鋼渣改良土路堤的重金屬滲出試驗研究

基金項目：

2020年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目“摻鋼渣土的重金屬污染特性試驗研究”（編號：2020KY34011）

作者簡介：

盤 霞（1982— ），碩士，副教授，工程師，主要從事地質與巖土工程相關教學及科研工作。

摘要：文章通過土工試驗制備鋼渣改良土試樣，采用pH=7、pH=4.5兩種pH值的滲濾液，對不同鋼渣摻量的改良土進行注滲試驗，分析試驗數據，研究鋼渣改良土路堤的重金屬離子滲出規律。結果表明：在鋼渣改良土填筑區，鉛離子滲出濃度較大，地下水會受到污染；滲濾液的pH值對重金屬的滲出濃度影響較大，酸性環境下滲出濃度增大，中性環境下滲出濃度減小；在鋼渣土填筑區，短期內地下水受到的污染較大，但隨著時間的推移，污染濃度會迅速降低；從環境保護的角度考慮，30%的摻渣量是鋼渣改良土的最佳配比。

關鍵詞：鋼渣改良土；重金屬離子；滲出規律；pH值

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A 04 012 2

0 引言

鋼渣是來自鋼鐵制造企業的大宗固體廢棄物，年排放量達1.5×108 t 以上。這些排放量巨大的鋼渣具有耐磨性能優、強度高、抗凍融性好的特點，優于普通的花崗巖等碎石料，性能指標等均滿足工程集料的技術要求。因此，將鋼渣規模化應用于道路工程填筑或改良軟土路基性能，成為鋼鐵制造企業的首選。然而，鋼渣中含有較豐富的重金屬，將鋼渣或鋼渣與土混合填筑于地下，在雨水的淋漓與地下水的浸泡下，重金屬滲出物是否對環境造成影響有待論證。文章通過公路工程土工試驗與環境試驗相結合的方式，對鋼渣、鋼渣改良土中重金屬的滲出能力進行評價，以評估鋼渣在應用于道路工程填筑時的污染風險。［1-3］

1 鋼渣的化學成分分析

在道路工程中，陳化一年及以上的鋼渣（即通過堆存消解鋼渣中所含的f-CaO），加水拌和后可用于路堤、溝槽等大面積工程回填，也可與土拌和用于軟弱路基的處理。基于鋼渣在道路工程中應用的特點，取來自廣西某鋼鐵集團陳化12個月的廢棄鋼渣進行試驗，表1為鋼渣的化學成分分析表。

由表1可見，鋼渣常量組分主要有SiO2、Fe2O3、CaO、MgO、Al2O3，其中SiO2、CaO、Al2O3占較大比例，約占總含量的86％。鋼渣微量組分含鋅（Zn）、錳（Mn）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、鎳（Ni）、鉻（Cr）、砷（As）等，其中鋅、錳、銅、鉛、鎘五種微量組分含量較大，鎳、鉻、砷三種微量組分含量較小，因此注滲試驗選擇含量較大的五種重金屬：鋅、錳、銅、鉛、鎘作為研究對象。

2 土與鋼渣的物理性質指標

試驗所用土樣為取自廣西某在建高速公路的淤泥質黏土與粉質黏土，鋼渣為取自廣西某鋼鐵集團陳化12個月的廢棄鋼渣。粉質黏土呈褐色，透水性較差，強度低，可壓縮性高；淤泥質黏土呈暗褐色，透水性極差，強度低，可壓縮性高，可塑性強，具有弱膨脹性；鋼渣呈灰黑色，表面粗糙，顆粒呈塊狀。根據《公路土工試驗規程》（JTG3430-2020）［4］測定淤泥質黏土、粉質黏土與鋼渣的比重、液限、塑限、塑性指數、最優含水率和最大干密度，相關物理性質指標如表2所示。

由表2可見，通過土工試驗獲得粉質黏土的比重為2.71、液限為28.2%、塑限為18.8%、塑性指數為9.4、最優含水率為19.3%，最大干密度為1.72 g/cm3；淤泥質黏土的比重為2.73、液限為40.5%、塑限為19.3%、塑性指數為21.2%、最優含水率為20.5%、最大干密度為1.71 g/cm3；鋼渣最優含水率為5.1%，最大干密度為2.41 g/cm3。土工試驗所測得的物理性質指標為注滲試驗試樣的制備提供參考。

3 試驗方法與步驟

3.1 試驗方法

試驗借鑒美國著名學者Craig H.Benson研究工業廢棄物的一種試驗方法［5-6］，并根據國內公路行業標準對該試驗方法進行改進，名為注滲試驗。該試驗根據《公路土工試驗規程》（JTG3430-2020）中擊實試驗規程制備土樣，把土樣放進一個尺寸按輕型擊實筒設計的裝置里（見圖1），在裝置上方放置儲水容器，用水管連接儲水容器與裝置底部，使水流從底部流進，頂部流出，通過定時收集滲出液，測出溶液中重金屬滲出物的濃度，模擬將樣品置于地下水位以下重金屬滲出的真實場景。［7］

3.2 試驗步驟

（1）參考土工試驗所測最優含水率等物理性質指標，根據《公路土工試驗規程》擊實試驗規程制備粉質黏土、淤泥質黏土、鋼渣以及不同摻渣量鋼渣改良土試樣共18個：含粉質黏土、淤泥質黏土、鋼渣試樣各2個，粉質黏土、淤泥質黏土摻鋼渣量分別為10%、30%、50%的混合試樣各2個。

（2）把制備好的試樣放入密封的注滲試驗裝置中，并將進水管與高處的水槽相連，出水管下方放置量杯。試驗開始時，回水槽中注滲濾液（滲濾液為pH=7的蒸餾水和pH=4.5的醋酸鈉溶液），使得液體從進水管流入裝置，從出水管流出，用量杯接出水管流出的滲出液。先用蒸餾水對所有試樣進行試驗，完畢后再用pH=4.5醋酸鈉溶液進行試驗。

（3）滲出液收集。在出水口處放置量杯收集滲出液，待滲出液集滿100 ml時記錄滲出液的收集時間、體積和滲出液的pH值，并及時測定鋅（Zn）、錳（Mn）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎘（Cd）5種離子的滲出濃度，收集滲出液滿7 d，待離子的滲出濃度較小且趨于穩定，終止試驗。

4 試驗數據分析

對所制備的18個試樣進行柱滲試驗，測定鋅（Zn）、錳（Mn）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鎘（Cd）5種離子的滲出濃度，分析試驗數據發現以下規律：（1）2種改良土離子滲出規律相似；（2）所有試樣中鋅（Zn）、錳（Mn）、銅（Cu）、鎘（Cd）的滲出濃度較小，均未超過《生活飲用水衛生標準》［8］的上限值，只有Pb離子的滲出濃度超過《生活飲用水衛生標準》的上限值0.01 mg/L，但未超過《污水綜合排放標準》［9］的上限值1.0 mg/L；（3）五種重金屬離子在同一試樣中滲出濃度規律相近。因此，下文僅以一種土，即鋼渣改良淤泥質黏土為樣本，只對鉛離子滲出濃度進行數據分析。

表3記錄了各試樣滲出液的pH值、鉛離子的初始滲出濃度，黑體字部分為未達到《生活飲用水衛生標準》試樣的初始滲出濃度。表3中數據顯示，當滲濾液pH=7，鋼渣改良土滲出液pH值會減小；當滲濾液pH=4.5，鋼渣改良土滲出液pH值由堿性變成酸性。當滲濾液pH=7時，鋼渣試樣鉛離子初始滲出濃度為0.2 mg/L、摻渣量為50%試樣鉛離子的初始滲出濃度為0.06 mg/L，僅有這兩個試樣鉛離子初始滲出濃度超過《生活飲用水衛生標準》的上限值0.01 mg/L。當滲濾液pH=4.5時，同樣僅有鋼渣、摻渣量為50%的試樣初始滲出濃度分別為0.35 mg/L、0.1 mg/L，超過《生活飲用水衛生標準》的上限值0.01 mg/L。由此可見，無論在中性還是酸性條件下，當改良土中鋼渣摻量≤30%時，改良土對地下水環境不會造成污染。

為分析鉛離子滲出濃度與滲出時間的關系，繪制鉛離子滲出濃度與時間關系曲線見圖2和后頁圖3。由圖2、圖3可以看出，各摻渣量改良土的初始滲出濃度較大，但濃度隨著時間的增加迅速減小，于試驗1 d后趨于平緩；鉛離子滲出濃度隨著摻渣量的增加而增加，但增加幅度不大。鉛離子在滲濾液pH值=7時的滲出濃度比滲濾液pH值=4.5時的滲出濃度小。由此可見，pH值為酸性時會使鉛離子的滲出濃度增大，毒性增強。

綜上所述，所測五種離子中，鉛離子滲出濃度高、毒性大。當滲濾液pH=7時，鉛離子滲出濃度較小，當滲濾液pH=4.5時，滲出濃度變大；鉛離子的滲出濃度隨著摻渣量的增大而增大，摻砂量≤30%時，鉛離子滲出濃度小于《生活飲用水衛生標準》上限值0.01 mg/L；改良土中的鉛離子初始滲出濃度較大，但濃度隨著時間的增加迅速減小。

5 結語

（1）試驗所測試的五種重金屬離子，在中性（pH=7）與酸性（pH=4.5）條件下，具有毒性的鉛離子滲出濃度大于《生活飲用水衛生標準》的上限值。由此可見，在鋼渣改良土填筑區，地下水受到污染。

（2）滲濾液的pH值對重金屬的滲出濃度影響較大，酸性環境下滲出濃度增大，中性環境下滲出濃度減小。因此在酸雨地區，應避免填筑鋼渣改良土。

（3）重金屬離子的初始滲出濃度較大，但滲出濃度隨著時間的增加迅速降低。因此，在鋼渣土填筑區，短期內地下水受到的污染較大，但隨著時間的推移，污染濃度會迅速降低。

（4）摻鋼渣含量越大，金屬離子的滲出濃度越大，但當摻渣量為30%時，金屬離子滲出濃度處于一個臨界值，滲出濃度小于《生活飲用水衛生標準》的上限值。因此，從環境的角度考慮，建議將摻渣量30%作為鋼渣改良土的最佳配比。

參考文獻

［1］崔 偉.鋼渣—石灰改良鹽漬土的試驗研究［J］.山西建筑，2017，43（18）：48-50.

［2］官少龍，毛志剛，吳安耀，等.以鋼渣為骨料的混凝土基本性能研究及應用［J］.西部交通科技，2019（7）：1-3.

［3］蘭素戀，徐志強，張紅日.鋼渣樁在濱海公路軟基處治中的應用研究［J］.紅水河，2017（6）：76-78.

［4］JTG3430-2020，公路土工試驗規程［S］.

［5］Jay R. Kleven，Tuncer B. Edil，and Craig H.Benson.Evaluation of Excess Foundry System Sands for Use as Subbase Material［J］，Departmenoft Civil and Environmental eingineering，2005（12）：16-20.

［6］Abichou，T.Benson，C.H.Edil.Hydraulic conductivity of foundry sands and their use as hydraulic barriers［J］.Geotechnical Special Publication，2004（127）：186-200.

［7］盤 霞，黃 強.工業廢棄物改良土污染特性試驗方法研究［J］.西部交通科技，2018（12）：18-21.

［8］GB5749-2022，生活飲用水衛生標準［S］.

［9］GB8978-1996，污水綜合排放標準［S］.