工业固废钢渣改良黄土路床研究

李俊涛

摘要：調查数据显示，甘肃省工业固废累计储存量约为8.9亿t，综合利用率不足14%，固废的大量堆积、废弃不仅占用大量土地资源，而且使原本就脆弱的生态环境更加雪上加霜。同时甘肃省中、东部地区为黄土高原，黄土的崩解性对工程建筑特别是水利工程和道路工程危害很大，利用炼钢废渣作为改良材料，能够解决黄土地区公路路基湿陷性问题，提高公路修筑质量与抗灾能力，减少公路病害，确保公路行车安全性与舒适性，减少了经济损失和不良社会效应，避免了渣灰弃置带来的土地、水源和环境污染。

关键词：湿陷性黄土处置 工业固废利用 钢渣改良黄土 低碳绿色发展

中图分类号： U416.1   文献标识码：A

Research on the Improvement of Industrial Solid Scrap Slag on the Loess Roadbed

LI Juntao

（Gansu Province Highway Traffic Construction Group Co.，Ltd.，Lanzhou，Gansu  Province，730000 China）

Abstract： According to the survey data， the cumulative storage of industrial solid waste in Gansu Province is about 890 million tons， and the comprehensive utilization rate is less than 14%. The massive accumulation and abandonment of solid waste not only occupy a lot of land resources， but also make the already fragile ecological environment worse. At the same time， the central and eastern regions of Gansu Province are the loess plateau， and the disintegration of loess is very harmful to engineering buildings， especially water conservancy projects and road projects. The use of steel-making slag as an improved material can solve the problem of collapsibility of the highway subgrade in the loess region， improve the construction quality and anti-disaster ability of the highway， reduce highway diseases， ensure the safety and comfort of highway traffic， reduce economic losses and adverse social effects， and avoid the pollution of land， water and environment caused by slag and ash disposal.

Key Words： Collapsible loess treatment; Industrial solid waste utilization; Steel slag improving loess; Low-carbon and green development

1研究背景

1.1黄土地区公路路基湿陷性问题

甘肃省中、东部地区为黄土高原，黄土分布积约为12万km2。主要分布在陇西和陇东两区。黄土是具有大孔隙结构，富含碳酸盐等易溶盐成分，对水特别敏感，遇水即崩解的特殊土。其崩解性对工程建筑特别是水利工程和道路工程危害很大，其危害表现在定量上的不可忽视性和在定性上的急速发展性。截至目前，国内因黄土湿陷导致工程建筑物塌陷破坏的实例比比皆是[1]。所以，在黄土覆盖层上进行公路工程建设，通常需要对黄土地基进行处理。

1.2砂石、水泥等筑路资源匮乏

截至“十三五”末，甘肃省公路通车里程达到15.4 km，其中高速公路 6 000余km。“十四五”时期，为加快区域协同联动发展，推进交通强国战略实施，甘肃省将在2025年高速通车里程达8 000 km，国家高速公路甘肃境内待贯通路段全面建成，省级高速骨干网络基本形成，高速公路县级节点覆盖率达100%。包括国省高速及在建和已规划高速达6 000多km，投资总额约 8 000 亿元。交通基础设施建设，可以全面带动上下游经济及就业，并对各类自然资源和能源需求巨大。据估计，“十四五”仅公路建设对砂石需求超1亿m3，水泥需求7 000万t，距甘肃省筑路材料市场需求有很大的差距。甘肃省各地层分布较广，岩石品种齐全，主要分布花岗岩、辉绿岩、闪长岩、安山岩等，但区域分布极为不均，岩质参差不齐。尤其是路面石料，对岩石物理学力学性质和化学性质要求高，致使部分工程项目严重缺乏合格石料。2020年甘肃省水泥产量超过4 500万t，占全国水泥产2.1%。但是存在区域化分布差异显著， 目前有水泥生产线38条，其中兰州周边年产量1 887万t，占比43.4%。而甘肃省公路工程所用沥青材料全部来自进口或外省。 砂石产业和水泥产业是公路建设的主要材料来源，同时也是资源消耗和能源消耗大户，在目前国家严格的环保政策压力下，在实现交通运输与自然环境的协调发展背景下，砂石开采和水泥生产将严重受限，筑路材料匮乏现象日益凸显。

1.3甘肃省工业固废体量大、利用率低

调查数据显示，甘肃省工业固废累计储存量为8.9亿t，综合利用率不足14%， 甘肃省主要固体废物的产量如下：尾矿（3 138万t/a）＞粉煤灰（422万t/a）＞冶炼废渣（391万t/a）＞煤矸石（250 万t/a）＞炉渣（170 万t/a）＞ 路面铣刨料（5.5万t/a），各类工业固体废弃物年产生量约 4 400 万t。工业固废产量和储量最大的是尾矿，其次为煤矸石、钢渣。同时，甘肃省整体生态环境较为脆弱，水土流失严重，也是自然灾害和地质灾害高发区。此外，该区域气候环境差异明显，存在高寒高海拔、大温差、冻融破坏严重以及干旱等特点，对公路工程材料耐久性要求更高。在甘肃省强化资源集约节约与循环利用，积极推动工业固废循环利用，加大建筑垃圾、粉煤灰、矿渣等废弃资源的综合利用，对建设绿色公路和提高已建交通基础设施的生态保护水平具有重要意义[2]。

1.4固废综合利用的政策支持

“十三五”期间， 国家高度重视固体废弃物的综合利用和砂石行业的健康发展，相继出台了《国家工业固体废弃物资源综合利用产品目录》《关于推进大宗固体废弃物综合利用集聚发展的通知》（发改办环资〔2019〕44号）、《关于促进砂石行业健康有序发展的指导意见》《十部门关于推进砂石行业高质量发展的若干意见》（工信部联原〔2019〕239号），大力推进固体废弃物在公路建设行业的综合利用，鼓励和支持综合利用废石、矿渣、尾矿、建筑垃圾等固废资源制造再生砂石，解决砂石料供需矛盾[3]。甘肃省也相继出台了《甘肃省中长期节能规划》《甘肃省循环经济总体规划》《甘肃省“十三五”环境保护规划》《甘肃省“十三五”工业转型升级规划》，既定了工业固废综合利用的发展方向和发展目标。为促进甘肃省砂石行业健康有序发展，稳定砂石市场供应，甘肃省发展改革委等14部门印发《甘肃省关于促进砂石行业健康有序发展的实施方案》（甘发改价格﹝2020﹞ 695 號），鼓励机制砂石、再生砂石等替代砂源利用。2021年国家发布《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用指导意见》，重点推进固废资源化利用[4]。通过大宗固体废弃物在公路中的利用，一方面解决了固体废弃物引起的环境污染和减少了砂石开采引起的生态环境破坏，另一方面弥补了交通建材的大缺口，并实现了公路建设的经济性和甘肃省的高质量、绿色化发展。因此，通过工业固体废弃物制备砂石原料及其他产品是实现交通强国建设和公路低碳绿色发展的有效途径和需求方向。

1.5典型固废钢渣综合利用情况

钢渣是钢铁冶炼过程中产生的一种工业固体副产品，主要矿物组成以硅酸三钙为主，其次是硅酸二钙、氧化相（RO）、铁酸二钙和游离氧化钙（f-CaO）。我国是世界钢铁产业第一大国，钢渣年产量超过一亿t，主要以回收废钢、磁选铁精粉、用作熔剂等钢厂内部循环利用方式为主，使用量有限，目前约有75%的钢渣处于堆存和填埋状态，存在环境污染、资源浪费等问题。当前普遍认为钢渣的力学性能优于轧制碎石，其不仅耐磨、颗粒几何形状好，同时具有一定的膨胀性可补偿干旱与半干旱地区基层大收缩应变，降低了基层开裂的可能性。此外，多孔粗糙呈碱性的集料表面与沥青具有良好的粘附性，加之集料坚硬进一步增强了沥青混合料的整体粘结强度以及抗剪强度，并且降低了沥青老化程度及集料剥落的概率。同时，具有与水泥相似的矿物组成成分（C3S、C2S、Ca（OH）2等），这将决定了钢渣是具有一定活性的固废体废弃物，成熟工艺中将钢渣加入水泥中作为矿物掺合料使用，在路基中可代替水泥、石灰等用于改良膨胀土、黄土等，其活性特征可形成较强的路基胶凝体。因此，从材料性能来看，钢渣可作为良好的筑路材料。

该研究为促进钢渣固体废弃物在公路工程中的充分利用，并改善黄土地区路基填筑湿陷性问题，在考虑钢渣具有活性特性基础上，采用一定量的细粒径钢渣代替水泥用于稳定黄土，以更加经济的方式提升黄土填筑路床性能，达到固废利用和黄土湿陷性改善的双向目标。

1.6国内外研究现状

路床是路面结构与路基的过渡层，高速公路设计中一般采用低剂量石灰土或水泥土。而钢渣含有大量 C2S、C3S等活性成分，研究表明其活性激发后具有类似石灰或水泥的特性。鉴于实际需要，在钢渣应用于路床方面的研究，一些学者取得了许多研究成果，并提出了有关钢渣应用的技术指标[5]。

1997年，DEMIRBA  F A 和GENQT H 通过对钢渣混凝土的6种配合比的研究，结果表明：钢渣可以部分代替水泥，并不会显著降低其抗压强度；其标准需水量、比表面积与普通水泥存在一定差别，但在国家标准要求范围内。

2007年，蔡晓飞和徐文娟等对石灰钢渣稳定土和水泥钢渣稳定土的研究均表明，钢渣掺量合适时，可改善混合料的力学性能，干缩应变的大小基本上随着钢渣掺量的增加而减小，并指出钢渣混合料可以应用于各等级公路材料。

2017 年，吴子龙等人围绕偏高岭土在改性土中应用、工业废弃钢渣再生利用以及水泥改性土性能提升这3个问题，设计了掺入偏高岭土与钢渣后水泥改性土的一系列室内试验，从击实特性、劈裂抗拉强度以及抗压强度这3个方面阐述了改性土的宏观性能；同时，开展了SEM、XRD、MIP 与TUA 等微观试验，分析微观结构以及水化产物生成与孔隙分布的内在机制，进而为改性土性能提升与废弃物再生利用奠定理论基础。宏观试验结果表明钢渣的掺入改善了水泥改性土击实特性和力学强度；引入偏高岭土后，上述性能得到明显改善，改良后力学强度与偏高岭土的掺量之间呈现先增后减的规律，最优掺入比为 1/3～1/2；劈裂抗拉强度和无侧限抗压强度成正比关系，斜率比值为0.83。微观试验结果表明偏高岭土和钢渣掺入后，水泥改性土中水化产物的类型没有改变，但改变了水化产物的数量和包裹形式，使试样的孔径分布和微观结构发生改变。

2018 年，袁明月、张福海等人对膨胀土、石灰改良膨胀土、钢渣微粉改良膨胀土进行干湿循环试验、自由膨胀率试验、无侧限抗压强度试验，比较验证钢渣微粉对膨胀土的改良效果。试验结果表明：钢渣微粉对膨胀土干湿循环作用下裂隙的发展、自由膨胀率的减小、强度的增加均有明显改善效果。同时发现钢渣微粉改良膨胀土与石灰改良膨胀土矿物成分相近结合， 分析得出钢渣微粉改良膨胀土和石灰改良土在改良机理上有相似性。

综合以上表明，钢渣具有一定胶凝性用于路基填筑和改良特殊土是切实可行的。

2改良黄土用钢渣原材料控制

采用X射线荧光光谱仪（XRF）测试钢渣的化学元素组成，发现不同来源钢渣呈现相同的元素组成规律，均以Ca、Si、Fe和Al等为主，其中以Ca元素含量最高，次之为Si，并采用二元碱度指标评价钢渣的活性，发现大部分钢渣是属于中碱度以上，这证明了钢渣是一种具有较高活性的固体废弃物，适用于稳定黄土。

钢渣用于改良黄土路基，需进行原材料质量检测，检测指标包括体积稳定性（浸水膨胀率、游离氧化钙含量）、铁含量、对环境的影响程度（浸出毒性及放射性）。通过对不同加工厂钢渣的指标检测，不同钢渣的铁含量、浸水膨胀率及游离氧化钙含量均满足要求，其检测结果如表1所示。

当钢渣应用于道路工程时，常与雨水接触，这时钢渣中重金属离子很可能会发生浸出，污染地下水和道路周边的土壤，甚至对人体的健康造成威胁，因此钢渣应用于道路工程应特别注意钢渣对周围环境的影响。从生态角度出发，钢渣含有的微量重金属离子，对环境的影响巨大，不同钢渣厂生产的重金属离子类别和含量各不相同，因此对钢渣重金属离子把控尤为重要。

根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）3.10条的规定，工业废渣应用于道路工程时，必须符合国家现行环境保护的相关规定，嚴禁采用含有有害物质的工业废渣应用于道路工程。特别是工业废渣浸出液内微量元素含量，需符合国家生态环境部2004年发布的《危险废物安全填埋处置工程建设技术要求》中直接填埋废物控制限制值。根据国标 《固体废物浸出毒性浸出方法 醋酸缓冲溶液法》（HJ/T 300-2007）处理钢渣，收集其中可浸出的重金属等有害金属离子。根据 《固体废物镍和铜的测定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 751-2015）和 《固体废物铅、锌和镉的测定焰原子吸收分光光度法》（HJ786-2016）等标准，测试钢渣浸出液的重金属离子含量。再根据 《地面水环境质量标准》（GB 3838-2002），判定钢渣作为筑路材料是否会对环境造成污染。采用原子吸收光谱对榆钢钢渣进行测试，测试结果如表2所示，结果显示钢渣符合安全性规定。

根据表2试验结果可知，钢渣中有害金属离子浸出都满足技术指标要求，钢渣浸出液中能检测到部分有害金属离子，但都满足规范限值要求。具体来看，甲基汞、乙基汞、镉、总铬、铜、锌、铍、镍、无机氟化物、总氰化物、铬（六价）等微量元素并未检测到。汞含量特别低，满足限值 0.1 要求。铅、钡、砷等元素含量相对较高，但也都满足规范限值要求。表明散料钢渣金属微量离子浸出浓度满足要求，当钢渣以块状混合料存在时，其微量重金属离子浸出也必能满足要求， 因此钢渣应用于道路工程符合规范要求。含有放射性物质的固体废物以外照射或通过其他途径进入人体产生内照射的方式危害人体健康。随着核能源的日益发展，放射性固体废物量迅速增加，因此控制和防止环境中放射性固体废物污染，是保护环境的一个重要方面。

该研究为确保采用的钢渣对环境无放射性影响，对不同厂钢渣进行了放射性检测，检测依据《建筑材料放射性核素限量》（GB/6566-2010），放射性采用内照射指数和外照射指数来表征，内照射指数不大于1.0， 外照射指数不大于1.0，钢渣放射性检测结果如表3所示。

3改良黄土用钢渣掺量确定

参考已有研究基础，选择0～3 mm钢渣改良黄土，为了确定钢渣改良黄土用钢渣的最佳掺量，设计了10%、15%、20%、25%、30%这5个不同掺量，并设计了对照组素土、水泥稳定黄土和石灰稳定黄土，以7 d无侧限抗压强度为控制指标。通过与3%水泥稳定土和6%石灰稳定土对比得出随着石灰掺量和水泥掺量的增加，稳定黄土的7 d 无侧限抗压强度逐渐增大；对于钢渣土，随着钢渣掺量的增加，7 d无侧限强度先增大后减小，当钢渣掺量为 15%时，钢渣土强度最大，且从 10%增大至15%时，钢渣土强度提升幅度很大。表明 15%钢渣掺量对于黄土的稳定作用较为显著。

4改良土用钢渣粒径选择

采用5个加工厂生产的钢渣配制钢渣稳定黄土，钢渣掺量为15%，钢渣粒径设计为0～3 mm和0～5 mm两种，更细粒径不利于钢渣的大比例及全粒度应用。

采用0～3 mm钢渣，5个加工厂钢渣配制的钢渣改良黄土的7 d和14 d无侧限抗压强度均满足国家技术要求。其中，以伏海和众力泰两个加工厂钢渣配制的钢渣改良黄土的强度最高，7 d强度代表值可达到0.7 MPa以上。对于浸水强度损失，4个加工厂钢渣配制的钢渣改良黄土在不同龄期下浸水后强度损失均满足要求（50%）。采用0～5 mm钢渣，5个加工厂钢渣配制的钢渣改良黄土强度均满足技术要求。对于浸水强度损失，除伏海和众力泰钢渣不同龄期浸水强度损失满足要求外（50%），宏得钢泰、襆北永冠加工厂钢渣配制的钢渣改良黄土7 d浸水强度不满足要求，榆钢渣场钢渣配制的钢渣改良黄土7 d和14 d浸水强度损失均不满足要求。

综合以上0～3 mm和0～5 mm钢渣改良黄土，分析7 d无侧限抗压强度和水稳定性可知，不同加工厂的0～3 mm钢渣改良黄土均能达到技术要求，而采用0～5 mm钢渣改良黄土，存在较大波动因素，部分钢渣改良黄土浸水强度损失不达标。因此，考虑到实际工程应用，选择0～3 mm钢渣用于改良稳定黄土。

5改良黄土用钢渣级配要求

0～3 mm粒径的5个加工厂生产的钢渣均符合国家技术要求规定的中砂范圍，然而国家技术要求未规定0.075 mm通过率。0.075 mm筛下钢渣粉对改良黄土强度影响较大，故以0.075 mm筛孔通过率为变量进行7 d无侧限抗压强度对比分析。通过分析得出了改良黄土用钢渣中0.075 mm钢渣粉含量不小于6%。由于道路用钢渣砂对于中砂的级配下限规定较小，为确保钢渣细度及保障改良黄土强度，在该级配下限基础上，筛孔通过率增加5%，形成新的级配下限规定值，同时要求2.36 mm筛孔通过率误差不大于2%，即2.36 mm 最低筛孔通过率为 98%。钢渣改良黄土用钢渣级配规定如表4所示。

6钢渣改良黄土承载力验证

分别对不同来源钢渣改良黄土进行了CBR承载比试验，并对比3%水泥稳定黄土承载比。结果显示，不同钢渣改良黄土CBR承载比均满足路床承载力要求，基本得出不同厂钢渣CBR承载比大小顺序为众力泰﹥伏海﹥襆北永冠﹥宏得钢泰﹥榆钢渣场，这与无侧限抗压强度大小呈现较为相似的大小规律。同时，钢渣改良黄土的浸水膨胀率大于水泥改良土。对不同钢渣改良黄土，最高膨胀率仅为0.64%。并且发现，承载力和水稳定性是呈正相关的，改良黄土早期强度的提高有助于提高承载力和水稳定性。

7技术、经济与社会效益分析

采用钢渣代替水泥或石灰进行黄土路基改良，其技术、经济与社会效益体现如下。

7.1技术优势

从原材料生产分析，水泥生产需要一系列设备，生产过程复杂、工艺要求高、能耗大。石灰生产过程中排放烟气及粉尘等，且生产过程相对复杂。而0～3 mm钢渣只需通过二次加工破碎或者直接筛分，流程简单，生产成本低，能耗小。从原材料储存、运输分析，水泥和石灰均属于粉末状，储存、运输过程易产生粉尘污染空气，同时水泥具有一定保质期，如果是生石灰还需在施工现场洒水熟化，因此水泥及石灰储存及运输过程要求较高。对于0～3 mm钢渣，粉尘产生量较水泥及石灰低，可直接采用卡车装运，现场只需采用篷布遮盖即可，运输过程简单、技术要求低。从应用方法分析，钢渣与水泥、石灰等均采用路拌法施工，施工方法或工艺基本一致。对于钢渣改良黄土施工，建议采用机械撒布代替人工撒布，且采用全深式再生机拌合，可达到撒布和拌合均匀的效果。因此，钢渣代替水泥或石灰改良黄土具有明显的技术优势[6]。

7.2经济效益

以1 m3为计算单元，对15%的钢渣稳定土、3%的水泥稳定土和6%的石灰稳定土进行经济比较。混合料的成本由水泥、石灰、钢渣和土组成。

钢渣稳定土混合料的干密度为1.953 g/cm3，水泥稳定土混合料的干密度为1.84 g/cm3，石灰稳定土混合料的干密度为1.812 g/cm3，按1 m3的料进行成本核算：

钢渣成本：1.953×15%×55=16.1元

水泥成本：1.841×3%×360=19.9元

石灰成本：1.812×6%×250=27.2元

由以上计算可知，从改良剂成本的角度出发，钢渣稳定土相对于水泥稳定土、石灰稳定土来说，经济性占有优势。钢渣稳定土的成本最低，石灰稳定土成本最高。

8结语

将钢渣应用于公路建设当中，不仅解决了公路路基黄土湿陷性问题，而且能节约数量客观的土地资源，同时有助于解决钢渣粗放处置所带来的环境问题。钢渣生产流程简单，减小了因生产水泥及石灰等过程中引起的CO2排放量。经过粗略估算，长为1 km，宽为25 m，厚为80cm路床建设中采用钢渣代替3%水泥可减少碳排放817.7 t，碳减排量可观。因此，项目的建设不仅能推动当地交通的发展，而且为国家2030年碳达峰做出相应贡献。

参考文献

[1] 吴旻，谢胜华，葛根旺.碱激发钢渣矿渣复合基层材料的强度特性及微观机制[J].硅酸盐通报，2021，40（8）：2640-2646.

[2] 赵立杰，张芳.钢渣资源综合利用及发展前景展望[J].材料导报，2020，34（S2）：1319-1322，1333.

[3] 黄伟，邱鹏，唐刚，等.钢渣混合土基层材料制备及性能研究[J].硅酸盐通报，2019，38（10）：3237-3242，3265.

[4] 孙睿，王栋民，房中华，等.钢渣：脱硫灰基全固废胶凝材料及其砂浆界面过渡区的研究[J].金属矿山，2022（1）：41-52.

[5] 赵宝军，吴琛，王俊，等.钢渣集料在高速公路水泥碎石基层中的应用研究[J].建材世界，2021，42（3）：11-13.

[6] 张耄耋，黄伟，叶雨尘，等.杂填土及钢渣杂填土基层材料的制备与表征[J].安徽工业大学学报（自然科学版），2021，38（2）：144-151，60.