中国推进西部大开发战略过程中，加快构建全方位开放新格局，坚持“以大开放促进大开发”的发展理念，不断提升西部地区开放水平。甘肃省内红层泥岩分布面积约为7.956万km²，占全省总面积的1/5^[1]，除河西地区外，其余各地均有红层散布，因此，修建公路不可避免要穿越红层泥岩地区。公路建设需要大量填筑材料，就地取材可缩短工期，降低工程造价，但是红层泥岩具有遇水易崩解、强度低、水稳定性差等不良工程特性，使得工程完工后引发公路路基沉降、翻浆冒泥、滑坡等严重病害^[2-3]。不同地区的红层泥岩因地质成因、矿物组成等差异表现出明显的区域性。因此，如何对甘肃省红层泥岩填料进行有效改良使其成为合格路基填料就成为亟待解决的问题。

针对特殊土改良研究主要分为2类，一类是物理改良法，即掺入一定粒径配比的碎石^[4-6]，改善填料的颗粒级配，提高强度；另一类是化学改良法，常使用水泥、石灰、粉煤灰等掺料作为改良剂^[7-10]，通过改良剂与土颗粒之间发生的离子交换、絮凝作用、硬凝反应等物理、化学作用来提高填料的力学特性。近年来，钢渣也开始作为改良剂被应用于特殊土改良。

甘肃某钢铁厂每年产生约40万吨钢渣，作为炼钢的副产物，其污染环境和堆存问题日益凸显^[11-12]。若能将其作为改良剂用于红层泥岩填料改良，既能改善红层泥岩填料的工程特性，又能提高固废钢渣的利用率，实现双赢。钢渣具有与石灰和水泥类似的活性物质^[13-14]，其潜在的胶凝性问题已逐渐成为特殊土改良的关注点。已有学者发现钢渣微粉对抑制膨胀土的膨胀率及提高强度具有显著效果^[15-18]。通过复合改良方式并利用碱性环境来激发钢渣的水化反应程度，形成复合胶凝材料改良膨胀土路用性能；在满足路用性能前提下，对比水泥、石灰、钢渣改良膨胀土，钢渣改良的经济效益最佳^[19-21]。现有研究多数针对钢渣改良膨胀土与材料基础性质的作用机理，而在钢渣改良红层泥岩填料及实际工程应用方面鲜有文献报道。

本研究通过开展无侧限抗压强度试验，研究钢渣与水泥的掺量、养护龄期、压实度等因素对甘肃省红层泥岩填料无侧限抗压强度的影响，并对其浸水前后无侧限抗压强度的损失情况和崩解程度进行分析，确定最佳掺配，为提高钢渣综合利用率及钢渣改良红层泥岩填料的路基设计与施工提供参考。

试验用土取自甘肃省永登县缪家湾附近的红层泥岩，钢渣取自兰州市某钢铁厂，水泥为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。红层泥岩填料物理性质指标如表 1所示。其中最大干密度和最优含水率由Ⅱ-2重型击实试验得到，根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)塑性指数分类标准，试验用红层泥岩填料为低液限黏土。分别红层泥岩填料和钢渣进行颗粒筛分试验，结果见图 1。

图 1 颗粒筛分曲线 Fig. 1 Particle sieving curves

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根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)，将风干红层泥岩填料碾碎并过9.5 mm方孔筛，进行颗粒筛分试验，级配曲线如图 1(a)所示。由图可知，粒径为4.75~0.60 mm的颗粒占比最高，约占总量的87.5%，不均匀系数为10.2，曲率系数为1.53，该试验用红层泥岩填料的级配良好。根据《道路用钢渣砂》(YB/T 4187—2009)对钢渣进行颗粒筛分试验，级配曲线如图 1(b)所示。试验结果表明，该钢渣级配属于细钢渣砂范畴，且粒径小于0.15 mm的钢渣超过钢渣砂细砂级配的上限，这说明该钢渣中含有较多的钢渣微粉，对改良效果有利。

本试验所用钢渣为同一批次产出且堆置露天环境约2个月的陈渣。经X衍射试验检测，其矿物组成主要包括Ca (OH)₂，CaCO₃，C₄AF和C₂S，还有少量的SiO₂，如表 2所示。未检出导致钢渣体积不稳定的主要活性物质游离氧化钙。满足《钢渣石灰类道路基层施工及验收规范》(CJJ 35—1990)及相关实际回填工程中有关“钢渣中游离氧化钙含量应小于3%”的要求。

采用外掺法掺配，配比均为干灰质量比。首先采用工业固废钢渣改良红层泥岩填料，发现养护6 d、浸水24 h后的无侧限抗压强度不满足要求，强度损失率极大；而后考虑以钢渣作为主要改良剂，掺配适量水泥，形成试验方案(见表 3)。表中改良方案分别为钢渣改良、水泥改良、钢渣-水泥复合改良。拟定钢渣掺量为0%，10%，15%，20%，25%，水泥掺量为0%，1%，2%，3%。

因水泥掺量较低，没有进行不同水泥掺量下的水泥改良土和钢渣水泥复合改良土的Ⅱ-2重型击实试验。制备外掺水泥的试件时，根据红层泥岩填料或者不同钢渣掺量下钢渣改良土的最优含水率配料，闷料后加入外掺水泥并拌匀，然后根据水灰比0.3加水拌料，拌匀后马上制样。根据《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)对一级公路路堤压实度的要求，经综合考虑，制备试件的压实度≥95%。采用静压法制备直径150 mm、高度150 mm的圆柱体试样，每组制作6个平行试样。在温度为(20±2) ℃、相对湿度≥95%的环境下，试样的养护龄期分为7 d和6 d，而后浸水24 h。浸水试样需在养护龄期前1 d放入水槽浸泡24 h，水面高出试件顶面2.5 cm。浸水结束后，需用抹布吸去试件表面的水分。无侧限抗压强度试验在WDW-50型微机控制电子万能试验机上进行，控制速率为1 mm/min。为保证最终试验结果的可靠性，根据规程取无侧限抗压强度值均为95%保证率的强度代表值。

根据规程JTG E51—2009，对红层泥岩填料及其钢渣改良土进行Ⅱ-2重型击实试验，得到红层泥岩填料及其钢渣改良土的击实曲线，如图 2所示。由图可知，钢渣改良土最优含水率随钢渣掺量的增加而减小；最大干密度随钢渣掺量的增加而增大。这是因为在击实桶体积一定的情况下，由于钢渣掺量的增加，混合料中钢渣的质量占比逐渐增大，钢渣的密度大于红层泥岩填料的密度，钢渣吸水性小于红层泥岩填料，从而导致钢渣改良土随着钢渣掺量的增加其最大干密度逐渐增大，而最优含水率逐渐减小。

图 2 红层泥岩填料及其钢渣改良土的击实曲线 Fig. 2 Compaction curves of red-layer mudstone filling and steel slag modified soil

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不同钢渣掺量对钢渣改良红层泥岩填料无侧限抗压强度的影响如图 3所示。由图可知，当钢渣掺量由0增至10%和15%时，未浸水无侧限抗压强度(简称为“未浸水强度”)分别为0.4，0.6，0.8 MPa，未浸水强度分别增长了50%和100%，增长速率先快后慢；当掺量由15%增至20%和25%时，未浸水强度均为0.8 MPa，没有随着钢渣掺量的增加而增长。当钢渣掺量分别为0%和10%时，浸水后的无侧限抗压强度(简称为“浸水强度”)均为0。这说明红层泥岩填料水敏性很强，浸水后其强度迅速降低至0，低钢渣掺量对浸水强度没有提升作用。当钢渣掺量增加至15%，20%，25%时，其浸水强度稍有增长，分别为0.1，0.2，0.2 MPa，但强度损失率非常高，分别为87.5%和75.0%，且钢渣掺量超过20%后，其浸水强度不再增长。

图 3 钢渣掺量对无侧限抗压强度的影响 Fig. 3 Influence of steel slag content on unconfined compressive strength

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通过分析表明，钢渣改良红层泥岩填料对未浸水和浸水的无侧限抗压强度均有提高，且存在最优掺配范围为15%~20%；但浸水后的强度损失率超过75%，浸水后无侧限抗压强度不满足公路路基强度要求，需通过多源改良剂进行综合改良。考虑到水泥改良特殊土的优越性，拟采用钢渣水泥复合改良红层泥岩填料。

为弄清水泥改良红层泥岩填料的效果，水泥掺量对无侧限抗压强度的影响如图 4所示。由图可知，当水泥掺量分别为1%，2%，3%时，水泥改良土的未浸水强度分别为0.8，1.0，1.2 MPa，未浸水强度分别增长了100%，150%，200%，未浸水强度增长显著；浸水强度分别为0，0.1，0.4 MPa，强度损失率分别为100%，90%，66.7%，其强度损失率逐渐降低。这说明红层泥岩填料经水泥改良后，其水敏性随着水泥掺量的增加而降低。当水泥掺量较低时，单位体积的水泥改良土中生成的C—S—H等胶凝体含量较低，胶结作用较弱，水敏性强。

图 4 水泥掺量对无侧限抗压强度的影响 Fig. 4 Influence of cement content on unconfined compressive strength

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水泥改良红层泥岩填料存在最低水泥掺量，浸水和未浸水的无侧限抗压强度均随水泥掺量的增加而提高。由于水泥成本较高，在满足公路路基强度要求的前提下，应选择合适水泥掺量，控制使用成本。对图 4中的数据进行拟合，发现水泥改良红层泥岩填料的无侧限抗压强度与水泥掺量之间满足三次多项式关系，拟合度极高(R²=1)，如表 4所示。水泥改良红层泥岩填料的无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而提高。使用水泥对红层泥岩填料进行改良，由于成本较高，在满足强度要求的前提下，应选择合适的掺量来控制成本。

钢渣为工业固废，排放量逐年增长，资源丰富，成本低且经济性明显。钢渣改良红层泥岩填料的未浸水无侧限抗压强度提高显著，浸水后的无侧限抗压强度损失率极大，其强度不符合公路路基强度要求，并非掺配量越高改良效果就越好，存在最优掺量范围。水泥成本高，随着水泥掺配量的增加，其浸水和未浸水强度均逐渐增长，存在最低水泥掺配比。综合2种改良剂的特点，拟以钢渣改良剂为主体，适当掺入水泥，对红层泥岩填料进行复合改良，不仅提高工业固废钢渣的利用率，减少堆存占地面积，又能使改良后的红层泥岩填料成为合格路基填料，实现双重目的。

钢渣-水泥掺量对无侧限抗压强度的影响，如图 5所示。由图可知：(1)钢渣-水泥复合改良效果明显，强度显著提高，10%钢渣+1%水泥复合改良效果基本等同于外掺3%水泥单一改良效果。(2)钢渣掺量≤15%时，随着钢渣和水泥掺量的增加，未浸水强度和浸水强度逐渐增长，但增长速率由快减慢。(3)钢渣掺量≥20%后，在相同水泥掺量下，未浸水和浸水强度不随钢渣掺量的增加而增大，如图 5(c)和5(d)所示。(4)当水泥掺量为3%时，随着钢渣掺量的增加，未浸水和浸水强度均不变，分别为1.9 MPa和0.9 MPa。(5)水泥掺量相同而钢渣掺量不同时，浸水强度基本不变。(6)水泥掺量>2%后，未浸水和浸水强度增长幅度降低。(7)钢渣-水泥复合改良后的强度损失率均超过50%。

图 5 钢渣-水泥掺量对无侧限抗压强度的影响 Fig. 5 Influence of steel slag-cement content on unconfined compressive strength

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钢渣-水泥复合改良后，未浸水和浸水强度虽然得到显著提高，但强度损失率依然很高，应以浸水后的无侧限抗压强度来判别改良效果。钢渣-水泥复合改良时，钢渣掺量也有最优掺配范围。水泥掺量≤3%且钢渣掺量≤15%时，钢渣和水泥复合改良效果显著，还需通过改良土的崩解性，经综合评判确定改良最优方案。将钢渣-水泥复合改良红层泥岩填料的无侧限抗压强度与水泥掺量的关系进行拟合，发现它们之间存在良好的三次多项式关系，拟合度极高(R²=1)，拟合结果如表 5所示。

当出现强降水天气时，若公路路堤两侧排水不良，会造成部分雨水入渗路堤而导致承载力降低的情况。为进一步量化浸水24 h对红层泥岩改良填料及其改良土无侧限抗压强度的影响，对其无侧限抗压强度的损失进行分析。

养护6 d、浸水24 h后钢渣-水泥改良红层泥岩填料强度损失率变化，如图 6所示。试样浸水后都表现出不同程度的强度损失，但随着钢渣与水泥掺量的增加，红层泥岩改良填料的无侧限抗压强度损失率逐渐减小。单一改良剂作用时，钢渣掺量由0增加至10%，15%，20%，25%时，强度损失率分别为100%，100%，87.5%，75.0%，75.0%；水泥掺量由0增加至1%，2%，3%时，强度损失率分别为100%，100%，90.0%，66.7%。而钢渣和水泥复合改良作用下的强度损失率基本处于50%~70%，强度损失减小幅度整体趋于稳定。当钢渣掺量大于10%、水泥掺量大于2%时，强度损失率处于50%~55%。钢渣-水泥复合改良的方式激发了钢渣潜在的活性，生成的胶凝物质使得红层泥岩改良填料的强度得到较大程度提高。

图 6 钢渣-水泥改良红层泥岩填料强度损失率变化 Fig. 6 Variation on strength loss rate of steel slag-cement modified red-layer mudstone filling

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不同掺配比的改良土试样养护6 d、浸水24 h后，试样均出现不同程度的崩解且试样崩解性随着改良剂掺量的增加而减小。当单一改良且掺量较低时，试件崩解严重(如钢渣掺量10%和水泥掺量1%)，纯红层泥岩试样短时间内完全泥化，随着单一改良剂掺量的增加，崩解性逐渐减弱。针对钢渣-水泥复合改良试样，崩解程度随着掺量的增加而逐渐减小，10%钢渣+1%水泥复合改良土试样的崩解性得到显著抑制；钢渣掺量≥15%且水泥掺量≥2%复合改良土试样的崩解性较小且整体性好。产生该现象的原因是随着钢渣与水泥掺量的增加，生成更多的C—S—H胶凝等物质增强试样内部的胶结作用，试样耐崩解性得到提高。复合改良效果显著优于单一改良效果，也进一步说明钢渣的潜在胶凝性需要水泥的加入才能更好地激发。

因国内当前暂无关于改良红层泥岩填料的相关规范，故以《黄土地区高速公路路基设计规范》(DB 62/T 2991—2019)中指出灰土改良路堤填料无侧限抗压强度的具体要求为依据。由图 5和图 6可见，当钢渣掺量大于10%且水泥掺量大于2%时，浸水强度大于0.5 MPa，强度损失率为50%~55%。经承载比试验研究发现，钢渣和水泥复合改良填料的承载比非常高，完全满足高速公路路床和路堤填料的最小承载比要求，因此采用无侧限抗压强度和崩解程度这2个指标作为改良红层泥岩填料是否适合作为路基填料的判定依据。

综合考虑高速公路和一级公路的路基填料要求、经济效益与施工因素，本研究推荐改良红层泥岩填料的最佳掺配比。路床方面，红层泥岩填料∶钢渣∶水泥=100∶15∶2，其浸水与未浸水强度分别为0.8 MPa和1.7 MPa，强度损失率为52.9%；路堤方面，红层泥岩填料∶钢渣∶水泥=100∶10∶2，其浸水与未浸水强度分别为0.7 MPa和1.5 MPa，强度损失率为53.3%。

为进一步研究压实度和龄期对钢渣-水泥复合改良土的影响，以掺配比为15%钢渣+2%水泥的试样为例，分别进行压实度为90%，93%，97%和龄期为7，14，28 d的无侧限抗压强度试验。不同压实度与养护龄期对无侧限抗压强度与强度损失率的影响如图 7所示。

图 7 压实度与养护龄期对无侧限抗压强度与强度损失率的影响 Fig. 7 Influences of compaction and curing period on unconfined compressive strength and strength loss rate

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由图 7可知，无侧限抗压强度随着压实度的增加而增大。当压实度由90%增至97%时，浸水前后的无侧限抗压强度提高约2倍。但压实度由93%提高至97%时，未浸水强度增加0.5 MPa，浸水强度仅增加0.1 MPa，导致强度损失率增大。这是因为较高的压实度能够使试样内部孔隙率减小，结构密实，表现出较高的抗压强度。但试样浸水后，在基质吸力作用下，水分沿孔隙逐渐侵入试样内部，可溶性胶结物逐渐溶解，胶结作用减弱，结构吸力逐渐丧失，引起内部土体的软化，导致强度降低^[22]。因此，增加压实度对浸水强度提高效果不佳。随着养护龄期的增加，试样无侧限抗压强度逐渐增大，强度损失率逐渐减小。养护龄期为28 d的强度约为7 d强度的1.5倍，强度损失率由52.9%减小至48.0%。这是因为随着养护龄期的增加，钢渣与水泥中的C₄AF有充分的时间进行水化反应，生成更多C—S—H凝胶与Ca (OH)₂，同时Ca (OH)₂与空气中CO₂发生碳化作用，增加胶结力在试样总强度中的占比，从而提高无侧限抗压强度并降低强度损失率。

采用水泥和钢渣改良红层泥岩填料，一方面是钢渣、水泥与红层泥岩填料混合后，改变了原有填料的颗粒级配，并在较高压实度控制下使混合填料的内部孔隙率减小，结构密实；另一方面是通过水泥与钢渣中的硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)等活性物质发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙等胶凝物质来改变红层泥岩填料的粒间结构使混合填料逐渐加固，对红层泥岩填料的工程性质进行有效改良^[23]。

为对比红层泥岩及其改良土颗粒微观结构变化，对红层泥岩与15%钢渣+2%水泥改良土样进行扫描电镜观测，如图 8所示。由图 8(a)可以看出，红层泥岩土颗粒主要呈片状或团粒状，以点-面、面-面的接触形式为主，红层泥岩土虽经机械压实，但粒间仍有较明显的孔隙，为水的渗入创造了条件，从而导致试样浸水后强度降低与崩解。由图 8(b)可知，当钢渣与水泥共同掺入时，钢渣中SiO₂等物质在碱性环境与水化放热的条件下被溶蚀，在液固界或液相中与Ca²⁺作用后发生火山灰反应，生成大量棒状与团粒状的C—S—H等胶凝物质填充于红层泥岩颗粒之间并将土颗粒胶结，使混合填料强度进一步提高^[24-26]。伴随着胶凝材料的水解和水化反应的发生，大量Ca²⁺等高价阳离子与红层泥岩土颗粒中的Na⁺和K⁺发生离子交换反应，降低红层泥岩土中的Na⁺和K⁺离子含量，减小结合水膜的厚度，增大土颗粒间的吸附能力，红层泥岩土颗粒的亲水性降低，土体的水稳定性提高。钢渣-水泥复合改良的方式可以改善红层泥岩填料较差的工程特性，提升路基填料的整体强度与稳定性。

图 8 红层泥岩及其改良土的SEM图像 Fig. 8 SEM images of red-layer mudstone and modified soil

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由上述试验结果可知，钢渣和水泥作为改良材料，在提升红层泥岩工程性能方面展现出显著效果，相较于单一改良法，复合改良法激发了钢渣的潜在胶凝性，改良效果更佳。

(1) 随着钢渣掺量的增加，钢渣改良红层泥岩填料的最优含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大。

(2) 钢渣和水泥单一改良和复合改良红层泥岩填料的无侧限抗压强度随掺量的增加而增大；钢渣掺配量存在上限值，水泥掺配量存在下限值；相较于单一改良法，复合改良法激发了钢渣的潜在胶凝性，改良效果更佳。

(3) 随着钢渣与水泥掺量的增加，浸水试样的无侧限抗压强度损失率与崩解性逐渐减小。当钢渣掺量≥10%且水泥掺量≥2%时，试样强度损失接近50%且整体性良好。经综合考虑，高速公路和一级公路路床的最佳掺配比为红层泥岩填料∶钢渣∶水泥=100∶15∶2，路堤的最佳掺配比为红层泥岩填料∶钢渣∶水泥=100∶10∶2。

(4) 钢渣-水泥复合改良土试样的无侧限抗压强度随压实度与养护龄期的增加而增大，但增加养护龄期、提高浸水强度的效果更佳。