鐵尾礦砂處理膨脹土力學性能研究

作者簡介：黃楊秋（1974—），高級工程師，主要從事高速公路工程建設管理工作。

摘要：為進一步探究工業廢鐵尾礦砂改性膨脹土力學性能，文章從宏觀和微觀兩個方面探討了膨脹土的增強作用。試驗結果表明，鐵尾礦砂改良膨脹土會增加改良土的最大干密度，降低其最佳含水率，有利于調整施工現場的含水率；鐵尾礦砂可以提高膨脹土的抗剪強度，內聚力呈先增大后減小的趨勢，在30%時達到峰值，而對內摩擦角的影響則呈現不斷增大的趨勢；根據SEM微觀分析，添加鐵尾礦砂可以減少細小孔隙，增強土壤的咬合力，同時增加大孔隙的數量，最大限度地加強鐵尾礦砂對膨脹土的宏觀力學性能的提升作用。

關鍵詞：鐵尾礦砂；膨脹土；力學；微觀測試

中圖分類號：U414

0 引言

鐵尾礦砂是選礦過程中排放的固體廢物，被認為是礦產工業的主要污染源。據相關統計，我國未處理的鐵尾礦砂已超過500×10⁹ t，并以每年約50×10⁹ t的速度增長^［1］。鐵尾礦砂的長期積累占用了豐富的土地資源，產生了嚴重的環境污染，對人類的身體健康和財產安全都產生了嚴重的不利影響。由此，申艷軍等^［2］注意到鐵尾礦砂的主要礦物成分是來自花崗巖的SiO₂和Fe₂O₃，與土木工程項目中通常使用的沙子具有相似的特性，因此認為鐵尾礦砂具有很高的回收潛力并用作建筑材料。此外，劉家倫^［3］證明鐵尾礦砂傾向于惰性材料，鐵尾礦砂改良的膨脹土僅屬于物理改良，基本不發生化學反應，不會產生多余的化學污染，是比其他改進方法更環保、更安全的一種改良方法。

膨脹土因含水量的變化而表現為脹濕干縮，這是由高親水性黏土礦物，如蒙脫石和伊利石造成的。這種膨脹收縮特性很可能導致基礎的不均勻變形與沉降，進一步導致膨脹土上部結構破壞。因此，李威等^［4］考慮將水泥和石灰等添加劑添加到膨脹土中，以削弱其膨脹收縮特性，并改善工程行為。然而，傳統的添加劑通常是基于相當大的資源消耗獲得的，伴隨著粉塵和有害氣體排放造成的環境污染。因此，鼓勵利用再生固體廢物對膨脹土進行改造是一種非常具有成本效益和生態友好的方式。大量研究證明，一些工業副產品，如粉煤灰、高爐渣和堿渣，可以回收用于改造力學特性差的土壤，而目前對于鐵尾礦砂改良膨脹土尚未開展相關研究。

基于此，本文研究了鐵尾礦砂處理膨脹土的力學性能，并進行自由膨脹率試驗、最大含水率、最大干密度、直剪試驗研究其力學性能，并對處理后的土壤進行掃描顯微鏡電子測試 （SEM）和壓汞法 （MIP）測試，以揭示鐵尾礦砂處理膨脹土的改良機制。

1 試樣材料及方法

1.1 材料

膨脹土取自合肥工業大學屯溪路校區東北角的基坑，深度為3.4～3.8 m，含鈣或鐵錳結核。天然土壤的基本物理性質如表1所示，主要礦物成分通過X射線衍射（XRD）測試，如圖1所示。天然土壤的自由膨脹率為52.5%。根據前人研究，試驗土壤可歸類為弱膨脹土。

鐵尾礦砂（ITS）取自安徽省廬江縣的一個鐵礦。X射線熒光光譜法（XRF）檢測的主要化學成分由SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃和少量MgO和CaO組成。

1.2 樣品制備

將測試的土壤和鐵尾礦砂在105 ℃的烘箱中干燥24 h，然后粉碎，通過2 mm的篩子。將土壤與鐵尾礦砂充分混合，鐵尾礦砂與土壤的質量比控制在0、10%、20%、30%、40%和50%。將一定量的蒸餾水倒入沙土混合物中，攪拌均勻。然后，將混合物在塑料袋中密封24 h，隨后通過靜壓法制備尺寸為61.8 mm×20.0 mm的樣品。

1.3 直接剪切試驗

制樣后，按試驗標準（GB/T 5012-1999）制備樣品并進行測試。Zj-2型應變控制直剪儀用于對土樣進行不固結、不排水直剪試驗。ITS改性膨脹土試樣的豎向壓力設定為 50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率為 0.8 mm/min。每轉一圈記錄百分表讀數，直到剪切損失。

1.4 自由膨脹率測試

試樣制備后（試樣用0.5 mm篩子過篩），按試驗標準（GB/T 5012-1999）制備試樣并進行試驗。記錄數據時，每2 h記錄一次讀數，直到兩次讀數之差＜0.2 ml，可以完成測試。

1.5 掃描顯微鏡電子測試

首先，將土壤樣品切成5 mm×5 mm×10 mm的長方體，在凍干24 h之后，用手小心地將樣品分成兩塊。選取比較平整、較薄的黏土作為試驗樣品，以斷口面為觀察面。通過真空鍍膜設備對被測樣品噴金，然后進行形貌觀察。在破樣過程中，應注意保持土樣部分不被碰撞，更不能因接觸其他物質而受到污染。

2 結果與討論

2.1 自由膨脹率

ITS摻量對膨脹土自由膨脹率的影響如圖2所示。

如圖2所示，隨著ITS含量的增加，自由膨脹率顯著降低。可以觀察到，ITS含量增加到20%時，自由膨脹率低于40%，因此建議膨脹土中加入ITS，可有效改善膨脹土的膨脹特性以滿足工程實踐需要。究其原因為ITS改良膨脹土主要是將部分土置換成ITS，不會因位移而膨脹。隨著ITS含量的增加，孤立的砂粒逐漸轉變為連通的砂骨架。因此，黏土顆粒的膨脹潛力受到砂骨架的限制，導致自由膨脹率明顯降低。此外，從圖2還可以看出，隨著ITS含量超過 30%，自由膨脹率的下降速率降低。這是因為 ITS 是一種惰性物質，它只會引起膨脹土的物理改性，導致未能持續降低試樣的膨脹行為。

2.2 壓實特性

不同含量鐵尾礦砂（ITS）處理膨脹土的壓實曲線見圖3。如圖3所示，增加ITS含量會導致最大干密度明顯增加，同時最佳含水量顯著降低。向膨脹土壤中添加ITS會導致比重增加，從而導致最大干密度的增加。此外，ITS幾乎沒有活性、疏水性，當親水性土顆粒部分被疏水性ITS取代時，膨脹土的親水性減弱，因此降低了最佳含水量。

2.3 內摩擦角與內聚力

圖4為不同ITS摻量處理后試樣的內聚力和內摩擦角的變化曲線。從圖4可以看出，ITS的加入可以有效地提高膨脹土的內聚力和內摩擦角，隨著ITS含量的增加，內摩擦角明顯增大。內聚力的增加幅度較低，且增加的趨勢在ITS摻量為30%時終止，說明在一定數量范圍內添加ITS對膨脹土的內聚力有增強作用，而ITS的過量摻入將對膨脹土的內聚力和內摩擦角產生不利影響。

綜上所述，ITS對膨脹土的改性是一個純物理過程，ITS本身對試件的內聚力影響不大。改性土壤由連續介質（土壤顆粒）和不連續介質（ITS）組成。在剪切試驗中，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，改性土的顆粒級配得到改善，在一定程度上增強了土的原有粘結力。但ITS顆粒與膨脹土顆粒之間的連接不如土顆粒本身緊密，在凝固過程中存在比原狀土稍大的間隙，因此，土壤有所減少。在低鐵尾礦砂摻量下，土體原有的內聚力迅速增加。但當鐵尾礦砂摻量超過一定閾值時，膨脹土的內聚力均有不同程度的降低，總體上內聚力逐漸減小。土壤的內摩擦角由土壤顆粒之間的相互滑動摩擦和互鎖作用決定，在膨脹土中加入ITS可以增強土顆粒間的聯鎖作用，同時增加滑動摩擦力。

2.4 微觀測試

為了揭示ITS處理膨脹土的改性機理，采用SEM技術對試樣的微觀形貌進行了測定，如下頁圖5所示。

ITS的摻入對膨脹土的土質影響不大。如上所述，ITS的添加對膨脹土的抗剪強度有促進作用。此外，可以看出，鐵尾礦砂粒與土粒之間的結合作用并不隨ITS摻量的變化而變化。從圖5可以看出，原狀土和改良土都有一定數量的孔隙，大部分孔隙的寬度介于1～20 μm。隨著ITS摻量的增加，改性土中ITS顆粒與土顆粒之間的孔徑變化不明顯，只有孔數發生了變化。在0～20%摻量區間，隨著ITS摻量增加，樣品中的中、小孔隙也逐漸增加。當ITS摻量比例為30%時，ITS與土壤顆粒的連接程度最好，孔隙度小且分布均勻。當ITS摻量超過30%時，孔隙量相應增加。結合土樣的SEM圖像和孔隙分布規律，可以證明改性土樣抗剪強度參數的變化規律，即在實際情況下，30%ITS摻量試樣的ITS與土顆粒結合最緊密，抗剪強度最高。此外，還可以發現試樣的自由膨脹率隨著ITS摻量的增加而降低，這主要是因為在低ITS摻量下，SEM圖像顯示ITS顆粒較少且相距較遠，砂土顆粒之間的孔隙較大，因此樣品的自由膨脹率比較高。隨著ITS摻量的增加，ITS的顆粒逐漸增多，相互靠近，并且在高ITS摻量下，ITS置換了大量的土壤顆粒，但 ITS 與土顆粒之間基本不發生化學反應。ITS 與土顆粒之間的孔隙增多，更多的土粒相互靠近，形成土骨架，限制了膨脹土的膨脹性，使膨脹土自由膨脹率進一步降低，但下降幅度明顯縮小。

2.5 壓汞測試

參照張平等^［5］的研究成果，土壤孔隙可分為四種類型，包括微孔（d＜0.007 μm）、小孔（0.007μm＜d＜0.9 μm）、中孔（0.9 μm＜d＜35 μm）和大孔（35 μm＜d＜2 000 μm）。這些孔隙分別被定義為土壤顆粒內的孔隙、粒間孔隙、團粒內孔和團粒間孔。通常認為＞300 μm的孔隙可以定義為宏觀孔隙。累積孔隙體積隨孔徑的變化曲線如圖6所示，具體過程大致可以分為以下三個階段。

第一階段以半徑為5～300 μm的孔隙為主，包括ITS摻量影響的大孔隙和部分中孔隙。累積孔隙體積曲線隨ITS摻量的變化而變化。總體而言，由于摻入了粒徑大于土壤顆粒的ITS，改良后的土壤粒徑有所改善。但根據相應的SEM圖像，ITS顆粒與土壤顆粒之間的聯系效果較差，該區間的中孔比普通土壤多。且由圖6可以看出，ITS摻量為30%的試樣在所有改性土中孔隙數量最少，這與SEM圖像結果一致。

第二階段主要涉及半徑為0.2～5 μm的孔隙，包含殘留的中孔和部分小孔。在不同ITS摻量下，累積孔隙體積曲線基本相同，說明該階段孔隙對混砂率沒有影響。

第三階段基本針對半徑為0.005～0.2 μm的孔隙，包括微孔和剩余的小孔。隨著ITS摻量的增加，累積孔隙體積逐漸減小，這可以解釋為：ITS粒徑較大，沒有形成小孔和微孔。這一性質決定了這一階段的孔隙變化是由于摻入ITS以取代土壤。土壤是具有內部孔隙的三相體系，而ITS是具有少量內部孔隙的固相。因此，用ITS代替膨脹土，就相當于用無孔固相代替多孔三相體系，從而減少了改良土壤內部的微孔和小孔。

3 結語

本文利用工業廢棄物ITS對膨脹土進行改性，通過力學及微觀測試，得出以下結論。

（1）用ITS改良膨脹土，增大了改良土的最大干密度，降低了其最佳含水量。隨著ITS摻量的提高，壓實曲線較為平緩，有利于控制施工現場的含水率。當ITS摻量超過20%時，改性土可視為非膨脹土。

（2）ITS可以提高膨脹土的內摩擦角與內聚力。內聚力的影響先增加后減小。當ITS含量為30%時，抗剪強度達到峰值，且對內摩擦角的影響不斷增大。

（3）SEM圖像顯示，除了砂與土之間約10 μm左右的裂隙外，ITS對膨脹土的微觀結構未起作用。砂粒同時提高了土壤中的咬合力和孔隙率，表明ITS存在一個實現膨脹土宏觀強度最大的閾值含量。壓汞試驗表明，ITS的摻入降低了土壤中微孔和小孔的比例，且孔徑分布圖具有明顯的雙峰結構，這很好地解釋了其宏觀力學規律。

參考文獻

［1］李 暢.江西省某銅尾礦資源化過程生命周期評價研究［D］.贛州：江西理工大學，2020.

［2］申艷軍，白志鵬，郝建帥，等.尾礦制備混凝土研究進展與利用現狀分析［J］.硅酸鹽通報，2021，40（3）：845-857，876.

［3］劉家倫.軸壓下鐵尾礦砂混凝土柱火災后力學性能研究［D］.唐山：華北理工大學，2021.

［4］李 威，王協群，申雅卓，等.固化劑在膨脹土改良中的應用［J］.中國農村水利水電，2018（8）：141-144.

［5］張 平，房營光，何智威，等.不同固結壓力下重塑土微孔隙特征變化的試驗與分析［J］.四川建筑科學研究，2012，38（1）：102-104.

收稿日期：2023-04-11