钢渣改良土路用性能研究

李曜 李铭 张仰鹏 江廷荟

摘要：为评价钢渣改良土的路用性能，文章研究制备了3种钢渣掺量的路基材料，通过击实试验、界限含水率试验、承载比试验确定钢渣与素土的最佳比例，开展最佳比例下钢渣土的力学和体积稳定性试验。结果表明：与素土相比，钢渣土的物理性能显著提高，土体的水稳定性得到提升；最佳的钢渣掺量为50%，在此比例下，钢渣土具备最高的承载比数值（48%），兼具经济性和工程表现的压实性能，且具有较大规模的钢渣利用率；钢渣的加入使得土体的无侧限抗压强度得到大幅提高，钢渣土的体积稳定性也符合规范的要求。基于以上结果说明，钢渣土具有良好的工程性能。

关键词：钢渣；改良土；路基材料；物理性能；稳定性

中图分类号：U416.03   文献标识码：A

文章编号：1673-4974（2024）04-0046-03

0 引言

钢渣是钢铁厂炼钢过程中的一种工业伴生物，其产量约为粗钢产量的10%～15%。2012年，我国钢渣的年产量为9 000×104 t，2020年，年产量已超1×108 t，居于世界首位［1-2］。当前，我国累积的钢渣量已超40×108 t，但资源化利用率＜30%，相比于发达国家近100%的利用率而言［3］，差距十分显著，钢渣堆砌造成的环境负担愈加严重。

钢渣高强度、耐磨特性和力学稳定性可有效提高路基的承载力和稳定性，钢渣内C2S、C3S和C4AF等主要含量与水泥组成成分相近，可作为胶凝材料代替水泥、石灰等，用于路基土的加固及不良土特性改良。日本采用经过蒸汽陈化方法处理过的钢渣作为路床材料，长期工程监测证明该材料具备作为路床材料的基本性能，且具有足够的稳定性。美国研究者将钢渣土作为路基土进行了稳定性研究，分析了包括水稳性的影响因素、水侵蚀的原因、评判水稳性的技术以及如何防止、避免水侵蚀等。我国的路基钢渣应用始于20世纪60年代，1965年使用平炉钢渣结合土作为路基材料，应用多年后证明钢渣用于路基填筑效果良好［4］。1994年，上海某路基采用钢渣填筑，共计使用了1.5×104 t钢渣，经过实际运行考核，路基稳定且下沉量小，平均沉降仅3 cm［5-6］。2006年，冯群英［7］研究了昆铁钢渣相关性能指标，提出钢渣混合料配合比，并在安晋高速公路建设中进行使用。2016年，王天宇［8］依托焦山门至大云公路，用钢渣代替石渣作为路基填料，使用表明钢渣用于路基铺筑效果良好，钢渣灰土易达到要求的压实度。2020年，何坤［9］以包头钢铁厂的陈化水渣、热泼渣为研究对象，探讨了掺拌比例对混合钢渣路用性能的影响规律，并应用于国道110线包头北绕城段公路的路基填筑。

基于以上背景，本文以广西地区典型填土与钢渣为研究对象，开展钢渣在路基填筑中的大掺量应用研究，旨在获得性能可靠的路基填料。

1 试验材料

1.1 钢渣

钢渣取自广西某钢铁厂，为热闷钢渣，生产过程中经过磁选处理。钢渣各项指标见表1，符合规范《道路用钢渣》（GBT 25824-2010）［10］要求。

2 配合比设计与试样准备

为了提高钢渣的利用率，并充分发挥其强度优势，制备占土体质量30%、50%、70%的钢渣掺量的钢渣土进行试验，与现有研究相比，钢渣含量大大提高［11］。

试验前，土、钢渣需烘干，温度为110 ℃±5 ℃，时间为8 h，并在室温冷却后使用。按照目标配合比和含水量，依据《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）［12］、《钢渣稳定性试验方法》（GB/T24175-2009）的要求制备［13］。

3 试验方法

3.1 确定最佳配合比

钢渣改良土的配合比需考虑其作为填料的压实性能、界限含水特征和承载力特性。通过击实试验、界限含水率和承载比试验来确定。

3.2 力学性能与稳定性

为了评估钢渣改良土填料的力学表现与稳定性，进行静动力特征试验，并对其变形稳定性进行评价。

4 结果与讨论

4.1 确定最佳配合比

4.1.1 击实试验

图1为不同钢渣掺量下改良土的压实曲线。试验土的最大干密度为1.72 g/cm3，最优含水率为19.1%。钢渣改良土的最大干密度为1.95～2.41 g/cm3，且随着钢渣掺量增加而增大。钢渣改良土的最佳含水量为9.9%～16.5%，呈现与最大干密度相反的变化趋势。这种现象与钢渣的物理性能紧密相连，钢渣的颗粒比重为3.36，远高于试验土的2.41，因此钢渣改良土的最佳干密度高于试验土。同时，作为低粘聚性材料，钢渣内黏性颗粒含量少，因此造成了最佳含水量的下降。

4.1.2 界限含水率试验

表5为试验土的界限含水率试验结果。由图可知，随着钢渣的加入，试验土的液塑限都随之下降。且由于液限的下降幅度更大，所以造成塑性指数也随之下降。这个现象也可归结为钢渣改良土的黏性成分降低所导致的。钢渣内还有少量的微量活性成分，潜在的化学反应也会导致界限含水率的变化，但本文所采用的钢渣活性较低，这种作用可以忽略。

试验土为低塑性粉土，液限为49.9%，塑性指数为17.7。塑性指数越高，水稳定性越差，填料压实性差，施工中不易压实，易造成后期收缩变形难题，加入钢渣则对试验土的液塑限改良效果明显，如图2所示。

4.1.3 承载比试验

试验土浸泡96 h后的承载比数值图3所示，不同钢渣掺量的改良土承载比数值为18%～48%。根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）［14］要求，高速公路、一级路上路床的承载比应＞8%，二级路＞6%，三、四级路＞5%。改良前试验土的承载比为9%，掺加钢渣后的改良土承载比数值显著提高，且吸水性也逐步下降，保障其可作为高等级道路路床使用的强度和稳定性，路堤路基更是符合要求。更高的承载比值意味着更高的承载力，因此50%钢渣掺量的改良土是最优的选择。

试验土承载比主要来源于材料自身强度和结构组成，还有少许活性物质的水化作用。随着钢渣的加入，混合土的承载比呈先增长后下降的趋势，这与钢渣改良土的结构组成有关。钢渣的加入使得土与钢渣形成可靠稳定的结构，但随着钢渣掺量的增多，这种平衡被破坏，导致强度下降，造成如图3中“拐点”的出现。

综上，通过击实试验、界限含水率试验和承载比试验可得到钢渣改良土具有良好的性能表现，尤其是50%钢渣掺量下的混合土，具有最高的承载比以及兼顾经济与性能表现的压实特征，并改善了试验土液限过高产生的潜在稳定性问题。50%钢渣掺量的改良土还具备高钢渣利用率的特点，因此以其进行后续试验。

4.2 力学特性与稳定性

4.2.1 无侧限抗压强度试验

以试验土掺入土体质量50%钢渣的配合比进行无侧限抗压强度试验，结果见图4。如图4所示，随着养护时间的增加，钢渣改良土的无侧限抗压强度也逐渐变大，而试验土的无侧限抗压强度随龄期增长的趋势不明显。钢渣改良土的无侧限抗压强度大于试验土。

4.2.2 渗透试验

图5为试验土的渗透系数。试验土的渗透系数为3.1×10-8 cm/s，属于典型的粉土的渗透系数范围。钢渣改良土的渗透系数远大于试验土，为4.25×10-4 cm/s，接近粉砂、中砂的渗水系数。考虑到钢渣潜在的微量元素，更低的渗透系数意味着化学元素的渗出性低。

如图5所示，50%钢渣掺量使得土体的渗透系数提高，提高了25.6倍，但符合粉土的渗透系数范围。此外，试验土的渗透系数随着压实度的增大而降低，在实际应用中也可以通过提高压实度的方法来降低渗透性［15］。

4.2.3 体积稳定性试验

钢渣、钢渣改良土的体积稳定性试验结果见图6。钢渣体积膨胀率为1.51%，50%钢渣改良土体积膨胀率为0.60%，均符合《钢渣稳定性试验方法》（GB/T 24175-2009）规范中＜2%的要求，表明其均拥有良好的体积稳定性。通过数值比较可以看到，钢渣改良土的体积膨胀率较纯钢渣降低60%，体积膨胀率降低所带来的稳定性控制效果明显，对于实际工程中应用而言，陈化时间较短或膨胀性略大的钢渣可通过掺加原状土的方式来降低膨胀性，提高其体积稳定性。

5 结语

本文从物理、力学性能等方面评价了钢渣改良土的性能和效果，得出如下结论：

（1）随着钢渣含量的增加，土样的最大干密度提高，最佳含水量下降，液塑限低于素土，塑性指数也减小。在50%钢渣掺量时，试验土的最大干密度提高40%，最佳含水率下降39%，塑性指数降低%，土体的水稳定性得到提升。

（2）钢渣的加入可以提高试验土的承载比，随着钢渣的加入，改良土的承载比会先增加后下降，在50%钢渣掺量时达到最大，为48%，满足一级高速公路上路床部位的承载比规定。

（3）综合击实试验、界限含水率试验和承载比试验结果可知，50%钢渣掺量的改良土具有最高的承载比，兼具经济性与路用性能，且显著改善了试验土液限过高的稳定性问题，并具有高钢渣利用率的特点。

（4）与试验土相比，最佳配比下的钢渣改良土的强度参数提升明显，28 d无侧限抗压强度为4.37 MPa，较试验土的1.76 MPa，提升148%。

参考文献

［1］Yi H，Xu G，Cheng H，et al.An Overview of Utilization of Steel Slag［J］.Procedia Environmental Sciences，2012（16）：791-801.

［2］Shi Y，Chen H，Wang J，et al.Preliminary investigation on the pozzolanic activity of superfine steel slag［J］.Construction and Building Materials，2015（82）：227-234.

［3］Wang K，Qian C，Wang R.The properties and mechanism of microbial mineralized steel slag bricks［J］.Construction and Building Materials，2016（113）：815-823.

［4］何志超.大量利用平炉钢渣［J］.冶金建筑，1976（5）：19-24.

［5］朱贻兰.转炉钢渣的工程利用［J］.宝钢技术，1994（3）：9-13.

［6］朱贻兰.宝钢转炉钢渣的工程利用［J］.再生资源研究，1994（6）：16-20.

［7］冯群英.钢渣在公路路基路面工程中的应用研究［D］.重庆：重庆交通大学，2015.

［8］王天宇.次生钢渣处置路基土机理及其路用性能研究［D］.南京：东南大学，2016.

［9］何 坤.包钢钢渣用于内蒙古伊盟地区路基填料可行性研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2020.

［10］GBT 25824-2010，道路用钢渣［S］.

［11］Hussien A，Omar A H.Experimental Study on the Utilization of Fine Steel Slag on Stabilizing High Plastic Subgrade Soil［J］.Advances in Civil Engineering，2017（1）：1-11.

［12］JTG 3430-2020，公路土工试验规程［S］.

［13］GB/T 24175-2009，钢渣稳定性试验方法［S］.

［14］JTG D30-2015，公路路基设计规范［S］.

［15］叶正强，李爱群，杨国华，等.粘性土的渗透规律性研究［J］.东南大学学报，1999（5）：121-125.

基金项目：中央引导地方科技项目“广西典型固体废弃物道路领域综合资源化利用技术研发中心”（编号：桂科ZY21195043）；南宁市创新创业领军人才“邕江计划”资助项目（编号：2019009）

作者简介：李 曜（1996—），助理工程师，主要从事道路与桥梁相关研究工作。