李富有，何余良

(1.浙江華恒交通建設(shè)監(jiān)理有限公司， 浙江 紹興 312000； 2.紹興文理學(xué)院， 浙江 紹興 312000)

紹興某礦產(chǎn)企業(yè)60余年共累計產(chǎn)生了2 000多萬t的鐵尾礦粉，尾礦粉的堆放不僅對周邊環(huán)境造成影響，還嚴(yán)重威脅庫區(qū)下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。因此如何將尾礦加以合理利用，變廢為寶，是地方政府十分關(guān)心的問題。

國外將尾礦顆粒料用作建筑骨料已經(jīng)有60多年的歷史，以美國明尼蘇達(dá)地區(qū)的粗顆粒鐵燧巖尾礦應(yīng)用最為典型[1-4]。在中國，李榮海等[5]通過分析鐵尾礦粉的物理力學(xué)性質(zhì)、顆粒組成和化學(xué)成分后發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦粉作為路基填料存在高沉降、高滲透、大變形且易發(fā)生液化等特點，因此，將鐵尾礦粉作為道路路基填料，需要對其進(jìn)行一定的處理；劉晶磊等[6]采用固化劑改良鐵尾礦基層，并對其強(qiáng)度影響因素進(jìn)行敏感性分析；劉軍收[7]發(fā)現(xiàn)在連云港市錦屏磷礦尾礦砂中摻入弱膨脹土后可以改善尾礦砂的性質(zhì)并消除其剪脹性，并且認(rèn)為摻入20%的低液限黏土效果最佳；郭曉華[8]通過分析尾礦砂在中國道路工程中的應(yīng)用實例，認(rèn)為尾礦砂的應(yīng)用可以有效減少固體廢料處理成本，并降低道路建設(shè)費(fèi)用，帶來較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

鑒于尾礦中粒徑較大的顆粒可作為建筑材料使用，可以直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，而粒徑小于0.075 mm的尾礦，顆粒小、無黏性、無理化活性、含水率高，難以利用轉(zhuǎn)化。因此，該文從漓鐵尾礦粉化學(xué)組成、力學(xué)性能和石灰、黏性土復(fù)合鐵尾礦粉施工工藝三方面，對粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒組含量大于50%以上的漓鐵尾礦粉應(yīng)用于道路路基填料的可行性進(jìn)行詳細(xì)分析，并通過試驗段的現(xiàn)場實測對其路用性能進(jìn)行驗證，為尾鐵礦粉的綜合利用提供思路。

1 尾礦粉物理化學(xué)性能研究

1.1 漓鐵尾礦化學(xué)分析

采用GB/T 176—2008《水泥化學(xué)分析方法》[9]對鐵尾礦進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 鐵尾礦的化學(xué)成分

由表1可以看出：在漓鐵尾礦粉中存在大量SiO2，適量的Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO，少量的SO3、K2O和Na2O。

1.2 漓鐵尾礦基本物理性能指標(biāo)

漓鐵尾礦基本物理性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表2。

由表2可知：漓鐵尾礦由于化學(xué)組成與天然砂不同，富含較多的鐵元素，所以其表觀密度大于天然砂，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可判斷鐵尾礦的顆粒級配差于天然砂，空隙率大于天然砂。

表2 漓鐵尾礦的主要物理參數(shù)

1.3 尾礦粉顆粒分析

利用Mastersizer2000型激光粒度儀對漓鐵尾礦進(jìn)行粒度分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可以發(fā)現(xiàn)漓鐵尾礦粒度較細(xì)，鐵尾礦中粒徑<45 μm含量為69.57%。鐵尾礦的顆粒級配差于天然砂。

表3 鐵尾礦各粒級含量

1.4 對水環(huán)境的影響

對漓鐵尾礦粉進(jìn)行浸水浸泡，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)進(jìn)行浸提液分析，結(jié)果見表4。

表4 尾礦粉易溶鹽的浸提液分析結(jié)果

根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]規(guī)定，尾礦粉易溶鹽的浸提液氟化物低于Ⅰ類水的要求(≤1 mg/L)，Cl-和SO42-含量低于集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項目標(biāo)準(zhǔn)限值(250 mg/L)。因此可以將尾礦粉應(yīng)用于道路工程，其對水環(huán)境的影響在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

通過對漓鐵尾礦粉化學(xué)組成、基本物理指標(biāo)、X射線衍射分析以及顆粒分析發(fā)現(xiàn)鐵尾礦粉具有和普通砂相似的化學(xué)組成，同時，尾礦粉的放射性水平和對水環(huán)境的影響滿足公路規(guī)范要求。但其鐵元素含量大于普通砂，顆粒組成中含有大量小于45 μm的顆粒，顆粒級配劣于普通砂。

2 漓鐵尾礦粉力學(xué)性能研究

對于漓鐵尾礦粉力學(xué)性能研究主要包括最大干密度、最佳含水率、抗剪強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、膨脹率和CBR值的測定。

2.1 最大干密度與最佳含水量

圖1為漓鐵尾礦粉的液塑限試驗測試結(jié)果。從圖1可以看出：漓鐵尾礦粉塑限wP=17%，液限wL=23%，塑性指數(shù)IP=6。

圖1 鐵尾礦粉液塑限測試結(jié)果

此外按照含水率分別為13%、15%、17%、19%、21%配置尾礦粉試樣，進(jìn)行擊實試驗繪制出對應(yīng)的擊實曲線，如圖2所示。從圖2可以得出漓鐵尾礦粉的最佳含水率為17.2%，對應(yīng)的最大干密度為1.83 g/cm3。

圖2 漓鐵尾礦粉擊實曲線

2.2 壓縮系數(shù)與壓縮模量

通過相對密度試驗獲得漓鐵尾礦粉的表觀密度為3.06 g/cm3，并采用快速固結(jié)試驗測試?yán)扈F尾礦粉的壓縮系數(shù)，試驗中豎向荷載值分別為50、100、200、300和400 kPa，土樣的初始孔隙比為0.473，測試結(jié)果如表5所示。

表5 固結(jié)試驗結(jié)果

將表5結(jié)果代入式(1)計算壓縮系數(shù)：

(1)

式中:a1-2為壓力為100～200 kPa時壓縮系數(shù);e1、e2分別為壓力為100、200 kPa時對應(yīng)的孔隙比；p1、p2對應(yīng)壓力分別為100、200 kPa。

根據(jù)式(1)計算得到漓鐵尾礦粉壓縮系數(shù)a1-2為0.033 MPa-1<0.1 MPa-1，說明漓鐵尾礦粉為低壓縮性土。

根據(jù)式(2)可進(jìn)一步得到漓鐵尾礦粉壓縮模量Es(1-2)為41.8 MPa。

(2)

2.3 膨脹率與CBR

根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》[11]和JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》[12]規(guī)定，路床填料顆粒級配應(yīng)均勻，其最小承載比和壓實度應(yīng)符合表6的規(guī)定。

表6 路床填料最小承載比和壓實度要求

道路填料最小承載比和壓實度需滿足表7的要求，從表6、7可以看出：CBR值是漓鐵尾礦粉能否直接作為道路填料的重要考查指標(biāo)，根據(jù)擊實試驗結(jié)果最大干密度的條件下進(jìn)行漓鐵尾礦粉CBR值的測試。測試過程如下，首先將試樣在最優(yōu)含水率下進(jìn)行擊實，使試樣達(dá)到最大干密度，然后將試樣在水中浸泡4個晝夜，測試其膨脹量。

表7 道路填料最小承載比和壓實度要求

根據(jù)式(3)計算得到膨脹率為1.72×10-4，然后進(jìn)行CBR測試，測得其CBR值為0.25%。

(3)

漓鐵尾礦粉CBR值小于表6、7的數(shù)值，且黏聚力較低，不能直接作為路基填料，需摻石灰或其他穩(wěn)定材料處理才能作為路基填料。

3 石灰、黏性土復(fù)合尾礦粉施工工藝研究

前述試驗結(jié)果表明：漓鐵尾礦粉CBR不滿足道路填料要求，需要對漓鐵尾礦粉進(jìn)行一定的固化處理。楊青等[13]研究發(fā)現(xiàn)鐵尾礦砂加入石灰和水泥后其強(qiáng)度會隨著齡期逐漸增長具有半剛性特征；章定文等[14]通過粉煤灰、高爐礦渣與石灰的組合，有效地改良了土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；張濤等[15]進(jìn)一步提出了固化土剛度和強(qiáng)度的相關(guān)性模型，為固化土的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)；魏建國等[16]將石灰改良含砂低液限土應(yīng)用在高速公路拓寬路基中，效果較好；鄒桂蓮等[17]研究水泥粉煤灰穩(wěn)定再生集料的路用性能，發(fā)現(xiàn)集料經(jīng)再生處理后達(dá)到了路用要求。根據(jù)CJ/T 486—2015《土壤固化外加劑》規(guī)范[18]并經(jīng)室內(nèi)試驗與方案比選，該文研究采用石灰、黏性土復(fù)合對漓鐵尾礦粉進(jìn)行穩(wěn)定處理。首先，通過生石灰的消解過程降低出廠尾礦粉或添加黏性土的尾礦粉含水量，使其適用于道路施工；其次，通過摻加石灰和黏性土，利用石灰與土的離子交換、絮凝團(tuán)聚作用和黏土對尾礦粉黏聚性、路用性的改良，優(yōu)化復(fù)合土體結(jié)構(gòu)形成板結(jié)，使其滿足道路施工的要求。

3.1 復(fù)合尾礦粉路用性能研究

3.1.1 CBR試驗

研究中對不同石灰摻量的摻有20%黏性土的復(fù)合尾礦粉進(jìn)行CBR試驗，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 復(fù)合尾礦粉CBR試驗結(jié)果

由表8可知：當(dāng)石灰摻量不低于6%時，黏性土復(fù)合尾礦粉的CBR值滿足二級公路上路床最小承載比要求，當(dāng)石灰摻量不低于8%時，復(fù)合尾礦粉的CBR值完全滿足高速、一級公路上路床最小承載比要求。

3.1.2 三軸壓縮試驗

選取8%石灰摻量、黏性土復(fù)合尾礦粉，按最佳含水率進(jìn)行擊實成型，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗，以測定復(fù)合尾礦粉試樣在不同圍壓、齡期條件下的剪切特性。

(1) 圍壓影響

試驗采用應(yīng)變控制，剪切速率0.075 mm/min，在不同圍壓下進(jìn)行三軸壓縮試驗。圖3、4分別為復(fù)合尾礦粉軸向偏應(yīng)力、孔隙水壓力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系。

從圖3可以看出：在試樣變形的初始階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈現(xiàn)線性增長規(guī)律，且應(yīng)力增長速率隨著圍壓的增長而略有增加。隨著應(yīng)變的進(jìn)一步發(fā)展，不同圍壓下的復(fù)合尾礦粉逐漸達(dá)到峰值應(yīng)力，之后均出現(xiàn)了不同程度的軟化現(xiàn)象，并且圍壓越大軟化現(xiàn)象越明顯；從圖4可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)圍壓大于200 kPa時，隨著應(yīng)變的增長，復(fù)合尾礦粉材料的孔壓逐漸增長，變形初期孔壓增長迅速，之后孔壓逐漸趨于穩(wěn)定，且圍壓越大孔壓累積越大。而當(dāng)圍壓小于200 kPa時，孔壓隨應(yīng)變的增長呈現(xiàn)出先增后減，再逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，并且當(dāng)圍壓大于100 kPa時，試樣中的孔壓始終為正值，表明在壓縮過程中試樣始終處于剪縮狀態(tài)，而當(dāng)圍壓為25 kPa和50 kPa時，孔壓逐漸由正轉(zhuǎn)負(fù)，表明試樣在剪切過程中表現(xiàn)出了一定的先剪縮后剪脹的趨勢。具體的三軸壓縮試驗結(jié)果如表9所示。

圖3 復(fù)合尾礦粉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖4 復(fù)合尾礦粉孔壓-應(yīng)變關(guān)系

表9 不同圍壓三軸壓縮試驗結(jié)果

(2) 齡期的影響

在(20±2) ℃、相對濕度95%以上的條件下對試樣分別養(yǎng)護(hù)7、28 d，采取抽氣和反壓聯(lián)合飽和，當(dāng)試樣飽和度達(dá)到95%時，分別在100、200、400 kPa的圍壓下進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗。圖5、6為復(fù)合尾礦粉在不同齡期下應(yīng)力、孔隙水壓力與應(yīng)變之間的關(guān)系。

圖5 不同齡期下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖6 不同齡期下孔壓-應(yīng)變關(guān)系

圖5、6表明：隨著齡期的延長，復(fù)合尾礦粉材料的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都有所提升，這是由于隨著齡期的延長，土體內(nèi)部凝膠產(chǎn)物的逐漸生成，導(dǎo)致孔隙逐漸被填充密實，使得土體的膠結(jié)結(jié)構(gòu)體系更為穩(wěn)定，綜合表現(xiàn)為土體峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的提高。從孔壓與應(yīng)變的關(guān)系看，變形初期養(yǎng)護(hù)7、28 d的孔壓與應(yīng)變關(guān)系曲線基本重合，表明齡期的增長幾乎不會影響變形初期試樣內(nèi)部孔壓的累積速率，但會導(dǎo)致穩(wěn)定后的孔壓出現(xiàn)一定的增長。不同齡期三軸壓縮試驗的具體結(jié)果如表10所示。

表10 不同齡期三軸壓縮試驗結(jié)果

此外，不同養(yǎng)護(hù)齡期下，復(fù)合尾礦粉的三軸剪切試驗的強(qiáng)度包絡(luò)線如圖7所示，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表11。

圖7 復(fù)合尾礦粉7、28 d齡期強(qiáng)度包絡(luò)線

表11 8%復(fù)合尾礦粉的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3.1.3 水穩(wěn)定性試驗

對于地下水位較高的杭嘉湖平原而言，復(fù)合尾礦粉的水穩(wěn)定性對填料的應(yīng)用十分關(guān)鍵。其主要是受地下水中的潛水及毛細(xì)水的影響最為顯著。

為定性研究復(fù)合尾礦粉的水穩(wěn)定性，確定不同石灰摻量的抗壓強(qiáng)度，制作了不同石灰摻量下的復(fù)合尾礦粉非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。試樣的含水率達(dá)到最佳含水率，抗壓強(qiáng)度均值如表12所示。

由表12可知：隨著石灰摻量的增加，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)均表現(xiàn)出增大趨勢，說明復(fù)合尾礦粉水穩(wěn)定性隨石灰摻量增加有不同程度的提高。8%和10%摻灰量的復(fù)合尾礦粉強(qiáng)度與水穩(wěn)定性效果比6%摻灰量有較大幅度的提高，但8%與10%摻灰量的改良效果基本一致。表明過多地?fù)郊邮覍τ谔岣邚?fù)合尾礦粉的水穩(wěn)定性效果不明顯。

依照規(guī)范中穩(wěn)定土水穩(wěn)系數(shù)比應(yīng)滿足γ≥105%的要求，因尾礦粉在經(jīng)過1 d的飽水后，土體崩解，無法測定其相關(guān)數(shù)據(jù)，故僅對其他摻灰量的試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，即檢測試件的水穩(wěn)系數(shù)與基準(zhǔn)試件的水穩(wěn)系數(shù)之比。因此，當(dāng)摻灰量超過8%的復(fù)合尾礦粉滿足規(guī)范要求的水穩(wěn)系數(shù)比。

綜上研究可得，經(jīng)石灰、黏性土改良后的尾礦粉能滿足公路及城市道路填料的路用性能要求。

3.2 復(fù)合尾礦粉施工工藝

根據(jù)尾礦粉特性，在公路石灰土施工工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良研究，其中關(guān)鍵在于降低尾礦粉與黏性土的含水量，使其具備路拌性能。

首先對進(jìn)場尾礦粉進(jìn)行含水量檢測，根據(jù)含水量大小摻配2%～3%的生石灰與20%摻量優(yōu)質(zhì)黏性土，保持不低于3 d的燜灰過程，并在堆土場采用挖機(jī)翻拌均勻，燜灰期間應(yīng)采取覆蓋措施，防止揚(yáng)塵或淋雨。

準(zhǔn)備工作完成后，按照厚度控制原則，均布攤平，根據(jù)所需補(bǔ)充的石灰劑量進(jìn)行石灰撒布。

具體工藝流程如下：① 取土攤平；② 犁翻或路拌翻曬；③ 測定含水量；④ 撒布石灰(補(bǔ)足劑量)；⑤ 路拌機(jī)拌和均勻；⑥ 測定灰劑量；⑦ 初壓；⑧ 平地機(jī)整平；⑨ 碾壓成型；⑩ 檢測；養(yǎng)護(hù)(或進(jìn)入下一層)。

3.2.1 石灰消解

石灰使用前按規(guī)定充分消解，根據(jù)生石灰用量，按110%～120%加水消解3 d，未消解的石灰塊應(yīng)予剔除。

3.2.2 攤鋪、平整

用推土機(jī)或挖掘機(jī)將初拌復(fù)合尾礦粉攤鋪平整。

(1) 松鋪厚度按21 cm攤鋪。

(2) 及時檢測復(fù)合土的含水量，如含水量過大或過小應(yīng)采取鏵犁翻曬或加水等措施進(jìn)行處理。翻曬后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合尾礦粉采用平地機(jī)整平。

(3) 整平之后，測量各測點松鋪標(biāo)高。

3.2.3 石灰撒布

依據(jù)測定的石灰補(bǔ)足劑量，人機(jī)配合撒布。施工時應(yīng)嚴(yán)格控制含灰量，考慮到石灰施工時有效鈣鎂含量的損失，為保證石灰劑量達(dá)到試驗室設(shè)計的要求，石灰摻入量宜大于試驗室配合比例的1%左右。

3.2.4 拌和

采用路拌機(jī)拌制3遍后，目測拌和比較均勻，石灰無堆積現(xiàn)象，挖開檢查無夾層，并取樣進(jìn)行篩分及石灰劑量試驗。若石灰劑量不足，需及時補(bǔ)撒石灰，然后重新拌和至規(guī)定要求。

3.2.5 碾壓、整平工藝及措施

拌和均勻后，立即輕壓整平，路拌機(jī)二次拌制均勻，初壓，平地機(jī)精平，碾壓成型。碾壓時先碾兩側(cè)，再碾壓中間，輪跡搭接一般不小于20 cm。壓路機(jī)的碾壓速度，開始兩遍采用1.5～2.0 km/h，之后采用2.5～3.5 km/h。壓路機(jī)不可在已完成或正在碾壓的地段調(diào)頭和急剎車。復(fù)壓時，每碾壓一遍測量各測點標(biāo)高，并檢測壓實度及含水量。

3.2.6 養(yǎng)護(hù)

復(fù)合尾礦粉碾壓完成后及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間宜不少于7 d，養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)封閉交通，并根據(jù)天氣狀況及時灑水，以保證表面濕潤。

4 復(fù)合尾礦粉道路試驗段

為驗證復(fù)合尾礦粉的實際應(yīng)用效果，依據(jù)CJJ 1—2008《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》[19]、JTG F80/1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》[20]選擇某一級公路上路床進(jìn)行普通石灰土與復(fù)合尾礦粉的檢測結(jié)果對比。

4.1 現(xiàn)場壓實度檢測

試驗段碾壓完成后，及時對復(fù)合尾礦粉填料路基與普通石灰土填料路基進(jìn)行了壓實度檢測，檢測結(jié)果如表13所示。

表13 現(xiàn)場壓實度檢測結(jié)果對比

由表13可知：壓實度均滿足高速、一級公路標(biāo)準(zhǔn)的路基壓實度驗收要求，且采用復(fù)合尾礦粉填料路基與普通石灰土填料路基壓實度無明顯差異。

4.2 土基回彈模量檢測

采用貝克曼梁法對成型復(fù)合尾礦粉與普通石灰土路基進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表14所示。

表14 回彈彎沉檢測結(jié)果對比 0.01 mm

由表14可知：回彈彎沉滿足高速、一級公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，且采用復(fù)合尾礦粉路基彎沉代表值要優(yōu)于普通灰土路基，較常規(guī)的土石混合料路基優(yōu)勢更明顯。

5 結(jié)論

通過對漓鐵尾礦粉(粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒組含量大于50%)的化學(xué)成分和礦物成分、力學(xué)性能及其用于道路填料的施工工藝三方面的研究，得到如下結(jié)論：

(1) 理化性能研究發(fā)現(xiàn)，漓鐵尾礦粉具有和普通砂相似的化學(xué)組成，其鐵元素含量大于普通砂，顆粒組成中含有大量小于45 μm的顆粒，顆粒級配劣于普通砂，并且調(diào)查發(fā)現(xiàn)尾礦粉的放射性水平和對水環(huán)境的影響滿足規(guī)范要求，將漓鐵鐵尾礦粉用于道路填料具有可行性。

(2) 根據(jù)力學(xué)性能研究得到漓鐵尾礦粉的最大干密度和最佳含水量分別為1.83 g/cm3和17.2%。在此干密度和含水量情況下其黏聚力為33.2 kPa，內(nèi)摩擦角為25°，通過固結(jié)試驗得到其壓縮系數(shù)為0.033 MPa-1，并通過CBR試驗測得其膨脹率為1.72×10-4，CBR值為0.25%，CBR值偏低，需采用無機(jī)結(jié)合料對其進(jìn)行穩(wěn)定。

(3) 采用Ⅱ級以上鈣質(zhì)熟石灰穩(wěn)定鐵尾礦粉，石灰含量為8%，同時摻如20%的優(yōu)質(zhì)黏土?xí)r，穩(wěn)定效果最佳，此時復(fù)合尾礦粉填料的最優(yōu)含水率為10.5%、最大干密度為2.14 kg/m3，CBR值為9.44%，且圍壓和齡期條件對復(fù)合土的強(qiáng)度、穩(wěn)定性影響明顯，其水穩(wěn)系數(shù)比γ≥105%，滿足填料的路用性能要求。

(4) 根據(jù)研究成果，針對性地開展現(xiàn)場施工工藝研究，得出石灰、黏土復(fù)合漓鐵尾礦填料各項現(xiàn)場指標(biāo)均達(dá)到道路分層填筑驗收的要求。