钢渣在公路软土地基处理中的应用研究

蓝天助 张红日 官少龙 魏见海

摘要：文章取防城港某钢铁厂的陈渣为研究对象，分析了钢渣的化学成分、钢渣级配、主要物理指标及力学指标，并在此基础上探讨了钢渣在公路软土地基处理方面的应用，主要应用形式有钢渣混凝土桩、柔性钢渣桩、钢渣垫层、钢渣改良体等，在公路软土地基处理工程实际中可根据具体的情况选择合理的方法。此外，在钢渣应用中仍需要注意钢渣集料的安定性、钢渣的运输、钢渣对环境的污染等问题，应用中应确保钢渣的安定性合格，对环境影响小，且不会产生太大的运输成本。

关键词：公路;钢渣;软土;地基处理

0 引言

随着经济的快速发展，对钢铁的需求逐年增多。2017年，我国的粗钢产量约8.32亿t[1]，2018年的粗钢产量约9.28亿t[2]，而钢渣作为钢铁工业的副产品，其产量约为粗钢产量的10%～15%[3]，该产量也随着钢铁产量的增加而增多。目前我国对钢渣的利用技术还不够成熟，钢渣利用率不到30%[4]，导致钢渣过剩，过多的钢渣将占据大量耕地，且如果处置不当，还会造成环境问题[5]。所以，对钢渣利用的探索是目前的研究热点之一。

目前，对钢渣利用也有不少研究，已有文献研究显示，可以利用钢渣替代石灰作为冶金工业的原材料，从而降低冶金在原材料的生产成本[6]，另外，还可以利用钢渣生产水泥、农业化肥等，钢渣的应用研究已经涉及多个领域，但在公路软土地基处理中的应用方面的研究较少，且已有研究偏于理論方面，缺乏工程应用。本文在分析钢渣物理化学性质的基础上，深入探讨了钢渣在公路软土地基处理方面的应用。

1 钢渣的基本性质

1.1 钢渣的化学性质

钢渣的主要化学成分为钙、镁、硅、铁的氧化物，但不同炼钢工艺及不同的钢渣处理方式对钢渣的化学成分含量有一定的影响。

钢渣进行X荧光光谱半定量分析后得出的化学成分含量。从表1可知，该钢渣CaO、Fe2O3、SiO2成分占据了主要比例。钢渣中含有少量的游离氧化钙和游离氧化镁，通过取多组试样试验，测得防城港某钢铁厂的钢渣游离氧化钙含量为1%～4%，游离氧化镁的含量为0.02%～0.05%。

另外，通过半定量分析，钢渣集料中含有少量的重金属元素，主要有铬、锰、汞、钒、锌等，其含量分别为0.59%、3.61%、0.088%、0.21%、0.012%。

1.2 钢渣的物理性质

1.2.1 钢渣的级配

钢渣的级配随存放时间的不同略有波动。取防城港某钢铁厂存放的钢渣进行筛分试验，其级配范围如表2所示。该钢渣集料主要粒径集中在2.36～9.5mm范围。

1.2.2 钢渣的物理力学指标

钢渣的陈化处理对钢渣的物理力学指标有一定的影响。取多组防城港某钢铁厂不同存放时间的钢渣进行物理力学指标试验，试验结果如表3所示。从试验结果可以看出，钢渣集料的坚固性良好，具有较高的硬度和强度，密度和吸水率较大，CBR值与天然石料接近。由此可见，钢渣具有良好的建筑材料的性能。

2 钢渣在公路软土地基中的应用形式

2.1 钢渣混凝土桩

钢渣混凝土桩与素混凝土桩类似，是由粗骨料、细骨料、胶凝材料、水等材料拌和，经过凝结硬化后，形成的一种混凝土结构。通过添加不同的原材料，可以制作不同的钢渣混凝土桩。常用的制作钢渣混凝土桩的钢渣原材料有钢渣粗骨料、钢渣细骨料、钢渣粉等，通过掺入钢渣原材料制作多种钢渣混凝土桩。常用的钢渣混凝土的原材料如表4所示。

钢渣混凝土桩处理公路软土地基的作用及原理与素混凝土桩的类似，将钢渣原材料按一定的比例拌和成具有一定的强度的刚性桩体，并在桩间土与桩体上部铺设一定厚度的褥垫层，形成复合地基，使上部荷载通过褥垫层传至桩间土与桩体后向基地扩散。在软土地基中设置钢渣混凝土桩后，部分软土被挤开，挤开的空间由钢渣混凝土桩体占据，桩间土在一定程度上被挤密，且在变形过程中，由于刚度差异，桩间土会受到桩体的约束作用。所以，钢渣桩处理软土地基的主要作用有置换效应、挤密效应、约束效应[7]。钢渣混凝土桩处理软土地基主要应用于软土厚度较大的地基，其常用的施工方法有长螺旋钻杆施工和振动沉管法施工。采用长螺旋钻杆施工时，其钢渣混凝土拌和物的坍落度一般为160～200mm;采用振动沉管法施工时混合料坍落度一般为30～50mm。在实际工程应用中应根据地质条件、施工条件等综合考虑，选择合理的施工方法。

2.2 柔性钢渣桩

柔性钢渣桩是一种柔性桩，主要是以钢渣集料为填充料制成的一种密实桩体，并在桩间土与桩体上部铺设一定厚度的褥垫层，形成复合地基。上部荷载传递到褥垫层后由桩与桩间土共同承担。柔性钢渣桩复合地基的作用类似于碎石桩复合地基，主要有桩体作用、垫层作用、排水作用、挤密作用、加筋作用等。柔性钢渣桩一般适用于处理可液化软土地基，但对不排水抗剪强度<20kPa的软土地基[8]，采用柔性钢渣桩时须慎重。柔性钢渣桩常用的施工方法有振冲法施工及沉管法施工。振冲法是在振冲器振动及高压水流的作用下，将振冲器送达设计标高位置，清理后填入钢渣集料，在振动作用下密实，形成柔性钢渣桩。振冲法施工柔性钢渣桩的主要流程如下：[JP1]（1）清表，平整场地，使得施工场地利于机械移动;（2）测量定位，布置好桩位，桩位的布置应按设计图纸进行，偏差应≤3cm;（3）桩基就位，启动，在指定桩位上成孔;（4）填入钢渣集料，边振边拔，严格控制成桩速度，直至桩顶;（5）关机移入下一桩位。为了确保施工施工质量，振冲法在施工过程中，应严格把关填料量、密实电流和留振时间。沉管法施工柔性钢渣桩的施工工艺与振冲法类似。沉管法施工流程为：（1）清理表土，平整场地;（2）测量放样，布置好桩位;（3）沉管打桩机就位，启动，使沉管沉入设定高度;（4）填入钢渣集料，逐步拔管;（5）单桩施工结束，移位至下一桩位。柔性钢渣桩施工完毕后，需铺设褥垫层，褥垫层应分层碾压施工，并确保压实度达到设计要求。

2.3 钢渣垫层

钢渣垫层法与换土垫层法的作用原理类似。钢渣垫层法是将软弱土全部或部分挖除，换填钢渣集料，并按要求压实，地基应力通过垫层扩散，使得传至下部软弱土层的应力减少，从而提高地基承载力。钢渣集料的物理力学性质跟碎石相近，具有较高的硬度和强度。从钢渣的筛分试验可以看出，未筛分的钢渣是一种级配较好的粗粒类土，能够以较小的压实功密实，且钢渣集料本身含有活性的成分，经过碾压后的钢渣具有一定的板结性，板结后的钢渣垫层强度和稳定性得到进一步提高[9]。换填后，地基沉降减少，承载力得到提高。钢渣垫层法一般用于处理路基软土厚度<3cm的公路地基。钢渣垫层施工前要先挖除软土，必要时降低水位。钢渣采用未筛分的钢渣，但如果钢渣材料含有较多20cm以上的块体，摊铺前应先剔除。调整钢渣集料的含水率至最佳含水率，然后先夯实，后振动碾压，采用夯实、振动与碾压联合作用的施工工艺。施工过程中应控制好干密度及压实度，使地基承载力达到设计要求。

2.4 钢渣改良体

[JP1]已有试验研究表明，钢渣可以改良黏土的物理力学性质。黏土掺入钢渣集料后，其回弹模量、抗剪强度、加州承载比都得到了很大的提高[10]。且钢渣与土体混合后，钢渣集料表面的这些活性成分会与黏土中的水发生反应，生成水化胶凝成分及氢氧化物，使得钢渣黏土混合体的强度、水稳定性更强。所以，钢渣可以与地基中的软弱土混合，从而改善软弱土体的物理力学性质。钢渣改良地基土的形式通常有两种：（1）钢渣与浅层地基软弱土体搅拌形成浅层改良体;（2）钢渣与地基土搅拌，形成柱状式改良体。

2.4.1 钢渣浅层改良体

此方法结合了地基处理中的浅层处理模式，其施工方法跟浅层固化施工地基处理方法类似。施工之前先进行场地平整，低洼处采用素土回填;将需要作浅层处理的区域进行网格划分，根据处理深度计算每一小网格区域所需的钢渣量;对钢渣和土体以从上到下逐步深入、从一端到另一端的方式进行强力搅拌，搅拌时相邻段之间应有≥10m的搭接宽度;搅拌均匀后用挖机填平，并用压路机进行振动压实。

2.4.2 钢渣柱状改良体

钢渣柱状改良体是一种结合了深层搅拌桩的地基处理模式，其施工方法跟深层搅拌桩类似。其主要施工工艺流程为：（1）清表，场地平整;（2）桩位放样，根据平面图放出每一处桩位;（3）桩机就位，桩机应对准搅拌桩位中心位置，且需保证垂直度满足设计要求;（4）钻进到设定高度;（5）投入钢渣集料，并进行强力搅拌;（6）提升钻杆后再放入钢渣集料，并进行搅拌，如此往复，直至桩顶，且上下搅拌之间应确保一定长度的搭接以进行重复搅拌;（7）关机，移入下一桩位。施工完毕后，需铺设褥垫层，褥垫层的施工应分层碾压施工，并确保压实度达到设计要求。

3 钢渣在软土地基处理中存在的问题

3.1 钢渣集料安定性不良

钢渣集料具有一定的f-CaO和f-MgO。已有研究表明，f-CaO和f-MgO会使钢渣膨胀，并使钢渣集料粉化[11]。由于钢渣中f-MgO的含量较小，所以引起钢渣集料安定性不良的主要原因是钢渣中的f-CaO。水气通过钢渣表面的细微孔隙渗透到集料内部后，钢渣中的f-CaO与水发生反应，生成氢氧化钙和水，其体积增大为约原来的两倍，从而产生较大的膨胀应力。钢渣混凝土中，钢渣集料的安定性不良会导致混凝土出现开裂，使用寿命大打折扣。所以在用钢渣骨料制作钢渣混凝土桩之前，应对钢渣骨料的f-CaO的含量进行测定，并对钢渣集料和钢渣混凝土进行压蒸试验，在确保钢渣混凝土安定性合格后才能应用到公路软土地基处理中。

利用钢渣集料作垫层处理公路软土地基也需注意钢渣的安定性问题，垫层膨胀过大会破坏路面，因此，钢渣垫层或钢渣黏土垫层在应用过程中也需使用安定性良好的钢渣集料。根据公路工程集料试验规程，道路工程用钢渣的安定性能通常用浸水膨胀试验来评价，其膨胀量计算如式（1）所示，《钢渣混合料路面基层施工技术规程》中规定筑路用钢渣的浸水膨胀率≤2%[12]。

3.2 钢渣密度过大

钢渣的密度较大，所以在钢渣应用到公路软土地基处理过程中应考虑其运输问题。如果运输距离太远，会导致运输成本增加，所以钢渣的利用尽量考虑就近原则，以节省运输成本。

3.3 对环境的影响

钢渣中含有少量的重金属元素，在水土环境中会有少量的重金属析出。由于钢渣混凝土桩中的钢渣骨料被胶凝材料包裹，因此，钢渣混凝土桩产生的污染较小;对于柔性钢渣桩、钢渣垫层、钢渣黏土垫层，因钢渣直接与水土接触，在公路软土地基处理中会有少量的重金属从钢渣集料中析出，析出的重金属离子会污染水土。因此，钢渣桩、鋼渣垫层及钢渣改良体应用于公路软土地基前应进行重金属析出方面的试验研究，或者对钢渣进行适当处理后应用到软土地基处理中，以确保不对环境产生太大的影响。

4 结语

（1）化学试验分析显示，钢渣化学成分中主要以CaO、Fe2O3、SiO2为主，并含有少量的铬、锰、汞、钒、锌等重金属元素。另外，钢渣中含有少量的游离氧化钙和游离氧化镁等成分。

（2）钢渣集料的粒径范围为0～26.5mm，主要粒径集中在2.36～9.5mm之间，其级配随陈化时间略有波动。钢渣具有较高的硬度、强度和CBR值，其物理力学性质与石料接近。

（3）钢渣在公路软土地基中的应用形式主要有钢渣混凝土桩、柔性钢渣桩、钢渣垫层、钢渣改良体等，在公路软土地基处理中应根据地质情况、施工条件等综合选定。

（4）钢渣在公路软土地基处理中需要考虑钢渣集料安定性不良、钢渣密度大、钢渣重金属析出等问题，所以钢渣在应用之前应进行安定性试验及重金属析出评估试验，评价钢渣的可用性，评价不合格的钢渣应进行适当的处理后再进行应用。

参考文献：

[1]王维兴.2017年我国炼钢生产技术评述[N].世界金属导报，2018-03-13（B03）.

[2]王维兴.2018年我国炼钢生产技术述评[N].世界金属导报，2019-03-19（B03）.

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[5]毛志刚，蓝天助，张红日，等.钢渣特性及在道路工程中的应用研究[J].中外公路，2019，39（5）：233-236.

[6]刘 芳.冶金工业固体废物钢渣的综合利用探讨[J].中国资源综合利用，2019，37（7）：73-75.

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[9]常 峰，赵利斌，李培德.浅谈用钢渣作垫层处理湿软地基[J].内蒙古科技与经济，2004（7）：76-84.

[10]全 鹏.钢渣粘土混合料路用性能试验研究及应用分析[D].长沙：长沙理工大学，2017.

[11]王 博.钢渣中游离氧化钙、游离氧化镁的测定及其安定性研究[D].北京：北京化工大学，2010.

[12]YB/T4184-2009，钢渣混合料路面基层施工技术规范[S].