鐵尾礦協(xié)同多源固廢在公路軟土地基處理中的應(yīng)用

林煜宏，潘榮建，蘭素戀

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦作業(yè)后產(chǎn)生的廢渣，其顆粒粒度細，一般呈粉細砂狀，在礦山選礦作業(yè)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(shù)量較多，尤其以穩(wěn)定性較差的中小型庫為主。據(jù)統(tǒng)計，2019年我國尾礦類固廢產(chǎn)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(chǎn)量約占尾礦總產(chǎn)量的50%，并以5億t/年的速度持續(xù)增長。目前，發(fā)達國家對尾礦的綜合利用率高達60%左右，而國內(nèi)尾礦綜合利用率不到20%，遠低于其他大中型工業(yè)固廢的利用率。在生產(chǎn)實踐中，除部分貴重金屬尾礦被用于礦山采空區(qū)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(wěn)定性較差，使堆積體容易受到強降雨、凍融循環(huán)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(yán)重的人員傷亡、生態(tài)破壞和財產(chǎn)損失。如2008年生產(chǎn)單位因違法違規(guī)生產(chǎn)和采取錯誤的工程措施導(dǎo)致了“9·8山西襄汾新塔礦業(yè)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(jīng)濟損失達9 619.2萬元，對下游的生態(tài)和環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[3]。

隨著我國經(jīng)濟高速增長，我國西部地區(qū)公路建設(shè)進入加速階段。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2020年末，我國公路公里總數(shù)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(qū)公路建設(shè)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(jié)速度慢，因而沉降變形量大、地基穩(wěn)定性很差，容易導(dǎo)致嚴(yán)重的公路質(zhì)量問題，因此常需要對其做特殊處理，以提高地基的穩(wěn)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(tài)環(huán)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(yán)格，道路工程建設(shè)中所需要的粗、細集料(包括砂、礦粉等)產(chǎn)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(huán)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(yīng)用已有大量研究，涉及不同等級公路的各個結(jié)構(gòu)層[6]，但是關(guān)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(xué)技術(shù)手段，將鐵尾礦合理應(yīng)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(huán)境效益和經(jīng)濟效益。因此，本文在分析鐵尾礦物理化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)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(yīng)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(zhì)具有積極意義。

1 鐵尾礦的物理化學(xué)性質(zhì)

1.1 鐵尾礦的物理性質(zhì)

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(shù)IP為15.7，最優(yōu)含水率為14%。經(jīng)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(shù)Cu為15，曲率系數(shù)Cc為2.3，滿足Cu>5，10.075 mm的顆粒質(zhì)量占比>50%，根據(jù)《尾礦堆積壩巖土工程技術(shù)規(guī)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(xué)性質(zhì)

采用X-射線熒光光譜法對該鐵尾礦的化學(xué)組成進行分析，試驗結(jié)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(xué)成分表(%)

2 鐵尾礦在公路軟土地基中的應(yīng)用形式

2.1 鐵尾礦基多源固廢復(fù)合激發(fā)膠凝材料

堿激發(fā)膠凝技術(shù)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(yīng)的堿性激活劑對材料的活性物質(zhì)進行激發(fā)，使材料發(fā)生水化反應(yīng)，從而制備具有良好使用性能的膠凝材料。20世紀(jì)40-60年代，美國學(xué)者Purdon[7]和蘇聯(lián)學(xué)者Glukhovsky[8]率先將礦渣和粉煤灰用作原料制備了堿激發(fā)膠凝材料。隨后，應(yīng)用固廢制備堿激發(fā)膠凝材料的新技術(shù)得到迅速發(fā)展，并成功運用于礦山膠凝充填工程和其他建筑工程當(dāng)中。固廢雖然化學(xué)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(jié)構(gòu)，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(fù)合前驅(qū)體，采用電石渣、脫硫石膏和氫氧化鈉作為復(fù)合激發(fā)劑，輔之以少量的水泥熟料，通過一定的配合比設(shè)計，制備性能良好的多源固廢復(fù)合激發(fā)膠凝材料。上述固廢與水反應(yīng)能夠生成C-S-H膠凝和C-A-S-H膠凝等水化產(chǎn)物，其典型水化產(chǎn)物一般為網(wǎng)狀、蜂窩狀的膠凝體，元素組成以Ca、Si、Al、Na等元素為主，反應(yīng)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(fù)合激發(fā)膠凝材料對土性進行改良。施工前應(yīng)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(fù)合激發(fā)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(yīng)來改善土的性質(zhì)。施工時需對淺層軟弱土區(qū)域進行網(wǎng)格劃分處理，根據(jù)軟弱土深度確定各網(wǎng)格區(qū)域的膠凝材料用量，沿著地基縱深方向?qū)侥z凝材料的軟弱土進行強力攪拌，應(yīng)注意初凝時間和拼接長度設(shè)計，必要時可添加緩凝劑、減水劑等外加劑。堿激發(fā)膠凝產(chǎn)物一般具較高的強度[10]，膠凝產(chǎn)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(wěn)定的膠凝強度，從而使軟弱土地基的物理力學(xué)性質(zhì)獲得明顯改善，增強地基的承載力。

2.3 固化鐵尾礦砂樁復(fù)合地基

多源固廢復(fù)合激發(fā)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(cè)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(fā)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(dān)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(shè)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(fù)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(dān)。固化鐵尾礦樁復(fù)合地基主要通過樁體作用、墊層作用、加速固結(jié)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(shè)計圖紙進行測量定位，確定現(xiàn)場樁基位置。之后，應(yīng)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(yīng)該嚴(yán)格控制填料質(zhì)量和振留時間。成樁后樁基在地下水的作用下發(fā)生膠凝反應(yīng)，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(shè)，施工過程中應(yīng)該采取分層碾壓的方式，同時確保密實度滿足設(shè)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?；旌狭线M行攪拌，采取注水調(diào)控，必要時需降低地下水位，以控制其最優(yōu)含水率?？刹捎煤粚崱⒄駝优c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(shè)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(yīng)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(huán)境的影響

已有研究表明，鐵尾礦放射性和對水環(huán)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(yīng)用。對于鐵尾礦基膠凝材料軟土改良體和鐵尾礦樁復(fù)合地基，由于鐵尾礦粉和鐵尾礦砂被生成的水化產(chǎn)物較好地包裹，因此，上述工藝產(chǎn)生的污染較小。對于鐵尾礦砂墊層，鐵尾礦顆粒與水土產(chǎn)生直接接觸，因此，在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)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(yán)格的監(jiān)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(huán)境的影響滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)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(zhì)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(xué)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(xié)同多源固廢制備堿激發(fā)膠凝材料，其在公路軟土地基中的應(yīng)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(fù)合地基以及鐵尾礦砂墊層等，在實際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)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(yīng)該重視重金屬離子析出問題，需要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境、施工條件等綜合評估鐵尾礦對環(huán)境的影響。