鋼渣在公路軟土地基處理中的應用研究

藍天助 張紅日 官少龍 魏見海

摘要：文章取防城港某鋼鐵廠的陳渣為研究對象，分析了鋼渣的化學成分、鋼渣級配、主要物理指標及力學指標，并在此基礎上探討了鋼渣在公路軟土地基處理方面的應用，主要應用形式有鋼渣混凝土樁、柔性鋼渣樁、鋼渣墊層、鋼渣改良體等，在公路軟土地基處理工程實際中可根據具體的情況選擇合理的方法。此外，在鋼渣應用中仍需要注意鋼渣集料的安定性、鋼渣的運輸、鋼渣對環境的污染等問題，應用中應確保鋼渣的安定性合格，對環境影響小，且不會產生太大的運輸成本。

關鍵詞：公路;鋼渣;軟土;地基處理

0 引言

隨著經濟的快速發展，對鋼鐵的需求逐年增多。2017年，我國的粗鋼產量約8.32億t[1]，2018年的粗鋼產量約9.28億t[2]，而鋼渣作為鋼鐵工業的副產品，其產量約為粗鋼產量的10%～15%[3]，該產量也隨著鋼鐵產量的增加而增多。目前我國對鋼渣的利用技術還不夠成熟，鋼渣利用率不到30%[4]，導致鋼渣過剩，過多的鋼渣將占據大量耕地，且如果處置不當，還會造成環境問題[5]。所以，對鋼渣利用的探索是目前的研究熱點之一。

目前，對鋼渣利用也有不少研究，已有文獻研究顯示，可以利用鋼渣替代石灰作為冶金工業的原材料，從而降低冶金在原材料的生產成本[6]，另外，還可以利用鋼渣生產水泥、農業化肥等，鋼渣的應用研究已經涉及多個領域，但在公路軟土地基處理中的應用方面的研究較少，且已有研究偏于理論方面，缺乏工程應用。本文在分析鋼渣物理化學性質的基礎上，深入探討了鋼渣在公路軟土地基處理方面的應用。

1 鋼渣的基本性質

1.1 鋼渣的化學性質

鋼渣的主要化學成分為鈣、鎂、硅、鐵的氧化物，但不同煉鋼工藝及不同的鋼渣處理方式對鋼渣的化學成分含量有一定的影響。

鋼渣進行X熒光光譜半定量分析后得出的化學成分含量。從表1可知，該鋼渣CaO、Fe2O3、SiO2成分占據了主要比例。鋼渣中含有少量的游離氧化鈣和游離氧化鎂，通過取多組試樣試驗，測得防城港某鋼鐵廠的鋼渣游離氧化鈣含量為1%～4%，游離氧化鎂的含量為0.02%～0.05%。

另外，通過半定量分析，鋼渣集料中含有少量的重金屬元素，主要有鉻、錳、汞、釩、鋅等，其含量分別為0.59%、3.61%、0.088%、0.21%、0.012%。

1.2 鋼渣的物理性質

1.2.1 鋼渣的級配

鋼渣的級配隨存放時間的不同略有波動。取防城港某鋼鐵廠存放的鋼渣進行篩分試驗，其級配范圍如表2所示。該鋼渣集料主要粒徑集中在2.36～9.5mm范圍。

1.2.2 鋼渣的物理力學指標

鋼渣的陳化處理對鋼渣的物理力學指標有一定的影響。取多組防城港某鋼鐵廠不同存放時間的鋼渣進行物理力學指標試驗，試驗結果如表3所示。從試驗結果可以看出，鋼渣集料的堅固性良好，具有較高的硬度和強度，密度和吸水率較大，CBR值與天然石料接近。由此可見，鋼渣具有良好的建筑材料的性能。

2 鋼渣在公路軟土地基中的應用形式

2.1 鋼渣混凝土樁

鋼渣混凝土樁與素混凝土樁類似，是由粗骨料、細骨料、膠凝材料、水等材料拌和，經過凝結硬化后，形成的一種混凝土結構。通過添加不同的原材料，可以制作不同的鋼渣混凝土樁。常用的制作鋼渣混凝土樁的鋼渣原材料有鋼渣粗骨料、鋼渣細骨料、鋼渣粉等，通過摻入鋼渣原材料制作多種鋼渣混凝土樁。常用的鋼渣混凝土的原材料如表4所示。

鋼渣混凝土樁處理公路軟土地基的作用及原理與素混凝土樁的類似，將鋼渣原材料按一定的比例拌和成具有一定的強度的剛性樁體，并在樁間土與樁體上部鋪設一定厚度的褥墊層，形成復合地基，使上部荷載通過褥墊層傳至樁間土與樁體后向基地擴散。在軟土地基中設置鋼渣混凝土樁后，部分軟土被擠開，擠開的空間由鋼渣混凝土樁體占據，樁間土在一定程度上被擠密，且在變形過程中，由于剛度差異，樁間土會受到樁體的約束作用。所以，鋼渣樁處理軟土地基的主要作用有置換效應、擠密效應、約束效應[7]。鋼渣混凝土樁處理軟土地基主要應用于軟土厚度較大的地基，其常用的施工方法有長螺旋鉆桿施工和振動沉管法施工。采用長螺旋鉆桿施工時，其鋼渣混凝土拌和物的坍落度一般為160～200mm;采用振動沉管法施工時混合料坍落度一般為30～50mm。在實際工程應用中應根據地質條件、施工條件等綜合考慮，選擇合理的施工方法。

2.2 柔性鋼渣樁

柔性鋼渣樁是一種柔性樁，主要是以鋼渣集料為填充料制成的一種密實樁體，并在樁間土與樁體上部鋪設一定厚度的褥墊層，形成復合地基。上部荷載傳遞到褥墊層后由樁與樁間土共同承擔。柔性鋼渣樁復合地基的作用類似于碎石樁復合地基，主要有樁體作用、墊層作用、排水作用、擠密作用、加筋作用等。柔性鋼渣樁一般適用于處理可液化軟土地基，但對不排水抗剪強度<20kPa的軟土地基[8]，采用柔性鋼渣樁時須慎重。柔性鋼渣樁常用的施工方法有振沖法施工及沉管法施工。振沖法是在振沖器振動及高壓水流的作用下，將振沖器送達設計標高位置，清理后填入鋼渣集料，在振動作用下密實，形成柔性鋼渣樁。振沖法施工柔性鋼渣樁的主要流程如下：[JP1]（1）清表，平整場地，使得施工場地利于機械移動;（2）測量定位，布置好樁位，樁位的布置應按設計圖紙進行，偏差應≤3cm;（3）樁基就位，啟動，在指定樁位上成孔;（4）填入鋼渣集料，邊振邊拔，嚴格控制成樁速度，直至樁頂;（5）關機移入下一樁位。為了確保施工施工質量，振沖法在施工過程中，應嚴格把關填料量、密實電流和留振時間。沉管法施工柔性鋼渣樁的施工工藝與振沖法類似。沉管法施工流程為：（1）清理表土，平整場地;（2）測量放樣，布置好樁位;（3）沉管打樁機就位，啟動，使沉管沉入設定高度;（4）填入鋼渣集料，逐步拔管;（5）單樁施工結束，移位至下一樁位。柔性鋼渣樁施工完畢后，需鋪設褥墊層，褥墊層應分層碾壓施工，并確保壓實度達到設計要求。

2.3 鋼渣墊層

鋼渣墊層法與換土墊層法的作用原理類似。鋼渣墊層法是將軟弱土全部或部分挖除，換填鋼渣集料，并按要求壓實，地基應力通過墊層擴散，使得傳至下部軟弱土層的應力減少，從而提高地基承載力。鋼渣集料的物理力學性質跟碎石相近，具有較高的硬度和強度。從鋼渣的篩分試驗可以看出，未篩分的鋼渣是一種級配較好的粗粒類土，能夠以較小的壓實功密實，且鋼渣集料本身含有活性的成分，經過碾壓后的鋼渣具有一定的板結性，板結后的鋼渣墊層強度和穩定性得到進一步提高[9]。換填后，地基沉降減少，承載力得到提高。鋼渣墊層法一般用于處理路基軟土厚度<3cm的公路地基。鋼渣墊層施工前要先挖除軟土，必要時降低水位。鋼渣采用未篩分的鋼渣，但如果鋼渣材料含有較多20cm以上的塊體，攤鋪前應先剔除。調整鋼渣集料的含水率至最佳含水率，然后先夯實，后振動碾壓，采用夯實、振動與碾壓聯合作用的施工工藝。施工過程中應控制好干密度及壓實度，使地基承載力達到設計要求。

2.4 鋼渣改良體

[JP1]已有試驗研究表明，鋼渣可以改良黏土的物理力學性質。黏土摻入鋼渣集料后，其回彈模量、抗剪強度、加州承載比都得到了很大的提高[10]。且鋼渣與土體混合后，鋼渣集料表面的這些活性成分會與黏土中的水發生反應，生成水化膠凝成分及氫氧化物，使得鋼渣黏土混合體的強度、水穩定性更強。所以，鋼渣可以與地基中的軟弱土混合，從而改善軟弱土體的物理力學性質。鋼渣改良地基土的形式通常有兩種：（1）鋼渣與淺層地基軟弱土體攪拌形成淺層改良體;（2）鋼渣與地基土攪拌，形成柱狀式改良體。

2.4.1 鋼渣淺層改良體

此方法結合了地基處理中的淺層處理模式，其施工方法跟淺層固化施工地基處理方法類似。施工之前先進行場地平整，低洼處采用素土回填;將需要作淺層處理的區域進行網格劃分，根據處理深度計算每一小網格區域所需的鋼渣量;對鋼渣和土體以從上到下逐步深入、從一端到另一端的方式進行強力攪拌，攪拌時相鄰段之間應有≥10m的搭接寬度;攪拌均勻后用挖機填平，并用壓路機進行振動壓實。

2.4.2 鋼渣柱狀改良體

鋼渣柱狀改良體是一種結合了深層攪拌樁的地基處理模式，其施工方法跟深層攪拌樁類似。其主要施工工藝流程為：（1）清表，場地平整;（2）樁位放樣，根據平面圖放出每一處樁位;（3）樁機就位，樁機應對準攪拌樁位中心位置，且需保證垂直度滿足設計要求;（4）鉆進到設定高度;（5）投入鋼渣集料，并進行強力攪拌;（6）提升鉆桿后再放入鋼渣集料，并進行攪拌，如此往復，直至樁頂，且上下攪拌之間應確保一定長度的搭接以進行重復攪拌;（7）關機，移入下一樁位。施工完畢后，需鋪設褥墊層，褥墊層的施工應分層碾壓施工，并確保壓實度達到設計要求。

3 鋼渣在軟土地基處理中存在的問題

3.1 鋼渣集料安定性不良

鋼渣集料具有一定的f-CaO和f-MgO。已有研究表明，f-CaO和f-MgO會使鋼渣膨脹，并使鋼渣集料粉化[11]。由于鋼渣中f-MgO的含量較小，所以引起鋼渣集料安定性不良的主要原因是鋼渣中的f-CaO。水氣通過鋼渣表面的細微孔隙滲透到集料內部后，鋼渣中的f-CaO與水發生反應，生成氫氧化鈣和水，其體積增大為約原來的兩倍，從而產生較大的膨脹應力。鋼渣混凝土中，鋼渣集料的安定性不良會導致混凝土出現開裂，使用壽命大打折扣。所以在用鋼渣骨料制作鋼渣混凝土樁之前，應對鋼渣骨料的f-CaO的含量進行測定，并對鋼渣集料和鋼渣混凝土進行壓蒸試驗，在確保鋼渣混凝土安定性合格后才能應用到公路軟土地基處理中。

利用鋼渣集料作墊層處理公路軟土地基也需注意鋼渣的安定性問題，墊層膨脹過大會破壞路面，因此，鋼渣墊層或鋼渣黏土墊層在應用過程中也需使用安定性良好的鋼渣集料。根據公路工程集料試驗規程，道路工程用鋼渣的安定性能通常用浸水膨脹試驗來評價，其膨脹量計算如式（1）所示，《鋼渣混合料路面基層施工技術規程》中規定筑路用鋼渣的浸水膨脹率≤2%[12]。

3.2 鋼渣密度過大

鋼渣的密度較大，所以在鋼渣應用到公路軟土地基處理過程中應考慮其運輸問題。如果運輸距離太遠，會導致運輸成本增加，所以鋼渣的利用盡量考慮就近原則，以節省運輸成本。

3.3 對環境的影響

鋼渣中含有少量的重金屬元素，在水土環境中會有少量的重金屬析出。由于鋼渣混凝土樁中的鋼渣骨料被膠凝材料包裹，因此，鋼渣混凝土樁產生的污染較小;對于柔性鋼渣樁、鋼渣墊層、鋼渣黏土墊層，因鋼渣直接與水土接觸，在公路軟土地基處理中會有少量的重金屬從鋼渣集料中析出，析出的重金屬離子會污染水土。因此，鋼渣樁、鋼渣墊層及鋼渣改良體應用于公路軟土地基前應進行重金屬析出方面的試驗研究，或者對鋼渣進行適當處理后應用到軟土地基處理中，以確保不對環境產生太大的影響。

4 結語

（1）化學試驗分析顯示，鋼渣化學成分中主要以CaO、Fe2O3、SiO2為主，并含有少量的鉻、錳、汞、釩、鋅等重金屬元素。另外，鋼渣中含有少量的游離氧化鈣和游離氧化鎂等成分。

（2）鋼渣集料的粒徑范圍為0～26.5mm，主要粒徑集中在2.36～9.5mm之間，其級配隨陳化時間略有波動。鋼渣具有較高的硬度、強度和CBR值，其物理力學性質與石料接近。

（3）鋼渣在公路軟土地基中的應用形式主要有鋼渣混凝土樁、柔性鋼渣樁、鋼渣墊層、鋼渣改良體等，在公路軟土地基處理中應根據地質情況、施工條件等綜合選定。

（4）鋼渣在公路軟土地基處理中需要考慮鋼渣集料安定性不良、鋼渣密度大、鋼渣重金屬析出等問題，所以鋼渣在應用之前應進行安定性試驗及重金屬析出評估試驗，評價鋼渣的可用性，評價不合格的鋼渣應進行適當的處理后再進行應用。

參考文獻：

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