工业固废钢渣改善黄土路基湿陷性的研究与应用.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言钢渣属于工业副产品，若作为废弃物直接处置，既占用大量土地，又污染环境。近年来，发达国家对工业固废钢渣的资源化利用越来越重视，根据调查，美、日、德等国公路建设中钢渣利用率高达60%左右；其应用实践也表明，含钢渣集料的沥青混合料对应力敏感性低，强度、耐久性及抗车辙性能好。当前，已有研究成果主要集中在细粒径钢渣在路基工程中的应用方面，主要以粒径在0.075 mm以下的钢渣粉为稳定剂稳定普通混凝土，而对于粒径03 mm和05 mm的细粒式钢渣稳定特殊土路基的研究较少。为提升工业固废钢渣利用率，降低湿陷性黄土路基建筑成本，必须深入开展细粒式钢渣稳定黄土路基的研究。1 工程概况某高速公路修建于山岭微丘地区，其中K19+420K28+614段为黄土路基段，根据检测结果，路基土液限为15.2，塑限为12.3，天然密度1.45 g/cm，最佳含水率为12.8%，最大干密度1.84 g/cm，孔隙比为1.17。黄土材料湿陷性是引发路基病害的主要原因，考虑到该合同段黄土材料的特殊性，常规的强夯、垫层、挤密、沉桩、化学加固、防水等改善处理思路均不适用。工程所在地钢铁厂所产固废钢渣数量较多，采购成本低廉，使用工业固废钢渣改善该公路合同段黄土路基湿陷性便具有较强的可行性。2 钢渣性能检测2.1 应用的安全性选择不同来源且均陈化一年以上的工业固废转炉钢渣1，依次编号为试样1试样5。按照固体废物浸出毒性浸出方法 醋酸缓冲溶液法（HJ/T 3002007）和建筑材料放射性核素限量（GB 65662010）展开不同试样浸出毒性和放射性检测。根据检测结果，所选用的5个钢渣试样浸出毒性和放射性均满足工程使用要求。2.2 体积稳定性为增大钢渣和黄土水化接触面，并充分发挥出工业固废钢渣胶凝性，选择粒径03 mm和05 mm的两种钢渣细集料。按照公路路基施工技术规范（JTG/T 36102019）具体要求展开钢渣细集料浸水膨胀率检测，并确定游离氧化钙及铁含量，保证体积稳定2。结果见表1。根据检测结果，仅试样5的游离氧化钙含量略微超标，其余试样及指标均符合规范。表1 钢渣细集料体积稳定性检测结果单位：%体积稳定性指标浸水膨胀率游离氧化钙含量铁含量试样11.02.60.38试样20.61.80.36试样31.32.70.55试样40.92.50.20试样51.53.80.16规范值2.03.02.02.3 胶凝性使用X射线荧光光谱仪和X射线衍射仪检测钢渣化学元素构成及矿物相，以评价其与石灰等工程材料的胶凝性特征。根据检测结果，工业固废钢渣中富含氢氧化钙、硅酸三钙、氧化钙、氧化镁等活性成分，作为胶凝材料切实可行。3 试验方案及方法为确定改善黄土路基湿陷性的工业固废钢渣粒径及具体掺量，设计出粒径03 mm和05 mm的两种细收稿日期：2023-01-30作者简介：蔚小英（1975），男，山西大同人，高级工程师，从事公路工程管理工作。工业固废钢渣改善黄土路基湿陷性的研究与应用蔚小英（山西路桥第一工程有限公司，山西 太原 030012）摘要：为分析工业固废钢渣在改良黄土路基湿陷性方面的可行性与适用性，以某高速公路黄土路基段为例，对不同来源且均陈化一年以上的工业固废转炉钢渣应用的安全性、体积稳定性及胶凝性展开检测；并对工业固废钢渣改良黄土时的粒径及具体掺量展开试验。结果表明，按照15%的量掺加粒径03 mm的钢渣细集料改良黄土，可使黄土路基压实度、动态变形模量、浸水强度和无侧限抗压强度明显提升，路用性能显著改善；使用工业固废钢渣改良黄土性能还具有较高的社会效益和经济效益。关键词：工业固废钢渣；黄土路基；湿陷性；改良路基中图分类号：U414；U416.1文献标识码：B43总652期2023年第22期（8月 上）集料，钢渣掺量按照5%、10%、15%、20%、25%等确定，通过比较水泥稳定土和石灰稳定土强度及水稳性，以确定钢渣最佳粒径及掺量。粒径0.075 mm以下钢渣粉含量是影响钢渣细集料改善黄土路基湿陷性的关键，故应加强此类钢渣粉掺量的控制，按照0.075 mm筛孔通过率为4%、6%、8%、10%，设计出不同级配钢渣改良黄土，并根据强度及水稳性试验结果确定具体的筛孔通过率。3.1 钢渣浸水膨胀率按照道路用钢渣砂（YB/T 41872009）所规定的浸水膨胀率试验进行钢渣细集料膨胀性检测。检测开始前，必须清洗烘干钢渣，并量取重量为7 kg的试样3份，依次展开击实试验，并检测试样的最佳含水率和最大干密度。此后，再配置3份钢渣试样置于80 水体内检测其体积膨胀程度。根据初始读数、持续浸泡6 h并冷却后的读数、最终膨胀率读数等展开试样体积膨胀率比较。3.2 浸水强度及无侧限抗压强度试验按照 公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E512016）相关规定展开钢渣试样浸水强度及无侧限抗压强度试验。圆柱体试样高50 mm、直径50 mm，部分试样于温度为20 2、湿度不小于95%的封闭无浸水环境养生7 d后展开浸水强度损失试验；另一部分试样以相同方式养生7 d并浸水24 h后检测无侧限抗压强度。4 试验结果4.1 钢渣掺量分别使用粒径03 mm和05 mm的钢渣细集料试样1、强度等级32.5R水泥、石灰改良黄土，并与素土展开强度损失率和无侧限抗压强度的比较，结果见表2和表3，限于篇幅，此处仅列示粒径03mm钢渣细集料改良情况，分析结论对于粒径05mm钢渣细集料改良黄土同样适用。根据表中结果，改良黄土无侧限抗压强度随钢渣、水泥、石灰等掺量的增加而增加；浸水强度损失则随改良剂掺量的增大而减小。不同掺量下的水泥改良黄土和石灰改良黄土抗压强度均满足公路路基施工技术规范（JTG/T 36102019）中对改良黄土强度的要求（0.5 MPa）；钢渣改良黄土在钢渣掺量达到10%以上时，强度才满足规范。综合比较不同改良方案下改良黄土无侧限抗压强度和浸水强度可知，钢渣掺量为15%时的改良黄土强度与3%水泥改良土相当，并高于6%石灰改良土；钢渣掺量15%的改良黄土浸水强度损失与6%石灰改良土相当，但低于3%水泥改良土。出于经济性和强度稳定性等方面的综合考虑，本公路工程黄土路基钢渣掺量应为15%。4.2 钢渣粒径按照15%掺加钢渣改良湿陷性黄土的情况下，进行粒径03 mm和05 mm两种钢渣细集料改良黄土的水稳性和强度比较，结果见表4和表5。根据表中结果，掺加粒径为03mm的钢渣改良的湿陷性黄土试样水稳性和无侧限抗压强度均基本满足公路路基施工技术规范（JTG/T 36102019）；但掺加粒径为05 mm钢渣改良的湿陷性黄土试样无侧限抗压强度存在较大波动，且部分改良黄土早期强度达不到规范要求。通过比较浸水强度损失看出，粒径03 mm钢渣改良黄土的水稳性优于粒径05 mm钢渣。其中，粒径05 mm钢渣改良黄土试样 2和试样 3的 7d浸水强度损失率接近100%，表明试件散落，试验失败。综上，为确保工程应用效果，应选用粒径03 mm的工业固废钢渣改善湿陷性黄土3。表4 钢渣改良黄土的水稳性比较单位：%钢渣改良黄土试样7 d浸水强度损失率14 d浸水强度损失率粒径03 mm粒径05 mm粒径03 mm粒径05 mm试样117.629.814.133.2试样221.199.77.819.9试样320.099.834.922.6试样412.026.48.728.9试样525.222.521.321.4表5 钢渣改良黄土的强度比较单位：MPa钢渣改良黄土试样7 d无侧限抗压强度14 d无侧限抗压强度粒径03 mm粒径05 mm粒径03 mm粒径05 mm试样10.710.540.810.59试样20.560.460.660.56试样30.590.520.720.65试样40.740.430.810.54试样50.680.610.730.71表2 掺加不同改良剂的黄土浸水强度损失比较单位：%改良土类型掺量浸水强度损失率素土0100钢渣改良黄土51001055.31534.22023.12520.0水泥改良黄土232.4321.9415.159.868.6石灰改良黄土637.2739.6831.1919.81018.4表3 掺加不同改良剂的黄土无侧限抗压强度比较改良土类型掺量（%）无侧限抗压强度/MPa素土00.28钢渣改良黄土50.43100.55150.80200.96251.25水泥改良黄土20.5830.8040.9851.2661.32石灰改良黄土60.6070.6580.6291.02101.0344交通世界TRANSPOWORLD4.3 养生龄期以3%水泥改良土为对照组，不同养生龄期下钢渣改良黄土无侧限抗压强度检测结果见表6和表7。根据结果，水泥改良土和粒径03 mm钢渣改良土、粒径05 mm钢渣改良土强度均随着养生龄期的延长而增大，其中3%水泥改良土强度在前14d龄期内增长快速，在以后龄期内的增长速度减缓。而两种粒径钢渣改良土强度在56 d龄期内变化均匀，且无明显的强度增长缓和点，表明钢渣改良土强度增长稳定。表6 粒径03 mm钢渣细集料改良土无侧限抗压强度养生龄期/d7142856无侧限抗压强度/MPa水泥改良土0.801.211.351.41试样10.660.540.720.76试样20.590.620.750.89试样30.710.940.931.14试样40.840.920.960.99试样50.640.670.700.85表7 粒径05 mm钢渣细集料改良土无侧限抗压强度养生龄期/d7142856无侧限抗压强度/MPa水泥改良土0.791.211.331.40试样10.620.580.690.70试样20.410.540.620.68试样30.690.680.730.95试样40.710.800.870.90试样50.640.730.710.804.4 钢渣改良黄土承载比以3%水泥改良土和6%石灰改良土为对照组，进行两种粒径钢渣改良土承载比试验，以验证钢渣改良黄土的承载性能；同时比较50次和98次击实情况下的浸水膨胀率。试验结果见表8。根据承载比试验结果，水泥改良黄土的承载比明显高于石灰改良土和钢渣改良土；石灰改良土与钢渣稳定土的承载比较为接近，且试样 1、试样 3 和试样 4 的承载比高出石灰改良土。表中所列所有钢渣改良土的承载比均超出8%的路床承载力规范值。击实98次的试件密度和承载比明显高于击实50次的改良土。根据浸水膨胀率试验结果，钢渣改良黄土试样2和试样3的浸水膨胀率明显高于石灰改良土，而钢渣试样1和试样4的膨胀率比石灰改良土低；在钢渣级配变异及活动程度的影响下，不同钢渣改良土试样的浸水膨胀率波动较大，但其改良土膨胀率均未超出1%，说明钢渣改良黄土浸水后体积较为稳定4。5 应用效果在该高速公路黄土路基合同段进行了工业固废钢渣改良黄土湿陷性效果的验证，试验段为 K19+420K19+620，长200 m，钢渣改良黄土路基铺筑厚度为50cm、宽度为30 m，并分4层铺筑；采用机械撒布及全深式再升机路拌施工。粒径03 mm的固废钢渣掺加量为15%。试验段铺筑结束后性能检测结果见表9。根据表中结果，通过掺加钢渣改良黄土路基后，压实度、动态变形模量均显著提高，弯沉值减小，路用性能完全满足公路路基施工技术规范（JTG/T 36102019）及 公路工程施工质量验收标准（DG/TJ 081192018）。表9 试验段铺筑结束后性能检测结果铺筑层压实度（%）动态变形模量/MPa弯沉值/（0.01 mm）第一层97.952.31123.1第二层96.850.89103.0第三层96.758.1794.2第四层97.458.0691.5规范值96.040.01966 结束语本文分析结果表明，工业固废钢渣改良黄土路基湿陷性时，适宜的钢渣掺量应为15%，并应掺加粒径03 mm的钢渣细集料；钢渣改良黄土的养生龄期增长较快，且在56d龄期时仍未出现强度增长缓和点，故根据施工需要进行养生即可。工程应用结果显示，掺加粒径03 mm的钢渣细集料改良黄土后可使黄土路基承载力及压实度大幅提升，动态变形模量最小仅为50.89MPa，弯沉最大值仅为 123.1（0.01 mm），也说明钢渣细集料在黄土路基中具有广阔的应用前景。参考文献：1 金明亮，王兴涛，郑万鹏，等.钢渣作为胶凝剂稳定黄土路基研究与应用J.公路，2022，67（9）：101-108.2 张军林，王绍安，任国斌，等.细粒式钢渣改良黄土路基研究J.中国建材科技，2021，30（5）：75-78.3 朱苗淼，朱武卫.矿渣与工业废渣改良黄土的性能与机理研究进展J.灾害学，2022，37（1）：129-133.4 吴子龙，朱向阳，邓永锋，等.掺入钢渣与偏高岭土水泥改性土的性能与微观机制J.中国公路学报，2017，30（9）：18-26.表8 钢渣改良土承载比和浸水膨胀率检测项目承载比浸水膨胀率击实次数/次50985098在该击实情况下的钢渣改良土承载比和浸水膨胀率（%）水泥改良土54.365.70.180.13石灰改良土28.649.60.500.42试样142.749.80.260.21试样219.825.60.640.58试样336.244.10.620.34试样438.952.30.260.23试样526.427.90.200.2145