石灰鐵尾礦砂穩定土工程特性研究

方中明,張瑞坤,石名磊

(1.南京市公路建設處, 江蘇 南京 210078；2.東南大學，江蘇 南京 210096；3.江蘇華寧工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

鐵礦石經過破碎、加水濕磨、磁選等一系列工序選取“有用組分”后，剩余的固體廢料稱為鐵尾礦，并以鐵尾礦碎屑或鐵尾礦砂的形態存在。隨著我國鋼鐵工業的快速發展，鐵尾礦產出量巨大。目前，鐵尾礦作為重工業廢渣，多以尾礦庫的形式露天堆放[1]，不僅占用大量土地資源，而且存在著地質災害隱患以及對生態環境的不利影響[2-4]。隨著礦產資源保護及環保意識的不斷增強，鐵尾礦的綜合利用已引起相關部門的重視。從鐵尾礦中回收有加金屬與非金屬元素、鐵尾礦制作建筑材料、磁化尾礦做土壤改良劑等方面已取得了一些實用性成果[5-11]。然而，從總體上說，我國鐵尾礦的綜合利用率明顯偏低，技術水平較落后。

公路工程建設需要消耗大量的建筑材料，特別是高速公路路基工程中消耗的土石方量驚人，若把尾礦用在路面混凝土、路面基層和路基回填中，可以大量消耗尾礦廢棄料，為現有尾礦庫騰出庫容，減少對周圍環境的污染；同時替代土工材料可節約不可再生土地資源，降低公路工程造價。從已有的研究成果看[12-14]，鐵尾礦在公路中應用前景樂觀。但是，鐵尾礦砂在道路中的應用還處于試驗階段，進一步開展鐵尾礦在道路工程中的應用研究具有十分重要的意義。本文根據室內試驗成果和工程應用實例，分析了石灰鐵尾礦砂穩定土應用于高速公路底基層的工程特性，為其推廣應用提供了一定經驗。

1 鐵尾礦材料參數

1.1 化學成分

鐵尾礦材料的化學成分決定了其性質。國內不同地區部分典型大型鐵尾礦庫的庫存尾礦材料的主要化學成分，匯總于表1?？梢钥闯觯覈F存鐵尾礦庫中尾礦的主要化學成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3等氧化物為主，主要氧化物(SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO)的總含量均超過70%。不同地區間尾礦的氧化物含量不同，但同一地區內含量差別較小。

本文對取自南京市江寧區兩個尾礦庫的鐵尾礦料(后文簡稱江寧鐵尾礦砂)進行了化學成分檢測，結果見表2。兩鐵尾礦庫的主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3，其中SiO2含量約為45%左右，Al2O3、Fe2O3約為25%左右，三者的含量總和超過了70%。比較而言，該鐵尾礦庫材料的化學成分與安徽馬鞍山地區的兩處尾礦(見表1)的組成和含量接近。南京當地發電廠的濕排粉煤灰和鐵尾礦砂兩種材料的化學成分對比見表3，粉煤灰中3種主要活性氧化物含量為72.4%，而江寧鐵尾礦砂的含量為71.3%，并且各有效成分的含量也基本相同。該鐵尾礦的主要化學成分與公路工程中常用的活性材料——粉煤灰化學成分相近，具備一定活性以及工程利用價值。

表1 國內大型鐵尾礦主要化學成分Table1 Thechemicalcompositionofthedomesticlarge-scaleironoretailings%尾礦來源SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2O河北遷安鐵礦72.633.99.92.823.820.560.97河北遷西鐵礦70.278.437.043.923.032.711.62河北遵化鐵礦58.7611.8410.415.146.112.711.62河北唐山鐵礦72.796.0810.74.853.160.670.54河北邯鄲鐵礦31.986.4910.2330.7713.84——安徽馬鞍山鐵礦53.660.3828.70.510.220.030.05安徽黃梅山鐵礦43.5812.2117.5412.70.691.02上海梅山鐵礦27.887.272514.621.780.340.98遼寧朝陽鐵礦74.986.567.632.412.981.21.46遼寧鞍山鐵礦75.910.6511.691.821.510.580.96吉林通化鐵礦63.075.613.828.180.23——山西陽泉鐵礦64.597.44136.343.050.590.87

表2 江寧區某尾礦庫材料的化學成分Table2 ThechemicalcompositionoftheironoretailingsinJiangningarea%樣品名稱SiO2AL2O3Fe2O3CaONa2OSO3MgOP2O5K2OTiO2鐵尾礦材料I4615.79.554.564.033.883.391.210.71鐵尾礦材料II43.915.111.64.144.223.963.241.440.790.76樣品名稱MnOSrOV2O5CLCuOZrO2ZnOCr2O3燒失量含水量鐵尾礦材料I0.130.040.0330.030.0110.010.0060.0059.652.81鐵尾礦材料II0.180.030.0390.0110.0110.010.0110.00510.57.98

表3 鐵尾礦材料、粉煤灰化學成分Table3 Thechemicalcompositionoftheironoretailingsandcoalash%名稱SiO2Al2O3Fe2O3CaOK2OSO3TiOMgONa2OP2O5燒失量含水量粉煤灰44.424.93.12.091.10.930.890.580.270.1221.511.79鐵尾礦材料I4615.79.554.5613.880.713.394.031.29.652.81

1.2 粒度成分

不同地區鐵礦石的形成條件、鐵礦石篩選過程所用的機械、技術水平不同，鐵尾礦顆粒大小差距很大。國內主要鐵尾礦顆粒組成見表4。

表4 國內主要鐵尾礦顆粒組成Table4 Thedomesticironoretailingsparticles尾礦來源不同孔徑(mm)通過率/%210.50.250.10.075河北遷安鐵礦9785.678.649.620.83河北遷西鐵礦8778.358.227.811.34.2河北唐山鐵礦78.660.830.26.53.90安徽馬鞍山鐵礦10010010010084.679.71遼寧朝陽鐵礦95.781.474.640.816.55遼寧鞍山鐵礦9064.830.44.92.10山西陽泉鐵礦10097.291.170.459.346.5

江寧鐵尾礦材料室內顆粒分析結果見表5?？梢钥闯?，粒徑在0.5～1 mm的粒組含量約為24.97%，0.25～0.5 mm粒組為35.53%。根據GB5007-2002砂土分類，粒徑大于0.25 mm的顆粒含量超過全重50%的規定為中砂，根據鐵尾礦顆粒個體特征可判斷其為中砂，故本文稱之為江寧鐵尾礦砂，分別用鐵尾礦砂I和鐵尾礦砂II表述。江寧鐵尾礦砂的粒組組成和級配曲線，見圖1和圖2。江寧鐵尾礦砂I和鐵尾礦砂II的顆粒個體特征十分接近，鐵尾礦砂II的P0.25(0.25 mm)粒組含量相對略高。級配指標不均勻系數Cu和曲率系數Cc，見表6。

表5 鐵尾礦砂顆粒通過率分析結果Table5 Theironminetailingsparticlesthroughrateanalysis土樣編號不同孔徑(mm)通過率/%210.50.250.10.075鐵尾礦砂I96.0593.3567.7724.578.232.81鐵尾礦砂II91.3577.7156.9330.116.481.67平均值93.2085.5362.3527.347.262.24

圖1 鐵尾礦砂粒組組成

圖2 顆粒級配累計曲線

表6 鐵尾礦砂顆粒分析結果Table6 Analysisoftheironminetailingsparticles類型指標鐵尾礦砂I鐵尾礦砂IICuCcCuCc數值3.861.484.690.89

可以看出，兩種鐵尾礦砂級配指標接近，其中不均勻系數偏低(Cu<10)，粒度較均勻。鐵尾礦砂顆粒級配分布相對集中，粒度大小較為均勻，級配不理想。顯然，鐵礦在生產過程中按照一定要求用同一個球磨機研磨，再篩洗后，必然造成鐵尾礦砂的顆粒級配分布比較集中，即粒度較均勻。

2 石灰鐵尾礦穩定土

鐵尾礦砂的主要化學成分雖然與粉煤灰類似，但其粒徑遠遠大于粉煤灰，顆粒比表面積小；同時鐵尾礦顆粒以結晶形態為主，相對粉煤灰玻璃體形態呈化學惰性。兩者綜合，導致鐵尾礦砂與石灰、粘土顆粒之間活性發揮水平較低。因此，鐵尾礦砂火山灰活性是潛在的，活性發揮的速度緩慢，激發應用有重要意義。為此，試驗用鐵尾礦砂采用了物理激發方法，即機械粉磨粉碎的方法來減小鐵尾礦砂粒徑，激發其潛在活性，制成鐵尾礦粉。試驗研究中，比較鐵尾礦砂、鐵尾礦粉和粉煤灰三者分別與石灰共同穩定土作為路面底基層材料的可行性。

鐵尾礦砂經過球磨機粉磨2 h后，粒徑減小，此時粒度分布曲線見圖3。鐵尾礦砂、鐵尾礦粉和粉煤灰3種材料的特征粒徑見表7。由表7和圖3可知，粉磨鐵尾礦砂的D50(中位徑)從0.11 mm減小到0.03 mm，D90(累計粒度百分數達到90%時所對應的顆粒粒徑)從0.22 mm減小到0.09 mm。粉磨之后，鐵尾礦粉的粒度成分和粉煤灰十分接近。

圖3 顆粒級配累計曲線

表7 不同材料的特征粒徑Table7 Thecharacteristicdiameterofdifferentmaterials材料鐵尾礦砂/mm鐵尾礦粉/mm粉煤灰/mmD500.110.030.03D900.220.090.12

穩定土試驗中，所用粘性土取自于南京仙林，從外觀上來看，粘性土呈黃色，用手細搓，粘性較強。該粘性土為低液限粘土，膨脹性較小，重型擊實成果，擊實后土樣的力學指標較高，是一種性能較好的路用材料基本性質如下：表觀密度ρ為2.175 g/cm3，液限ωL為40.8%，塑限ωP為22.3%，塑性指數IP為18.5,粘聚力c為43.5 kPa，內摩擦角φ為20.7°，最佳含水率ωOP為16.37%，最大干密度ρdmax為1.86 g/cm3，自由膨脹率δef為30.1%。

四是加快基礎設施建設，提升防洪和水資源調控能力。繼續推進流域水環境綜合治理，做好省部際聯席會議、水利協調小組辦公室相關工作。大力推進流域骨干水利工程建設。會同地方水利部門，努力推動和加快新孟河、望虞河西岸控制工程、新溝河、太嘉河等工程前期工作；推進民生水利建設，及時完成大中型病險水庫（閘）除險加固初步設計復核，流域片新建中型水庫、江河主要支流和重要獨流入海河流等項目審查與審核，流域片重要城市防洪規劃技術審查等工作。

2.1 試驗方案

高速公路底基層常用的石灰粉煤灰粘土(簡稱二灰土)材料中，石灰與粉煤灰比例范圍一般為1∶2～1∶3，石灰摻量為3%～15%。本文選擇石灰摻量為8%，鐵尾礦砂摻量為16%和24%，分別采用符號T1和T2表示。對應鐵尾礦粉和粉煤灰的兩種配合比，分別表示為C1、C2和F1、F2，參見表8。

表8 石灰鐵尾礦砂穩定土配合比方案Table8 TheLimeironminetailingsstabilizedsoilmixratio%配合比石灰粘土尾礦砂尾礦粉粉煤灰T18761600T28682400F18760016F28680024C18760160C28680240

按照相應配合比進行的擊實試驗結果揭示，石灰粉煤灰二灰土中，隨著粉煤灰含量增加，最大干密度水質降低，最優含水量提高。石灰鐵尾礦砂(粉)穩定土重型擊實標準相對石灰粉煤灰二灰土，干重度明顯偏高，最佳含水量略有降低，且隨著鐵尾礦砂(粉)含量的增加，最大干密度提高，最優含水率降低，參見表9。石灰鐵尾礦砂和鐵尾礦粉穩定土重型擊實標準較為接近，鐵尾礦砂穩定土最大干重度相對略偏高，最佳含水量則略偏低。

表9 石灰鐵尾礦砂穩定土標準擊實試驗結果Table9 Themixturestandardcompactiontestresults配合比最優含水率/%最大干密度/(g·cm-3)T117.51.832T216.31.857F118.21.724F219.11.681C117.61.811C216.91.848

2.2 強度試驗

根據室內不同配合比設計，按最大干密度的96%制樣，考慮不同齡期和不同養護條件，得到無側限抗壓強度結果揭示，兩種配合比的石灰鐵尾礦砂(粉)穩定土(6+1)d泡水無側限強度均大于800 kPa，符合高速公路底基層強度要求[15],見表10。

表10 石灰鐵尾礦砂穩定土無側限強度Table10 TheunconfinedcompressivestrengthofLimeironminetailingsstabilizedsoil養護方式不同配合比的無側限強度/kPaT1T2C1C2F1F26d標養+1d泡水928.68928.49934.1970.61695.29586.887d標養1897.931830.241117.391620.251674.221152.9814d標養1939.272363.222178.692025.432066.641936.4121d標養+7d泡水1257.631319.411379.301586.571106.561118.1527d標養+1d泡水1154.841362.891383.391124.171045.931188.0228d標養2686.872434.273116.513024.661827.362429.34

a.石灰鐵尾礦砂穩定土。

石灰鐵尾礦砂穩定土作為一種新型的“二灰土”T1和T2，早期強度高于傳統二灰土強度，源于鐵尾礦砂顆粒粒徑大于粉煤灰，與粘土顆粒形成良好級配，顆粒間相互嵌擠、咬合，增強了顆粒間連接，進而提高了混合料的強度?；旌狭? d到28 d無側限抗壓強度都有不同程度的增長，約34%～110%，表明各種配比的混合料都有較好的強度增長潛力，其中F2強度增長最快。石灰尾礦砂穩定土28 d強度增長率為74%～150%，說明石灰尾礦砂穩定土混合料化學活性接近石灰粉煤灰，且早期強度相對偏高，是一種性能良好的路面底基層材料，見圖4。

圖4 石灰鐵尾礦砂穩定土與二灰土無側限抗壓強度

b.石灰鐵尾礦粉穩定土。

石灰鐵尾礦粉穩定土和石灰鐵尾礦砂穩定土兩者無側限試驗結果揭示：7 d齡期強度前者小于后者，14 d齡期兩種混合料強度相近，但28 d齡期石灰鐵尾礦粉穩定土強度大于石灰鐵尾礦砂穩定土強度，見圖5。鐵尾礦粉比表面積增大，與石灰及粘土顆粒接觸面積大，同時粉碎過程中產生了較多球形顆粒，這些顆粒發揮“滾珠”作用，增強了混合料的流動性，從而加快了離子之間的交換吸附過程，粉碎過程同時磨去了細小玻璃微珠表面的惰性層，增加了其表面活性點，相對加快了活性SiO2、AL2O3的溶出和水化的速度。但因為水化反應發生速度較慢，在14 d齡期之后，鐵尾礦粉顆粒比表面積增大，活性增強，增加和加快水化反應的作用才體現出來。

圖5 石灰鐵尾礦砂(粉)穩定土強度對比

圖6為石灰鐵尾礦粉穩定土和石灰粉煤灰二灰土的無側限抗壓強度對比。盡管兩種材料粒徑大小接近，比表面積也接近，但經過粉碎的鐵尾粉穩定土強度明顯高于粉煤灰，尤其是7 d齡期和28 d齡期。

圖6 石灰鐵尾礦粉穩定土與二灰土無側限抗壓強度

由此可見，石灰鐵尾礦砂穩定土的早期強度中，早期強度主要影響因素是鐵尾礦砂、粘土以及石灰的顆粒級配改善，使大小顆粒之間填充效果更好，減少了混合料中的孔隙，同時增強了顆粒之間的摩擦和咬合，提高了混合料的整體性。石灰鐵尾礦砂穩定土的后期強度則主要是火山灰反應產生的水化產物，因為養護時間較長，火山灰反應較為充分，生成的水化產物多，此時水化產物之間的膠結力要大于混合料顆粒間的摩擦力，火山灰反應產生的水化產物，水化產物越多，水化速度越快，后期強度越高。綜合以上原因就可以很好解釋，粉碎的鐵尾礦粉穩定土7 d強度小于未粉碎尾礦砂，14 d之后強度大于未粉碎尾礦砂的現象。

各配比不同養護方式和齡期對應的無側限抗壓強度見圖7。可以看出，不同養護條件對混合料抗壓強度的影響顯著，7 d，28 d齡期各配比的混合料泡水之后強度均下降50%以上，鐵尾礦砂(粉)穩定土浸水穩定性相對傳統石灰粉煤灰二灰土偏優。因此，施工中合理控制養護條件對混合料強度的形成有著十分重要的作用。

(a)7 d齡期

3 工程檢測結果

依托江蘇某在建高速公路，根據上述室內試驗結果，推薦了石灰鐵尾礦砂粘土底基層的配合比為：石灰:鐵尾礦砂:粘土=8:24:68。采用載荷板法、PFWD法和DCP法進行檢測，測試結果參見圖8～圖10。

圖8 載荷板法測定的平均回彈模量

圖9 PFWD測定的平均回彈模量

圖10 DCP平均貫入度與齡期關系

由圖8可看出，按照推薦配合比施工的石灰鐵尾礦砂穩定粘土底基層1 d后的回彈模量值已超過80 MPa，滿足設計規范要求?；貜椖Ａ恐惦S著齡期的增長，增長趨勢明顯。28 d齡期的數據表明，回彈模量值已高于2倍的1 d齡期強度。從承載板法測定的底基層的回彈模量值可以得出石灰鐵尾礦砂穩定土作為高等級公路路面底基層完全滿足要求。

按點點對應原則，采用PFWD和DCP分別對石灰鐵尾礦砂穩定粘土底基層6個不同斷面進行了檢測。PFWD與DCP檢測結果分別見圖9和圖10。PFWD測定的不同齡期的路基和路面底基層的回彈模量增長趨勢明顯，與載荷板法測定結果相比，趨勢一致，但數值略小于載荷板法測定的靜態回彈模量。筆者認為這符合兩種方法的檢測特性，載荷板測得的靜態回彈模量只考慮彈性變形，不考慮殘余變形，而動態回彈模量是根據總變形計算所得。

由圖10可知，層位的DCP的平均貫入度PR均隨齡期增長而降低，從側面反映了各層位的強度增長。目前，關于DCP貫入度值與回彈模量相關關系的研究正在逐步深入。美國AASHTO規范建議采用下面公式換算二灰土底基層的回彈模量。

(1)

M=17.68·CBR0.64

(2)

式中：PR為DCP測試貫入率，mm/錘擊次；CBR為加州承載比，%;M為回彈模量，MPa。

根據上述公式得到的石灰鐵尾礦砂穩定土底基層的平均回彈模量值見表11。表中數據表明推薦配合比的石灰尾礦砂穩定粘土底基層滿足設計要求。

表11 DCP法平均回彈模量匯總Table11 TheaverageresilientmodulussummaryusingDCPmethodMPa齡期左幅路右幅路1234561234561d118.099.3128.3108.091.0103.3106.3116.2122.7136.488.3116.37d168.1140.0190.2154.8132.0140.1143.4157.8176.1197.8131.0164.514d214.1178.8236.0191.5178.7181.9183.9192.5225.6238.9159.7193.928d238.5214.1270.0208.5203.9225.6203.9214.1253.1280.2194.7225.6

4 結語

圍繞石灰鐵尾礦砂穩定土底基層材料，以室內試驗研究為基礎，開展了高速公路底基層工程實踐，結果顯示：

a.石灰鐵尾礦砂(粉)粘土體系類似于傳統石灰粉煤灰二灰土，具有相近或更好的物化活性，石灰鐵尾礦砂(粉)穩定土代替傳統二灰土，應用于路面底基層中具有相對更好的性能。

b.鐵尾礦砂機械粉磨物理激發，可以進一步提高混合料系統化學活性。

c.石灰鐵尾礦砂穩定土的早期強度主要來源于鐵尾礦砂、粘土以及石灰顆粒級配改善引起的粒間摩擦和咬合增強效應；該體系的后期強度則取決于鐵尾礦砂、粘土以及石灰之間的水化產物的膠結填充效應。