鋼渣改良土路用性能研究

李曜 李銘 張仰鵬 江廷薈

摘要：為評價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，通過擊實試驗、界限含水率試驗、承載比試驗確定鋼渣與素土的最佳比例，開展最佳比例下鋼渣土的力學和體積穩(wěn)定性試驗。結果表明：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)濟性和工程表現(xiàn)的壓實性能，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側(cè)限抗壓強度得到大幅提高，鋼渣土的體積穩(wěn)定性也符合規(guī)范的要求?；谝陨辖Y果說明，鋼渣土具有良好的工程性能。

關鍵詞：鋼渣；改良土；路基材料；物理性能；穩(wěn)定性

中圖分類號：U416.03? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4974（2024）04-0046-03

0 引言

鋼渣是鋼鐵廠煉鋼過程中的一種工業(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］。當前，我國累積的鋼渣量已超40×108 t，但資源化利用率＜30%，相比于發(fā)達國家近100%的利用率而言［3］，差距十分顯著，鋼渣堆砌造成的環(huán)境負擔愈加嚴重。

鋼渣高強度、耐磨特性和力學穩(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)過蒸汽陳化方法處理過的鋼渣作為路床材料，長期工程監(jiān)測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。美國研究者將鋼渣土作為路基土進行了穩(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、評判水穩(wěn)性的技術以及如何防止、避免水侵蝕等。我國的路基鋼渣應用始于20世紀60年代，1965年使用平爐鋼渣結合土作為路基材料，應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，共計使用了1.5×104 t鋼渣，經(jīng)過實際運行考核，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性能指標，提出鋼渣混合料配合比，并在安晉高速公路建設中進行使用。2016年，王天宇［8］依托焦山門至大云公路，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，鋼渣灰土易達到要求的壓實度。2020年，何坤［9］以包頭鋼鐵廠的陳化水渣、熱潑渣為研究對象，探討了摻拌比例對混合鋼渣路用性能的影響規(guī)律，并應用于國道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象，開展鋼渣在路基填筑中的大摻量應用研究，旨在獲得性能可靠的路基填料。

1 試驗材料

1.1 鋼渣

鋼渣取自廣西某鋼鐵廠，為熱悶鋼渣，生產(chǎn)過程中經(jīng)過磁選處理。鋼渣各項指標見表1，符合規(guī)范《道路用鋼渣》（GBT 25824-2010）［10］要求。

2 配合比設計與試樣準備

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

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

3 試驗方法

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性能、界限含水特征和承載力特性。通過擊實試驗、界限含水率和承載比試驗來確定。

3.2 力學性能與穩(wěn)定性

為了評估鋼渣改良土填料的力學表現(xiàn)與穩(wěn)定性，進行靜動力特征試驗，并對其變形穩(wěn)定性進行評價。

4 結果與討論

4.1 確定最佳配合比

4.1.1 擊實試驗

圖1為不同鋼渣摻量下改良土的壓實曲線。試驗土的最大干密度為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。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，遠高于試驗土的2.41，因此鋼渣改良土的最佳干密度高于試驗土。同時，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

表5為試驗土的界限含水率試驗結果。由圖可知，隨著鋼渣的加入，試驗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。這個現(xiàn)象也可歸結為鋼渣改良土的黏性成分降低所導致的。鋼渣內(nèi)還有少量的微量活性成分，潛在的化學反應也會導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，填料壓實性差，施工中不易壓實，易造成后期收縮變形難題，加入鋼渣則對試驗土的液塑限改良效果明顯，如圖2所示。

4.1.3 承載比試驗

試驗土浸泡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)《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30-2015）［14］要求，高速公路、一級路上路床的承載比應＞8%，二級路＞6%，三、四級路＞5%。改良前試驗土的承載比為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道路路床使用的強度和穩(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。

試驗土承載比主要來源于材料自身強度和結構組成，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后下降的趨勢，這與鋼渣改良土的結構組成有關。鋼渣的加入使得土與鋼渣形成可靠穩(wěn)定的結構，但隨著鋼渣摻量的增多，這種平衡被破壞，導致強度下降，造成如圖3中“拐點”的出現(xiàn)。

綜上，通過擊實試驗、界限含水率試驗和承載比試驗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)濟與性能表現(xiàn)的壓實特征，并改善了試驗土液限過高產(chǎn)生的潛在穩(wěn)定性問題。50%鋼渣摻量的改良土還具備高鋼渣利用率的特點，因此以其進行后續(xù)試驗。

4.2 力學特性與穩(wěn)定性

4.2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

以試驗土摻入土體質(zhì)量50%鋼渣的配合比進行無側(cè)限抗壓強度試驗，結果見圖4。如圖4所示，隨著養(yǎng)護時間的增加，鋼渣改良土的無側(cè)限抗壓強度也逐漸變大，而試驗土的無側(cè)限抗壓強度隨齡期增長的趨勢不明顯。鋼渣改良土的無側(cè)限抗壓強度大于試驗土。

4.2.2 滲透試驗

圖5為試驗土的滲透系數(shù)。試驗土的滲透系數(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)遠大于試驗土，為4.25×10-4 cm/s，接近粉砂、中砂的滲水系數(shù)?？紤]到鋼渣潛在的微量元素，更低的滲透系數(shù)意味著化學元素的滲出性低。

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，試驗土的滲透系數(shù)隨著壓實度的增大而降低，在實際應用中也可以通過提高壓實度的方法來降低滲透性［15］。

4.2.3 體積穩(wěn)定性試驗

鋼渣、鋼渣改良土的體積穩(wěn)定性試驗結果見圖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的穩(wěn)定性控制效果明顯，對于實際工程中應用而言，陳化時間較短或膨脹性略大的鋼渣可通過摻加原狀土的方式來降低膨脹性，提高其體積穩(wěn)定性。

5 結語

本文從物理、力學性能等方面評價了鋼渣改良土的性能和效果，得出如下結論：

（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，試驗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土的承載比，隨著鋼渣的加入，改良土的承載比會先增加后下降，在50%鋼渣摻量時達到最大，為48%，滿足一級高速公路上路床部位的承載比規(guī)定。

（3）綜合擊實試驗、界限含水率試驗和承載比試驗結果可知，50%鋼渣摻量的改良土具有最高的承載比，兼具經(jīng)濟性與路用性能，且顯著改善了試驗土液限過高的穩(wěn)定性問題，并具有高鋼渣利用率的特點。

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

參考文獻

［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，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用研究［D］.重慶：重慶交通大學，2015.

［8］王天宇.次生鋼渣處置路基土機理及其路用性能研究［D］.南京：東南大學，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，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，公路土工試驗規(guī)程［S］.

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

［14］JTG D30-2015，公路路基設計規(guī)范［S］.

［15］葉正強，李愛群，楊國華，等.粘性土的滲透規(guī)律性研究［J］.東南大學學報，1999（5）：121-125.

基金項目：中央引導地方科技項目“廣西典型固體廢棄物道路領域綜合資源化利用技術研發(fā)中心”（編號：桂科ZY21195043）；南寧市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領軍人才“邕江計劃”資助項目（編號：2019009）

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