鋼渣在公路軟土地基處理中的應(yīng)用研究

藍(lán)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(xué)成分、鋼渣級(jí)配、主要物理指標(biāo)及力學(xué)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上探討了鋼渣在公路軟土地基處理方面的應(yīng)用，主要應(yīng)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(shí)際中可根據(jù)具體的情況選擇合理的方法。此外，在鋼渣應(yīng)用中仍需要注意鋼渣集料的安定性、鋼渣的運(yùn)輸、鋼渣對環(huán)境的污染等問題，應(yīng)用中應(yīng)確保鋼渣的安定性合格，對環(huán)境影響小，且不會(huì)產(chǎn)生太大的運(yùn)輸成本。

關(guān)鍵詞：公路;鋼渣;軟土;地基處理

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對鋼鐵的需求逐年增多。2017年，我國的粗鋼產(chǎn)量約8.32億t[1]，2018年的粗鋼產(chǎn)量約9.28億t[2]，而鋼渣作為鋼鐵工業(yè)的副產(chǎn)品，其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的10%～15%[3]，該產(chǎn)量也隨著鋼鐵產(chǎn)量的增加而增多。目前我國對鋼渣的利用技術(shù)還不夠成熟，鋼渣利用率不到30%[4]，導(dǎo)致鋼渣過剩，過多的鋼渣將占據(jù)大量耕地，且如果處置不當(dāng)，還會(huì)造成環(huán)境問題[5]。所以，對鋼渣利用的探索是目前的研究熱點(diǎn)之一。

目前，對鋼渣利用也有不少研究，已有文獻(xiàn)研究顯示，可以利用鋼渣替代石灰作為冶金工業(yè)的原材料，從而降低冶金在原材料的生產(chǎn)成本[6]，另外，還可以利用鋼渣生產(chǎn)水泥、農(nóng)業(yè)化肥等，鋼渣的應(yīng)用研究已經(jīng)涉及多個(gè)領(lǐng)域，但在公路軟土地基處理中的應(yīng)用方面的研究較少，且已有研究偏于理論方面，缺乏工程應(yīng)用。本文在分析鋼渣物理化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，深入探討了鋼渣在公路軟土地基處理方面的應(yīng)用。

1 鋼渣的基本性質(zhì)

1.1 鋼渣的化學(xué)性質(zhì)

鋼渣的主要化學(xué)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(xué)成分含量有一定的影響。

鋼渣進(jìn)行X熒光光譜半定量分析后得出的化學(xué)成分含量。從表1可知，該鋼渣CaO、Fe2O3、SiO2成分占據(jù)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(yàn)，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(zhì)

1.2.1 鋼渣的級(jí)配

鋼渣的級(jí)配隨存放時(shí)間的不同略有波動(dòng)。取防城港某鋼鐵廠存放的鋼渣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，其級(jí)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(xué)指標(biāo)

鋼渣的陳化處理對鋼渣的物理力學(xué)指標(biāo)有一定的影響。取多組防城港某鋼鐵廠不同存放時(shí)間的鋼渣進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼渣集料的堅(jiān)固性良好，具有較高的硬度和強(qiáng)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(yīng)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(xì)骨料、膠凝材料、水等材料拌和，經(jīng)過凝結(jié)硬化后，形成的一種混凝土結(jié)構(gòu)。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(xì)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(qiáng)度的剛性樁體，并在樁間土與樁體上部鋪設(shè)一定厚度的褥墊層，形成復(fù)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?cái)U(kuò)散。在軟土地基中設(shè)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(jù)，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?xí)艿綐扼w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(yīng)、擠密效應(yīng)、約束效應(yīng)[7]。鋼渣混凝土樁處理軟土地基主要應(yīng)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(dòng)沉管法施工。采用長螺旋鉆桿施工時(shí)，其鋼渣混凝土拌和物的坍落度一般為160～200mm;采用振動(dòng)沉管法施工時(shí)混合料坍落度一般為30～50mm。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)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(shí)樁體，并在樁間土與樁體上部鋪設(shè)一定厚度的褥墊層，形成復(fù)合地基。上部荷載傳遞到褥墊層后由樁與樁間土共同承擔(dān)。柔性鋼渣樁復(fù)合地基的作用類似于碎石樁復(fù)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(qiáng)度<20kPa的軟土地基[8]，采用柔性鋼渣樁時(shí)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(dòng)及高壓水流的作用下，將振沖器送達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高位置，清理后填入鋼渣集料，在振動(dòng)作用下密實(shí)，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(jī)械移動(dòng);（2）測量定位，布置好樁位，樁位的布置應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行，偏差應(yīng)≤3cm;（3）樁基就位，啟動(dòng)，在指定樁位上成孔;（4）填入鋼渣集料，邊振邊拔，嚴(yán)格控制成樁速度，直至樁頂;（5）關(guān)機(jī)移入下一樁位。為了確保施工施工質(zhì)量，振沖法在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)填料量、密實(shí)電流和留振時(shí)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(jī)就位，啟動(dòng)，使沉管沉入設(shè)定高度;（4）填入鋼渣集料，逐步拔管;（5）單樁施工結(jié)束，移位至下一樁位。柔性鋼渣樁施工完畢后，需鋪設(shè)褥墊層，褥墊層應(yīng)分層碾壓施工，并確保壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)，地基應(yīng)力通過墊層擴(kuò)散，使得傳至下部軟弱土層的應(yīng)力減少，從而提高地基承載力。鋼渣集料的物理力學(xué)性質(zhì)跟碎石相近，具有較高的硬度和強(qiáng)度。從鋼渣的篩分試驗(yàn)可以看出，未篩分的鋼渣是一種級(jí)配較好的粗粒類土，能夠以較小的壓實(shí)功密實(shí)，且鋼渣集料本身含有活性的成分，經(jīng)過碾壓后的鋼渣具有一定的板結(jié)性，板結(jié)后的鋼渣墊層強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到進(jìn)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(shí)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(yīng)先剔除。調(diào)整鋼渣集料的含水率至最佳含水率，然后先夯實(shí)，后振動(dòng)碾壓，采用夯實(shí)、振動(dòng)與碾壓聯(lián)合作用的施工工藝。施工過程中應(yīng)控制好干密度及壓實(shí)度，使地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.4 鋼渣改良體

[JP1]已有試驗(yàn)研究表明，鋼渣可以改良黏土的物理力學(xué)性質(zhì)。黏土摻入鋼渣集料后，其回彈模量、抗剪強(qiáng)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(huì)與黏土中的水發(fā)生反應(yīng)，生成水化膠凝成分及氫氧化物，使得鋼渣黏土混合體的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性更強(qiáng)。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(xué)性質(zhì)。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(jié)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(jìn)行場地平整，低洼處采用素土回填;將需要作淺層處理的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)處理深度計(jì)算每一小網(wǎng)格區(qū)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(jìn)行強(qiáng)力攪拌，攪拌時(shí)相鄰段之間應(yīng)有≥10m的搭接寬度;攪拌均勻后用挖機(jī)填平，并用壓路機(jī)進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)。

2.4.2 鋼渣柱狀改良體

鋼渣柱狀改良體是一種結(jié)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(jù)平面圖放出每一處樁位;（3）樁機(jī)就位，樁機(jī)應(yīng)對準(zhǔn)攪拌樁位中心位置，且需保證垂直度滿足設(shè)計(jì)要求;（4）鉆進(jìn)到設(shè)定高度;（5）投入鋼渣集料，并進(jìn)行強(qiáng)力攪拌;（6）提升鉆桿后再放入鋼渣集料，并進(jìn)行攪拌，如此往復(fù)，直至樁頂，且上下攪拌之間應(yīng)確保一定長度的搭接以進(jìn)行重復(fù)攪拌;（7）關(guān)機(jī)，移入下一樁位。施工完畢后，需鋪設(shè)褥墊層，褥墊層的施工應(yīng)分層碾壓施工，并確保壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)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(huì)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(xì)微孔隙滲透到集料內(nèi)部后，鋼渣中的f-CaO與水發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鈣和水，其體積增大為約原來的兩倍，從而產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力。鋼渣混凝土中，鋼渣集料的安定性不良會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)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(yīng)對鋼渣骨料的f-CaO的含量進(jìn)行測定，并對鋼渣集料和鋼渣混凝土進(jìn)行壓蒸試驗(yàn)，在確保鋼渣混凝土安定性合格后才能應(yīng)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(huì)破壞路面，因此，鋼渣墊層或鋼渣黏土墊層在應(yīng)用過程中也需使用安定性良好的鋼渣集料。根據(jù)公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程，道路工程用鋼渣的安定性能通常用浸水膨脹試驗(yàn)來評(píng)價(jià)，其膨脹量計(jì)算如式（1）所示，《鋼渣混合料路面基層施工技術(shù)規(guī)程》中規(guī)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(yīng)用到公路軟土地基處理過程中應(yīng)考慮其運(yùn)輸問題。如果運(yùn)輸距離太遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸成本增加，所以鋼渣的利用盡量考慮就近原則，以節(jié)省運(yùn)輸成本。

3.3 對環(huán)境的影響

鋼渣中含有少量的重金屬元素，在水土環(huán)境中會(huì)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(chǎn)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(huì)有少量的重金屬從鋼渣集料中析出，析出的重金屬離子會(huì)污染水土。因此，鋼渣樁、鋼渣墊層及鋼渣改良體應(yīng)用于公路軟土地基前應(yīng)進(jìn)行重金屬析出方面的試驗(yàn)研究，或者對鋼渣進(jìn)行適當(dāng)處理后應(yīng)用到軟土地基處理中，以確保不對環(huán)境產(chǎn)生太大的影響。

4 結(jié)語

（1）化學(xué)試驗(yàn)分析顯示，鋼渣化學(xué)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(jí)配隨陳化時(shí)間略有波動(dòng)。鋼渣具有較高的硬度、強(qiáng)度和CBR值，其物理力學(xué)性質(zhì)與石料接近。

（3）鋼渣在公路軟土地基中的應(yīng)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(yīng)根據(jù)地質(zhì)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(yīng)用之前應(yīng)進(jìn)行安定性試驗(yàn)及重金屬析出評(píng)估試驗(yàn)，評(píng)價(jià)鋼渣的可用性，評(píng)價(jià)不合格的鋼渣應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗笤龠M(jìn)行應(yīng)用。

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