鐵尾礦協同多源固廢在公路軟土地基處理中的應用

林煜宏，潘榮建，蘭素戀

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

鐵尾礦是鐵礦石經選礦作業后產生的廢渣，其顆粒粒度細，一般呈粉細砂狀，在礦山選礦作業過程中，常堆積于尾礦庫中，形成尾礦堆積壩。我國的鐵尾礦庫數量較多，尤其以穩定性較差的中小型庫為主。據統計，2019年我國尾礦類固廢產量為10.3億t[1]。其中，鐵尾礦是我國最主要的尾礦固廢類型，其產量約占尾礦總產量的50%，并以5億t/年的速度持續增長。目前，發達國家對尾礦的綜合利用率高達60%左右，而國內尾礦綜合利用率不到20%，遠低于其他大中型工業固廢的利用率。在生產實踐中，除部分貴重金屬尾礦被用于礦山采空區回填外，大部分尾礦被接排入并堆存于尾礦庫中，帶來了一系列的土地占用、植被破壞和資源浪費等問題。加之尾礦堆積壩體量大、勢能高、工程穩定性較差，使堆積體容易受到強降雨、凍融循環和地震等極端自然和氣候條件的影響，造成潰壩事故[2]，對下游造成嚴重的人員傷亡、生態破壞和財產損失。如2008年生產單位因違法違規生產和采取錯誤的工程措施導致了“9·8山西襄汾新塔礦業尾礦庫潰壩事故”，事故泄容量達26.8萬m3，過泥面積30.2 hm2，造成277人死亡，直接經濟損失達9 619.2萬元，對下游的生態和環境造成了嚴重破壞[3]。

隨著我國經濟高速增長，我國西部地區公路建設進入加速階段。據統計數據顯示，截至2020年末，我國公路公里總數達到519.81萬km，高速公路里程達16.10萬km[4]。由于我國特殊的地形地貌，在西部地區公路建設中普遍存在軟土層問題，這類土的抗剪強度較低、壓縮性高、固結速度慢，因而沉降變形量大、地基穩定性很差，容易導致嚴重的公路質量問題，因此常需要對其做特殊處理，以提高地基的穩定性和承載力。軟土地基的處理對天然石材、石灰、粉煤灰和水泥等建筑材料的需求量較大。然而，隨著生態環保意識的不斷增強，全國各地對砂石骨料開采的限制越來越嚴格，道路工程建設中所需要的粗、細集料(包括砂、礦粉等)產能大幅下降，價格也一路升高。

鐵尾礦中Si、Fe和Al元素所占比例較大，其礦物組成與天然砂石骨料十分相似，放射性和對水環境的影響較小，屬于非惰性材料[5]。目前對鐵尾礦在公路工程中的應用已有大量研究，涉及不同等級公路的各個結構層[6]，但是關于鐵尾礦在公路軟土地基處理方面的研究還鮮有報道。若通過科學技術手段，將鐵尾礦合理應用于公路軟土地基處理工程，不僅可以使鐵尾礦得以大量利用，大幅降低尾礦庫庫容，還能夠代替砂石集料，降低公路工程的造價，將具有極高的環境效益和經濟效益。因此，本文在分析鐵尾礦物理化學性質的基礎上，基于鐵尾礦磨粉后活性得到提高的特點，對鐵尾礦在公路軟土地基處理中的應用進行了深入探討，對提高鐵尾礦的綜合利用率，降低道路工程成本，提升道路工程品質具有積極意義。

1 鐵尾礦的物理化學性質

1.1 鐵尾礦的物理性質

取四川某尾礦庫的鐵尾礦料，其比重為2.75，塑性WP為18.5%，液限WL為33.2%，塑性指數IP為15.7，最優含水率為14%。經烘干、人工研磨后，對其進行顆粒粒度分析，其級配曲線如圖1所示。由圖1可以看出，該鐵尾礦最大粒徑≤2.5 mm，粒徑較細，d60和d30分別為0.18 mm和0.07 mm。其不均勻系數Cu為15，曲率系數Cc為2.3，滿足Cu>5，10.075 mm的顆粒質量占比>50%，根據《尾礦堆積壩巖土工程技術規范》(GB50547-2010)，可定名為尾粉砂。

圖1 鐵尾礦級配曲線圖

1.2 鐵尾礦的化學性質

采用X-射線熒光光譜法對該鐵尾礦的化學組成進行分析，試驗結果如表1所示，由表1可知，該鐵尾礦主要含有Si、Fe、Mg、Ca、Al等元素的氧化物成分，上述氧化物含量分別為33.63%、22.92%、19.46%、10.83%和6.44%，Si、Fe和Al元素所占比例較大，其礦物組成與天然砂石骨料較為相似。此外，該鐵尾礦還含有少量的K2O、TiO2以及其他微量化合物。

表1 鐵尾礦的主要化學成分表(%)

2 鐵尾礦在公路軟土地基中的應用形式

2.1 鐵尾礦基多源固廢復合激發膠凝材料

堿激發膠凝技術是基于一些材料具有火山灰活性或水硬性的特點，借助對應的堿性激活劑對材料的活性物質進行激發，使材料發生水化反應，從而制備具有良好使用性能的膠凝材料。20世紀40-60年代，美國學者Purdon[7]和蘇聯學者Glukhovsky[8]率先將礦渣和粉煤灰用作原料制備了堿激發膠凝材料。隨后，應用固廢制備堿激發膠凝材料的新技術得到迅速發展，并成功運用于礦山膠凝充填工程和其他建筑工程當中。固廢雖然化學組成各不相同，但其主要成分中均含有一定量的SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等，具有潛在膠凝活性。研究表明，對鐵尾礦進行磨粉處理，能夠改變鐵尾礦中的氧化鈦鐵結構，提高鐵尾礦的火山灰活性[9]。因此，在軟土地基處理中，可將鐵尾礦進行磨粉，并將其與礦渣微粉、粉煤灰和高嶺土一同作為復合前驅體，采用電石渣、脫硫石膏和氫氧化鈉作為復合激發劑，輔之以少量的水泥熟料，通過一定的配合比設計，制備性能良好的多源固廢復合激發膠凝材料。上述固廢與水反應能夠生成C-S-H膠凝和C-A-S-H膠凝等水化產物，其典型水化產物一般為網狀、蜂窩狀的膠凝體，元素組成以Ca、Si、Al、Na等元素為主，反應方程式如式(1)～(3)所示：

3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+

(3-x)Ca(OH)2

(1)

2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+

(2-x)Ca(OH)2

(2)

3CaO·SiO2+nH2O=4CaO·Al2O3·19H2O+

2CaO·Al2O3·8H2O

(3)

2.2 鐵尾礦基膠凝材料軟土改良體

對埋深≤3 m、回填面積比較大的軟弱土地基，可采用以鐵尾礦粉為主要原料的多源固廢復合激發膠凝材料對土性進行改良。施工前應先采用立磨機等大型磨粉器械對鐵尾礦進行機械研磨，提高鐵尾礦的火山灰活性和水化性能。在軟黏土或淺層地基土中摻入鐵尾礦基多源固廢復合激發膠凝材料，在控制含水量條件下進行攪拌，利用土顆粒、孔隙水和膠凝材料之間的水化反應來改善土的性質。施工時需對淺層軟弱土區域進行網格劃分處理，根據軟弱土深度確定各網格區域的膠凝材料用量，沿著地基縱深方向對摻膠凝材料的軟弱土進行強力攪拌，應注意初凝時間和拼接長度設計，必要時可添加緩凝劑、減水劑等外加劑。堿激發膠凝產物一般具較高的強度[10]，膠凝產物生成后，通過對原有空隙的填充和對土顆粒的包裹，形成穩定的膠凝強度，從而使軟弱土地基的物理力學性質獲得明顯改善，增強地基的承載力。

2.3 固化鐵尾礦砂樁復合地基

多源固廢復合激發膠凝材料固化鐵尾礦砂樁可用于軟弱黏土或可液化軟土地基，其作用原理與水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)較為類似，兼具柔性樁和剛性樁的特點，其樁體28 d無側限抗壓強度可以達到3 MPa左右。該固化鐵尾礦樁在施工時依靠樁管打入地基，對地基有一定的橫向擠密作用，使得周圍土顆粒間發生相互錯動，粒間大孔隙被小孔隙填充，孔隙率減小，顆粒之間距離縮短，增強了土的骨架作用，從而提高土的抗剪強度，降低地基的壓縮性。另一方面，由于固化鐵尾礦樁本身具有一定的膠凝強度，能夠承擔較大的外荷載，使得地基承載力大幅提高。對于高等級公路，設計時可考慮在樁體與樁間土體的上部鋪筑具有一定厚度的砂墊層，與樁和樁間土形成復合地基。交通荷載的傳遞首先抵至褥墊層，然后分散至樁和樁間土，并由二者共同承擔。固化鐵尾礦樁復合地基主要通過樁體作用、墊層作用、加速固結作用、擠密作用和加筋作用等，提高地基的承載力。

固化鐵尾礦樁的施工方法可采用振動擠密法和沉管法等。振動沖法指通過振沖器振動水沖成孔，清理后填入鐵尾礦及膠凝材料混合料，形成半剛性樁基。在施工過程中，首先需要對表層雜土進行清理，平整場地，以便于施工器械移動。隨后，需要按照設計圖紙進行測量定位，確定現場樁基位置。之后，應用成孔器械在既定樁位成孔，并填入鐵尾礦及膠凝材料混合料，通過振動器械使其振動密實。在振沖過程中應該嚴格控制填料質量和振留時間。成樁后樁基在地下水的作用下發生膠凝反應，逐漸獲得膠凝強度。沉管法施工與振沖法相類似，但其采用沉管進行成孔施工，采用振動或錘擊填料方式成樁。固化鐵尾礦樁施工完成后，可按需進行褥墊層鋪設，施工過程中應該采取分層碾壓的方式，同時確保密實度滿足設計要求。

2.4 鐵尾礦砂墊層

鐵尾礦砂墊層法屬于置換法的一種，與換土墊層法具有相似的原理。該方法通過將淺層軟弱土全部或者部分挖除，換填為全尾礦砂，并按照要求進行壓實，以提高鐵尾礦的粘聚力。鐵尾礦墊層法適用于軟弱土厚度<3 m的淺層地基。首先需要對表層軟弱土進行挖出，換填時將鐵尾礦和黏粒混合料進行攪拌，采取注水調控，必要時需降低地下水位，以控制其最優含水率。可采用夯實、振動與碾壓相配合的施工方法進行壓實，在施工過程中對壓實度進行控制，使地基承載力滿足設計要求。換填后的鐵尾礦墊層可以起到較好的緩沖作用，基底應力通過墊層的擴散作用，傳遞至軟弱土層時大幅降低，使得地基的承載力得到提高。從鐵尾礦的級配組成可以看出，鐵尾礦是一種級配良好的砂類土，其本身并不具備粘聚力或粘聚力很小，可通過添加少量黏粒，增加其細粒含量，以使鐵尾礦在較小的壓實功作用下壓密，提高鐵尾礦墊層的強度。

3 路用鐵尾礦對環境的影響

已有研究表明，鐵尾礦放射性和對水環境的影響較小，屬于無毒非惰性材料[5]，因此，鐵尾礦已在不同等級公路得到大量應用。對于鐵尾礦基膠凝材料軟土改良體和鐵尾礦樁復合地基，由于鐵尾礦粉和鐵尾礦砂被生成的水化產物較好地包裹，因此，上述工藝產生的污染較小。對于鐵尾礦砂墊層，鐵尾礦顆粒與水土產生直接接觸，因此，在實際應用過程中，應該根據現場地質情況和施工條件綜合分析，需要對鐵尾礦中重金屬離子析出進行嚴格的監測和分析，必要時可以采取黏土包邊等隔離措施，以確保對環境的影響滿足相關規范要求。

4 結語

(1)試驗采用的鐵尾礦顆粒粒徑以砂粒為主，粒徑>0.075 mm的顆粒質量占比>50%，其中d60和d30分別為0.18 mm和0.07 mm，屬于尾粉砂。

(2)試驗得出，該鐵尾礦的化學組成與天然砂石骨料較為相似，其成分以Si、Fe、Mg、Al等元素的氧化物為主，且Si、Fe和Al元素所占比例較大。

(3)粉磨工藝能夠提高鐵尾礦的火山灰活性，粉磨后鐵尾礦協同多源固廢制備堿激發膠凝材料，其在公路軟土地基中的應用形式主要有：鐵尾礦膠凝材料軟土改良體、固化鐵尾礦樁復合地基以及鐵尾礦砂墊層等，在實際應用中應該根據現場工況進行綜合選擇。

(4)在鐵尾礦處理公路軟土地基實踐中，應該重視重金屬離子析出問題，需要根據現場地質環境、施工條件等綜合評估鐵尾礦對環境的影響。