黏土外摻比例對磷尾礦砂性能的影響研究

吳 非

(保定交通建設監理咨詢有限公司 保定市 071000)

0 引言

隨著國內環境的惡化，我國對于環保問題日漸重視，尤其是道路施工方面，如何做到建設過程中綠色發展，節能減排，已成為當代各施工建設者們的關注課題。

尾礦是礦石內無法提取利用的固體廢棄物。相關研究統計[1]，我國尾礦利用率極低，僅不到10.0%，大量尾礦堆積占用過多場地，浪費資源，并對環境造成嚴重污染，如何綜合利用尾礦亟待解決。土木工程建設中尤其是道路建設時天然石料需求量極大，若能將尾礦有效利用于公路建設中，是一舉兩得之法。通過相關分析，尾礦幾何形狀和力學性能均能滿足道路施工對材料的要求[2-3]。

為了探究黏土外摻比例對磷尾礦砂性能的影響關系，以國道302 K19+005～K21+010路段施工為研究背景，介紹磷尾礦砂實測成分，設計黏土外摻比例30.0%、50.0%、70.0%、90.0%4類對比試驗混合料，選取干密度與CBR強度指標探究磷尾礦砂外摻黏土混合料的性能影響，分析研究磷尾礦砂外摻黏土混合料在工程應用中的施工工藝與關鍵把控點，并計算該混合料的經濟效益，力求充分利用磷尾礦砂，降低資源浪費，同時滿足工程需要。

1 磷尾礦砂介紹

試驗中磷尾礦砂借助分光光度儀與等離子體質譜儀來檢測礦砂的組成成分，最后測得磷尾礦砂主要含有氧化硅(SiO2)、氧化鈣(CaO與Ca2O3)與氧化鐵(FeO與Fe2O3)等成分，具體成分及含量比例如表1內所示。其中氧化硅所占百分比超過80.0%，和天然河砂組成成分基本一致。

表1 實測磷尾礦成分組成及各含量比例

借助原子熒光法與分光光度儀法檢測磷尾礦砂中所含重金屬元素數量，最后將其數據整理成表2。觀察表2內數值，磷尾礦砂內所含重金屬元素的數量達到居住用地的要求，摻入黏土后進行路基填筑，加固了固結結構，有效避免了重金屬元素流失的現象。

表2 磷尾礦重金屬成分實測數據

篩分磷尾礦砂，將篩分后的數據繪制成圖1。通過圖1變化折線可得出絕大部分的磷尾礦砂粒徑變化范圍為0.075～1.18mm，其所占比例大于90.0%，其細度模數M計算為1.75，劃歸到細砂檔。若僅使用磷尾礦砂作為路床填充料，抗剪強度不達標，導致塑性及粘聚力等均不達標，整體性較低，為解決該問題，在其中外摻黏性材料，提升其黏性與塑性。

圖1 磷尾礦砂篩分級配變化曲線圖

2 黏土改良磷尾礦砂性能分析研究

黏土與磷尾礦砂單獨填充路床時各自均有缺點。磷尾礦砂填充時黏粒少，固化較弱，顆粒松散，整體性較差。黏土填充時抗剪強度差，壓實度不達標，因雨水侵蝕沖刷，穩定性較差。將黏土外摻入磷尾礦砂后，兩者可形成互補作用，可有效提升混合料的強度與穩定性[4]。

圖2 黏土各外摻比例的混合料擊實后干密度實測數據

本試驗的目的是探析黏土外摻比例變化時對混合料性能的影響關系。設計30.0%、50.0%、70.0%、90.0% 4種變化的黏土外摻比例改良磷尾礦砂，各外摻比例混合料的干濕特性繪制成曲線圖2。觀察圖2，可得黏土外摻比例與混合料的最大干密度值呈負相關關系，與最優含水比例呈正相關關系。黏土外摻比例增加，混合料內黏性成分變多，壓實工作難度增大。磷尾礦砂劃分到細砂、特細砂兩個檔，顆粒分布均勻，遇水或碾壓后不會大程度地改變顆粒間的組成狀態。黏土遇水或碾壓后會黏結在一起成團，和尾礦砂無法攪拌均勻，黏土外摻比例升高，混合料最優含水比例升高，增加了后期灑水養生工序。所以在應用黏土改良磷尾礦砂時，必須嚴格把控黏土的外摻比例，確保混合料最優含水比例與施工質量。

磷尾礦砂由內摩擦力形成剪切強度，磷尾礦砂粒徑較小，顆粒均勻、光滑度好且多以圓形、橢圓形存在，導致內摩擦力小、抗剪強度小。黏土抗剪強度即粘聚力大小受土顆粒間的黏結力決定。若土體內含有水分時，黏性土顆粒間會形成厚度不一的結合水膜，含水比例與土體的黏結力均會影響水膜厚度。

圖3 黏土外摻比例變化時CBR變化值

分析圖3變化折線，當黏土外摻比例增長時，CBR值先增加后下降，黏土外摻比例為50.0%時CBR值最大。磷尾礦砂外摻黏土時，內摩擦力與黏聚力共同作用下形成混合料的剪切強度。若黏土外摻比例小于50.0%，混合料主要為磷尾礦砂顆粒接觸，當黏土外摻比例上升時，黏粒間膠結強度上升，黏性成分鑲嵌在磷尾礦砂顆粒中，增大尾礦砂和黏土的接觸面，填充體密實度增加，導致混合料抗剪強度上升，表現為CBR值升高。若黏土外摻比例超過50.0%，黏土外摻比例上升，磷尾礦砂顆粒大部分被黏土成分裹附，降低了磷尾礦砂顆粒間的接觸，內摩擦力減小，黏聚作用上升并成為主要作用，黏土外摻比例大可增加內水膜厚度，降低了黏土膠結作用，從而減小了抗剪強度，表現為CBR值下降。

當磷尾礦砂內黏土外摻比例為50.0%時，混合料顆粒級配為最優狀態，尾礦砂周圍鑲嵌與填充著大量受膠結作用而構成的黏性團，內摩擦力與黏聚力兩者達到平衡且最優組合，此時抗剪強度達到頂峰，表現為CBR值最高。

3 磷尾礦砂填筑路床施工流程介紹

以國道302 K19+005～K21+010路段施工為例，周圍無山丘，地處平原，地下水位較淺，多在0.4～1.6m范圍內。工程填土高度范圍在2.0～4.0m，磷尾礦料外摻比例50.0%時黏土可達到路床填料性能需求且施工方便。

在填筑前，參照相關規定處理好地基[5-7]。只有磷尾礦砂達到最優含水比例方可運送至施工現場。若含水比例過低，可外摻水至最優含水比例；若含水比例過高，可風干至最優含水比例。在運送時對運送車輛進行苫蓋，避免運送時揚塵污染與水分蒸發。若發現顆粒組成或含水比例明顯不同于其它砂源時應另放處理。

在施工場地完成摻配工作，運送車卸料后第一時間內利用挖掘機將尾礦砂與黏土按照1∶1的設計比例進行摻配并拌和均勻，杜絕發生部分抱團或離析狀況。拌和完畢后，利用松鋪系數與設計高程，獲得松鋪頂的高程。

利用水平分層填筑的方法完成攤鋪施工。結合高程控制點，利用推土機均勻推開混合料，豎直方向分段，遵循從低至高的原則依次攤鋪，各個作業段，逐層預留好臺階，各攤鋪厚度具體要求見表3描述。

表3 尾礦砂路基單層最高壓實厚度要求值

攤鋪后，緊跟整形工序，可選取平地機完成。在整形后利用壓路機迅速碾壓一次，盡快顯露出不平整部分，利用平地機再次整形，每次整形后必須達到設計的坡度與路拱，尤其關注銜接部分的平順性。

當混合料為最優含水比例或稍低于最優含水比例時，碾壓前可采取振動壓路機靜壓2遍后，采取振動壓路機振動碾壓7遍，最后采取鋼輪壓路機靜壓3遍。前2次碾壓時速率保持在1.4～1.8km/h范圍內，從第3次起至后續碾壓速率保持在2.1～2.6km/h范圍內。

當路床表面噴足水分后，可直接將素土覆蓋其表面，進行后期養生，養生期間保證素土內含水量充足，并進行斷交處理。

4 經濟效益分析

仍以國道302 K19+005～K21+010路段施工為例，具體經濟效益計算情況見表4內數據。分析表4內數值可推得，黏土外摻入磷尾礦砂具有一定的經濟效益。受國內對環境的重視，砂石與石灰等原材料成本升高，公路施工成本上升[8]。黏土外摻磷尾礦砂可代替砂石，降低開采砂石量，減少場地浪費與環境污染，符合當代中國乃至世界的循環利用、減污降排的方針政策。

表4 改良磷尾礦砂和灰土材料經濟效益計算分析

5 結論

以國道302 K19+005～K21+010路段施工為研究背景，探究黏土外摻比例對磷尾礦砂性能的影響關系。研究磷尾礦砂實測成分后設計黏土外摻比例30.0%、50.0%、70.0%、90.0% 4類對比試驗混合料，選取干密度與CBR強度指標探究磷尾礦砂外摻黏土混合料的性能影響，同時分析混合料抗剪強度影響因素及機理。以國道302 K19+005～K21+010路段施工，介紹磷尾礦砂外摻黏土混合料在工程應用中的施工工藝與關鍵把控點，并分析該混合料的經濟效益，最后得到如下結論：

(1)當磷尾礦砂內黏土外摻比例為50.0%時，混合料顆粒級配為最優狀態，內摩擦力與黏聚力兩者達到平衡且最優組合，抗剪強度達到頂峰，CBR值最高；

(2)黏土摻磷尾礦砂具有較好的經濟效益，有效利用尾礦，符合國家提倡的綠色發展戰略，值得推廣應用。