粘性土改良鐵尾礦砂的路用性能研究

羅森華

（龍巖東環(huán)高速公路有限責(zé)任公司，龍巖 364000）

鐵尾礦砂是在鐵礦石開(kāi)采、破碎、篩選過(guò)程中伴生的一種工業(yè)廢棄物。 有學(xué)者研究將鐵尾礦砂用作建筑材料的制作， 如代替砂石作混凝土的細(xì)骨料； 或?qū)㈣F尾礦砂作為摻料與粘土結(jié)合燒制燒結(jié)磚，性能優(yōu)于普通粘土磚；也有將鐵尾礦砂磨成細(xì)粉，可代替鐵礦粉用于制作普通硅酸鹽水泥。 但針對(duì)鐵尾礦砂做路基填料的研究卻不多。 尾礦庫(kù)堆積一方面需要占用大量土地資源，另一方面鐵尾礦砂中有害離子滲入到地下水中也會(huì)污染當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。 以福建龍巖地區(qū)的崎瀨鐵尾礦庫(kù)為例，若將該地區(qū)尾礦砂若用于工業(yè)生產(chǎn)， 運(yùn)輸成本較高；故考慮將其用于高速公路路基填筑，可以起到生態(tài)環(huán)保、節(jié)省成本的效益最大化的作用。

目前關(guān)于鐵尾礦砂在道路建設(shè)中的應(yīng)用大多是路面基層，對(duì)填料的要求較高，選擇改良劑的要求也高，作為路基填料目前還沒(méi)有比較合適的改良材料。 國(guó)內(nèi)的大多研究方向?yàn)椴捎盟槭蛘呱暗[來(lái)改良粘性土，而以粘性土來(lái)改良鐵尾礦砂用作高速公路路基填料的研究工作相對(duì)較少。 莫百金等[1]以湖南省道S322 線試驗(yàn)段的修筑為例， 對(duì)不同摻配比的砂礫-高液限紅粘土混合料分別進(jìn)行了物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試和開(kāi)裂模擬試驗(yàn)，分析了不同砂礫摻配率下的改良效果及原因， 提出了以收縮開(kāi)裂寬度、液塑限為指標(biāo)確定最佳摻配率的方法。 趙輝等[2]以合肥地區(qū)的膨脹土為例，通過(guò)對(duì)工業(yè)廢料鐵尾礦砂和電石渣作為添加劑改良膨脹土的可行性與改良效果研究發(fā)現(xiàn)，兩者對(duì)膨脹土的物理力學(xué)性能改善顯著，當(dāng)兩種材料摻量一定時(shí)，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大改良效果更為顯著。 劉炳華等[3]通過(guò)大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在尾礦砂中摻入具有大量粘性顆粒的土，會(huì)明顯改善尾礦砂的塑性，壓實(shí)強(qiáng)度也會(huì)明顯提高而適用于路基填筑。 通過(guò)地質(zhì)采樣勘察將所取的鐵尾礦砂依照規(guī)范定名為殘積礫質(zhì)砂。 該地區(qū)鐵尾礦砂顆粒級(jí)配良好，但小于0.075 mm 的顆粒含量占20%，粘粒含量較少， 在路基碾壓過(guò)程中沒(méi)有約束力，造成顆粒流動(dòng)，難以被壓實(shí)，強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，穩(wěn)定性和耐久性難以保證。 福建地區(qū)粘性土含量很高，但由于其具有含水率高、粘性顆粒過(guò)多，以及干縮濕脹、壓實(shí)性差等不良特性，不能直接用作路堤填料，這也是福建地區(qū)道路建設(shè)過(guò)程中的難題之一[4]。 故本研究從該方向入手， 采用粘土對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行改良，既可以使兩者實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，滿足路基填料的強(qiáng)度需求，提高其路用性能，并確定粘性土和尾礦砂的最佳摻配比。

1 鐵尾礦砂和粘性土的物理力學(xué)特性

1.1 化學(xué)成分分析

試驗(yàn)所選用的鐵尾礦砂取樣于龍巖東環(huán)高速崎瀨尾礦庫(kù)，鉆探深度為12～16 m。 通過(guò)XRD 衍射技術(shù)對(duì)鐵尾礦砂的化學(xué)成分進(jìn)行分析， 結(jié)果如表1所示；粘性土料遵循就地取材，節(jié)省成本的原則，采用尾礦庫(kù)附近的典型粘性土壤， 開(kāi)挖深度為22 m左右。 對(duì)該地區(qū)的粘性土進(jìn)行了液塑限、擊實(shí)、承載比（CBR）、脹縮性等物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）[5]中的要求進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。

表1 鐵尾礦砂的化學(xué)成分含量

表2 粘性土的基本性能指標(biāo)

從表1、2 中粘性土的基本力學(xué)指標(biāo)可知，該類土的天然含水率很高，孔隙比較大（＞1），壓縮系數(shù)較小，最大干密度低，壓實(shí)性差；自由膨脹率一般，體縮率較大，具有線縮性，以收縮為主；但相比于其他粘性土，由于其內(nèi)部含有角礫質(zhì)顆粒，有一定強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和CBR 值都比其他土類大，因此將該類粘性土按照規(guī)范命名為含角礫粉質(zhì)粘性土。該類砂的塑性指數(shù)為13.7，粘聚力較大，可有效改善鐵尾礦砂的可壓實(shí)性和脹縮性。

1.2 塑性指數(shù)、表觀密度和顆粒篩分

（1）界限含水率試驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如表3 和圖1 所示，通過(guò)以下數(shù)據(jù)可知天然尾礦砂的塑性指數(shù)較高，說(shuō)明其粘性顆粒含量較少，在路基碾壓過(guò)程中沒(méi)有約束力，難以被壓實(shí)，穩(wěn)定性和耐久性難以保證。

表3 鐵尾礦砂的液塑限指數(shù)

（2） 通過(guò)容量瓶試驗(yàn)測(cè)定細(xì)集料在23°C 時(shí)對(duì)水的表觀密度， 具體試驗(yàn)流程按照國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）[6]中的要求進(jìn)行，得到鐵尾礦砂的表觀密度為3.044 g/cm3。

圖1 各粘土摻量與界限含水率指標(biāo)的關(guān)系曲線

圖2 殘積礫質(zhì)鐵尾礦砂級(jí)配曲線

（3）采用振篩機(jī)對(duì)殘積礫質(zhì)尾礦砂和粘性土分別進(jìn)行顆粒篩分，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～3 所示。 另外又進(jìn)行了各粘土摻量下的改良鐵尾礦砂粒徑重組的顆粒篩分，情況如圖4 所示。 由圖2 可知，天然鐵尾礦砂因?yàn)楹袣埛e礫質(zhì)顆粒，所以礫粒含量相對(duì)較多達(dá)到30%以上， 并且該類鐵尾礦砂的Cu=5.16，Cc=1.13， 同時(shí)滿足Cu≥5 和1≤Cc≤3 兩個(gè)條件時(shí)，為良好級(jí)配砂， 粒徑大于2 mm 的顆粒含量占33.18%，屬于細(xì)粒砂。 但由于＞0.075 mm 顆粒含量較多，粉粒和粘粒含量較少，所以天然尾礦砂所制的試件難以成型，粘聚力很差。

圖3 粘性土級(jí)配曲線

圖4 改良尾礦砂顆粒重組后的級(jí)配曲線

由圖3 可知， 該地區(qū)的粘土中粘粒含量達(dá)到30%以上，可改善鐵尾礦砂粘聚性差的缺陷。從圖4中不同摻量的粘土和鐵尾礦砂混合之后，顆粒級(jí)配會(huì)發(fā)生重組， 混合料中粘粒和粉粒的含量大幅提升，且礫粒含量也會(huì)調(diào)整，使鐵尾礦砂作為高速公路路基填料成為可能。

1.3 天然含水率、固結(jié)快剪與壓縮試驗(yàn)

（1）采用烘干法測(cè)試含有殘積礫質(zhì)顆粒鐵尾礦砂的天然含水率，設(shè)計(jì)平行試驗(yàn)，得到其天然含水率平均值為7.9%，施工含水率（即最佳含水率wop±2%的范圍內(nèi)）比較容易控制。

（2） 根據(jù)鐵尾礦砂的性質(zhì)進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，分4 個(gè)等級(jí)進(jìn)行預(yù)壓排水，然后對(duì)試件快速剪切破壞。 按一定的壓實(shí)度制作4 個(gè)試件，放在直剪儀上。對(duì)試件分級(jí)施加不同的垂直荷載p1、p2、p3、p4 分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa， 加載直至試件固結(jié)穩(wěn)定，再以較快的速度施加剪應(yīng)力，控制在3～5 min 內(nèi)剪破，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。 圖5 為不同荷載與土的孔隙比之間的關(guān)系曲線（固結(jié)試驗(yàn)），圖6為剪應(yīng)力與壓應(yīng)力之間的關(guān)系曲線（直剪試驗(yàn)）。

由圖6 可知， 天然鐵尾礦砂直剪試驗(yàn)結(jié)果為：粘聚力c=38.1 kPa，內(nèi)摩擦角φ=17.5°。

表4 鐵尾礦砂剪切和壓縮試驗(yàn)指標(biāo)

2 粘性土改良鐵尾礦砂的強(qiáng)度性能

2.1 摻配比設(shè)計(jì)

粘性土可有效改善鐵尾礦砂顆粒之間松散不成型，粘聚力差的缺陷。 在碾壓密實(shí)的過(guò)程中，砂樣的顆粒級(jí)配不斷重新排序，互相靠攏、充填、密實(shí)，顆粒之間相互嵌鎖，承壓面慢慢增大，由此在一定程度上提高了穩(wěn)定性和耐久性。 為研究不同粘土摻量下鐵尾礦砂的性能變化規(guī)律，以尋找最佳填筑效果、 最低經(jīng)濟(jì)成本的預(yù)期目標(biāo)下的最佳粘土摻量。故粘土摻量從20%開(kāi)始摻加，以5%的摻量遞增，直至能夠滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610-2019）[7]中要求強(qiáng)度的結(jié)合料摻量，因此設(shè)計(jì)5 組摻量分別為0%、20%、25%、30%、35%，對(duì)改良前后鐵尾礦砂的力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以此為據(jù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖5 鐵尾礦砂固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

圖6 鐵尾礦砂直剪試驗(yàn)結(jié)果

2.2 改良砂的擊實(shí)及直剪試驗(yàn)

表5 為在摻入粘性土前后，鐵尾礦砂的松散干密度和擊實(shí)情況下的最大干密度和最佳含水率數(shù)據(jù)；并進(jìn)行了1 組天然的殘積礫質(zhì)尾礦砂的擊實(shí)試驗(yàn)與改良后的進(jìn)行對(duì)比，分析粘土的摻入對(duì)鐵尾礦砂的力學(xué)性能的改變情況。 對(duì)摻粘土改良前后的鐵尾礦砂進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

由表5 和圖7～8 可知，天然鐵尾礦砂由于含有較多的殘積礫質(zhì)顆粒，其天然干密度能夠滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于工業(yè)廢渣做高速公路上路基填料的壓實(shí)度要求（≥93%），但其粘聚力差，抗剪強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。當(dāng)采用粘性土改良后其最大干密度會(huì)有進(jìn)一步的提升，并且施工含水率易于控制；對(duì)比摻加粘土后松散狀態(tài)下和擊實(shí)后的干密度變化情況，可知其可以滿足抵抗大激振力荷載的沖擊，以及后期公路運(yùn)營(yíng)階段的耐久性要求； 由圖9 的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，隨著粘土摻量的增加，鐵尾礦砂在直剪試驗(yàn)下的內(nèi)摩擦角減小許多，而粘聚力也有大幅度提升，說(shuō)明粘土的摻入可有效改善天然砂粘聚力差，成型難的缺陷。 并且由圖中可知當(dāng)粘土摻量達(dá)到30%時(shí)，試件的粘聚力和抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，初步確定粘性土最佳摻量為30%。

表5 粘土改良鐵尾礦砂擊實(shí)與直剪試驗(yàn)結(jié)果

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓采用的試驗(yàn)方法按預(yù)定干密度用靜力壓實(shí)成型， 試件尺寸為Φ100×100 mm。 按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[8]養(yǎng)護(hù)7 d，之后記錄試件所能承受的最大壓力P（N），結(jié)果如圖10 所示。 從中可以看出，天然殘積礫質(zhì)鐵尾礦砂所能承受的抗壓強(qiáng)度難以滿足工業(yè)廢渣做高速路基填料的要求。 對(duì)于高速公路路堤層填料要求在7 d 的養(yǎng)護(hù)條件下，試件強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到28 d 抗壓強(qiáng)度（0.6 MPa 的90%，即≥0.54 MPa）。當(dāng)粘土摻量為25%的試件強(qiáng)度為0.457 MPa， 因此至少要達(dá)到30%時(shí)（試件的強(qiáng)度為0.634 MPa），強(qiáng)度才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)摻量達(dá)到35%以后，試件的強(qiáng)度開(kāi)始出現(xiàn)下降，粘土摻量已達(dá)到飽和，尾礦砂顆粒之間已充滿粘性顆粒，再增加摻量反而會(huì)出現(xiàn)反彈狀態(tài)，將會(huì)成為“彈簧土”，危害路基穩(wěn)定，故確定粘性土改良鐵尾礦砂的最佳摻配比為30%。

圖7 隨摻量增加干密度變化曲線

圖8 隨摻量增加最佳含水率變化曲線

圖9 各粘土摻量下的鐵尾礦砂直剪試驗(yàn)內(nèi)摩擦角φ（左）、粘聚力c（右）

圖10 隨粘土摻量增加7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線

2.4 承載比（CBR）試驗(yàn)

采用擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最大干密度、最佳含水量及93%的壓實(shí)度要求制備試件。為模擬材料在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的最不利狀態(tài)，試件加載破壞前，先飽水4晝夜。 在浸水和進(jìn)行貫入試驗(yàn)時(shí)，在試件頂部施加荷載以模擬沖擊荷載對(duì)路基的壓力。CBR 試驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。

通過(guò)試驗(yàn)分析圖11， 可知天然尾礦砂的CBR值隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，承載比會(huì)有一定程度的提升，在擊實(shí)次數(shù)設(shè)定為98 擊時(shí)，CBR 值達(dá)到2.5%，但仍不滿足路基填料的最小強(qiáng)度， 即高速公路、一級(jí)公路填方路基上路堤填料為工業(yè)廢渣時(shí)最小壓實(shí)度≥93%，最小CBR 值不應(yīng)小于4%。摻入粘土改良的鐵尾礦砂的承載比出現(xiàn)極大的提升，更有利于將該地區(qū)的殘積礫質(zhì)砂用于路堤填筑。 當(dāng)粘性土摻量達(dá)到30%時(shí)， 各擊實(shí)次數(shù)下的CBR 值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 當(dāng)粘土摻量超過(guò)30%時(shí)，CBR 值出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明如果再增加粘土摻量可能會(huì)改變研究的實(shí)質(zhì)，改良砂的力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生弱化。 故綜合施工成本、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等要求，確定粘性土的最佳摻配比為30%。

圖11 各摻量下改良尾礦砂變化曲線

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)鐵尾礦砂試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和顆粒篩分等一系列基本物理力學(xué)特性指標(biāo)測(cè)試得知，該類砂在不摻加任何改良材料的情況下，由于其顆粒之間相對(duì)松散，粘聚力差，不能滿足高速公路對(duì)上路堤和下路堤填料的最小CBR 要求（≥4%），該類尾礦砂顆粒之間流動(dòng)性大，不易壓實(shí)，強(qiáng)度難以滿足路基設(shè)計(jì)規(guī)定，因此需要摻加粘性土進(jìn)行改良。

（2）當(dāng)摻入不同摻量的粘土后，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改良尾礦砂的最大干密度ρdmax和粘聚力會(huì)迅速增加。 隨粘土摻量的增加，近似呈現(xiàn)出線性遞增趨勢(shì)，當(dāng)摻入粘性土的量達(dá)到30%就可滿足路基填料的壓實(shí)度和抗剪能力要求。 當(dāng)摻量超過(guò)30%以后，各類指標(biāo)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明如果再增加粘土摻量反而弱化了改良砂的力學(xué)性能和路用性能。

（3）通過(guò)對(duì)比天然砂和改良砂的7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，粘性土的摻入可以有效提升尾礦砂的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)摻量達(dá)到30%時(shí)，抗壓能力最大；由天然砂和改良砂的CBR 試驗(yàn)結(jié)果可知， 隨粘土摻量和錘擊次數(shù)的增加， 改良砂的CBR 值近似呈線性遞增，后漸漸趨于穩(wěn)定，且當(dāng)粘土摻量達(dá)到30%時(shí)，CBR 結(jié)果最佳，而且也滿足高速公路路基填料承載比要求。