摻黏土鐵尾礦砂路基填筑路用性能研究

楊光磊，劉 凱

(1.山東高速工程項目管理有限公司，山東 濟南 250002； 2.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250002)

鐵尾礦砂是在特定技術條件下經過加工磨細，提煉有用成分后的廢棄物[1-2]。據統(tǒng)計，全世界每年產出的尾礦及廢石達100億t以上，我國每年排出的尾礦產量也在5億t以上[3]。而目前我國的尾礦利用率只有7%左右，大宗的尾礦固廢材料不僅占用耕地，更對大氣、環(huán)境造成污染[4-5]。如何合理有效的利用尾礦資源，成為目前國內外研究的熱點。

目前，國內外學者對鐵尾礦的綜合利用展開了大量研究。方中明等[6]采用物理力學指標對比分析了傳統(tǒng)二灰土和石灰鐵尾礦砂穩(wěn)定土，試驗發(fā)現石灰鐵尾礦砂穩(wěn)定土作為路面底基層材料具有較好的適用性，可以滿足高等級公路對路面底基層的強度要求；呂紹偉等[7]通過分析鐵尾礦砂的靜力和動力特性，發(fā)現鐵尾礦砂的粒徑對其性能具有一定影響，并指出水泥、石灰等材料是改性鐵尾礦砂主要材料；王振明等[8]以鐵尾礦砂代替部分天然河砂，當替代率為50%時，所生產的?；⒅榛炷辆哂辛己玫墓ぷ餍裕籝isa等[9]通過擊實試驗、無側限抗壓強度試驗和加州承載比試驗(CBR)確定了紅黏土穩(wěn)定鐵尾礦砂用于路面底基層的可能性；崔碧瑩[10]以鐵尾礦砂為主要原料制備磚砌塊，鐵尾礦砂磚砌塊的各項指標均可滿足規(guī)范要求[11]。

文章在前人研究的基礎上，通過測試鐵尾礦砂的基本物理指標及力學性能，探究鐵尾礦砂在高速公路路基填筑中應用的可行性，并進一步開展摻黏土鐵尾礦砂在路基填筑中的路用性能分析。

1 試驗原材料分析

鐵尾礦料作為路基填筑材料，其顆粒級配的優(yōu)質與否是保證壓實度的關鍵要素之一?？刂坡坊鶋簩嵍鹊氖滓蝿帐沁x擇具有良好級配的填料，選取鐵尾礦砂作為路基填料首先對其顆粒級配進行分析。本文考察了多個礦區(qū)的鐵尾礦砂，并對其進行顆粒篩分試驗，對于顆粒直徑小于0.075 mm的采用移液管法進行分析，篩分結果見表1，表2。

表1 各礦廠鐵尾礦砂的各篩孔通過百分率(一) %

由表1，表2可知，各主要礦區(qū)的鐵尾礦砂的粒徑多小于2 mm，且魯南地區(qū)鐵尾礦砂的黏粒含量均小于15%，依據分類，魯南地區(qū)鐵尾礦砂為砂土類。

文章采用不均勻系數(Cu)及曲率系數(Cc)對不同礦區(qū)的鐵尾礦砂進行級配判斷。不均勻系數(Cu)、曲率系數(Cc)的計算公式如式(1)，式(2)所示。

(1)

(2)

其中，d10，d30，d60分別為顆粒級配曲線上縱坐標為10%，30%，60%時所對應的粒徑，其中d10稱為有效粒徑,d60稱為控制粒徑。各礦廠區(qū)的鐵尾礦砂的不均勻系數與曲率系數見表3。

表2 各礦廠鐵尾礦砂的各篩孔通過百分率(二) %

表3 各礦廠鐵尾礦砂的不均勻系數、曲率系數

由表3可知，魯南地區(qū)的鐵尾礦砂的Cu為5～13，曲率系數Cc為1.1～1.9，符合Cu>5且1

2 鐵尾礦砂用于路基填筑可行性分析

2.1 液塑限分析

為探究鐵尾礦砂直接應用于路基填筑的可行性，本文采用液限塑限聯(lián)合測定法對魯南地區(qū)鐵尾礦砂進行液塑限試驗，塑性指數計算公式如式(3)所示。

Ip=WL-Wp

(3)

其中，Ip為塑性指數；WL為土的液限；Wp為土的塑限。

各礦廠鐵尾礦砂的塑性指數見表4。

分析表4可知，各礦區(qū)鐵尾礦砂的塑性指數Ip均小于17，說明魯南地區(qū)的鐵尾礦砂均為非黏性土。結合液限和塑性指數，說明魯南地區(qū)的鐵尾礦砂滿足規(guī)范對路基填料要求。

表4 各礦廠鐵尾礦砂的塑性指數表

2.2 擊實特性分析

由于劉嶺一分部的鐵尾礦砂比較潔凈，且距離棗木連接線工程較近，對其進行進一步研究。路基工程中為提高路堤的強度和密實度，降低填筑材料的透水性和壓縮性，采用分層填筑壓實的施工方式對每層壓實度進行控制，獲得最佳的填筑效果。分層壓實需要獲取填筑材料的最佳含水率及最大干密度，鐵尾礦砂的擊實試驗結果如表5所示，干密度與含水率的變化趨勢如圖1所示。

表5 劉嶺一分部鐵尾礦砂含水率與干密度數據表

由表5，圖1可知，鐵尾礦砂的干密度隨著含水率的增加呈現先上升后下降的趨勢，且當鐵尾礦砂的最佳含水率(質量分數)在9.8%時，其最大干密度在1.873 g/cm3。

2.3 CBR試驗

CBR試驗按照最佳含水率制備試件，為了模擬材料在使用過程中的最不利狀態(tài)，加載前飽水4晝夜。在浸水過程中及貫入試驗時，在試件頂面施加荷載板以模擬路面結構對土基的附加應力。由于在棗木連接線建設期間?？紤]到鐵尾礦砂的存量與運距，對劉嶺礦區(qū)鐵尾礦砂進一步研究，對不同壓實度的鐵尾礦砂路基進行CBR試驗，試驗結果見表6。

表6 不同壓實度鐵尾礦砂CBR數據表

從表6可以看出，用鐵尾礦直接填筑路基僅可滿足下路堤要求，但不滿足上路堤、路床填筑要求(上路床不小于8%，下路床不小于5%，上路堤不小于4%，下路堤不小于3%)。雖然鐵尾礦砂顆粒級配良好，但黏粒含量較少，在路基振動碾壓過程中沒有足夠約束力，易造成顆粒流動，使其難以被壓實，強度不達標，穩(wěn)定性和耐久性難以保證。因此，不宜將鐵尾礦砂直接應用于路基填筑。

3 摻黏土鐵尾礦砂路基填筑路用性能研究

解決鐵尾礦砂在路基填筑中壓實度不足、強度不達標的問題，對鐵尾礦砂進行摻黏土改良級配，增加土粒間的黏聚力，便于施工過程中的壓實。本研究采用了4種配合比，黏土摻量分別為5%，10%，15%，20%，黏土的物理性質見表7。

表7 黏性土物理指標

3.1 摻黏土鐵尾礦砂的擊實特性研究

路基土的有效壓實是保障路基結構穩(wěn)定性和耐久性的重要措施，也是公路施工中確保工程質量的關鍵。因此，本研究對添加不同摻量黏土的鐵尾礦砂進行擊實試驗，試驗結果如表8所示，最佳含水率與最大干密度隨鐵尾礦砂摻量增大的變化趨勢如圖2，圖3所示。

表8 擊實試驗數據表

由圖2,圖3可知，當黏土摻量在20%以下時，隨著黏土摻量的增加，最佳含水率和最大干密度均隨之增大。其原因是黏土填充了鐵尾礦砂顆粒之間的間隙，使顆粒間彼此嵌擠，單位體積質量增大，整體更加密實。摻黏土鐵尾礦砂在路基填筑時密度增大，級配嵌擠更加合理，路基的強度和穩(wěn)定性也隨之提高，行車荷載作用時產生的永久變形減小。

3.2 摻黏土鐵尾礦砂的液塑限研究

為探究摻黏土鐵尾礦砂的液塑限含水率，文章采用液塑限聯(lián)合測定儀進行測定，試驗結果見表9。

表9 不同黏土摻量的鐵尾礦砂液塑限

分析表9可知，在尾礦砂中摻入具有大量黏性顆粒的土，會明顯改善尾礦砂的塑性，隨著黏土摻量的增大，液塑限均增大，塑性指數增加。

3.3 摻黏土鐵尾礦砂的抗剪特性研究

作為路基填料，在受到重復荷載作用下時基層結構會進一步密實，若此時受到的剪切應力超過該填料的抗剪強度就會產生剪切破壞，在相對平緩的道路上會產生剪切型車轍，嚴重時可能造成路面的滑移等危害。因此，本文采用直接剪切試驗對各礦區(qū)鐵尾礦砂的抗剪特性進行分析，試驗儀器如圖4所示，抗剪強度參照式(4)進行計算。

τf=CR

(4)

其中，τf為抗剪強度，kPa；C為測力計率定系數，kPa/(0.01 mm)；R為測力計讀數，0.01 mm。

由式(4)可以計算不同黏土摻量下鐵尾礦砂試樣在100 kPa，200 kPa，300 kPa時所對應的抗剪強度，進而求得黏聚力與內摩擦角，不同黏土摻量下鐵尾礦砂的黏聚力與內摩擦角見表10。

表10 直剪試驗結果(95%壓實度)

由表10可知，鐵尾礦砂試樣黏聚力小，內摩擦角大，其抗剪強度主要是由顆粒間的摩擦力提供。隨著黏土摻量的增加，鐵尾礦砂在直剪試驗下的內摩擦角減小，而黏聚力也有大幅度提升，說明黏土的摻入可有效改善鐵尾礦砂黏聚力差、成型難的問題。

3.4 CBR試驗

控制試件的最佳含水率，黏土摻量分別為0，5%，10%，15%，20%，成型試件。探究鐵尾礦砂隨著黏土摻量的增加，CBR值的變化規(guī)律。試驗為模擬路基填料在服役時的最不利狀態(tài)，試件加載前飽水4 d，CBR值的變化規(guī)律如圖5所示。

分析圖5可知，隨著黏土摻量的增加，摻黏土鐵尾礦砂的CBR值逐漸增大。同時，隨著土基擊實次數的增加，摻黏土鐵尾礦砂的CBR值也呈現增加趨勢。說明鐵尾礦砂摻黏土后CBR值增大本質上是因為土體密度的增大，因此，在鐵尾礦砂中摻加一定比例的黏土可以有效改善路基的承載力，提升其路用性能。另一方面，當黏土摻量不小于15%時，摻黏土鐵尾礦砂的CBR值可滿足路基全結構層的填土要求。在最大化利用鐵尾礦砂的原則下推薦使用15%的黏土摻量。

4 結論

1)魯南地區(qū)各礦場的鐵尾礦砂級配良好，但黏性顆粒較少，不利于壓實，承載能力不足，不可直接應用于路基填筑。2)鐵尾礦砂中摻加黏土可以補充黏性顆粒，提升路基壓實度。隨著黏土摻量的增加，摻黏土鐵尾礦砂的最佳含水率和CBR值不斷增大，當黏土摻量為15%時，摻黏土鐵尾礦砂滿足路基填筑的要求。