热技术运用至钢渣沥青混凝土中，使得沥青能够流动的温度保持时间更长，会使得钢渣沥青混凝土具有更好的修复效果。

1.1.2研究意义

与天然集料相比，钢渣用作沥青混合料集料本身就具备天然优势。其一，钢渣是炼钢过程中的产物，本身已经过了合理的成型工艺，这些工艺使得钢渣具备致密的晶体结构，同时也获得了与天然集料相比更高的强度与更好的耐磨性；其二，钢渣的表面较玄武岩相比十分粗糙，其粗糙的表面能够使车辆与地面的摩擦力增大，对于路面的抗滑能力有一定的提升；其三，钢渣形态良好，多数钢渣细长比接近1:1，扁平细长的颗粒含量较少，这样的形态结构使得钢渣作为骨料的沥青混凝土易形成嵌挤型骨架结构，使得钢渣沥青混凝土能够承受更大的荷载^【9】；其四，钢渣碱度高，孔隙多且比表面积大，相同条件下，与玄武岩等天然矿料相比，吸附沥青的能力更加优秀，使得沥青与钢渣之间具有更优秀的粘结性能；其五，钢渣孔隙较多，热量在传递过程中会因为孔隙的存在而中断，这就赋予了钢渣能够储存热量的特性。在电磁感应加热过程中，沥青保持流动态的时间也会更长，有助于修复能力的提升。

将钢渣作为集料制备的沥青混凝土来铺筑路面面层，可以使钢渣的利用率得到较大的提升，与传统的玄武岩沥青混凝土路面相比，钢渣沥青混凝土将具备更好的路用性能，更好地提升路面的质量。这不仅能够实现钢渣的最高利用价值，对于社会、经济与环境效益更是蕴含着不可估量的价值。

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