强国复兴有我
2023年度上海市科学技术奖
优秀创新成果展示
10月23日，上海市科学技术奖再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。
2023年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众作科普宣传。
本期“档案”大揭秘
项目名称：大宗钢渣固废高效低碳制备高等级沥青路面材料及应用关键技术
完成单位：宝山钢铁股份有限公司
完 成 人：肖永力 等
奖励等级：技术发明一等奖
近年来，我国公路建设飞速发展，其中高等级沥青路面每年新增约1万公里，新建与养护工程所需优质集料约1亿吨/年，这些集料都是通过炸山凿石、粉碎加工而来。然而随着人们环保意识的增强，“绿水青山就是金山银山”逐步深入人心，开山凿石的行为受到管控和节制，天然集料（石料）日益短缺且造价逐年攀升。另一方面，钢渣是钢铁行业一种大宗副产物，每年产生量超过1.5亿吨。由于钢渣成分复杂，体积稳定性差，无法得到有效利用，更别说用到高速公路建设中了，每年有70%的钢渣作为工业固废被堆存废弃，累计超过18亿吨，不仅资源浪费，而且占用土壤，污染环境。
如何将钢铁行业大量的废弃钢渣转变成优质集料，替代日益紧俏的天然石料，用于公路建设和日常维护呢？宝山钢铁股份有限公司的首席研究员肖永力领衔的研发团队联合武汉理工大学等单位肩负重任、攻坚克难、十年铸剑，通过对钢渣理化特性的深入研究，制备出比天然石料性能更加优异的钢渣集料、适用于不同环境条件的系列化钢渣沥青混合料，并成功的应用于多个高速公路路面铺筑和维护。
多年的服役实践已经证明：钢渣不仅质优价廉，可以替代天然石料，而且钢渣沥青路面材料的很多路用性能超过传统沥青路面性能。钢渣的这一华丽转身是如何实现的呢？
钢渣堆存导致环境污染
01
变废为宝：冶金废渣成为
高速公路优质面料
钢渣是炼钢过程中的副产物。炼钢工艺中，为了消除钢水中残存的硅、氧、碳、磷、硫等杂质，需要加入大量的石灰等溶剂，石灰与这些杂质反应形成漂浮在钢水表面的废渣，简称钢渣。
过量的石灰在炼钢的高温条件下形成过烧石灰，分散在钢渣中，这些石灰性能比较“懒惰（遇水反应比较缓慢）”又被钢渣包裹，在钢渣处理过程中很难被全部释放出来并立即水化反应掉，这部分石灰俗称游离氧化钙（f-CaO），是影响钢渣体积稳定性的重要成分，也是影响钢渣资源化利用的关键因素。高炉公路使用的集料不仅颗粒尺度有一定要求，而且颗粒要多棱角、体积稳定、与酸性的沥青有较好的结合力等等。
项目团队采用快冷+机械搅拌的滚筒法钢渣处理工艺，利用滚动金属球破碎快冷、多点喷淋精细冷却及在线分离分选方法，使熔融态钢渣从1600℃迅速冷却至100℃以下并破碎成15mm以下颗粒。
该过程因冷却速率大、破碎彻底，渣中f-CaO含量得到较好的抑制析出、分散均化和水化，尾渣中f-CaO含量能够保持在3%以下，同时钢渣的晶粒尺寸也得到约30%左右的降低。滚筒法钢渣处理工艺得到的钢渣不仅自然粒度均匀，满足集料的级配要求，钢渣颗粒性能稳定，而且比天然石料棱角丰富，骨架结构牢固，钢渣又是碱性材料，与沥青的结合更加牢固。
滚筒法钢渣快冷粒化原理图
02 全量处理，
实现炼钢熔渣高效清洁集料化
由于钢种和炼钢工艺的不同，钢渣的流动性和组分波动很大，为了应对这些问题，研究团队通过开发多相态钢渣高效进料系统，并结合“倾翻装置+扒渣机+高效滚筒”的三位一体设备以及无废物排放清洁处理系统，实现炼钢熔渣全量滚筒发情节处理，并提出了一种可调控钢渣形貌和预均化制备方案，并优选配套设备，为钢渣集料的规模化生产提供了可能。
另外，为实现高温钢渣处理过程的超净排放，研究团队发明了高效雾化吸附捕集技术，通过动态高效凝聚、拦截和脱水等分步除尘方法，实现总除尘效率大于95%，并将排放尾气中含尘浓度控制在30mg/m3以下，远低于国家排放标准100mg/m3。
炼钢熔渣高效清洁全量处理装备
03 抗滑耐磨，
挖掘钢渣集料的天然优点
沥青与集料之间的粘附性对于确保沥青混合料的性能和路面的耐久性至关重要。在道路使用过程中，由于车辆行驶、气候变化等因素的影响，沥青路面会受到各种力学和环境作用，如果沥青与集料之间的粘附性不足，则容易出现裂缝、车辙、松散、翻浆、沉陷等问题。
通过对钢渣形成过程及其表面构造进行研究发现，固化后钢渣表面形成了大量微孔结构，这些微孔可以起到吸附作用，使得钢渣能够更好地与沥青相互结合，并形成牢固的结构体系。
此外，钢渣集料中主要含有Ca、Si和Fe等元素，其中钙元素可以与沥青中的羧酸发生中和反应生成碱土盐，而碱土盐具有较强的吸附特性，能够增强集料与沥青之间的粘附作用。这样一来，在道路使用过程中就能有效提高沥青混合料整体抗剪切性能以及耐久性。通过充分利用钢渣在固化过程中产生微孔结构以及其中丰富元素所带来的优势特点，可以进一步改善并提升道路建设品质，并延长其使用寿命。
04 理论体系，构建钢渣沥青
路面长寿命的基石
沥青路面的寿命对于交通基础设施至关重要，不仅影响道路使用性能和行车安全，还涉及经济效益和社会效益。良好的沥青路面可提高交通能力，减少拥堵，提升行车舒适性和安全性。长寿命沥青路面可减少维修或重建导致的交通中断，保持道路畅通，并提高路网通行能力。通常采用耐久性材料和合理设计来建设长寿命路面。
因此，沥青与集料的选择对于延长路面寿命至关重要。优质沥青与适当集料可提高耐久性。然而由于钢渣与天然优质集料之间存在差异巨大，长寿命钢渣沥青路面制备具有挑战性。
为解决这一科学难题, 研究团队不仅建立了钢渣沥青混凝土路用性能和服役寿命的对应关系, 还创建了多支撑点矿物骨架构造理论，创立了有效接触长度参数以确保钢渣集料在快速增加的交通荷载下保持稳定。
此外，沥青混凝土是温度敏感性材料，沥青在集料表面分布状况显著影响其服役性能，受自然气候影响极大。针对钢渣沥青混凝土在不同服役环境，在生产过程中实现了沥青含量在集料表面调控，使沥青膜能均匀裹覆钢渣集料，实现集料内部结构沥青与表面自由沥青的均衡分配，有效提升沥青混合料的路用性能。
基于以上原则，针对我国多样的服务环境，研究团队发明了高韧性钢渣微表处沥青混凝土、钢渣透水沥青混凝土、泡沫沥青钢渣混凝土、钢渣同步碎石封层材料和钢渣密级配沥青混凝土等技术，并成功将其应用于湿热、极端低温和暴雨等恶劣条件下钢渣沥青路面工程。
钢渣集料骨架结构理论体系
总之，提出“两型社会”概念后，高效利用废弃物已经成为推动经济增长方式转变和实现可持续发展所必须关注和努力追求的一项重要事项。研究团队在钢渣资源化利用方面取得了突破性进展，通过创新科技手段来应对公共基础设施建设中存在的挑战，并在实践中取得显著成果。在钢渣固废资源化应用方面，通过机理研究、工程验证、工艺与装备开发以及工程应用等环节，取得了系统性的创新成果，成功实现了钢渣规模化高值应用。
研究成果除在宝武集团单位大规模推广外，该项目技术还被引入到中钢（台湾地区）、邯钢、宁波钢厂、青岛钢厂、东方特钢等国内钢企，以及韩国浦项、韩国光阳、印度TATA、巴西浦项等国外知名钢企，有力促进了全球钢铁行业的渣处理技术进步。研究团队在世界上第一个实现了钢渣替代天然集料用于高速公路表层，已在上海、湖北、广西、内蒙古等不同气候地区应用，建设公路超过3000公里，应用钢渣沥青混凝土3000万吨，碳减排198万吨，有力支撑了钢铁与交通两大行业的绿色发展与碳中和，经济、社会和环境效益显著。
供稿来源：上海市科学技术奖励中心
供稿：肖永力
编辑：蓝悦
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