工业固废钢渣改良黄土路床研究_李俊涛.pdf

建 筑 与 土 木 2023 NO.8 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯工业固废钢渣改良黄土路床研究李俊涛(甘肃省公路交通建设集团有限公司 甘肃兰州 730000)摘要：调查数据显示，甘肃省工业固废累计储存量约为8.9亿t，综合利用率不足14%，固废的大量堆积、废弃不仅占用大量土地资源，而且使原本就脆弱的生态环境更加雪上加霜。同时，甘肃省中、东部地区为黄土高原，黄土的崩解性对工程建筑特别是水利工程和道路工程危害很大，利用炼钢废渣作为改良材料，能够解决黄土地区公路路基湿陷性问题，提高公路修筑质量与抗灾能力，减少公路病害，确保公路行车安全性与舒适性，减少了经济损失和不良社会效应，避免了渣灰弃置带来的土地、水源和环境污染。关键词：湿陷性黄土处置 工业固废利用 钢渣改良黄土 低碳绿色发展中图分类号：U416.1文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)08-0091-06Research on the Improvement of Industrial Solid Scrap Slag on the Loess RoadbedLI 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 development1 研究背景1.1 黄土地区公路路基湿陷性问题甘肃省中、东部地区为黄土高原，黄土分布积约为12万km2。主要分布在陇西和陇东两区。黄土是具有大孔隙结构，富含碳酸盐等易溶盐成分，对水特别敏感，遇水即崩解的特殊土。其崩解性对工程建筑特别是水利工程和道路工程危害很大，其危害表现在定量上的不可忽视性和在定性上的急速发展性。截至目前，国内因黄土湿陷导致工程建筑物塌陷破坏的实例比比皆是1。所以，在黄土覆盖层上进行公路工程建设，通常需要对黄土地基进行处理。1.2 砂石、水泥等筑路资源匮乏截至“十三五”末，甘肃省公路通车里程达15.4 km，其中高速公路约6 000 km。“十四五”时期，为加快区域DOI：10.16661/ki.1672-3791.2209-5042-6240作者简介：李俊涛（1989），男，本科，工程师，研究方向为工业固废钢渣改良黄土路床研究。91 2023 NO.8科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 建 筑 与 土 木SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯协同联动发展，推进交通强国战略实施，甘肃省将在2025年高速通车里程达8 000 km，国家高速公路甘肃境内待贯通路段全面建成，省级高速骨干网络基本形成，高速公路县级节点覆盖率达100%。其中包括国省高速及在建和已规划高速约6 000 km，投资总额约8 000 亿元。交通基础设施建设，可以全面带动上下游经济及就业，并对各类自然资源和能源需求巨大。据估计，“十四五”仅公路建设对砂石需求超1亿m3，水泥需求7 000万t，距甘肃省筑路材料市场需求有很大的差距。甘肃省各地层分布较广，岩石品种齐全，主要分布花岗岩、辉绿岩、闪长岩、安山岩等，但区域分布极为不均，岩质参差不齐。尤其是路面石料，对岩石物理学力学性质和化学性质要求高，致使部分工程项目严重缺乏合格石料。2020年甘肃省水泥产量超过4 500万t，占全国水泥产2.1%。但是存在区域化分布差异显著，目前有水泥生产线38条，其中兰州周边年产量1 887万t，占比43.4%，而甘肃省公路工程所用沥青材料全部来自进口或外省。砂石产业和水泥产业是公路建设的主要材料来源，同时也是资源消耗和能源消耗大户，在目前国家严格的环保政策压力下，在实现交通运输与自然环境的协调发展背景下，砂石开采和水泥生产将严重受限，筑路材料匮乏现象日益凸显。1.3 甘肃省工业固废体量大、利用率低调查数据显示，甘肃省工业固废累计储存量为8.9亿t，综合利用率不足14%，甘肃省主要固体废物的产量如下：尾矿（3 138万t/a）粉煤灰（422万t/a）冶炼废渣（391万t/a）煤矸石（250万t/a）炉渣（170万t/a）路面铣刨料（5.5万t/a），各类工业固体废弃物年产生量约4 400万t。工业固废产量和储量最大的是尾矿，其次为煤矸石、钢渣。同时，甘肃省整体生态环境较为脆弱，水土流失严重，也是自然灾害和地质灾害高发区。此外，该区域气候环境差异明显，存在高寒高海拔、大温差、冻融破坏严重以及干旱等特点，对公路工程材料耐久性要求更高。在甘肃省强化资源集约节约与循环利用，积极推动工业固废循环利用，加大建筑垃圾、粉煤灰、矿渣等废弃资源的综合利用，对建设绿色公路和提高已建的交通基础设施的生态保护水平具有重要意义2。1.4 固废综合利用的政策支持“十三五”期间，国家高度重视固体废弃物的综合利用和砂石行业的健康发展，相继出台了 国家工业固体废弃物资源综合利用产品目录 关于推进大宗固体废弃物综合利用集聚发展的通知（发改办环资 201944号）、关于促进砂石行业健康有序发展的指导意见 十部门关于推进砂石行业高质量发展的若干意见（工信部联原 2019 239号），大力推进固体废弃物在公路建设行业的综合利用，鼓励和支持综合利用废石、矿渣、尾矿、建筑垃圾等固废资源制造再生砂石，解决砂石料供需矛盾3。甘肃省也相继出台了 甘肃省中长期节能规划 甘肃省循环经济总体规划 甘肃省“十三五”环境保护规划 甘肃省“十三五”工业转型升级规划，确定了工业固废综合利用的发展方向和发展目标。为促进甘肃省砂石行业健康有序发展，稳定砂石市场供应，甘肃省发展改革委等14部门印发 甘肃省关于促进砂石行业健康有序发展的实施方案（甘发改价格 2020 695号），鼓励机制砂石、再生砂石等替代砂源利用。2021年国家发布 关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见 关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用指导意见，重点推进固废资源化利用4。通过大宗固体废弃物在公路中的利用，一方面解决了固体废弃物引起的环境污染和减少了砂石开采引起的生态环境破坏，另一方面弥补了交通建材的大缺口，并实现了公路建设的经济性和甘肃省的高质量、绿色化发展。因此，通过工业固体废弃物制备砂石原料及其他产品是实现交通强国建设和公路低碳绿色发展的有效途径和需求方向。1.5 典型固废钢渣综合利用情况钢渣是钢铁冶炼过程中产生的一种工业固体副产品，主要矿物组成以硅酸三钙为主，其次是硅酸二钙、氧化相（RO）、铁酸二钙和游离氧化钙（f-CaO）。我国是世界钢铁产业第一大国，钢渣年产量超过1亿t，主要以回收废钢、磁选铁精粉、用作熔剂等钢厂内部循环利用方式为主，使用量有限，目前约有75%的钢渣处于堆存和填埋状态，存在环境污染、资源浪费等问题。当前普遍认为钢渣的力学性能优于轧制碎石，其不仅耐磨、颗粒几何形状好，同时具有一定的膨胀性可补偿干旱与半干旱地区基层大收缩应变，降低了基层开裂的可能性。此外，多孔粗糙呈碱性的集料表面与沥青具有良好的粘附性，加之集料坚硬进一步增强了沥青混合料的整体粘结强度以及抗剪强度，并且降低了沥青老化程度及集料剥落的概率。同时，具有与水泥相似的矿物组成成分（C3S、C2S、Ca（OH）2等），这就决定了钢渣是具有一定活性的固废体废弃物，成熟工艺中将钢渣加入水泥中作为矿物掺合料使用，在路基中可代替水泥、石灰等用于改良膨胀土、黄土等，其活性特征可形成较强的路基胶凝体。因此，从材料性能来看，钢渣可作为良好的筑路材料。该研究为促进钢渣固体废弃物在公路工程中的充分利用，并改善黄土地区路基填筑湿陷性问题，在考虑钢渣具有活性特性基础上，采用一定量的细粒径钢渣92建 筑 与 土 木 2023 NO.8 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯代替水泥用于稳定黄土，以更加经济的方式提升黄土填筑路床性能，达到固废利用和黄土湿陷性改善的双向目标。1.6 国内外研究现状路床是路面结构与路基的过渡层，高速公路设计中一般采用低剂量石灰土或水泥土。而钢渣含有大量 C2S、C3S等活性成分，研究表明其活性激发后具有类似石灰或水泥的特性。鉴于实际需要，在钢渣应用于路床方面的研究，一些学者取得了许多研究成果，并提出了有关钢渣应用的技术指标5。1997年，DEMIRBA F A 和GENQT H 通过对钢渣混凝土的6种配合比的研究，结果表明：钢渣可以部分代替水泥，并不会显著降低其抗压强度；其标准需水量、比表面积与普通水泥存在一定差别，但在国家标准要求范围内。2007年，蔡晓飞、徐文娟等人对石灰钢渣稳定土和水泥钢渣稳定土的研究均表明，钢渣掺量合适时，可改善混合料的力学性能，干缩应变的大小基本上随着钢渣掺量的增加而减小，并指出钢渣混合料可以应用于各等级公路材料。2017年，吴子龙等人围绕偏高岭土在改性土中应用、工业废弃钢渣再生利用以及水泥改性土性能提升这3个问题，设计了掺入偏高岭土与钢渣后水泥改性土的一系列室内试验，从击实特性、劈裂抗拉强度以及抗压强度这3个方面阐述了改性土的宏观性能；同时，开展了SEM、XRD、MIP与TUA等微观试验，分析微观结构以及水化产物生成与孔隙分布的内在机制，进而