钢渣垫层在公路软土地基处理中的应用研究

2022-03-21蒙璐张潜华蓝天助

西部交通科技 2022年1期

关键词：垫层

蒙璐　张潜华　蓝天助

作者简介：

蒙璐（1978—），工程师，研究方向：公路与桥梁;

张潜华（1976—），工程师，主要从事公路建设、公路规划等方面的研究工作;

蓝天助（1992—），助理工程师，主要从事岩土工程勘察设计及固体废弃物再生利用等方面的研究工作。

摘要：文章在对防城港某钢厂陈化12个月钢渣的级配情况、化学成分、基本物理力学性质、击实特性等指标进行研究的基础上，分析了钢渣作为垫层材料的强度形成机理及其在公路软基中的应用方法。结果表明：钢渣垫层强度的形成主要源于钢渣颗粒的嵌挤作用形成的摩擦强度和钢渣颗粒之间的胶结产生的粘聚强度;在公路软基处理中，钢渣垫层可以采用全部换填、局部换填、褥垫层等形式处理公路软土地基，从而提高软土地基承载力;在实际应用过程中考虑膨胀、运输等问题，宜采用膨胀率低的钢渣作为钢渣垫层材料。

关键词：公路软基;钢渣;垫层;强度机理

中国分类号：U416.1+1A040115

0 引言

钢渣是钢铁生产中的功能性副产品，是在冶炼钢铁的过程中，加入熔剂、造渣剂、铁矿、烧结矿、氧化铁皮和氧化剂等材料，在合适的温度和动力学条件下，参与炼钢反应后形成的产物[1]。近年来随着钢铁产量的增长，2018年钢渣产量达9 000万t以上，累计堆存量达17亿t之多[2-3]，而钢渣的利用率不到30%[4]。随着传统砂石材料的过度开采，以固体废弃物替代优质道路工程材料的循环经济建设理念已成为现阶段的主题，所以，对废弃钢渣的利用研究迫在眉睫。

关于废钢渣在地基处理方面的应用已有一定的研究，林彤、胡纯清等[6]在研究钢渣物理力学特性的基础上研究了钢渣桩的作用机理及工程特性，结果表明，钢渣桩加固软土的效果明显。张彬、王钊等[7]研究了一种水泥粉煤灰钢渣桩（CFS桩），采用CFS桩处理软弱地基后承载力及压缩模量得到较大的提高，可见，钢渣是一种良好的地基处理材料。刘文白、田丰等[8]以经过露天堆放5年以上的分级陈年钢渣为材料，研究了钢渣垫层在基坑工程中的设计与施工，经现场检测表明，地基承载力满足设计要求。所以，钢渣同时也是一种良好的地基处理垫层材料。但在钢渣以垫层材料作为公路软土地基处理填料方面的研究却极少，本文在考虑公路软土和钢渣特性的基础上探讨了钢渣垫层应用于公路软基处理的作用、机理及应用形式，为钢渣垫层在公路软基处理中的应用提供参考依据。

1 钢渣的特性

1.1 钢渣化学特性

取防城港某钢厂陈化12个月钢渣作为试样进行X荧光光谱半定量分析，表1为所测定的钢渣的化学成分，主要以CaO、Fe2O3、SiO2为主，约占钢渣成分总含量的82%左右。

1.2 钢渣的物理力学特性

1.2.1 钢渣级配

工程集料的级配常用累计曲线来反映颗粒的分布和连续情况[8]。针对本次试验，取陈化12个月的钢渣进行颗粒级配试验。称取2 500 g干燥钢渣，按粗粒土进行筛分，分别过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筛孔，根据筛分结果绘制级配曲线如图1所示。

工程中通常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来表征土体级配的好坏。

1.2.2 钢渣的基本物理力学性质

依據《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）[9]，取陈化12个月的钢渣进行物理性能分析，结果如表2所示。钢渣集料的硬度和强度比硬质石灰岩稍低，力学性能与软质岩石相当，吸水率较普通石料高，密度约为普通石料的1.25倍，满足《公路路基施工技术规范》（JTG T 3610-2019）[10]对路基填料的相关要求。

1.2.3 钢渣的击实特性

土的击实是动力作用下将颗粒聚集，使其变密的过程。通过击实试验，使得土体内空气所占体积减小，而水分不变。

本次击实试验以防城港某钢厂生产的钢渣为原材料，根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）[11]，采用三分法取样，称取试验用料，烘干后分别配制5%、6%、7%、8%、9%的水拌和，密封静置一昼夜后以备于击实试验使用。

因为钢渣的普遍粒径较大，根据《公路土工试验规程》采用重型击实。击实参数如表3所示。

2 钢渣垫层的作用及强度形成机理

2.1 钢渣垫层的作用

钢渣垫层同砂石垫层在公路软土地基中的作用机理类似，主要作用如下：

（1）用于提高地基承载力。公路地基中的剪切破坏是从地基中部附近开始，然后随着负荷的增加延伸到坡脚或者坡脚外侧，当采用钢渣垫层处理软土地基后，地基的抗剪强度得到提高。

（2）公路路基发生的沉降基本以浅层沉降为主，而钢渣质地坚硬，以钢渣垫层置换公路地基中的软弱土层，可以减少浅层土体的沉降，从而减少路基的整体沉降。

（3）以钢渣集料为材料组成的钢渣垫层具有良好的透水性能，可为下部软土提供排水通道，在荷载作用下，钢渣垫层可促进下部软土地层孔隙水压力的消散，从而加速软弱土的排水固结。

（4）调节桩土应力比。垫层的模量一般比上下土体的模量高。当钢渣垫层铺设在桩体复合地基顶部时，由于桩顶刺入垫层内部，使桩顶处的垫层压缩量大于桩间土处的压缩量。在垫层的某一高度处，桩顶处的压缩量和桩间土顶部的压缩量相等，该高度界面称为等沉面。等沉面以上的土体沉降量相等，受力均匀，从而使路堤填土达到受力均衡的协调变形。由于钢渣垫层的内摩擦角较大，钢渣垫层在桩顶与桩顶之间产生土拱效应。土拱效应的产生会使得桩土应力比重新分布，可调节其模量，使桩土应力比达到最佳效果，让桩土均能发挥最大作用。

2.2 钢渣垫层的强度形成机理

钢渣具有较高的强度和硬度，能够承受一定的外力而不被破坏。钢渣集料用作垫层的强度主要来源于两个方面：（1）由钢渣颗粒的嵌挤作用形成的摩擦强度;（2）由钢渣颗粒之间的胶结产生的粘聚强度。

2.2.1 摩擦强度

钢渣表面粗糙，颗粒多呈不规则形状。级配良好的钢渣集料经过一定的击实功击实后，可以形成较高的摩擦强度。颗粒与颗粒之间相互咬合，相互摩擦，从而抵抗外部荷载的变形。钢渣集料的内摩擦角与钢渣的级配特性及压实程度有关，钢渣集料级配越好，压实度越高，摩擦强度越高。

2.2.2 粘聚强度

钢渣垫层的粘聚强度主要来源于钢渣的板结作用。钢渣的化学成分与水泥相近，含有f-CaO、硅酸二钙、硅酸三钙等活性物质，这些成分浸水之后会发生水化反应生成Ca（OH）2及其他水化物，其反应方程式如下：

钢渣颗粒表面的活性成分与水及空气中的CO2发生反应后，产生了少量具有一定粘结作用的胶凝成分，即硅酸凝胶和碳酸钙，胶凝成分凝结硬化后，使钢渣颗粒之间产生了一定的粘聚作用，形成粘聚强度。

钢渣的板结作用形成的胶凝成分较少，所以钢渣垫层的强度主要以摩擦强度为主。

3 钢渣垫层在公路软土地基的应用方法

3.1 换填法

当软土厚度较薄且<3 m时，可将软土全部挖除，填以钢渣集料。填筑的钢渣集料需采用膨胀率<2%的陈渣，且要求级配良好。填筑时在最优含水率（±2%）条件下压实，对压实度要求如表4所示。

压实后的钢渣垫层具有较高的摩擦强度，一段时间后，钢渣在水的影响下板结，形成一定的板结强度。填筑的钢渣垫层压缩模量高，CBR值较高，可减少地基沉降，提高地基承载力。

3.2 局部换填法

公路地基处理中软基就近弃土较为困难，所以当软土厚度较大时（厚度>3 m），不建议采用钢渣垫层全部换填软基的方式处理地基，可采用垫层局部置换上层软弱土的形式处理软弱土地基。

钢渣垫层换填厚度的计算表达式如下：

级配钢渣的透水性较好，采用局部换填处理公路软土地基时，可加速地基的排水固结。软弱土地基中的水可在上层钢渣垫层及路基填土的作用下竖向排入钢渣垫层中，再通过钢渣垫层排至路基两侧。

3.3 褥垫层法

当公路软基较厚，属于深厚软土地基时，采用换土垫层法无法满足设计要求，可采用复合地基方法处理软基，处理形式如图3所示。桩基处理软土地基后顶部需铺设一定厚度的褥垫层，为了节约资源，该褥垫层可采用钢渣垫层。对于刚性桩，钢渣褥垫层厚度可取0.4～0.6倍的桩径，对于柔性桩及半刚性桩，其厚度可取200～300 mm。钢渣褥垫层铺设时应保证桩体嵌入褥垫层一定的厚度，一般嵌入厚度为30～50 mm。

钢渣褥垫层施工前需清除桩间浮土，清除浮土后的褥垫层底面应保持在同一标高上，在最优含水率下分层压实。压实板结后的钢渣褥垫层具有一定的强度和刚度，可以调节桩土应力比，从而使路堤填土达到受力均衡的协调变形。

3.4 其他方法

钢渣的物理力学性能与软质普通碎石类似，且钢渣材料具有一定的活性，钢渣与土掺和后可改变土体的物理力学性质。已有研究表明，钢渣掺入到路基土中，路基土的CBR值、回弹模量指标得到了很大的提升[12]。在公路软土地基处理中，当软土厚度较薄时，可将软土挖出，经过适当晾晒后与钢渣集料现场拌和，钢渣掺入量应在50%以上，拌和均匀后将钢渣与土体混合物回填至软弱地基中，回填过程中应充分压实。

钢渣与土体拌和后，钢渣作为主骨料与土体形成较为密实的钢渣垫层，钢渣中的f-CaO、硅酸二钙、硅酸三钙等活性物质会与土体中的水反应生成凝结物质，并逐步形成较高的强度。

4 钢渣垫层应用中存在的问题

4.1 钢渣的安定性问题

钢渣中含有少量的f-CaO和f-MgO，虽然f-CaO和f-MgO具有一定的活性，可以促进钢渣的板结，但同时也带来了钢渣的膨胀问题。研究表明，f-CaO的水化反应将产生98%的膨胀，f-MgO的水化反应将产生148%的膨胀[13-14]。在钢渣化学成分中，膨胀物质以f-CaO为主，f-MgO含量较少。不同的钢渣其f-CaO含量差异较大，一般新出厂的钢渣f-CaO含量较大，热闷渣及陈化1年以上的钢渣f-CaO含量较少，且较为稳定。所以，应用于垫层中的钢渣应选择热闷渣或陈化1年以上的钢渣，对新渣应慎重使用。

钢渣膨胀过大将导致垫层开裂，进而影响路面结构，所以将钢渣应用于垫层结构前应测量钢渣集料的浸水膨胀率，要求应用于钢渣垫层的钢渣集料浸水膨胀率<2%。

4.2 钢渣重度大带来的运输问题

钢渣的密度较大，其密度约为普通碎石的1.25倍。与普通砂石相比，相同运距下钢渣的运输比普通砂石的运输费更高。当钢厂离公路项目路程较远时，使用钢渣作为垫层材料将带来运输方面的困扰。所以，考虑到运输问题，钢渣集料适合在钢厂周边的公路项目上应用。

5 结语

钢渣是一种常见的工业固体废弃物，具有良好的建筑材料性能。本文从钢渣材料特性出发，探讨了钢渣以垫层的形式在公路软土地基中的应用，主要结论如下：

（1）化学分析显示，钢渣的化学成分主要为CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5，计算的碱度值>1，呈碱性，活性较大，在一定的条件下易于板结。

（2）钢渣集料属于软质岩石材料，密度和吸水率较大，且级配良好。通过击实试验得钢渣的最佳含水率为6.9%，最大干密度為2.33 g/cm3。

（3）钢渣集料经过一定的击实功击实后，可以形成较高的摩擦强度，且钢渣颗粒表面的活性成分会与水及空气中的CO2发生反应，产生板结作用，从而形成粘聚强度。但钢渣垫层主要以摩擦强度为主，板结形成的粘聚强度较弱。

（4）钢渣垫层具有普通砂石垫层的特性，可以提高地基承载力，减少地基沉降量，加速地基的排水固结，调节桩土应力比等。

（5）钢渣垫层可以以全部换填、局部换填、褥垫层、钢渣掺土混合料垫层的形式处理公路软土地基，从而提高软土地基承载力，达到地基处理的目的。但在应用过程中应注意钢渣的膨胀和运输问题，要求应用于钢渣垫层的钢渣集料浸水膨胀率<2%，且钢渣集料适合在钢厂周边的公路项目上应用。

参考文献：

[1]俞海明，王强.钢渣处理与综合利用[M].北京：冶金工业出版社，2015.