摘要：通过对钢渣物质组成与特性的分析，提出封闭式钢渣路堤结构设计、钢渣路堤选料要求及施工工艺等关键技术，为解决道路建设材料紧缺问题，实现钢渣大规模资源化利用，提供思路。
关键词：钢渣、路堤、设计与施工、关键技术
引言：近年来，我国新改扩建道路工程数量巨大，对道路材料的需求量与日俱增，将钢渣应用于路堤填筑不仅可以解决材料紧缺问题，节约不可再生资源，同时也是实现钢渣大规模资源化再生利用的有效途径，能够很好发挥钢渣的潜在性能，具有良好的经济、社会和环境效益。
1 钢渣的定义
炼钢过程是除去生铁中的碳、硅、磷和硫等杂质，使钢具有特定性能的过程；炼钢过程同时也是钢渣产生的过程，钢渣的产生是造渣材料（如石灰石、白云石、硅石、铁矿石、萤石等）、金属炉料中各元素、被侵蚀的炉衬材料和补炉材料、金属炉料带入的杂质等生成融合物的过程[1-3]。钢渣是炼钢过程必然产生的副产品，属于一种工业固体废弃物，颜色呈黑灰色、褐灰色或灰白色[4-5]。
2 钢渣的物质组成
因炉料、炼钢工艺、生产阶段、钢种及炉次等[5]不同，而使钢渣的化学成分和矿物组成波动较大。
钢渣的化学成分主要包括钙、硅、铁、铝、镁、磷、锰等元素的氧化物及单质铁，有的还含有钒、钛等元素的氧化物，其中钙、硅、铁的氧化物占绝大部分比例[2,6-9]。钢渣的矿物组成一般为硅酸二钙、硅酸三钙、钙镁橄榄石、铁酸二钙、钙镁蔷薇辉石及RO等（以氧化亚铁和氧化镁为主，与氧化锰等其它金属氧化物形成的固溶体），还含有少量的游离氧化钙和游离氧化镁[10]。
3 钢渣特性
钢渣作为一种“放错了地方的资源”，与其他建材相比，具有级配、棱角性、耐磨性和水硬性良好，密度、硬度和强度较高，压缩量小，体积安定性和环境影响差等特性[12-17]。钢渣块体质地坚硬、密实、孔隙少，块体间松散不粘结等特点[11]。钢渣特性及其在工程应用中的影响，具体表现为：
（1）钢渣密度较高。
钢渣密度除与材料本身的比重有关外，还与其粒径大小，级配情况有密切关系。
钢渣密度为2.0 t/m3~3.6 t/m3，其中堆积密度为2.0 t/m3~2.8 t/m3，重型压实后密度为3.2 t/m3左右，压实后的理想密度可达3.5 t/m3~3.6 t/m3。钢渣相较一般砂石料的压实密度较大，因此在地基承载力不足时，不宜使用[11,18]。
（2）硬度和强度高
钢渣中有较多含铁矿物，使得钢渣质地坚硬，抗压碎能力要高于普通天然石料，钢渣抗压性能好，压碎值在20.2%～23.4%之间。按照国家标准，压碎值不大于26％，就可用于不同等级的道路建设。钢渣的莫氏硬度一般为5~6，高于水泥熟料的3~4，是一种较难磨细的物质[17,19-21]。
钢渣的力学强度一般很高，其强度与孔隙率和陈伏时间有关。饱水状态极限抗压强度高达77.3MPa，软化系数为0.94，相当于三级石料标准[18,22]。
（3）耐磨性好
钢渣在经历了高温锻烧后，使得钢渣中的矿物晶体结构趋向于完全、化学性质趋向于稳定，各物质晶体间呈致密堆积，孔隙率小且质地坚硬，耐磨性较好[23-25]。有研究表明，其相对易磨指数较大，邦德粉磨功指数为25kW·h/t左右，为相对难磨物质[26]。从其矿物组成角度分析，造成钢渣耐磨的主要原因是钢渣中含有一定的含铁矿物相，钢渣中铁、锰含量较高，且锰、铁离子的极化能力强，对氧离子亲和力大，在熔融状态下，氧离子可突破正硅酸钙（锰）四面体结构，从而使四面体互相连接，生成巨大而复杂的硅氧团；钢渣的这种特殊结构使其耐磨性较一般建筑材料要好[28]，钢渣易磨指数约为标准砂的0.7倍[11]。
钢渣难磨的属性，为其后续资源化的处理利用，带来不可忽视的影响[27]。
（4）水硬性良好
由于钢渣中含有硅酸二钙、硅酸三钙等水硬性矿物和硅、铝质玻璃体，因而有很好的水硬性和潜在的水硬性[2]。
（5）钢渣级配良好。
钢渣属于粗粒土，级配良好，易于压实。一般陈化12个月的钢渣各项指标基本上满足道路施工的要求，可代替石料用于道路的基层及垫层。在工程实践中这一类型级配的填料具有较好的颗粒结构效应，在较小的压实功条件下，能使粒料嵌挤密实，属易压实性材料[29]。
（6）体积安定性差
与普通建材相比，钢渣具有明显的水化膨胀特性。钢渣水化膨胀主要受所含矿物及矿物相的影响，其中游离氧化钙、游离氧化镁、β型硅酸二钙及硫化物等遇水可进行水化反应，而从反应物到反应产物的转变过程中，物质的体积会进行相应的转变，从而引起钢渣的体积转变。有研究表明，相对于游离氧化钙，游离氧化镁的水化速率相对缓慢，其反应可持续数年之久，为钢渣制品带来安全隐患。此外，也有研究表明，钢渣中由β型硅酸二钙转为γ型硅酸二钙的晶相转变反应，亦会引起体积的变化[27]。
（7）具有一定的环境危害
对钢渣化学成分定量分析可知，钢渣材料中含有多种重金属元素铬（Cr）、锰（Mn）、汞（Hg）、钒（V）、锌（Zn）、镍（Ni）、砷（Se）等，这些元素不仅可以破坏人体 DNA，引起细胞癌变，更能抑制生物酶，毒害肾脏、肝脏。钢渣浸出试验结果显示，在纯水为浸出剂的条件下，仅检测到微量铬金属析出，远低于污水综合排放的标准值；铬、锰金属析出量均随浸出剂盐度的增大而呈增加趋势。可见，工程经过饮用水源地段及滨海软土地基时应禁止应用钢渣作为工程填料，或者考虑对其实施包裹处理措施[30-31]。
4 钢渣路堤设计
针对钢渣的工程特性，钢渣路堤在设计时应注意以下方面：
（1）路堤结构
钢渣路堤应采用封闭式路堤结构，路堤顶、底部均设置隔离层，边坡和路肩采用护坡包封措施，以防钢渣中重金属、放射性元素等有害物质析出，污染环境。
（2）路堤高度及填筑厚度
钢渣路堤的设计高度一般为5m以下，超过5m时需进行路基稳定性验算；
钢渣填筑厚度不宜大于4m，超出4m时应在路堤中部设置土质夹层；
天然地基容许承载力[δ]应不小于200kPa，钢渣路基的天然地基不应为软弱土地基，也不应为膨胀土地基，天然地基在填筑钢渣路基前应进行整平处理，若地基承载力达不到要求，应采取相应措施进行地基处理。
（3）路堤边坡坡率
钢渣路堤边坡坡率不宜陡于1:1.5。
（4）隔离层
钢渣路堤不应用于浸水地段，以及洪水浸淹部位，钢渣路堤底部应高于地下水位或地表长期积水位0.5m以上，并设置隔离层。
钢渣路堤隔离层包括路堤顶封层、底封层及夹层。
顶封层宜选用二灰土、三七灰土或4%水泥稳定土，厚度为0.3m～0.5m；该材料不仅对钢渣路堤起到防水作用，而且具有较高的强度，与路面结构的强度之间存在良好的连续性，起到很好的过渡作用。
底封层与夹层填料宜选用塑性指数不小于6，且满足强度要求的黏性土，厚度不宜小于0.5m；该材料不仅对钢渣路堤起到防水作用，而且在钢渣路堤局部浸水的情况下，可充当缓冲层，使因路基膨胀引起的路面结构破坏得到削弱。
（5）护坡
护坡土应采用塑性指数不小于6的黏性土，护坡厚度不宜小于0.8m，坡率与钢渣路堤相同；土质护坡压实应与钢渣路堤同步进行；护坡上应植草皮或小灌木，可起到防止水土流失、稳定边坡及美化环境等作用。
（6）排水系统
土质护坡坡脚设置纵向梯形排水沟，尺寸应经过水力、水文计算确定，沟底纵坡坡度宜与路线坡度一致，且不小于0.3%。
土质护坡中设置横向排水渗沟，用以引排护坡上局部上层滞水，疏干潮湿的土质护坡，减轻坡面冲刷。渗沟外围设置反滤层，内部填充卵石、砾石、碎石、粗砂以及过筛的炉渣等粗粒材料。
截水沟根据地形条件及汇水面积进行设置，多雨地区时，至少设置一道截水沟，截水沟距路堤坡脚距离不宜小于2m，沟底纵坡不小于0.3%。
降水主要经护坡以漫流形式汇至截水沟或梯形排水沟，而护坡土中渗入的少量雨水及局部上层滞水主要由渗沟汇集排至截水沟或梯形排水沟，最终由排水沟排出。
5 钢渣路堤施工工艺
（1）摊铺及整平
施工时，采用后退式摊铺法。后退式摊铺法是指运料汽车在上一层已压实好的路基表面上后退卸料，形成许多密集的填料堆，再用推土机整平。若有个别较高的堆体，应通过人工整平使其表面平整，以达到所要求的松铺层厚。在填筑段用石灰画好方格网，根据运输车辆的车载容量和松铺厚度，计算方格尺寸及每格内填料堆体积。车辆倒至一定位置后，在车厢升起的过程中，车辆一边向前行驶一边布料。因布料不均匀形成的填料堆用推土机整平，人工清理表层个别裸露的大块钢渣。
（2）洒水闷料。保证洒水均匀，并提高洒水量。闷料后，应采用稳定土拌和机或多铧犁进行拌和并设专人跟随，随时检查拌和深度并调整拌和深度。严禁在拌和层底部留有含水量不足的夹层。
6 钢渣路堤施工注意事项
（1）需选用完全风化后的钢渣，因新出炉钢渣有一个风化、崩解过程，方能成为级配良好的A级填料；
（2）应清除粒径大于60mm的不能风化的钢渣，以利于路基压实；
（3）碾压机具应全部采用自重20t～25t振动压路机。采用分层填筑方式，层厚30cm，碾压遍数为6～8遍，并定点抽样检查碾压质量。
（4）因钢渣重度较大，为避免路堤过重引起原地基变形，应根据地质情况，控制路堤填筑高度。
（5）应防止高矿化度地下水的浸泡，否则会形成硫酸盐侵蚀或盐类结晶侵蚀，不利于附近建筑物的保护。
7 结束语
（1）钢渣用作路堤填筑，具有级配良好、强度高、渗水性好、压缩性低等优点，属于良好的路堤填料；但该材料又具有水化膨胀、富含多种重金属元素等缺点，因此，在路堤设计、施工中应做特殊要求。
（2）钢渣路堤设计采用封闭式结构，可有效阻隔外部水分浸入、防止有害物质析出，施工中对钢渣陈伏时间（风化程度）、粒径等选料要求及摊铺工艺进行严格把控，可实现路堤稳定、降低环境影响，因此，钢渣路堤在设计和施工技术上是可行的。
（3）将钢渣用于路堤填筑不仅可节约不可再生资源、解决材料紧缺问题，同时也是实现钢渣大规模资源化再生利用的有效途径，能够发挥钢渣的潜在性能，具有良好的经济、社会和环境效益，在未来的道路建设中，钢渣路堤具有广泛的应用前景。
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