鋼渣墊層處理濱海公路軟土地基的環(huán)境影響研究

蘭素戀 徐志強(qiáng) 譚福兵

基金項(xiàng)目：廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃“鋼渣在近海公路路基處治中的應(yīng)用技術(shù)研究”（桂科攻1598009-4）;崇左市科技計(jì)劃項(xiàng)目“錳渣的路用性能及無害化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（崇科FA2019008）;廣西企茅公路建設(shè)有限公司“鋼渣鎳渣在沿海地區(qū)高等公路中的應(yīng)用技術(shù)研究”

作者簡(jiǎn)介：蘭素戀（1987—），高級(jí)工程師，碩士，主要從事地質(zhì)、路基的教學(xué)與研究工作;

徐志強(qiáng)（1987—），工程師，主要從事電力工程勘察設(shè)計(jì)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(yīng)用于濱海公路軟土地基后的環(huán)境影響，文章以廣西防城港市某鋼廠的鋼渣為研究對(duì)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究鋼渣填埋6個(gè)月后填埋場(chǎng)地及其附近水土中的重金屬及pH值檢測(cè)情況。結(jié)果表明，鋼渣墊層用作濱海公路地基填埋后，在濱海環(huán)境下，填埋場(chǎng)地附近的水土pH值增大，且會(huì)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(yīng)謹(jǐn)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(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)[1]，在過去的幾十年中，我國(guó)綜合實(shí)力不斷增長(zhǎng)，各項(xiàng)基礎(chǔ)建設(shè)工程、大型工程如雨后春筍般涌現(xiàn)，鋼鐵需求量巨大，每年的鋼產(chǎn)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(dāng)大的年產(chǎn)量，鋼渣產(chǎn)生率為粗鋼產(chǎn)量的15%～20%[2-3]，目前全國(guó)每年產(chǎn)生廢棄鋼渣約1.05億t，堆棄如山的鋼渣更是達(dá)到18億t之多[4]。大量的廢棄鋼渣占用大片土地，造成環(huán)境污染，破壞生態(tài)平衡。發(fā)展資源節(jié)約型和環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，是我國(guó)長(zhǎng)期堅(jiān)持的基本路線，因此將鋼渣進(jìn)行有效再生利用，發(fā)掘鋼渣的潛在價(jià)值，是一項(xiàng)需要不斷深入研究的課題。

雖然目前鋼渣存量巨大，但對(duì)鋼渣的利用必須建立在對(duì)鋼渣材料特性及合理再生利用的科學(xué)研究的基礎(chǔ)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(zhì)，如鋼渣中含有一定的f-CaO和f-MgO，在工程應(yīng)用中容易產(chǎn)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(huán)境下的堆放及再生利用存在向水土環(huán)境中釋放重金屬的可能[7]。所以，在特定環(huán)境應(yīng)用鋼渣，有必要提前評(píng)估其帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。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(huán)境影響，為鋼渣用于濱海公路軟土地基處理材料提供環(huán)保依據(jù)。

1 鋼渣特性

本研究取防城港某鋼廠陳化鋼渣作為試樣進(jìn)行X熒光光譜半定量分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。鋼渣主要化學(xué)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(jì)算[8]，并根據(jù)堿度值判定鋼渣的酸堿性。計(jì)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(huán)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(jìn)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(yīng)用鋼渣應(yīng)評(píng)價(jià)其帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

2 鋼渣墊層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段地質(zhì)概況

2.1.1 自然地理

本鋼渣墊層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)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(hào)為FK0+150～FK0+228，位于防城港市防城區(qū)茅嶺鄉(xiāng)大埠頭，地處東經(jīng)108.4582°，北緯21.801°。據(jù)《防城縣志》[10]，該區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬短夏長(zhǎng)，氣候溫暖、溫差小、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、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(shù)年份強(qiáng)冷空氣侵襲時(shí)，才出現(xiàn)短期日均氣溫<5 ℃的時(shí)段。該地區(qū)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(qū)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(jié)，平均總雨量占年降雨量的70%～80%;其中，7～8月是該地區(qū)全年雨量高峰月，平均降雨量都在400～500 mm之間。該地區(qū)年總?cè)照諘r(shí)數(shù)為1 525.0～1 565.4 h，年總太陽(yáng)輻射量為9.57～9.68千卡/cm2。該地區(qū)冬季主要受北來大陸性氣團(tuán)所控制，多吹偏北風(fēng)，夏季主要受南來熱帶和副熱帶海洋性氣團(tuán)所控制，多吹偏南風(fēng)，而且受冷空氣和臺(tái)風(fēng)影響時(shí)，常出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)和大風(fēng)，年均風(fēng)速4 m/s以上。

2.1.2 地質(zhì)概況

應(yīng)用試驗(yàn)段場(chǎng)區(qū)處于防城向斜和沙田向斜之間，未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，區(qū)域地殼相對(duì)穩(wěn)定。該段場(chǎng)區(qū)周圍山體整體坡度一般為5°～30°，地形較平緩。軟土段場(chǎng)地為水田，地層自上而下分布耕植土、軟土，基巖為砂巖。根據(jù)地質(zhì)鉆探結(jié)果，表層根植土呈棕灰色，主要成分為粉質(zhì)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(zhì)黏土，灰黑色，軟塑，含少量粒徑為0.075～20 mm的細(xì)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(chǎng)地下伏基巖為砂巖，灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，承載力較高。場(chǎng)區(qū)內(nèi)無穩(wěn)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段水土環(huán)境特征

廣西北海公路沿北部灣海岸建設(shè)，項(xiàng)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)軟土地基段地表以下2 m處的地下水進(jìn)行化學(xué)成分分析，試驗(yàn)采用ICP-MS檢測(cè)其化學(xué)成分，并測(cè)該水體的鹽度及pH值，結(jié)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(jīng)測(cè)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

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(xiàn)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(shí)碾壓密實(shí)，處理后地基承載力可達(dá)250 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 試驗(yàn)段樣本采集

鋼渣墊層施工完成6個(gè)月后，在鋼渣現(xiàn)場(chǎng)填埋的場(chǎng)地采集一定數(shù)量的水土樣本。采集點(diǎn)分布如圖1所示。鋼渣墊層場(chǎng)地內(nèi)及附近共布置6個(gè)采集點(diǎn)，每個(gè)采集點(diǎn)所采集的樣本包括水樣和土樣。采集水土樣本時(shí)，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(hào)水樣和1#、5#、6#土樣的采集點(diǎn)位于鋼渣墊層填埋區(qū)之外;②、③、④號(hào)水樣和2#、3#、4#土樣采集點(diǎn)位于鋼渣墊層填埋區(qū)以內(nèi)。

3 鋼渣墊層處理濱海公路軟土地基的環(huán)境評(píng)價(jià)

將所采集的水土樣本立即送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，其重金屬含量采用ICP-MS檢測(cè)。由于本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在于探討鋼渣墊層用于濱海公路軟基處理后的環(huán)境影響，所以重金屬檢測(cè)項(xiàng)目只檢測(cè)Cr、Mn、Zn、Cu、Ni、V等鋼渣中含有的重金屬元素，各樣本的檢測(cè)結(jié)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(huán)境下，鋼渣中的Cr6+、Mn等重金屬元素會(huì)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(cè)范圍內(nèi)未檢測(cè)到這些物質(zhì)的析出。研究表明，重金屬在水土環(huán)境中的析出跟材料內(nèi)部所含的重金屬的化學(xué)穩(wěn)定形態(tài)有關(guān)[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(chǎng)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(chǎng)中央處的鋼渣液固比比填埋場(chǎng)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(huì)改變水體及土壤的pH值，填埋場(chǎng)中央處的pH值比填埋場(chǎng)邊沿處的pH值大。

在濱海公路軟土地基中應(yīng)用鋼渣墊層會(huì)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(yīng)用鋼渣墊層，對(duì)環(huán)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(huán)境復(fù)雜，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不夠全面。但試驗(yàn)證明，在濱海公路軟土地基中應(yīng)用鋼渣會(huì)對(duì)水土產(chǎn)生一定的污染，不應(yīng)在飲用水源附近直接應(yīng)用鋼渣作為換填材料，建議采用包邊處理。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）化學(xué)分析顯示，鋼渣的主要化學(xué)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(huán)境下，鋼渣中的Cr6+、Mn等重金屬元素會(huì)析出。

（3）在濱海公路軟基中應(yīng)用鋼渣墊層，對(duì)環(huán)境威脅最大的重金屬元素為Cr?？紤]到環(huán)境影響，鋼渣在濱海公路軟土地基中應(yīng)慎用，不應(yīng)在飲用水源附近直接應(yīng)用鋼渣作為換填材料。

[1]龔建奎.重鋼江南新區(qū)鐵路樞紐系統(tǒng)可行性研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2014.

[2]王麗艷，高 鵬，陳香香.摻合廢棄鋼渣的新型混合輕質(zhì)砂土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].公路，2013，58（11）：204-209.

[3]毛志剛，藍(lán)天助，張紅日，等.鋼渣特性及在道路工程中的應(yīng)用研究[J].中外公路，2019，39（5）：233-236.

[4]劉長(zhǎng)波，彭 犇，夏 春，等.鋼渣利用及穩(wěn)定化技術(shù)研究進(jìn)展[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2018（6）：145-150.

[5]官少龍，吳安耀，郭 鷗，等.鋼渣工程特性及在工程回填中的應(yīng)用研究[J].西部交通科技，2019，140（3）：10-13.

[6]徐國(guó)平，黃 毅.典型鋼渣的f-CaO含量和穩(wěn)定性分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2015，41（4）：94-96.

[7]瞿曉玲.鋼渣中微量重金屬元素的溶出規(guī)律及機(jī)理研究[C].《環(huán)境工程》2018年全國(guó)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)），2018.

[8]俞海明，王 強(qiáng).鋼渣處理與綜合利用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

[9]JTG/T F20-2015，公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則[S].

[10]防城縣志編委會(huì)，防城縣志[M].南寧：廣西民族出版社，1993.

[11]李 達(dá)，孔 恒，郭 飛，等.垃圾焚燒水洗飛灰瀝青混合料重金屬浸出機(jī)理研究[J].公路交通科技，2018，35（8）：13-18.

[12]GB15618-1995，土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[13]GB8978-1996，污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[14]GB5749-2006，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].