三、钢渣
随着我国钢铁工业的高速发展，钢材每年成亿吨地被生产出来，同时也产生了近千万吨的工业废料——钢渣。这些废渣不仅污染了环境，而且占据了很大的空间。故大量地将钢渣成功地应用于道路工程是一件既利于企业又利于社会的好事。
（一）钢渣的物理、力学性质
1.钢渣的性质与化学成分
钢渣是一种固态非金属物质，经过高温冶炼后被淬火冷却而成，成分比较复杂；有紫、红、褐三种颜色，外表呈多孔块状、少孔块状、无孔块状。粉状体钢渣的视比重为2.86～4.00 g/cm3。通过对上海宝山钢铁总厂的转炉钢渣和河南安阳钢铁公司不同存放期的钢渣进行抽样测定，发现其物理力学性能与石料比较接近。钢渣的抗压强度、磨耗率、压碎值等主要力学指标可以满足修筑道路基层，乃至路面面层的要求。
钢渣主要由氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等组成。不同钢厂的钢渣其化学物质含量也有所不同，一般情况下，氧化钙占30%～60%，氧化铁占15%～26%，氧化硅占8%～23%，氧化铝占3%～8%，氧化镁占4%～11%。
2.钢渣的路用性质试验
以下是上海宝钢和河南安阳钢铁公司的钢渣试验结果。
（1）钢渣的活性检验
将现场取样的块状钢渣砸碎，替代粗集料，未浇水浸泡，直接作为粗集料，参照《公路沥青路面施工技术规范》的要求进行试验，三个试件均爆裂。钢渣进场浇水浸泡10天后取样试验，30天后基本稳定，只有个别试件有稍微起包现象。
（2）稳定度、流值
在60℃水中浸泡30分钟，其稳定度为17118 N，流值50。在60℃水中浸泡48小时，取出冷却至室温，其稳定度为11648 N，流值41.5。
对于一般道路而言，稳定度大于5000 N即可，对高级公路则要求大于5500 N。根据试验可看出，钢渣消解后的稳定值是相当高的，如果用于沥青混凝土粗集料和水泥混凝土骨料，其强度完全能满足设计要求。
（二）钢渣的路用特点
钢渣及钢渣混合料不仅强度增长较快，而且早期强度也高，这是因为钢渣颗粒表面粗糙，摩擦系数较大，因此对机械作用有较好的稳定性。同时，由于钢渣本身含有许多化学活性物质，在钢渣或钢渣混合料内，发生水化反应生成硅酸盐类或熟石灰类化合物，从而使钢渣的整体强度好于碎石垫层或沙垫层，钢渣混合料（钢渣灰土、钢渣等）的早期强度和整体性高于碎石灰土或二灰碎石。
钢渣或钢渣混合料抗冻性也较好，即使经过寒冷的冬季，冰雪融化时，其强度都没有太大变化，只是强度增长较慢，不像夏季时强度增长得快。
钢渣的抗腐蚀性较好，即使浸泡在海水、盐水中，也不受侵蚀。另外，钢渣灰土的抗折强度也较高，其28天抗弯拉强度为0.7 MPa，4～5年后能达到 4 MPa，比一般的二灰碎石或碎石灰土同期强度高出20%以上，龄期越长，越接近水泥混凝土的抗弯拉强度。
（三）钢渣的板结机理
钢渣本身是铁矿物经过高温冶炼后形成的一种残留物，其中氧化铁、氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化铝等含量达80%以上，这些物质的存在使其具有了较强的化学活性。钢渣在施工中（混合级配，大块、小块、粉末均有）经过整平碾压后，在外部环境（大气、温度、湿度）的共同作用下发生了一系列水化和氧化反应。首先，氧化钙、氧化镁与水及二氧化碳反应，生成碳酸钙、碳酸镁。同样，二氧化硅与水以及钢渣中的钙、镁离子发生反应生成硅酸盐结合物，通过化学变化使分子结构重新组合，从而使处于松散状态的钢渣颗粒凝聚成牢固的整体，达到较高的强度。
钢渣作为钢渣灰土的主骨料与石灰、土拌和均匀后碾压形成密实体，并逐步形成较高强度。一个月后，抗拉强度达0.7～4.2 MPa，抗压强度达3～6 MPa，从这两项指标就能看出，钢渣灰土强度接近于水泥混凝土的强度指标。之所以能形成这样高的强度是因为钢渣本身含有活性氧化物，石灰的加入起了激发钢渣活性的作用，它能与活性氧化钙在水中和适当温度条件下发生物理化学反应，生成水硬性胶结体，在均匀拌和及碾压密实后，逐渐凝结硬化具有一定强度，且强度随时间增长而提高。
（四）钢渣在路基路面工程中的应用(https://www.daowen.com)
修筑于20世纪70年代的天津港二号路是第一条利用钢渣填筑路基的道路。当时二号路是一片水域，利用首都钢厂的钢渣进行回填挤淤，填出水面50 cm，并在此基础上做灰土结构层和水泥混凝土面层。本路段全长2.42 km，1980年通车，交通量急剧增加，使用15年后，水泥路面除胀缩缝处有损坏（一道40 m长的胀缝）外，其余路面都完好无损。
由于二号路的修筑是成功的，紧接着在新港四号路也大胆地采用了钢渣作为道路结构层。其设计为3 cm细粒式沥青混凝土，6 cm粗粒式沥青混凝土，7 cm黑色碎石，15 cm碎石灰土，30 cm钢渣灰土（12∶38∶50），下面为钢渣垫层。因四号路在盐田区，水面大，而且是软基，通过钢渣排水挤淤垫出一条通道，一般高出水面50 cm，路基两侧用黄土回填包裹。四号路全长5.93 km，1984年建成通车，并被评为交通部年度优质路基工程。
四号路十多年担负着港内2/3的汽运货物量。本路段设计交通量为3000辆/昼夜，交通量日益增长，每年的进出口货物总量接近2000万吨。尽管交通量大，且运载的都是大吨位货车，但路基毫无损坏。在埋设过路管道进行破路时，采用风钻进行破除，从破除的沟槽可以清楚地看出，原作路基垫层的钢渣不是松散的，而是结合在一起成为坚固的板体；钢渣灰土也一样，板结十分坚固，其抗压强度不低于普通水泥混凝土。而且四号路全段均修筑在没有经过加固的软弱地基上，这说明当时大胆选用钢渣作为道路的填筑材料是合理的，也是成功的。
（五）钢渣桩加固公路软土地基
钢渣桩，系利用工业废料的转炉钢渣作为加固材料灌入事先形成的桩孔中，经振动密实，吸水固结而成的桩体。
转炉钢渣含氧化钙达40%以上，其主要成分与水泥接近，具有高碱性和高活性，筛分后可作低强度水泥使用。因此，钢渣桩具有较高的桩体强度。
1.成桩工艺
一般采用振动打桩机，将直径275～325 mm的桩管打入地基中，形成深达6～10 m的桩孔，随即把经过破碎的钢渣块逐次投入桩孔中。每次投料数量按一次成桩高度为0.5～1.0 m控制，并采用桩管振动法将每次投料振实，振实的钢渣吸水结硬即形成完整的桩体。钢渣在振实及吸水膨胀的过程中会挤密桩间土，并使地基土的含水量减少。
桩的平面布置呈三角形，桩中心间距1.5 m，成桩直径450～500 mm，根据加固路段要求，可采用不同的桩长。
为了保证施工质量，钢渣桩的定位误差不得大于桩管直径，钢渣块的直径应小于等于10 cm，并要限制每次投料数量。桩顶1～2 m范围内，更要严格振密，以免影响桩中段的密实度。
2.工程实例
沪宁高速公路上海段地基有10～25 m厚的软弱土层。如此厚的软弱土层对高路堤的工后沉降量影响很大，故需作加固处理。该路软土加固路段，大部分采用了水泥粉喷桩，部分则采用钢渣桩加固。
本路段钢渣桩，成桩直径450～500 mm，桩中心间距1.5 m，平面呈三角形布置，根据加固路段要求，桩长分别采用6 m、8 m、10 m三种。
根据对加固路段的测试结果，钢渣桩体抗压强度在工后90天可达1.0～ 1.2 MPa，能满足规定要求。钢渣桩加固后的地基土天然含水量降低6%～17%，天然容重提高6%～10%，无侧限抗压强度提高13%～30%，压缩模量提高20%～40%。
钢渣桩加固区的地基不仅明显地减小了压缩变形，而且增大了荷载应力的扩散角，使下卧层的应力减小，从而降低沉降值。实测表明，钢渣桩加固断面的地基总沉降值要比未加固断面减小20%左右。
钢渣桩加固后，使地基承载力迅速提高，能适应快速填筑高路堤的要求。若采用沙井或塑料排水板加固软基，则填筑路堤需分级逐渐加载，所需工期较长；而钢渣桩加固地基，允许连续不断地分层填筑，故所需工期较短。如本试验路段的地质条件和钢渣桩布置，填土高到达设计标高6～7 m左右后，约350天地基沉降就趋于稳定，月沉降小于8 mm。实践表明，用钢渣桩加固软基，特别是填筑高路堤直至其稳定，要比用沙井或塑料排水板加固法缩短约半年时间。
根据实测资料推测的地基最终沉降量表明，在试验路段的地质条件和桩位的布置，对允许工后沉降10 cm的桥头路堤，允许路堤填土高度为5.5 m左右；对允许工后沉降30 cm的一般路堤，允许路堤填土高度可达7 m左右。
地基水平位移的测量资料表明，钢渣桩加固地基的填土在高度达7 m左右时，各土层的最大水平位移仅10 cm左右。因此，钢渣桩地基的承载力和稳定性是足够的。而未加固的断面，地基各土层的最大水平位移则达25 cm左右。
钢渣桩加固高路堤软基具有明显的效果，为了保证施工质量，必须保证桩的长度、直径和密实度都达到要求。