工業固廢鋼渣改良黃土路床研究

李俊濤

摘要：調查數據顯示，甘肅省工業固廢累計儲存量約為8.9億t，綜合利用率不足14%，固廢的大量堆積、廢棄不僅占用大量土地資源，而且使原本就脆弱的生態環境更加雪上加霜。同時甘肅省中、東部地區為黃土高原，黃土的崩解性對工程建筑特別是水利工程和道路工程危害很大，利用煉鋼廢渣作為改良材料，能夠解決黃土地區公路路基濕陷性問題，提高公路修筑質量與抗災能力，減少公路病害，確保公路行車安全性與舒適性，減少了經濟損失和不良社會效應，避免了渣灰棄置帶來的土地、水源和環境污染。

關鍵詞：濕陷性黃土處置?工業固廢利用?鋼渣改良黃土?低碳綠色發展

中圖分類號：?U416.1???文獻標識碼：A

Research?on?the?Improvement?of?Industrial?Solid?Scrap?Slag?on?the?Loess?Roadbed

LI?Juntao

（Gansu?Province?Highway?Traffic?Construction?Group?Co.，Ltd.，Lanzhou，Gansu??Province，730000?China）

Abstract：?According?to?the?survey?data，?the?cumulative?storage?of?industrial?solid?waste?in?Gansu?Province?is?about?890?million?tons，?and?the?comprehensive?utilization?rate?is?less?than?14%.?The?massive?accumulation?and?abandonment?of?solid?waste?not?only?occupy?a?lot?of?land?resources，?but?also?make?the?already?fragile?ecological?environment?worse.?At?the?same?time，?the?central?and?eastern?regions?of?Gansu?Province?are?the?loess?plateau，?and?the?disintegration?of?loess?is?very?harmful?to?engineering?buildings，?especially?water?conservancy?projects?and?road?projects.?The?use?of?steel-making?slag?as?an?improved?material?can?solve?the?problem?of?collapsibility?of?the?highway?subgrade?in?the?loess?region，?improve?the?construction?quality?and?anti-disaster?ability?of?the?highway，?reduce?highway?diseases，?ensure?the?safety?and?comfort?of?highway?traffic，?reduce?economic?losses?and?adverse?social?effects，?and?avoid?the?pollution?of?land，?water?and?environment?caused?by?slag?and?ash?disposal.

Key?Words：?Collapsible?loess?treatment;?Industrial?solid?waste?utilization;?Steel?slag?improving?loess;?Low-carbon?and?green?development

1研究背景

1.1黃土地區公路路基濕陷性問題

甘肅省中、東部地區為黃土高原，黃土分布積約為12萬km2。主要分布在隴西和隴東兩區。黃土是具有大孔隙結構，富含碳酸鹽等易溶鹽成分，對水特別敏感，遇水即崩解的特殊土。其崩解性對工程建筑特別是水利工程和道路工程危害很大，其危害表現在定量上的不可忽視性和在定性上的急速發展性。截至目前，國內因黃土濕陷導致工程建筑物塌陷破壞的實例比比皆是[1]。所以，在黃土覆蓋層上進行公路工程建設，通常需要對黃土地基進行處理。

1.2砂石、水泥等筑路資源匱乏

截至“十三五”末，甘肅省公路通車里程達到15.4?km，其中高速公路?6?000余km?！笆奈濉睍r期，為加快區域協同聯動發展，推進交通強國戰略實施，甘肅省將在2025年高速通車里程達8?000?km，國家高速公路甘肅境內待貫通路段全面建成，省級高速骨干網絡基本形成，高速公路縣級節點覆蓋率達100%。包括國省高速及在建和已規劃高速達6?000多km，投資總額約?8?000?億元。交通基礎設施建設，可以全面帶動上下游經濟及就業，并對各類自然資源和能源需求巨大。據估計，“十四五”僅公路建設對砂石需求超1億m3，水泥需求7?000萬t，距甘肅省筑路材料市場需求有很大的差距。甘肅省各地層分布較廣，巖石品種齊全，主要分布花崗巖、輝綠巖、閃長巖、安山巖等，但區域分布極為不均，巖質參差不齊。尤其是路面石料，對巖石物理學力學性質和化學性質要求高，致使部分工程項目嚴重缺乏合格石料。2020年甘肅省水泥產量超過4?500萬t，占全國水泥產2.1%。但是存在區域化分布差異顯著，?目前有水泥生產線38條，其中蘭州周邊年產量1?887萬t，占比43.4%。而甘肅省公路工程所用瀝青材料全部來自進口或外省。?砂石產業和水泥產業是公路建設的主要材料來源，同時也是資源消耗和能源消耗大戶，在目前國家嚴格的環保政策壓力下，在實現交通運輸與自然環境的協調發展背景下，砂石開采和水泥生產將嚴重受限，筑路材料匱乏現象日益凸顯。

1.3甘肅省工業固廢體量大、利用率低

調查數據顯示，甘肅省工業固廢累計儲存量為8.9億t，綜合利用率不足14%，?甘肅省主要固體廢物的產量如下：尾礦（3?138萬t/a）＞粉煤灰（422萬t/a）＞冶煉廢渣（391萬t/a）＞煤矸石（250?萬t/a）＞爐渣（170?萬t/a）＞?路面銑刨料（5.5萬t/a），各類工業固體廢棄物年產生量約?4?400?萬t。工業固廢產量和儲量最大的是尾礦，其次為煤矸石、鋼渣。同時，甘肅省整體生態環境較為脆弱，水土流失嚴重，也是自然災害和地質災害高發區。此外，該區域氣候環境差異明顯，存在高寒高海拔、大溫差、凍融破壞嚴重以及干旱等特點，對公路工程材料耐久性要求更高。在甘肅省強化資源集約節約與循環利用，積極推動工業固廢循環利用，加大建筑垃圾、粉煤灰、礦渣等廢棄資源的綜合利用，對建設綠色公路和提高已建交通基礎設施的生態保護水平具有重要意義[2]。

1.4固廢綜合利用的政策支持

“十三五”期間，?國家高度重視固體廢棄物的綜合利用和砂石行業的健康發展，相繼出臺了《國家工業固體廢棄物資源綜合利用產品目錄》《關于推進大宗固體廢棄物綜合利用集聚發展的通知》（發改辦環資〔2019〕44號）、《關于促進砂石行業健康有序發展的指導意見》《十部門關于推進砂石行業高質量發展的若干意見》（工信部聯原〔2019〕239號），大力推進固體廢棄物在公路建設行業的綜合利用，鼓勵和支持綜合利用廢石、礦渣、尾礦、建筑垃圾等固廢資源制造再生砂石，解決砂石料供需矛盾[3]。甘肅省也相繼出臺了《甘肅省中長期節能規劃》《甘肅省循環經濟總體規劃》《甘肅省“十三五”環境保護規劃》《甘肅省“十三五”工業轉型升級規劃》，既定了工業固廢綜合利用的發展方向和發展目標。為促進甘肅省砂石行業健康有序發展，穩定砂石市場供應，甘肅省發展改革委等14部門印發《甘肅省關于促進砂石行業健康有序發展的實施方案》（甘發改價格﹝2020﹞?695?號），鼓勵機制砂石、再生砂石等替代砂源利用。2021年國家發布《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用指導意見》，重點推進固廢資源化利用[4]。通過大宗固體廢棄物在公路中的利用，一方面解決了固體廢棄物引起的環境污染和減少了砂石開采引起的生態環境破壞，另一方面彌補了交通建材的大缺口，并實現了公路建設的經濟性和甘肅省的高質量、綠色化發展。因此，通過工業固體廢棄物制備砂石原料及其他產品是實現交通強國建設和公路低碳綠色發展的有效途徑和需求方向。

1.5典型固廢鋼渣綜合利用情況

鋼渣是鋼鐵冶煉過程中產生的一種工業固體副產品，主要礦物組成以硅酸三鈣為主，其次是硅酸二鈣、氧化相（RO）、鐵酸二鈣和游離氧化鈣（f-CaO）。我國是世界鋼鐵產業第一大國，鋼渣年產量超過一億t，主要以回收廢鋼、磁選鐵精粉、用作熔劑等鋼廠內部循環利用方式為主，使用量有限，目前約有75%的鋼渣處于堆存和填埋狀態，存在環境污染、資源浪費等問題。當前普遍認為鋼渣的力學性能優于軋制碎石，其不僅耐磨、顆粒幾何形狀好，同時具有一定的膨脹性可補償干旱與半干旱地區基層大收縮應變，降低了基層開裂的可能性。此外，多孔粗糙呈堿性的集料表面與瀝青具有良好的粘附性，加之集料堅硬進一步增強了瀝青混合料的整體粘結強度以及抗剪強度，并且降低了瀝青老化程度及集料剝落的概率。同時，具有與水泥相似的礦物組成成分（C3S、C2S、Ca（OH）2等），這將決定了鋼渣是具有一定活性的固廢體廢棄物，成熟工藝中將鋼渣加入水泥中作為礦物摻合料使用，在路基中可代替水泥、石灰等用于改良膨脹土、黃土等，其活性特征可形成較強的路基膠凝體。因此，從材料性能來看，鋼渣可作為良好的筑路材料。

該研究為促進鋼渣固體廢棄物在公路工程中的充分利用，并改善黃土地區路基填筑濕陷性問題，在考慮鋼渣具有活性特性基礎上，采用一定量的細粒徑鋼渣代替水泥用于穩定黃土，以更加經濟的方式提升黃土填筑路床性能，達到固廢利用和黃土濕陷性改善的雙向目標。

1.6國內外研究現狀

路床是路面結構與路基的過渡層，高速公路設計中一般采用低劑量石灰土或水泥土。而鋼渣含有大量?C2S、C3S等活性成分，研究表明其活性激發后具有類似石灰或水泥的特性。鑒于實際需要，在鋼渣應用于路床方面的研究，一些學者取得了許多研究成果，并提出了有關鋼渣應用的技術指標[5]。

1997年，DEMIRBA??F?A?和GENQT?H?通過對鋼渣混凝土的6種配合比的研究，結果表明：鋼渣可以部分代替水泥，并不會顯著降低其抗壓強度；其標準需水量、比表面積與普通水泥存在一定差別，但在國家標準要求范圍內。

2007年，蔡曉飛和徐文娟等對石灰鋼渣穩定土和水泥鋼渣穩定土的研究均表明，鋼渣摻量合適時，可改善混合料的力學性能，干縮應變的大小基本上隨著鋼渣摻量的增加而減小，并指出鋼渣混合料可以應用于各等級公路材料。

2017?年，吳子龍等人圍繞偏高嶺土在改性土中應用、工業廢棄鋼渣再生利用以及水泥改性土性能提升這3個問題，設計了摻入偏高嶺土與鋼渣后水泥改性土的一系列室內試驗，從擊實特性、劈裂抗拉強度以及抗壓強度這3個方面闡述了改性土的宏觀性能；同時，開展了SEM、XRD、MIP?與TUA?等微觀試驗，分析微觀結構以及水化產物生成與孔隙分布的內在機制，進而為改性土性能提升與廢棄物再生利用奠定理論基礎。宏觀試驗結果表明鋼渣的摻入改善了水泥改性土擊實特性和力學強度；引入偏高嶺土后，上述性能得到明顯改善，改良后力學強度與偏高嶺土的摻量之間呈現先增后減的規律，最優摻入比為?1/3～1/2；劈裂抗拉強度和無側限抗壓強度成正比關系，斜率比值為0.83。微觀試驗結果表明偏高嶺土和鋼渣摻入后，水泥改性土中水化產物的類型沒有改變，但改變了水化產物的數量和包裹形式，使試樣的孔徑分布和微觀結構發生改變。

2018?年，袁明月、張福海等人對膨脹土、石灰改良膨脹土、鋼渣微粉改良膨脹土進行干濕循環試驗、自由膨脹率試驗、無側限抗壓強度試驗，比較驗證鋼渣微粉對膨脹土的改良效果。試驗結果表明：鋼渣微粉對膨脹土干濕循環作用下裂隙的發展、自由膨脹率的減小、強度的增加均有明顯改善效果。同時發現鋼渣微粉改良膨脹土與石灰改良膨脹土礦物成分相近結合，?分析得出鋼渣微粉改良膨脹土和石灰改良土在改良機理上有相似性。

綜合以上表明，鋼渣具有一定膠凝性用于路基填筑和改良特殊土是切實可行的。

2改良黃土用鋼渣原材料控制

采用X射線熒光光譜儀（XRF）測試鋼渣的化學元素組成，發現不同來源鋼渣呈現相同的元素組成規律，均以Ca、Si、Fe和Al等為主，其中以Ca元素含量最高，次之為Si，并采用二元堿度指標評價鋼渣的活性，發現大部分鋼渣是屬于中堿度以上，這證明了鋼渣是一種具有較高活性的固體廢棄物，適用于穩定黃土。

鋼渣用于改良黃土路基，需進行原材料質量檢測，檢測指標包括體積穩定性（浸水膨脹率、游離氧化鈣含量）、鐵含量、對環境的影響程度（浸出毒性及放射性）。通過對不同加工廠鋼渣的指標檢測，不同鋼渣的鐵含量、浸水膨脹率及游離氧化鈣含量均滿足要求，其檢測結果如表1所示。

當鋼渣應用于道路工程時，常與雨水接觸，這時鋼渣中重金屬離子很可能會發生浸出，污染地下水和道路周邊的土壤，甚至對人體的健康造成威脅，因此鋼渣應用于道路工程應特別注意鋼渣對周圍環境的影響。從生態角度出發，鋼渣含有的微量重金屬離子，對環境的影響巨大，不同鋼渣廠生產的重金屬離子類別和含量各不相同，因此對鋼渣重金屬離子把控尤為重要。

根據《公路路基設計規范》（JTG?D30-2015）3.10條的規定，工業廢渣應用于道路工程時，必須符合國家現行環境保護的相關規定，嚴禁采用含有有害物質的工業廢渣應用于道路工程。特別是工業廢渣浸出液內微量元素含量，需符合國家生態環境部2004年發布的《危險廢物安全填埋處置工程建設技術要求》中直接填埋廢物控制限制值。根據國標?《固體廢物浸出毒性浸出方法?醋酸緩沖溶液法》（HJ/T?300-2007）處理鋼渣，收集其中可浸出的重金屬等有害金屬離子。根據?《固體廢物鎳和銅的測定?火焰原子吸收分光光度法》（HJ?751-2015）和?《固體廢物鉛、鋅和鎘的測定焰原子吸收分光光度法》（HJ786-2016）等標準，測試鋼渣浸出液的重金屬離子含量。再根據?《地面水環境質量標準》（GB?3838-2002），判定鋼渣作為筑路材料是否會對環境造成污染。采用原子吸收光譜對榆鋼鋼渣進行測試，測試結果如表2所示，結果顯示鋼渣符合安全性規定。

根據表2試驗結果可知，鋼渣中有害金屬離子浸出都滿足技術指標要求，鋼渣浸出液中能檢測到部分有害金屬離子，但都滿足規范限值要求。具體來看，甲基汞、乙基汞、鎘、總鉻、銅、鋅、鈹、鎳、無機氟化物、總氰化物、鉻（六價）等微量元素并未檢測到。汞含量特別低，滿足限值?0.1?要求。鉛、鋇、砷等元素含量相對較高，但也都滿足規范限值要求。表明散料鋼渣金屬微量離子浸出濃度滿足要求，當鋼渣以塊狀混合料存在時，其微量重金屬離子浸出也必能滿足要求，?因此鋼渣應用于道路工程符合規范要求。含有放射性物質的固體廢物以外照射或通過其他途徑進入人體產生內照射的方式危害人體健康。隨著核能源的日益發展，放射性固體廢物量迅速增加，因此控制和防止環境中放射性固體廢物污染，是保護環境的一個重要方面。

該研究為確保采用的鋼渣對環境無放射性影響，對不同廠鋼渣進行了放射性檢測，檢測依據《建筑材料放射性核素限量》（GB/6566-2010），放射性采用內照射指數和外照射指數來表征，內照射指數不大于1.0，?外照射指數不大于1.0，鋼渣放射性檢測結果如表3所示。

3改良黃土用鋼渣摻量確定

參考已有研究基礎，選擇0～3?mm鋼渣改良黃土，為了確定鋼渣改良黃土用鋼渣的最佳摻量，設計了10%、15%、20%、25%、30%這5個不同摻量，并設計了對照組素土、水泥穩定黃土和石灰穩定黃土，以7?d無側限抗壓強度為控制指標。通過與3%水泥穩定土和6%石灰穩定土對比得出隨著石灰摻量和水泥摻量的增加，穩定黃土的7?d?無側限抗壓強度逐漸增大；對于鋼渣土，隨著鋼渣摻量的增加，7?d無側限強度先增大后減小，當鋼渣摻量為?15%時，鋼渣土強度最大，且從?10%增大至15%時，鋼渣土強度提升幅度很大。表明?15%鋼渣摻量對于黃土的穩定作用較為顯著。

4改良土用鋼渣粒徑選擇

采用5個加工廠生產的鋼渣配制鋼渣穩定黃土，鋼渣摻量為15%，鋼渣粒徑設計為0～3?mm和0～5?mm兩種，更細粒徑不利于鋼渣的大比例及全粒度應用。

采用0～3?mm鋼渣，5個加工廠鋼渣配制的鋼渣改良黃土的7?d和14?d無側限抗壓強度均滿足國家技術要求。其中，以伏海和眾力泰兩個加工廠鋼渣配制的鋼渣改良黃土的強度最高，7?d強度代表值可達到0.7?MPa以上。對于浸水強度損失，4個加工廠鋼渣配制的鋼渣改良黃土在不同齡期下浸水后強度損失均滿足要求（50%）。采用0～5?mm鋼渣，5個加工廠鋼渣配制的鋼渣改良黃土強度均滿足技術要求。對于浸水強度損失，除伏海和眾力泰鋼渣不同齡期浸水強度損失滿足要求外（50%），宏得鋼泰、襆北永冠加工廠鋼渣配制的鋼渣改良黃土7?d浸水強度不滿足要求，榆鋼渣場鋼渣配制的鋼渣改良黃土7?d和14?d浸水強度損失均不滿足要求。

綜合以上0～3?mm和0～5?mm鋼渣改良黃土，分析7?d無側限抗壓強度和水穩定性可知，不同加工廠的0～3?mm鋼渣改良黃土均能達到技術要求，而采用0～5?mm鋼渣改良黃土，存在較大波動因素，部分鋼渣改良黃土浸水強度損失不達標。因此，考慮到實際工程應用，選擇0～3?mm鋼渣用于改良穩定黃土。

5改良黃土用鋼渣級配要求

0～3?mm粒徑的5個加工廠生產的鋼渣均符合國家技術要求規定的中砂范圍，然而國家技術要求未規定0.075?mm通過率。0.075?mm篩下鋼渣粉對改良黃土強度影響較大，故以0.075?mm篩孔通過率為變量進行7?d無側限抗壓強度對比分析。通過分析得出了改良黃土用鋼渣中0.075?mm鋼渣粉含量不小于6%。由于道路用鋼渣砂對于中砂的級配下限規定較小，為確保鋼渣細度及保障改良黃土強度，在該級配下限基礎上，篩孔通過率增加5%，形成新的級配下限規定值，同時要求2.36?mm篩孔通過率誤差不大于2%，即2.36?mm?最低篩孔通過率為?98%。鋼渣改良黃土用鋼渣級配規定如表4所示。

6鋼渣改良黃土承載力驗證

分別對不同來源鋼渣改良黃土進行了CBR承載比試驗，并對比3%水泥穩定黃土承載比。結果顯示，不同鋼渣改良黃土CBR承載比均滿足路床承載力要求，基本得出不同廠鋼渣CBR承載比大小順序為眾力泰﹥伏海﹥襆北永冠﹥宏得鋼泰﹥榆鋼渣場，這與無側限抗壓強度大小呈現較為相似的大小規律。同時，鋼渣改良黃土的浸水膨脹率大于水泥改良土。對不同鋼渣改良黃土，最高膨脹率僅為0.64%。并且發現，承載力和水穩定性是呈正相關的，改良黃土早期強度的提高有助于提高承載力和水穩定性。

7技術、經濟與社會效益分析

采用鋼渣代替水泥或石灰進行黃土路基改良，其技術、經濟與社會效益體現如下。

7.1技術優勢

從原材料生產分析，水泥生產需要一系列設備，生產過程復雜、工藝要求高、能耗大。石灰生產過程中排放煙氣及粉塵等，且生產過程相對復雜。而0～3?mm鋼渣只需通過二次加工破碎或者直接篩分，流程簡單，生產成本低，能耗小。從原材料儲存、運輸分析，水泥和石灰均屬于粉末狀，儲存、運輸過程易產生粉塵污染空氣，同時水泥具有一定保質期，如果是生石灰還需在施工現場灑水熟化，因此水泥及石灰儲存及運輸過程要求較高。對于0～3?mm鋼渣，粉塵產生量較水泥及石灰低，可直接采用卡車裝運，現場只需采用篷布遮蓋即可，運輸過程簡單、技術要求低。從應用方法分析，鋼渣與水泥、石灰等均采用路拌法施工，施工方法或工藝基本一致。對于鋼渣改良黃土施工，建議采用機械撒布代替人工撒布，且采用全深式再生機拌合，可達到撒布和拌合均勻的效果。因此，鋼渣代替水泥或石灰改良黃土具有明顯的技術優勢[6]。

7.2經濟效益

以1?m3為計算單元，對15%的鋼渣穩定土、3%的水泥穩定土和6%的石灰穩定土進行經濟比較?；旌狭系某杀居伤?、石灰、鋼渣和土組成。

鋼渣穩定土混合料的干密度為1.953?g/cm3，水泥穩定土混合料的干密度為1.84?g/cm3，石灰穩定土混合料的干密度為1.812?g/cm3，按1?m3的料進行成本核算：

鋼渣成本：1.953×15%×55=16.1元

水泥成本：1.841×3%×360=19.9元

石灰成本：1.812×6%×250=27.2元

由以上計算可知，從改良劑成本的角度出發，鋼渣穩定土相對于水泥穩定土、石灰穩定土來說，經濟性占有優勢。鋼渣穩定土的成本最低，石灰穩定土成本最高。

8結語

將鋼渣應用于公路建設當中，不僅解決了公路路基黃土濕陷性問題，而且能節約數量客觀的土地資源，同時有助于解決鋼渣粗放處置所帶來的環境問題。鋼渣生產流程簡單，減小了因生產水泥及石灰等過程中引起的CO2排放量。經過粗略估算，長為1?km，寬為25?m，厚為80cm路床建設中采用鋼渣代替3%水泥可減少碳排放817.7?t，碳減排量可觀。因此，項目的建設不僅能推動當地交通的發展，而且為國家2030年碳達峰做出相應貢獻。

參考文獻

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