钢渣垫层处理滨海公路软土地基的环境影响研究

兰素恋 徐志强 谭福兵

基金项目：广西科学研究与技术开发计划“钢渣在近海公路路基处治中的应用技术研究”（桂科攻1598009-4）;崇左市科技计划项目“锰渣的路用性能及无害化關键技术研究与应用”（崇科FA2019008）;广西企茅公路建设有限公司“钢渣镍渣在沿海地区高等公路中的应用技术研究”

作者简介：兰素恋（1987—），高级工程师，硕士，主要从事地质、路基的教学与研究工作;

徐志强（1987—），工程师，主要从事电力工程勘察设计及工程管理工作;

谭福兵（1983—），工程师，主要从事道路桥梁隧道管理工作。

为了研究钢渣垫层应用于滨海公路软土地基后的环境影响，文章以广西防城港市某钢厂的钢渣为研究对象，通过广西滨海公路企沙至茅岭FK0+150～FK0+228段钢渣垫层处理软基现场试验，研究钢渣填埋6个月后填埋场地及其附近水土中的重金属及pH值检测情况。结果表明，钢渣垫层用作滨海公路地基填埋后，在滨海环境下，填埋场地附近的水土pH值增大，且会有少量的重金属析出，因此钢渣垫层在滨海公路软土地基中应谨慎使用。

钢渣垫层;滨海公路;软土地基;重金属

U416.1+1A010013

0 引言

钢铁工业是我国国民经济的支柱型产业[1]，在过去的几十年中，我国综合实力不断增长，各项基础建设工程、大型工程如雨后春笋般涌现，钢铁需求量巨大，每年的钢产量都居于世界前列。伴随而来的是钢铁冶炼渣（即钢渣）也存在相当大的年产量，钢渣产生率为粗钢产量的15%～20%[2-3]，目前全国每年产生废弃钢渣约1.05亿t，堆弃如山的钢渣更是达到18亿t之多[4]。大量的废弃钢渣占用大片土地，造成环境污染，破坏生态平衡。发展资源节约型和环境友好型经济，坚持可持续发展，是我国长期坚持的基本路线，因此将钢渣进行有效再生利用，发掘钢渣的潜在价值，是一项需要不断深入研究的课题。

虽然目前钢渣存量巨大，但对钢渣的利用必须建立在对钢渣材料特性及合理再生利用的科学研究的基础上。研究表明，钢渣虽然具有与石料相似的材料特性[5]，但也有一些特有的性质，如钢渣中含有一定的f-CaO和f-MgO，在工程应用中容易产生膨胀[6]。另外，有研究表明钢渣本身含有一定的重金属元素，在不同环境下的堆放及再生利用存在向水土环境中释放重金属的可能[7]。所以，在特定环境应用钢渣，有必要提前评估其带来的环境风险。本文研究了将钢渣用作垫层处理滨海公路软土地基后的环境影响，为钢渣用于滨海公路软土地基处理材料提供环保依据。

1 钢渣特性

本研究取防城港某钢厂陈化钢渣作为试样进行X荧光光谱半定量分析，检测结果如表1所示。钢渣主要化学成分为CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5，其中CaO、Fe2O3、SiO2的比例较高，约占钢渣总量的82%左右。

按照钢渣中的酸性氧化物和碱性氧化物比例，钢渣的碱度值R按式（1）计算[8]，并根据碱度值判定钢渣的酸碱性。计算得该钢渣的R值>1，所以，该厂钢渣为碱性钢渣，活性较大，在酸性环境下易于被溶解。

R=w[（CaO）+（MgO）+（MnO）+（FeO）]/

w[（SiO2）+（P2O5）+（Al2O3）+（Fe2O3）]（1）

另外，通过X荧光光谱半定量进一步分析显示，钢渣中还有少量Cr、Mn、V、Zn等重金属元素，其含量如表2所示。由表2可见，钢渣本身含有一定的毒性，在工程中直接应用钢渣应评价其带来的环境风险。

2 钢渣垫层现场试验

2.1 现场试验段地质概况

2.1.1 自然地理

本钢渣垫层现场试验应用路段为广西滨海公路企沙至茅岭段大部头互通F匝道，桩号为FK0+150～FK0+228，位于防城港市防城区茅岭乡大埠头，地处东经108.4582°，北纬21.801°。据《防城县志》[10]，该区属南亚热带季风气候区，冬短夏长，气候温暖、温差小、太阳辐射强、光照充足、热量丰富、雨量流沛。年均气温为22.2 ℃左右，≥0 ℃年总积温8 100 ℃，最热的7月平均气温为28.2 ℃，最冷的1月平均气温为13.1 ℃，少数年份强冷空气侵袭时，才出现短期日均气温<5 ℃的时段。该地区极端最高气温为37.6 ℃，极端最低气温为1.4 ℃，几乎全年无霜。该地区年降雨量为2 400 mm，11月至次年3月，月均降雨量都在100 mm以下;5～9月为多雨季节，平均总雨量占年降雨量的70%～80%;其中，7～8月是该地区全年雨量高峰月，平均降雨量都在400～500 mm之间。该地区年总日照时数为1 525.0～1 565.4 h，年总太阳辐射量为9.57～9.68千卡/cm2。该地区冬季主要受北来大陆性气团所控制，多吹偏北风，夏季主要受南来热带和副热带海洋性气团所控制，多吹偏南风，而且受冷空气和台风影响时，常出现强风和大风，年均风速4 m/s以上。

2.1.2 地质概况

应用试验段场区处于防城向斜和沙田向斜之间，未发现断裂构造，区域地壳相对稳定。该段场区周围山体整体坡度一般为5°～30°，地形较平缓。软土段场地为水田，地层自上而下分布耕植土、软土，基岩为砂岩。根据地质钻探结果，表层根植土呈棕灰色，主要成分为粉质黏土，软塑状，含5%～10%粒径为1～3 cm的碎石，平均厚度约0.3 m。根植土下为第四系淤泥质黏土，灰黑色，软塑，含少量粒径为0.075～20 mm的细小石英颗粒，且含少量腐木，具有腥臭味，该层平均厚度约为3 m。场地下伏基岩为砂岩，灰色，泥质胶结，粉砂质结构，层状构造，承载力较高。场区内无稳定的地表水体，地下水主要为第四系土层中的上层滞水及基岩裂隙水。

2.1.3 现场试验段水土环境特征

广西北海公路沿北部湾海岸建设，项目临近北海，受海水影响，近海地段软土地基中的地下水含有较多盐类成分，其含盐量较高。取现场试验软土地基段地表以下2 m处的地下水进行化学成分分析，试验采用ICP-MS检测其化学成分，并测该水体的盐度及pH值，结果如表3所示。由表3可知，该段软土地基地下水金属离子主要有Na、K、Ca、Mg等，阴离子主要有Cl-、HCO-3、Br-等。且经测定，该水体的pH值为6.7，基本呈中性，盐度为1.946%，盐分较高，盐类主要以NaCl、MgCl、CaCl为主。

2.2 钢渣垫层现场试验

由于该段软土厚度较薄，厚度<3.5 m，所以采用换土垫层法处理。防城港市砂石资源较缺乏，现采用钢渣集料作为填料处理该段软土地基，处理宽度为35 m，厚度为3.3 m，并在接近最佳含水率6.9%时碾压密实，处理后地基承载力可达250 kPa，满足设计要求。

2.3 试验段样本采集

钢渣垫层施工完成6个月后，在钢渣现场填埋的场地采集一定数量的水土样本。采集点分布如图1所示。钢渣垫层场地内及附近共布置6个采集点，每个采集点所采集的样本包括水样和土样。采集水土样本时，采用铁锹人工开挖至地表以下1.5 m处后采用干净的玻璃瓶封装。所采集的水土样本中，①、⑤、⑥号水样和1#、5#、6#土样的采集点位于钢渣垫层填埋区之外;②、③、④号水样和2#、3#、4#土样采集点位于钢渣垫层填埋区以内。

3 钢渣垫层处理滨海公路软土地基的环境评价

将所采集的水土样本立即送至实验室进行检测，其重金属含量采用ICP-MS检测。由于本次现场试验在于探讨钢渣垫层用于滨海公路软基处理后的环境影响，所以重金属检测项目只检测Cr、Mn、Zn、Cu、Ni、V等钢渣中含有的重金属元素，各样本的检测结果如表4所示。

由表4可知，钢渣垫层用作广西滨海公路地基填埋后，在滨海环境下，鋼渣中的Cr6+、Mn等重金属元素会析出，而钢渣中虽然还有少量的Zn、Cu、Ni、V元素，但在仪器检测范围内未检测到这些物质的析出。研究表明，重金属在水土环境中的析出跟材料内部所含的重金属的化学稳定形态有关[10]，所以，钢渣中少部分Cr6+、Mn是以可溶盐的形式存在的。

表4显示，钢渣填埋场中央处的重金属浓度比边缘处的浓度高，主要原因是钢渣填埋场中央处的钢渣液固比比填埋场边沿处的钢渣大，所以重金属析出浓度较高。另外，钢渣呈碱性，填埋钢渣会改变水体及土壤的pH值，填埋场中央处的pH值比填埋场边沿处的pH值大。

在滨海公路软土地基中应用钢渣垫层会有少量的重金属浸出，其浸出的重金属主要为Mn、Cr。如表5所示，在滨海公路软基中应用钢渣垫层，对环境威胁最大的重金属元素为Cr。由于填埋和浸出过程中还有很多不确定性，且滨海公路软土地基地下水环境复杂，本次现场试验不够全面。但试验证明，在滨海公路软土地基中应用钢渣会对水土产生一定的污染，不应在饮用水源附近直接应用钢渣作为换填材料，建议采用包边处理。

4 结语

（1）化学分析显示，钢渣的主要化学成分为CaO、Fe2O3、SiO2，呈碱性，且钢渣中含有Cr、Mn、Zn、Cu、Ni、V等少量重金属成分。

（2）钢渣垫层用作滨海公路地基填埋后，在滨海环境下，钢渣中的Cr6+、Mn等重金属元素会析出。

（3）在滨海公路软基中应用钢渣垫层，对环境威胁最大的重金属元素为Cr。考虑到环境影响，钢渣在滨海公路软土地基中应慎用，不应在饮用水源附近直接应用钢渣作为换填材料。

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