金尾礦水泥改良黃土路基物理性能及微觀結構研究

摘要：文章研究不同摻量金尾礦改良黃土路基的效果，將水泥與金尾礦混合，利用無側限抗壓強度及抗剪強度試驗驗證金尾礦改良路基的可行性。試驗結果表明，7 d、14 d無側限抗壓強度及抗剪強度隨水泥含量增加而增加，隨后趨于穩定；金尾礦摻量為15%時，可有效提高黃土物理力學性能。微觀測試結果表明，金尾礦對黃土內部孔結構有顯著影響。隨著金尾礦摻量增加，黃土內部孔隙逐漸減少，摻量達到15%時，孔隙率有效降低，土骨架強度提高。研究結果可為金尾礦水泥改良黃土路基提供參考依據。

關鍵詞：金尾礦；水泥改良；黃土路基；無側限抗壓強度；抗剪強度

中圖分類號：U416.1? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0057-04

0 引言

隨著社會的快速發展，我國道路建設規模不斷擴大，道路建設體系有了很大改善。但是，由于砂石、卵石等路基原材料短缺，導致價格上漲，增加了路基建設造價。因此，開發一種既可替代砂石材料，又可有效提高路基性能的材料，是道路建設亟待解決的問題。金礦開采作為我國礦產資源開采的重要組成部分，每年排放近3億噸金尾礦［1］，其中大部分金尾礦只能以尾礦庫的形式堆積。目前，我國金尾礦資源利用率僅為25%左右［2］，囤積的剩余礦物對環境造成嚴重威脅，合理利用尾礦資源具有重要的現實意義。

目前，眾多學者已開展利用尾礦對路基進行改良的研究。羅敖等［3］利用電子顯微鏡觀察鐵尾礦的微觀結構和力學性能，認為其穩定性差、不易壓實，因此提出用黏土包邊尾礦砂的方法，并采用有限元及物理力學試驗等方法驗證其可行性。試驗結果表明，采用黏性填料的尾礦砂充填地基，可以達到路基設計標準。李富有等［4］利用5%的灰渣對尾礦石進行地基填土實驗，并對其進行壓實度及無側限抗壓強度測試，結果表明5%的灰渣可以取代常規的土方，用作路基的填筑。劉炳華等［5］對連云港市一種鐵尾礦進行化學成分分析，結果表明鐵尾礦沒有毒性，可以用作路基的填筑材料，并對其力學性能進行研究，研究結果顯示CBR值很低，不符合路基填筑材料設計要求。上述研究表明，單獨將金尾礦用于路基填料，效果較差，無法充分發揮尾礦的應用價值，需聯合其他材料使用。目前，改良路基多采用鐵尾礦、銅尾礦等，較少采用金尾礦，而金尾礦產量不斷增加，卻無法得到有效利用。同時，尾礦多運用在黏土區，較少運用在黃土地區，因為黃土具有遇水易發生不均勻沉降及濕陷等不良特性，僅加入尾礦無法有效彌補黃土水穩性差、濕陷性等缺陷。鑒于此原因，本文遵循“固廢再利用”理念，利用金尾礦對黃土路基進行改良，將不同摻量的金尾礦摻入水泥，利用無側限抗壓強度試驗研究混合土樣強度演變規律，采用掃描電鏡探究金尾礦對黃土內部結構的影響。研究結果可進一步提高黃土地區公路路基的穩定性，為金尾礦改良路基提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

金尾礦取自安徽省的一個鐵礦區，由于礦料粒徑不均勻，所以利用球磨機將金尾礦磨細成小于1 mm的粒徑。金尾礦的化學成分見表1，其中二氧化硅的含量占70.82%，三氧化二鐵和氧化鋁分別占13.66%和5.08%，具有一定的火山灰反應潛力。金尾礦的細度模量為1.56，比重為3.14。

試驗所用黃土選自西安市某段公路，位于地下2～3 m深處。收集到的黃土樣品在使用前被粉碎和干燥。土壤的物理性質見表2。

水泥為馬鞍山海螺水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥、平均粒徑為21 μm，比表面積為320 m2/kg，化學成分主要包括CaO（67%）、SiO2（20%），數據均為海螺水泥有限公司提供。

1.2 試驗制備

定義金尾礦摻量W為金尾礦與土壤質量比的百分數，分別按照W1=0%、W2=5%、W3=10%、W4=15%、W5=20%配置不同摻量的金尾礦土，并加入5%的水泥。根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）的試驗方法，按照試驗規定比例，準確稱量土、尾礦、蒸餾水、水泥。首先將金尾礦和土壤混合攪拌，將80%的蒸餾水噴灑到改性土壤中，攪拌均勻后放在密封袋中固化12 h。然后，將所需的水泥和剩余的20%蒸餾水加入改性土壤中，進行二次攪拌。最后，用千斤頂和模具將金尾礦土靜態地壓入直徑和高度均為50 mm的圓柱形模具中，置于恒溫恒濕條件下養護，在養護7 d、14 d時分別進行無側限抗壓強度試驗及抗剪強度試驗。

1.3 試驗方法

無側限抗壓強度及抗剪強度試驗使用的設備為SLB-1三軸剪切試驗機，其起落速度為1 mm/min，采用電腦進行自動記錄，獲得無側限抗壓強度值及抗剪強度試驗值。

微觀測試利用JSM-6490LV掃描電子顯微鏡對金尾礦土的微觀結構進行掃描。實驗樣品在乙醇中浸泡24 h，在樣品中心取一小塊方片（5 mm×5 mm），放置在60 ℃的溫度環境下干燥12 h。該切片在掃描前按要求進行真空鍍金處理。

2 試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度

圖1為養護7 d、14 d條件下，不同金尾礦摻量下黃土無側限抗壓強度變化曲線。從圖1中可以看出，隨著金尾礦摻量的增加，無側限抗壓強度呈先快速增加，后緩慢增加的趨勢，最大抗壓強度為235 kPa。當金尾礦摻量為0～15%時，抗壓強度增長速度較快，這可能是金尾礦含量較少、黃土含量較高時，試樣強度主要來自內部顆粒的堆積和表面之間的摩擦，而顆粒之間的有效黏聚力較小，隨金尾礦的活性被水泥水化產物Ca（OH）2激活，生成的C-S-H凝膠與黃土顆粒相互團聚，可以有效地填充孔隙，加強顆粒間的膠結，增加黏聚力，宏觀上顯示出黃土試樣隨金尾礦摻量的增加，無側限抗壓強度增長速度加快的結果。但隨著金尾礦含量繼續增加，過量金尾礦形成的空隙無法被黃土填充，因此強度降低，并且由于水泥含量固定，生成的Ca（OH）2有限，導致過量金尾礦無法完全激活，出現金尾礦摻量達到20%時，強度增長緩慢的結果。同時可觀察到，隨著養護周期增加，金尾礦土無側限抗壓強度呈增加趨勢，表明養護周期越長，越有利于金尾礦與其他離子發生化學反應，生成凝膠物質，填充土壤內部孔隙，提高黃土試樣抗壓強度，這也說明影響黃土強度的主要因素是孔隙、裂縫、水化產物。隨著金尾礦的加入，一方面，大顆粒黃土因為重成為土骨架，而黃土細小顆粒填充孔隙，導致孔隙率降低，密實度增強；另一方面，水化過程中也會產生大量的C-S-H凝膠填充孔隙，使密度增加，從而提高強度。

2.2 滲透特性

滲透試驗采用的是TST-55型滲透儀。將制作完成的重塑黃土試樣放置在滲透儀上，將透水石放置在試樣上下兩側并與水頭裝置連接。首先打開排水裝置，使試樣達到飽和狀態，然后控制供水管流速，記錄水頭高度變化與水溫溫度。

圖2為不同金尾礦與水泥摻量下重塑黃土滲透系數變化柱狀圖。由圖2可知，隨著混合料摻量的增加，滲透系數呈先下降后上升的趨勢，不同摻量（5%、10%、15%、20%）的黃土較素黃土（0%）滲透系數分別下降19.5%、44.9%、57.5%、54.0%。素土（0%）滲透系數最高（8.7×10-7 cm/s），原因是素土內部孔隙較多，顆粒之間空隙較大，同時黃土遇水易潰散，顆粒間失去膠結作用，土壤內部結構被水破壞，易導致水分在土壤內部流動，所以素土滲透系數相對較高。隨著混合料摻量的增加（5%～15%），滲透系數呈下降趨勢。一方面，由于金尾礦發揮其填充與膨脹作用使黃土孔隙的連通性降低，阻礙了水流通過，使改良黃土的抗滲特性得到改善；另一方面，水泥的膠結作用產生的水化硅酸鈣和鋁酸鈣等膠凝物質［化學反應式如公式（1）、公式（2）所示］減少重塑黃土內部孔隙，使重塑黃土抗滲能力得到顯著提高。隨著混合料摻量繼續增加（20%），過量金尾礦依然起到填充孔隙的作用，但此時過量石灰會形成較大膠凝物，反而增加黃土內部孔隙，并且孔隙增加程度大于金尾礦填充效果，所以滲透系數在摻量為20%時比摻量為15%時略有增加。

xCa（OH）2+SiO2+nH2O→xCaO?SiO2?（n+x）?H2O? ? （1）

xCa（OH）2+Al2O3+nH2O→xCaO?Al2O3?（n+x）?H2O （2）

公式（1）和（2）中，n表示含有多少水的質量，x表示含有多少有機材料的質量。

2.3 抗剪強度

圖3為不同養護周期下抗剪強度變化曲線。隨著金尾礦摻量增加，抗剪強度與無側限抗壓強度變化趨勢相同，即抗剪強度先快速增加，后平緩增加。當摻入金尾礦后，土骨架逐漸由黃土顆粒支撐轉變為金尾礦顆粒支撐，金尾礦顆粒之間的孔隙在剪切作用下被直徑較小的黃土顆粒填充，孔隙面積和直徑降低。同時，黃土顆粒與金尾礦顆粒接觸面積增大，增加顆粒間的摩擦力，改善孔隙結構，提高土骨架強度。黃土在持續剪切力的作用下，由于顆粒間孔隙較小且顆粒之間的摩擦作用，限制顆粒發生相對位移，使土骨架不易被破壞，這也是金尾礦改良黃土抗剪強度增大的原因。但摻入過量金尾礦后，由于金尾礦表面積較大，金尾礦顆粒相互接觸后（以點接觸為主）會產生較大孔隙，并且黃土顆粒在剪切作用下無法有效填充孔隙，黃土顆粒無法通過狹小孔隙通道進入金尾礦顆粒所形成的孔隙空間，進而導致黃土內部孔隙率提高，無法有效抵擋剪切破壞，使抗剪強度增加緩慢。養護周期越高，抗剪強度的提高越明顯，主要依賴于金尾礦與Ca（OH）2發生火山灰反應生成的凝膠物質與水泥水化產物（C-S-H凝膠與C-A-H凝膠）共同依附于黃土顆粒，增大了顆粒間的接觸面積，使黃土在剪切力的作用下顆粒間摩擦力增大，咬合力提高。養護14 d時，不同摻量的金尾礦（5%～20%）較素黃土（0%）分別提高33.3%、77.8%、94.4%、101.8%；養護7 d時，不同摻量的金尾礦分別提高68.8%、95.6%、139.5%、166.7%。

2.4 微觀試驗

圖4為養護14 d時不同摻量的金尾礦黃土微觀圖像。由圖4可以看出，隨著金尾礦摻量的增加，黃土內部孔隙逐漸減少，膠凝物質增多，顆粒接觸面積增大。當金尾礦摻量為0時，黃土內部存在較多的孔隙，顆粒分布不均勻，連通性較差。土壤內部結構以顆粒狀和片狀為主，部分區域有不規則的團聚體。土顆粒主要以點—點接觸和點—面接觸，顆粒堆疊形成架空松散結構，內部包含少量膠結物質。當金尾礦摻量為5%～15%時，黃土內部結構表現為外觀較致密、孔隙小。顆粒以聚合結構的形式存在且顆粒接觸面積增大，大量的C-S-H凝膠以纖維和片狀的形式填充孔隙，同時水泥的水化產物降低黃土試樣的孔隙度，使結構致密，從而提高了無側限抗壓強度與抗剪強度，這與上述試驗結果一致。當金尾礦摻量為20%時，可以明顯觀察到黃土內部出現較小粒徑的孔隙，存在相互連接的小裂紋且出現較大的團聚體。大量的絮凝水化產物覆蓋在顆粒的表面，填充孔隙，減少顆粒之間的間隙。由于過量金尾礦的摻入導致黃土內部孔隙持續演變，在力的作用下，土骨架強度下降，此狀態下的重塑土樣內部孔隙較多，過量金尾礦顆粒相互團聚，又由于黃土含量較低，金尾礦含量較高，黃土顆粒并未占據金尾礦顆粒間的孔隙，而是較多地游離在土骨架外，易導致在力的作用下顆粒接觸方式轉變為點接觸，孔隙間距增大，進一步降低土體強度。

3 結論

分析試驗結果，可以得出以下結論。

（1）隨著金尾礦摻量的增加，無側限抗壓強度呈先快速增加，后緩慢增加的趨勢，最大抗壓強度為235 kPa。

（2）金尾礦可有效提高黃土抗剪強度，養護14 d后，不同摻量的金尾礦（5%、10%、15%、20%）較素黃土（0）分別提高33.3%、77.8%、94.4%、101.8%。

（3）微觀試驗結果表明，加入水泥與金尾礦可以發生離子交換反應，使團聚體更致密。水泥水化及金尾礦火山灰反應生成的C-S-H凝膠和碳酸鈣能有效填充黃土的孔隙，使金尾礦與土壤顆粒的結合更致密，進一步增強強度。

4 參考文獻

［1］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.

［2］王海玲.鐵尾礦料路基填筑施工技術研究［J］.交通世界，2022（Z2）：147-148.

［3］羅敖，熊竹.粘土包邊尾礦砂路基穩定性研究［J］.公路工程，2013，38（6）：254-259.

［4］李富有，何余良.鐵尾礦粉在道路工程中的應用研究［J］.中外公路，2022，42（1）：233-239.

［5］劉炳華，閆新勇.尾礦砂填筑公路路基的物理力學性質及參數研究［J］.鄭州鐵路職業技術學院學報，2012，24（3）：26-28.

【作者簡介】黃海鋒，男，廣西容縣人，任職于廣西路建工程集團有限公司，工程師，研究方向：道路橋梁工程。

【引用本文】黃海鋒.金尾礦水泥改良黃土路基物理性能及微觀結構研究［J］.企業科技與發展，2023（5）：57-59，67.