鋼渣墊層在公路軟土地基處理中的應(yīng)用研究

蒙璐　張潛華　藍(lán)天助

作者簡介：

蒙 璐（1978—），工程師，研究方向：公路與橋梁;

張潛華（1976—），工程師，主要從事公路建設(shè)、公路規(guī)劃等方面的研究工作;

藍(lán)天助（1992—），助理工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)及固體廢棄物再生利用等方面的研究工作。

摘要：文章在對防城港某鋼廠陳化12個(gè)月鋼渣的級配情況、化學(xué)成分、基本物理力學(xué)性質(zhì)、擊實(shí)特性等指標(biāo)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，分析了鋼渣作為墊層材料的強(qiáng)度形成機(jī)理及其在公路軟基中的應(yīng)用方法。結(jié)果表明：鋼渣墊層強(qiáng)度的形成主要源于鋼渣顆粒的嵌擠作用形成的摩擦強(qiáng)度和鋼渣顆粒之間的膠結(jié)產(chǎn)生的粘聚強(qiáng)度;在公路軟基處理中，鋼渣墊層可以采用全部換填、局部換填、褥墊層等形式處理公路軟土地基，從而提高軟土地基承載力;在實(shí)際應(yīng)用過程中考慮膨脹、運(yùn)輸?shù)葐栴}，宜采用膨脹率低的鋼渣作為鋼渣墊層材料。

關(guān)鍵詞：公路軟基;鋼渣;墊層;強(qiáng)度機(jī)理

中國分類號(hào)：U416.1+1A040115

0 引言

鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)中的功能性副產(chǎn)品，是在冶煉鋼鐵的過程中，加入熔劑、造渣劑、鐵礦、燒結(jié)礦、氧化鐵皮和氧化劑等材料，在合適的溫度和動(dòng)力學(xué)條件下，參與煉鋼反應(yīng)后形成的產(chǎn)物[1]。近年來隨著鋼鐵產(chǎn)量的增長，2018年鋼渣產(chǎn)量達(dá)9 000萬t以上，累計(jì)堆存量達(dá)17億t之多[2-3]，而鋼渣的利用率不到30%[4]。隨著傳統(tǒng)砂石材料的過度開采，以固體廢棄物替代優(yōu)質(zhì)道路工程材料的循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)理念已成為現(xiàn)階段的主題，所以，對廢棄鋼渣的利用研究迫在眉睫。

關(guān)于廢鋼渣在地基處理方面的應(yīng)用已有一定的研究，林彤、胡純清等[6]在研究鋼渣物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)上研究了鋼渣樁的作用機(jī)理及工程特性，結(jié)果表明，鋼渣樁加固軟土的效果明顯。張彬、王釗等[7]研究了一種水泥粉煤灰鋼渣樁（CFS樁），采用CFS樁處理軟弱地基后承載力及壓縮模量得到較大的提高，可見，鋼渣是一種良好的地基處理材料。劉文白、田豐等[8]以經(jīng)過露天堆放5年以上的分級陳年鋼渣為材料，研究了鋼渣墊層在基坑工程中的設(shè)計(jì)與施工，經(jīng)現(xiàn)場檢測表明，地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。所以，鋼渣同時(shí)也是一種良好的地基處理墊層材料。但在鋼渣以墊層材料作為公路軟土地基處理填料方面的研究卻極少，本文在考慮公路軟土和鋼渣特性的基礎(chǔ)上探討了鋼渣墊層應(yīng)用于公路軟基處理的作用、機(jī)理及應(yīng)用形式，為鋼渣墊層在公路軟基處理中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 鋼渣的特性

1.1 鋼渣化學(xué)特性

取防城港某鋼廠陳化12個(gè)月鋼渣作為試樣進(jìn)行X熒光光譜半定量分析，表1為所測定的鋼渣的化學(xué)成分，主要以CaO、Fe2O3、SiO2為主，約占鋼渣成分總含量的82%左右。

1.2 鋼渣的物理力學(xué)特性

1.2.1 鋼渣級配

工程集料的級配常用累計(jì)曲線來反映顆粒的分布和連續(xù)情況[8]。針對本次試驗(yàn)，取陳化12個(gè)月的鋼渣進(jìn)行顆粒級配試驗(yàn)。稱取2 500 g干燥鋼渣，按粗粒土進(jìn)行篩分，分別過19 mm、16 mm、13.2 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm篩孔，根據(jù)篩分結(jié)果繪制級配曲線如圖1所示。

工程中通常用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來表征土體級配的好壞。

1.2.2 鋼渣的基本物理力學(xué)性質(zhì)

依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）[9]，取陳化12個(gè)月的鋼渣進(jìn)行物理性能分析，結(jié)果如表2所示。鋼渣集料的硬度和強(qiáng)度比硬質(zhì)石灰?guī)r稍低，力學(xué)性能與軟質(zhì)巖石相當(dāng)，吸水率較普通石料高，密度約為普通石料的1.25倍，滿足《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG T 3610-2019）[10]對路基填料的相關(guān)要求。

1.2.3 鋼渣的擊實(shí)特性

土的擊實(shí)是動(dòng)力作用下將顆粒聚集，使其變密的過程。通過擊實(shí)試驗(yàn)，使得土體內(nèi)空氣所占體積減小，而水分不變。

本次擊實(shí)試驗(yàn)以防城港某鋼廠生產(chǎn)的鋼渣為原材料，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）[11]，采用三分法取樣，稱取試驗(yàn)用料，烘干后分別配制5%、6%、7%、8%、9%的水拌和，密封靜置一晝夜后以備于擊實(shí)試驗(yàn)使用。

因?yàn)殇撛钠毡榱捷^大，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》采用重型擊實(shí)。擊實(shí)參數(shù)如表3所示。

2 鋼渣墊層的作用及強(qiáng)度形成機(jī)理

2.1 鋼渣墊層的作用

鋼渣墊層同砂石墊層在公路軟土地基中的作用機(jī)理類似，主要作用如下：

（1）用于提高地基承載力。公路地基中的剪切破壞是從地基中部附近開始，然后隨著負(fù)荷的增加延伸到坡腳或者坡腳外側(cè)，當(dāng)采用鋼渣墊層處理軟土地基后，地基的抗剪強(qiáng)度得到提高。

（2）公路路基發(fā)生的沉降基本以淺層沉降為主，而鋼渣質(zhì)地堅(jiān)硬，以鋼渣墊層置換公路地基中的軟弱土層，可以減少淺層土體的沉降，從而減少路基的整體沉降。

（3）以鋼渣集料為材料組成的鋼渣墊層具有良好的透水性能，可為下部軟土提供排水通道，在荷載作用下，鋼渣墊層可促進(jìn)下部軟土地層孔隙水壓力的消散，從而加速軟弱土的排水固結(jié)。

（4）調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比。墊層的模量一般比上下土體的模量高。當(dāng)鋼渣墊層鋪設(shè)在樁體復(fù)合地基頂部時(shí)，由于樁頂刺入墊層內(nèi)部，使樁頂處的墊層壓縮量大于樁間土處的壓縮量。在墊層的某一高度處，樁頂處的壓縮量和樁間土頂部的壓縮量相等，該高度界面稱為等沉面。等沉面以上的土體沉降量相等，受力均勻，從而使路堤填土達(dá)到受力均衡的協(xié)調(diào)變形。由于鋼渣墊層的內(nèi)摩擦角較大，鋼渣墊層在樁頂與樁頂之間產(chǎn)生土拱效應(yīng)。土拱效應(yīng)的產(chǎn)生會(huì)使得樁土應(yīng)力比重新分布，可調(diào)節(jié)其模量，使樁土應(yīng)力比達(dá)到最佳效果，讓樁土均能發(fā)揮最大作用。

2.2 鋼渣墊層的強(qiáng)度形成機(jī)理

鋼渣具有較高的強(qiáng)度和硬度，能夠承受一定的外力而不被破壞。鋼渣集料用作墊層的強(qiáng)度主要來源于兩個(gè)方面：（1）由鋼渣顆粒的嵌擠作用形成的摩擦強(qiáng)度;（2）由鋼渣顆粒之間的膠結(jié)產(chǎn)生的粘聚強(qiáng)度。

2.2.1 摩擦強(qiáng)度

鋼渣表面粗糙，顆粒多呈不規(guī)則形狀。級配良好的鋼渣集料經(jīng)過一定的擊實(shí)功擊實(shí)后，可以形成較高的摩擦強(qiáng)度。顆粒與顆粒之間相互咬合，相互摩擦，從而抵抗外部荷載的變形。鋼渣集料的內(nèi)摩擦角與鋼渣的級配特性及壓實(shí)程度有關(guān)，鋼渣集料級配越好，壓實(shí)度越高，摩擦強(qiáng)度越高。

2.2.2 粘聚強(qiáng)度

鋼渣墊層的粘聚強(qiáng)度主要來源于鋼渣的板結(jié)作用。鋼渣的化學(xué)成分與水泥相近，含有f-CaO、硅酸二鈣、硅酸三鈣等活性物質(zhì)，這些成分浸水之后會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)生成Ca（OH）2及其他水化物，其反應(yīng)方程式如下：

鋼渣顆粒表面的活性成分與水及空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)后，產(chǎn)生了少量具有一定粘結(jié)作用的膠凝成分，即硅酸凝膠和碳酸鈣，膠凝成分凝結(jié)硬化后，使鋼渣顆粒之間產(chǎn)生了一定的粘聚作用，形成粘聚強(qiáng)度。

鋼渣的板結(jié)作用形成的膠凝成分較少，所以鋼渣墊層的強(qiáng)度主要以摩擦強(qiáng)度為主。

3 鋼渣墊層在公路軟土地基的應(yīng)用方法

3.1 換填法

當(dāng)軟土厚度較薄且<3 m時(shí)，可將軟土全部挖除，填以鋼渣集料。填筑的鋼渣集料需采用膨脹率<2%的陳渣，且要求級配良好。填筑時(shí)在最優(yōu)含水率（±2%）條件下壓實(shí)，對壓實(shí)度要求如表4所示。

壓實(shí)后的鋼渣墊層具有較高的摩擦強(qiáng)度，一段時(shí)間后，鋼渣在水的影響下板結(jié)，形成一定的板結(jié)強(qiáng)度。填筑的鋼渣墊層壓縮模量高，CBR值較高，可減少地基沉降，提高地基承載力。

3.2 局部換填法

公路地基處理中軟基就近棄土較為困難，所以當(dāng)軟土厚度較大時(shí)（厚度>3 m），不建議采用鋼渣墊層全部換填軟基的方式處理地基，可采用墊層局部置換上層軟弱土的形式處理軟弱土地基。

鋼渣墊層換填厚度的計(jì)算表達(dá)式如下：

級配鋼渣的透水性較好，采用局部換填處理公路軟土地基時(shí)，可加速地基的排水固結(jié)。軟弱土地基中的水可在上層鋼渣墊層及路基填土的作用下豎向排入鋼渣墊層中，再通過鋼渣墊層排至路基兩側(cè)。

3.3 褥墊層法

當(dāng)公路軟基較厚，屬于深厚軟土地基時(shí)，采用換土墊層法無法滿足設(shè)計(jì)要求，可采用復(fù)合地基方法處理軟基，處理形式如圖3所示。樁基處理軟土地基后頂部需鋪設(shè)一定厚度的褥墊層，為了節(jié)約資源，該褥墊層可采用鋼渣墊層。對于剛性樁，鋼渣褥墊層厚度可取0.4～0.6倍的樁徑，對于柔性樁及半剛性樁，其厚度可取200～300 mm。鋼渣褥墊層鋪設(shè)時(shí)應(yīng)保證樁體嵌入褥墊層一定的厚度，一般嵌入厚度為30～50 mm。

鋼渣褥墊層施工前需清除樁間浮土，清除浮土后的褥墊層底面應(yīng)保持在同一標(biāo)高上，在最優(yōu)含水率下分層壓實(shí)。壓實(shí)板結(jié)后的鋼渣褥墊層具有一定的強(qiáng)度和剛度，可以調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比，從而使路堤填土達(dá)到受力均衡的協(xié)調(diào)變形。

3.4 其他方法

鋼渣的物理力學(xué)性能與軟質(zhì)普通碎石類似，且鋼渣材料具有一定的活性，鋼渣與土摻和后可改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)。已有研究表明，鋼渣摻入到路基土中，路基土的CBR值、回彈模量指標(biāo)得到了很大的提升[12]。在公路軟土地基處理中，當(dāng)軟土厚度較薄時(shí)，可將軟土挖出，經(jīng)過適當(dāng)晾曬后與鋼渣集料現(xiàn)場拌和，鋼渣摻入量應(yīng)在50%以上，拌和均勻后將鋼渣與土體混合物回填至軟弱地基中，回填過程中應(yīng)充分壓實(shí)。

鋼渣與土體拌和后，鋼渣作為主骨料與土體形成較為密實(shí)的鋼渣墊層，鋼渣中的f-CaO、硅酸二鈣、硅酸三鈣等活性物質(zhì)會(huì)與土體中的水反應(yīng)生成凝結(jié)物質(zhì)，并逐步形成較高的強(qiáng)度。

4 鋼渣墊層應(yīng)用中存在的問題

4.1 鋼渣的安定性問題

鋼渣中含有少量的f-CaO和f-MgO，雖然f-CaO和f-MgO具有一定的活性，可以促進(jìn)鋼渣的板結(jié)，但同時(shí)也帶來了鋼渣的膨脹問題。研究表明，f-CaO的水化反應(yīng)將產(chǎn)生98%的膨脹，f-MgO的水化反應(yīng)將產(chǎn)生148%的膨脹[13-14]。在鋼渣化學(xué)成分中，膨脹物質(zhì)以f-CaO為主，f-MgO含量較少。不同的鋼渣其f-CaO含量差異較大，一般新出廠的鋼渣f-CaO含量較大，熱悶渣及陳化1年以上的鋼渣f-CaO含量較少，且較為穩(wěn)定。所以，應(yīng)用于墊層中的鋼渣應(yīng)選擇熱悶渣或陳化1年以上的鋼渣，對新渣應(yīng)慎重使用。

鋼渣膨脹過大將導(dǎo)致墊層開裂，進(jìn)而影響路面結(jié)構(gòu)，所以將鋼渣應(yīng)用于墊層結(jié)構(gòu)前應(yīng)測量鋼渣集料的浸水膨脹率，要求應(yīng)用于鋼渣墊層的鋼渣集料浸水膨脹率<2%。

4.2 鋼渣重度大帶來的運(yùn)輸問題

鋼渣的密度較大，其密度約為普通碎石的1.25倍。與普通砂石相比，相同運(yùn)距下鋼渣的運(yùn)輸比普通砂石的運(yùn)輸費(fèi)更高。當(dāng)鋼廠離公路項(xiàng)目路程較遠(yuǎn)時(shí)，使用鋼渣作為墊層材料將帶來運(yùn)輸方面的困擾。所以，考慮到運(yùn)輸問題，鋼渣集料適合在鋼廠周邊的公路項(xiàng)目上應(yīng)用。

5 結(jié)語

鋼渣是一種常見的工業(yè)固體廢棄物，具有良好的建筑材料性能。本文從鋼渣材料特性出發(fā)，探討了鋼渣以墊層的形式在公路軟土地基中的應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

（1）化學(xué)分析顯示，鋼渣的化學(xué)成分主要為CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5，計(jì)算的堿度值>1，呈堿性，活性較大，在一定的條件下易于板結(jié)。

（2）鋼渣集料屬于軟質(zhì)巖石材料，密度和吸水率較大，且級配良好。通過擊實(shí)試驗(yàn)得鋼渣的最佳含水率為6.9%，最大干密度為2.33 g/cm3。

（3）鋼渣集料經(jīng)過一定的擊實(shí)功擊實(shí)后，可以形成較高的摩擦強(qiáng)度，且鋼渣顆粒表面的活性成分會(huì)與水及空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生板結(jié)作用，從而形成粘聚強(qiáng)度。但鋼渣墊層主要以摩擦強(qiáng)度為主，板結(jié)形成的粘聚強(qiáng)度較弱。

（4）鋼渣墊層具有普通砂石墊層的特性，可以提高地基承載力，減少地基沉降量，加速地基的排水固結(jié)，調(diào)節(jié)樁土應(yīng)力比等。

（5）鋼渣墊層可以以全部換填、局部換填、褥墊層、鋼渣摻土混合料墊層的形式處理公路軟土地基，從而提高軟土地基承載力，達(dá)到地基處理的目的。但在應(yīng)用過程中應(yīng)注意鋼渣的膨脹和運(yùn)輸問題，要求應(yīng)用于鋼渣墊層的鋼渣集料浸水膨脹率<2%，且鋼渣集料適合在鋼廠周邊的公路項(xiàng)目上應(yīng)用。

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