鋼渣墊層處理濱海公路軟土地基的環境影響研究

蘭素戀 徐志強 譚福兵

基金項目：廣西科學研究與技術開發計劃“鋼渣在近海公路路基處治中的應用技術研究”（桂科攻1598009-4）;崇左市科技計劃項目“錳渣的路用性能及無害化關鍵技術研究與應用”（崇科FA2019008）;廣西企茅公路建設有限公司“鋼渣鎳渣在沿海地區高等公路中的應用技術研究”

作者簡介：蘭素戀（1987—），高級工程師，碩士，主要從事地質、路基的教學與研究工作;

徐志強（1987—），工程師，主要從事電力工程勘察設計及工程管理工作;

譚福兵（1983—），工程師，主要從事道路橋梁隧道管理工作。

為了研究鋼渣墊層應用于濱海公路軟土地基后的環境影響，文章以廣西防城港市某鋼廠的鋼渣為研究對象，通過廣西濱海公路企沙至茅嶺FK0+150～FK0+228段鋼渣墊層處理軟基現場試驗，研究鋼渣填埋6個月后填埋場地及其附近水土中的重金屬及pH值檢測情況。結果表明，鋼渣墊層用作濱海公路地基填埋后，在濱海環境下，填埋場地附近的水土pH值增大，且會有少量的重金屬析出，因此鋼渣墊層在濱海公路軟土地基中應謹慎使用。

鋼渣墊層;濱海公路;軟土地基;重金屬

U416.1+1A010013

0 引言

鋼鐵工業是我國國民經濟的支柱型產業[1]，在過去的幾十年中，我國綜合實力不斷增長，各項基礎建設工程、大型工程如雨后春筍般涌現，鋼鐵需求量巨大，每年的鋼產量都居于世界前列。伴隨而來的是鋼鐵冶煉渣（即鋼渣）也存在相當大的年產量，鋼渣產生率為粗鋼產量的15%～20%[2-3]，目前全國每年產生廢棄鋼渣約1.05億t，堆棄如山的鋼渣更是達到18億t之多[4]。大量的廢棄鋼渣占用大片土地，造成環境污染，破壞生態平衡。發展資源節約型和環境友好型經濟，堅持可持續發展，是我國長期堅持的基本路線，因此將鋼渣進行有效再生利用，發掘鋼渣的潛在價值，是一項需要不斷深入研究的課題。

雖然目前鋼渣存量巨大，但對鋼渣的利用必須建立在對鋼渣材料特性及合理再生利用的科學研究的基礎上。研究表明，鋼渣雖然具有與石料相似的材料特性[5]，但也有一些特有的性質，如鋼渣中含有一定的f-CaO和f-MgO，在工程應用中容易產生膨脹[6]。另外，有研究表明鋼渣本身含有一定的重金屬元素，在不同環境下的堆放及再生利用存在向水土環境中釋放重金屬的可能[7]。所以，在特定環境應用鋼渣，有必要提前評估其帶來的環境風險。本文研究了將鋼渣用作墊層處理濱海公路軟土地基后的環境影響，為鋼渣用于濱海公路軟土地基處理材料提供環保依據。

1 鋼渣特性

本研究取防城港某鋼廠陳化鋼渣作為試樣進行X熒光光譜半定量分析，檢測結果如表1所示。鋼渣主要化學成分為CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5，其中CaO、Fe2O3、SiO2的比例較高，約占鋼渣總量的82%左右。

按照鋼渣中的酸性氧化物和堿性氧化物比例，鋼渣的堿度值R按式（1）計算[8]，并根據堿度值判定鋼渣的酸堿性。計算得該鋼渣的R值>1，所以，該廠鋼渣為堿性鋼渣，活性較大，在酸性環境下易于被溶解。

R=w[（CaO）+（MgO）+（MnO）+（FeO）]/

w[（SiO2）+（P2O5）+（Al2O3）+（Fe2O3）]（1）

另外，通過X熒光光譜半定量進一步分析顯示，鋼渣中還有少量Cr、Mn、V、Zn等重金屬元素，其含量如表2所示。由表2可見，鋼渣本身含有一定的毒性，在工程中直接應用鋼渣應評價其帶來的環境風險。

2 鋼渣墊層現場試驗

2.1 現場試驗段地質概況

2.1.1 自然地理

本鋼渣墊層現場試驗應用路段為廣西濱海公路企沙至茅嶺段大部頭互通F匝道，樁號為FK0+150～FK0+228，位于防城港市防城區茅嶺鄉大埠頭，地處東經108.4582°，北緯21.801°。據《防城縣志》[10]，該區屬南亞熱帶季風氣候區，冬短夏長，氣候溫暖、溫差小、太陽輻射強、光照充足、熱量豐富、雨量流沛。年均氣溫為22.2 ℃左右，≥0 ℃年總積溫8 100 ℃，最熱的7月平均氣溫為28.2 ℃，最冷的1月平均氣溫為13.1 ℃，少數年份強冷空氣侵襲時，才出現短期日均氣溫<5 ℃的時段。該地區極端最高氣溫為37.6 ℃，極端最低氣溫為1.4 ℃，幾乎全年無霜。該地區年降雨量為2 400 mm，11月至次年3月，月均降雨量都在100 mm以下;5～9月為多雨季節，平均總雨量占年降雨量的70%～80%;其中，7～8月是該地區全年雨量高峰月，平均降雨量都在400～500 mm之間。該地區年總日照時數為1 525.0～1 565.4 h，年總太陽輻射量為9.57～9.68千卡/cm2。該地區冬季主要受北來大陸性氣團所控制，多吹偏北風，夏季主要受南來熱帶和副熱帶海洋性氣團所控制，多吹偏南風，而且受冷空氣和臺風影響時，常出現強風和大風，年均風速4 m/s以上。

2.1.2 地質概況

應用試驗段場區處于防城向斜和沙田向斜之間，未發現斷裂構造，區域地殼相對穩定。該段場區周圍山體整體坡度一般為5°～30°，地形較平緩。軟土段場地為水田，地層自上而下分布耕植土、軟土，基巖為砂巖。根據地質鉆探結果，表層根植土呈棕灰色，主要成分為粉質黏土，軟塑狀，含5%～10%粒徑為1～3 cm的碎石，平均厚度約0.3 m。根植土下為第四系淤泥質黏土，灰黑色，軟塑，含少量粒徑為0.075～20 mm的細小石英顆粒，且含少量腐木，具有腥臭味，該層平均厚度約為3 m。場地下伏基巖為砂巖，灰色，泥質膠結，粉砂質結構，層狀構造，承載力較高。場區內無穩定的地表水體，地下水主要為第四系土層中的上層滯水及基巖裂隙水。

2.1.3 現場試驗段水土環境特征

廣西北海公路沿北部灣海岸建設，項目臨近北海，受海水影響，近海地段軟土地基中的地下水含有較多鹽類成分，其含鹽量較高。取現場試驗軟土地基段地表以下2 m處的地下水進行化學成分分析，試驗采用ICP-MS檢測其化學成分，并測該水體的鹽度及pH值，結果如表3所示。由表3可知，該段軟土地基地下水金屬離子主要有Na、K、Ca、Mg等，陰離子主要有Cl-、HCO-3、Br-等。且經測定，該水體的pH值為6.7，基本呈中性，鹽度為1.946%，鹽分較高，鹽類主要以NaCl、MgCl、CaCl為主。

2.2 鋼渣墊層現場試驗

由于該段軟土厚度較薄，厚度<3.5 m，所以采用換土墊層法處理。防城港市砂石資源較缺乏，現采用鋼渣集料作為填料處理該段軟土地基，處理寬度為35 m，厚度為3.3 m，并在接近最佳含水率6.9%時碾壓密實，處理后地基承載力可達250 kPa，滿足設計要求。

2.3 試驗段樣本采集

鋼渣墊層施工完成6個月后，在鋼渣現場填埋的場地采集一定數量的水土樣本。采集點分布如圖1所示。鋼渣墊層場地內及附近共布置6個采集點，每個采集點所采集的樣本包括水樣和土樣。采集水土樣本時，采用鐵鍬人工開挖至地表以下1.5 m處后采用干凈的玻璃瓶封裝。所采集的水土樣本中，①、⑤、⑥號水樣和1#、5#、6#土樣的采集點位于鋼渣墊層填埋區之外;②、③、④號水樣和2#、3#、4#土樣采集點位于鋼渣墊層填埋區以內。

3 鋼渣墊層處理濱海公路軟土地基的環境評價

將所采集的水土樣本立即送至實驗室進行檢測，其重金屬含量采用ICP-MS檢測。由于本次現場試驗在于探討鋼渣墊層用于濱海公路軟基處理后的環境影響，所以重金屬檢測項目只檢測Cr、Mn、Zn、Cu、Ni、V等鋼渣中含有的重金屬元素，各樣本的檢測結果如表4所示。

由表4可知，鋼渣墊層用作廣西濱海公路地基填埋后，在濱海環境下，鋼渣中的Cr6+、Mn等重金屬元素會析出，而鋼渣中雖然還有少量的Zn、Cu、Ni、V元素，但在儀器檢測范圍內未檢測到這些物質的析出。研究表明，重金屬在水土環境中的析出跟材料內部所含的重金屬的化學穩定形態有關[10]，所以，鋼渣中少部分Cr6+、Mn是以可溶鹽的形式存在的。

表4顯示，鋼渣填埋場中央處的重金屬濃度比邊緣處的濃度高，主要原因是鋼渣填埋場中央處的鋼渣液固比比填埋場邊沿處的鋼渣大，所以重金屬析出濃度較高。另外，鋼渣呈堿性，填埋鋼渣會改變水體及土壤的pH值，填埋場中央處的pH值比填埋場邊沿處的pH值大。

在濱海公路軟土地基中應用鋼渣墊層會有少量的重金屬浸出，其浸出的重金屬主要為Mn、Cr。如表5所示，在濱海公路軟基中應用鋼渣墊層，對環境威脅最大的重金屬元素為Cr。由于填埋和浸出過程中還有很多不確定性，且濱海公路軟土地基地下水環境復雜，本次現場試驗不夠全面。但試驗證明，在濱海公路軟土地基中應用鋼渣會對水土產生一定的污染，不應在飲用水源附近直接應用鋼渣作為換填材料，建議采用包邊處理。

4 結語

（1）化學分析顯示，鋼渣的主要化學成分為CaO、Fe2O3、SiO2，呈堿性，且鋼渣中含有Cr、Mn、Zn、Cu、Ni、V等少量重金屬成分。

（2）鋼渣墊層用作濱海公路地基填埋后，在濱海環境下，鋼渣中的Cr6+、Mn等重金屬元素會析出。

（3）在濱海公路軟基中應用鋼渣墊層，對環境威脅最大的重金屬元素為Cr。考慮到環境影響，鋼渣在濱海公路軟土地基中應慎用，不應在飲用水源附近直接應用鋼渣作為換填材料。

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