李曜 李銘 張仰鵬 江廷薈

摘要：為評(píng)價(jià)鋼渣改良土的路用性能，文章研究制備了3種鋼渣摻量的路基材料，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)確定鋼渣與素土的最佳比例，開(kāi)展最佳比例下鋼渣土的力學(xué)和體積穩(wěn)定性試驗(yàn)。結(jié)果表明：與素土相比，鋼渣土的物理性能顯著提高，土體的水穩(wěn)定性得到提升；最佳的鋼渣摻量為50%，在此比例下，鋼渣土具備最高的承載比數(shù)值（48%），兼具經(jīng)濟(jì)性和工程表現(xiàn)的壓實(shí)性能，且具有較大規(guī)模的鋼渣利用率；鋼渣的加入使得土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到大幅提高，鋼渣土的體積穩(wěn)定性也符合規(guī)范的要求?；谝陨辖Y(jié)果說(shuō)明，鋼渣土具有良好的工程性能。

關(guān)鍵詞：鋼渣；改良土；路基材料；物理性能；穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.03? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4974（2024）04-0046-03

0 引言

鋼渣是鋼鐵廠煉鋼過(guò)程中的一種工業(yè)伴生物，其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的10%～15%。2012年，我國(guó)鋼渣的年產(chǎn)量為9 000×104 t，2020年，年產(chǎn)量已超1×108 t，居于世界首位［1-2］。當(dāng)前，我國(guó)累積的鋼渣量已超40×108 t，但資源化利用率＜30%，相比于發(fā)達(dá)國(guó)家近100%的利用率而言［3］，差距十分顯著，鋼渣堆砌造成的環(huán)境負(fù)擔(dān)愈加嚴(yán)重。

鋼渣高強(qiáng)度、耐磨特性和力學(xué)穩(wěn)定性可有效提高路基的承載力和穩(wěn)定性，鋼渣內(nèi)C2S、C3S和C4AF等主要含量與水泥組成成分相近，可作為膠凝材料代替水泥、石灰等，用于路基土的加固及不良土特性改良。日本采用經(jīng)過(guò)蒸汽陳化方法處理過(guò)的鋼渣作為路床材料，長(zhǎng)期工程監(jiān)測(cè)證明該材料具備作為路床材料的基本性能，且具有足夠的穩(wěn)定性。美國(guó)研究者將鋼渣土作為路基土進(jìn)行了穩(wěn)定性研究，分析了包括水穩(wěn)性的影響因素、水侵蝕的原因、評(píng)判水穩(wěn)性的技術(shù)以及如何防止、避免水侵蝕等。我國(guó)的路基鋼渣應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，1965年使用平爐鋼渣結(jié)合土作為路基材料，應(yīng)用多年后證明鋼渣用于路基填筑效果良好［4］。1994年，上海某路基采用鋼渣填筑，共計(jì)使用了1.5×104 t鋼渣，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行考核，路基穩(wěn)定且下沉量小，平均沉降僅3 cm［5-6］。2006年，馮群英［7］研究了昆鐵鋼渣相關(guān)性能指標(biāo)，提出鋼渣混合料配合比，并在安晉高速公路建設(shè)中進(jìn)行使用。2016年，王天宇［8］依托焦山門(mén)至大云公路，用鋼渣代替石渣作為路基填料，使用表明鋼渣用于路基鋪筑效果良好，鋼渣灰土易達(dá)到要求的壓實(shí)度。2020年，何坤［9］以包頭鋼鐵廠的陳化水渣、熱潑渣為研究對(duì)象，探討了摻拌比例對(duì)混合鋼渣路用性能的影響規(guī)律，并應(yīng)用于國(guó)道110線包頭北繞城段公路的路基填筑。

基于以上背景，本文以廣西地區(qū)典型填土與鋼渣為研究對(duì)象，開(kāi)展鋼渣在路基填筑中的大摻量應(yīng)用研究，旨在獲得性能可靠的路基填料。

1 試驗(yàn)材料

1.1 鋼渣

鋼渣取自廣西某鋼鐵廠，為熱悶鋼渣，生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)磁選處理。鋼渣各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1，符合規(guī)范《道路用鋼渣》（GBT 25824-2010）［10］要求。

2 配合比設(shè)計(jì)與試樣準(zhǔn)備

為了提高鋼渣的利用率，并充分發(fā)揮其強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，制備占土體質(zhì)量30%、50%、70%的鋼渣摻量的鋼渣土進(jìn)行試驗(yàn)，與現(xiàn)有研究相比，鋼渣含量大大提高［11］。

試驗(yàn)前，土、鋼渣需烘干，溫度為110 ℃±5 ℃，時(shí)間為8 h，并在室溫冷卻后使用。按照目標(biāo)配合比和含水量，依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430-2020）［12］、《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》（GB/T24175-2009）的要求制備［13］。

3 試驗(yàn)方法

3.1 確定最佳配合比

鋼渣改良土的配合比需考慮其作為填料的壓實(shí)性能、界限含水特征和承載力特性。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水率和承載比試驗(yàn)來(lái)確定。

3.2 力學(xué)性能與穩(wěn)定性

為了評(píng)估鋼渣改良土填料的力學(xué)表現(xiàn)與穩(wěn)定性，進(jìn)行靜動(dòng)力特征試驗(yàn)，并對(duì)其變形穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié)果與討論

4.1 確定最佳配合比

4.1.1 擊實(shí)試驗(yàn)

圖1為不同鋼渣摻量下改良土的壓實(shí)曲線。試驗(yàn)土的最大干密度為1.72 g/cm3，最優(yōu)含水率為19.1%。鋼渣改良土的最大干密度為1.95～2.41 g/cm3，且隨著鋼渣摻量增加而增大。鋼渣改良土的最佳含水量為9.9%～16.5%，呈現(xiàn)與最大干密度相反的變化趨勢(shì)。這種現(xiàn)象與鋼渣的物理性能緊密相連，鋼渣的顆粒比重為3.36，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)土的2.41，因此鋼渣改良土的最佳干密度高于試驗(yàn)土。同時(shí)，作為低粘聚性材料，鋼渣內(nèi)黏性顆粒含量少，因此造成了最佳含水量的下降。

4.1.2 界限含水率試驗(yàn)

表5為試驗(yàn)土的界限含水率試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，隨著鋼渣的加入，試驗(yàn)土的液塑限都隨之下降。且由于液限的下降幅度更大，所以造成塑性指數(shù)也隨之下降。這個(gè)現(xiàn)象也可歸結(jié)為鋼渣改良土的黏性成分降低所導(dǎo)致的。鋼渣內(nèi)還有少量的微量活性成分，潛在的化學(xué)反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致界限含水率的變化，但本文所采用的鋼渣活性較低，這種作用可以忽略。

試驗(yàn)土為低塑性粉土，液限為49.9%，塑性指數(shù)為17.7。塑性指數(shù)越高，水穩(wěn)定性越差，填料壓實(shí)性差，施工中不易壓實(shí)，易造成后期收縮變形難題，加入鋼渣則對(duì)試驗(yàn)土的液塑限改良效果明顯，如圖2所示。

4.1.3 承載比試驗(yàn)

試驗(yàn)土浸泡96 h后的承載比數(shù)值圖3所示，不同鋼渣摻量的改良土承載比數(shù)值為18%～48%。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）［14］要求，高速公路、一級(jí)路上路床的承載比應(yīng)＞8%，二級(jí)路＞6%，三、四級(jí)路＞5%。改良前試驗(yàn)土的承載比為9%，摻加鋼渣后的改良土承載比數(shù)值顯著提高，且吸水性也逐步下降，保障其可作為高等級(jí)道路路床使用的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，路堤路基更是符合要求。更高的承載比值意味著更高的承載力，因此50%鋼渣摻量的改良土是最優(yōu)的選擇。

試驗(yàn)土承載比主要來(lái)源于材料自身強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)組成，還有少許活性物質(zhì)的水化作用。隨著鋼渣的加入，混合土的承載比呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，這與鋼渣改良土的結(jié)構(gòu)組成有關(guān)。鋼渣的加入使得土與鋼渣形成可靠穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但隨著鋼渣摻量的增多，這種平衡被破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，造成如圖3中“拐點(diǎn)”的出現(xiàn)。

綜上，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)和承載比試驗(yàn)可得到鋼渣改良土具有良好的性能表現(xiàn)，尤其是50%鋼渣摻量下的混合土，具有最高的承載比以及兼顧經(jīng)濟(jì)與性能表現(xiàn)的壓實(shí)特征，并改善了試驗(yàn)土液限過(guò)高產(chǎn)生的潛在穩(wěn)定性問(wèn)題。50%鋼渣摻量的改良土還具備高鋼渣利用率的特點(diǎn)，因此以其進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

4.2 力學(xué)特性與穩(wěn)定性

4.2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

以試驗(yàn)土摻入土體質(zhì)量50%鋼渣的配合比進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。如圖4所示，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，鋼渣改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐漸變大，而試驗(yàn)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)的趨勢(shì)不明顯。鋼渣改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于試驗(yàn)土。

4.2.2 滲透試驗(yàn)

圖5為試驗(yàn)土的滲透系數(shù)。試驗(yàn)土的滲透系數(shù)為3.1×10-8 cm/s，屬于典型的粉土的滲透系數(shù)范圍。鋼渣改良土的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)土，為4.25×10-4 cm/s，接近粉砂、中砂的滲水系數(shù)。考慮到鋼渣潛在的微量元素，更低的滲透系數(shù)意味著化學(xué)元素的滲出性低。

如圖5所示，50%鋼渣摻量使得土體的滲透系數(shù)提高，提高了25.6倍，但符合粉土的滲透系數(shù)范圍。此外，試驗(yàn)土的滲透系數(shù)隨著壓實(shí)度的增大而降低，在實(shí)際應(yīng)用中也可以通過(guò)提高壓實(shí)度的方法來(lái)降低滲透性［15］。

4.2.3 體積穩(wěn)定性試驗(yàn)

鋼渣、鋼渣改良土的體積穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。鋼渣體積膨脹率為1.51%，50%鋼渣改良土體積膨脹率為0.60%，均符合《鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》（GB/T 24175-2009）規(guī)范中＜2%的要求，表明其均擁有良好的體積穩(wěn)定性。通過(guò)數(shù)值比較可以看到，鋼渣改良土的體積膨脹率較純鋼渣降低60%，體積膨脹率降低所帶來(lái)的穩(wěn)定性控制效果明顯，對(duì)于實(shí)際工程中應(yīng)用而言，陳化時(shí)間較短或膨脹性略大的鋼渣可通過(guò)摻加原狀土的方式來(lái)降低膨脹性，提高其體積穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從物理、力學(xué)性能等方面評(píng)價(jià)了鋼渣改良土的性能和效果，得出如下結(jié)論：

（1）隨著鋼渣含量的增加，土樣的最大干密度提高，最佳含水量下降，液塑限低于素土，塑性指數(shù)也減小。在50%鋼渣摻量時(shí)，試驗(yàn)土的最大干密度提高40%，最佳含水率下降39%，塑性指數(shù)降低%，土體的水穩(wěn)定性得到提升。

（2）鋼渣的加入可以提高試驗(yàn)土的承載比，隨著鋼渣的加入，改良土的承載比會(huì)先增加后下降，在50%鋼渣摻量時(shí)達(dá)到最大，為48%，滿(mǎn)足一級(jí)高速公路上路床部位的承載比規(guī)定。

（3）綜合擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)和承載比試驗(yàn)結(jié)果可知，50%鋼渣摻量的改良土具有最高的承載比，兼具經(jīng)濟(jì)性與路用性能，且顯著改善了試驗(yàn)土液限過(guò)高的穩(wěn)定性問(wèn)題，并具有高鋼渣利用率的特點(diǎn)。

（4）與試驗(yàn)土相比，最佳配比下的鋼渣改良土的強(qiáng)度參數(shù)提升明顯，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.37 MPa，較試驗(yàn)土的1.76 MPa，提升148%。

參考文獻(xiàn)

［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.大量利用平爐鋼渣［J］.冶金建筑，1976（5）：19-24.

［5］朱貽蘭.轉(zhuǎn)爐鋼渣的工程利用［J］.寶鋼技術(shù)，1994（3）：9-13.

［6］朱貽蘭.寶鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的工程利用［J］.再生資源研究，1994（6）：16-20.

［7］馮群英.鋼渣在公路路基路面工程中的應(yīng)用研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2015.

［8］王天宇.次生鋼渣處置路基土機(jī)理及其路用性能研究［D］.南京：東南大學(xué)，2016.

［9］何 坤.包鋼鋼渣用于內(nèi)蒙古伊盟地區(qū)路基填料可行性研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2020.

［10］GBT 25824-2010，道路用鋼渣［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，公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［13］GB/T 24175-2009，鋼渣穩(wěn)定性試驗(yàn)方法［S］.

［14］JTG D30-2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［15］葉正強(qiáng)，李?lèi)?ài)群，楊國(guó)華，等.粘性土的滲透規(guī)律性研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（5）：121-125.

基金項(xiàng)目：中央引導(dǎo)地方科技項(xiàng)目“廣西典型固體廢棄物道路領(lǐng)域綜合資源化利用技術(shù)研發(fā)中心”（編號(hào)：桂科ZY21195043）；南寧市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才“邕江計(jì)劃”資助項(xiàng)目（編號(hào)：2019009）

作者簡(jiǎn)介：李 曜（1996—），助理工程師，主要從事道路與橋梁相關(guān)研究工作。