粘性土改良鐵尾礦砂的路用性能研究

羅森華

（龍巖東環高速公路有限責任公司，龍巖 364000）

鐵尾礦砂是在鐵礦石開采、破碎、篩選過程中伴生的一種工業廢棄物。 有學者研究將鐵尾礦砂用作建筑材料的制作， 如代替砂石作混凝土的細骨料； 或將鐵尾礦砂作為摻料與粘土結合燒制燒結磚，性能優于普通粘土磚；也有將鐵尾礦砂磨成細粉，可代替鐵礦粉用于制作普通硅酸鹽水泥。 但針對鐵尾礦砂做路基填料的研究卻不多。 尾礦庫堆積一方面需要占用大量土地資源，另一方面鐵尾礦砂中有害離子滲入到地下水中也會污染當地的生態環境。 以福建龍巖地區的崎瀨鐵尾礦庫為例，若將該地區尾礦砂若用于工業生產， 運輸成本較高；故考慮將其用于高速公路路基填筑，可以起到生態環保、節省成本的效益最大化的作用。

目前關于鐵尾礦砂在道路建設中的應用大多是路面基層，對填料的要求較高，選擇改良劑的要求也高，作為路基填料目前還沒有比較合適的改良材料。 國內的大多研究方向為采用碎石或者砂礫來改良粘性土，而以粘性土來改良鐵尾礦砂用作高速公路路基填料的研究工作相對較少。 莫百金等[1]以湖南省道S322 線試驗段的修筑為例， 對不同摻配比的砂礫-高液限紅粘土混合料分別進行了物理力學指標測試和開裂模擬試驗，分析了不同砂礫摻配率下的改良效果及原因， 提出了以收縮開裂寬度、液塑限為指標確定最佳摻配率的方法。 趙輝等[2]以合肥地區的膨脹土為例，通過對工業廢料鐵尾礦砂和電石渣作為添加劑改良膨脹土的可行性與改良效果研究發現，兩者對膨脹土的物理力學性能改善顯著，當兩種材料摻量一定時，隨養護齡期的增大改良效果更為顯著。 劉炳華等[3]通過大量試驗研究發現在尾礦砂中摻入具有大量粘性顆粒的土，會明顯改善尾礦砂的塑性，壓實強度也會明顯提高而適用于路基填筑。 通過地質采樣勘察將所取的鐵尾礦砂依照規范定名為殘積礫質砂。 該地區鐵尾礦砂顆粒級配良好，但小于0.075 mm 的顆粒含量占20%，粘粒含量較少， 在路基碾壓過程中沒有約束力，造成顆粒流動，難以被壓實，強度不達標，穩定性和耐久性難以保證。 福建地區粘性土含量很高，但由于其具有含水率高、粘性顆粒過多，以及干縮濕脹、壓實性差等不良特性，不能直接用作路堤填料，這也是福建地區道路建設過程中的難題之一[4]。 故本研究從該方向入手， 采用粘土對鐵尾礦砂進行改良，既可以使兩者實現優勢互補，滿足路基填料的強度需求，提高其路用性能，并確定粘性土和尾礦砂的最佳摻配比。

1 鐵尾礦砂和粘性土的物理力學特性

1.1 化學成分分析

試驗所選用的鐵尾礦砂取樣于龍巖東環高速崎瀨尾礦庫，鉆探深度為12～16 m。 通過XRD 衍射技術對鐵尾礦砂的化學成分進行分析， 結果如表1所示；粘性土料遵循就地取材，節省成本的原則，采用尾礦庫附近的典型粘性土壤， 開挖深度為22 m左右。 對該地區的粘性土進行了液塑限、擊實、承載比（CBR）、脹縮性等物理力學指標測試，按照國家標準規范《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）[5]中的要求進行試驗，結果如表2 所示。

表1 鐵尾礦砂的化學成分含量

表2 粘性土的基本性能指標

從表1、2 中粘性土的基本力學指標可知，該類土的天然含水率很高，孔隙比較大（＞1），壓縮系數較小，最大干密度低，壓實性差；自由膨脹率一般，體縮率較大，具有線縮性，以收縮為主；但相比于其他粘性土，由于其內部含有角礫質顆粒，有一定強度，抗剪強度指標和CBR 值都比其他土類大，因此將該類粘性土按照規范命名為含角礫粉質粘性土。該類砂的塑性指數為13.7，粘聚力較大，可有效改善鐵尾礦砂的可壓實性和脹縮性。

1.2 塑性指數、表觀密度和顆粒篩分

（1）界限含水率試驗采用液塑限聯合測定儀進行測定，試驗結果如表3 和圖1 所示，通過以下數據可知天然尾礦砂的塑性指數較高，說明其粘性顆粒含量較少，在路基碾壓過程中沒有約束力，難以被壓實，穩定性和耐久性難以保證。

表3 鐵尾礦砂的液塑限指數

（2） 通過容量瓶試驗測定細集料在23°C 時對水的表觀密度， 具體試驗流程按照國家規范標準《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）[6]中的要求進行，得到鐵尾礦砂的表觀密度為3.044 g/cm3。

圖1 各粘土摻量與界限含水率指標的關系曲線

圖2 殘積礫質鐵尾礦砂級配曲線

（3）采用振篩機對殘積礫質尾礦砂和粘性土分別進行顆粒篩分，試驗結果如圖2～3 所示。 另外又進行了各粘土摻量下的改良鐵尾礦砂粒徑重組的顆粒篩分，情況如圖4 所示。 由圖2 可知，天然鐵尾礦砂因為含有殘積礫質顆粒，所以礫粒含量相對較多達到30%以上， 并且該類鐵尾礦砂的Cu=5.16，Cc=1.13， 同時滿足Cu≥5 和1≤Cc≤3 兩個條件時，為良好級配砂， 粒徑大于2 mm 的顆粒含量占33.18%，屬于細粒砂。 但由于＞0.075 mm 顆粒含量較多，粉粒和粘粒含量較少，所以天然尾礦砂所制的試件難以成型，粘聚力很差。

圖3 粘性土級配曲線

圖4 改良尾礦砂顆粒重組后的級配曲線

由圖3 可知， 該地區的粘土中粘粒含量達到30%以上，可改善鐵尾礦砂粘聚性差的缺陷。從圖4中不同摻量的粘土和鐵尾礦砂混合之后，顆粒級配會發生重組， 混合料中粘粒和粉粒的含量大幅提升，且礫粒含量也會調整，使鐵尾礦砂作為高速公路路基填料成為可能。

1.3 天然含水率、固結快剪與壓縮試驗

（1）采用烘干法測試含有殘積礫質顆粒鐵尾礦砂的天然含水率，設計平行試驗，得到其天然含水率平均值為7.9%，施工含水率（即最佳含水率wop±2%的范圍內）比較容易控制。

（2） 根據鐵尾礦砂的性質進行固結快剪試驗，分4 個等級進行預壓排水，然后對試件快速剪切破壞。 按一定的壓實度制作4 個試件，放在直剪儀上。對試件分級施加不同的垂直荷載p1、p2、p3、p4 分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa， 加載直至試件固結穩定，再以較快的速度施加剪應力，控制在3～5 min 內剪破，試驗結果如表4 所示。 圖5 為不同荷載與土的孔隙比之間的關系曲線（固結試驗），圖6為剪應力與壓應力之間的關系曲線（直剪試驗）。

由圖6 可知， 天然鐵尾礦砂直剪試驗結果為：粘聚力c=38.1 kPa，內摩擦角φ=17.5°。

表4 鐵尾礦砂剪切和壓縮試驗指標

2 粘性土改良鐵尾礦砂的強度性能

2.1 摻配比設計

粘性土可有效改善鐵尾礦砂顆粒之間松散不成型，粘聚力差的缺陷。 在碾壓密實的過程中，砂樣的顆粒級配不斷重新排序，互相靠攏、充填、密實，顆粒之間相互嵌鎖，承壓面慢慢增大，由此在一定程度上提高了穩定性和耐久性。 為研究不同粘土摻量下鐵尾礦砂的性能變化規律，以尋找最佳填筑效果、 最低經濟成本的預期目標下的最佳粘土摻量。故粘土摻量從20%開始摻加，以5%的摻量遞增，直至能夠滿足規范標準 《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610-2019）[7]中要求強度的結合料摻量，因此設計5 組摻量分別為0%、20%、25%、30%、35%，對改良前后鐵尾礦砂的力學試驗指標進行對比分析，以此為據進行后續試驗。

圖5 鐵尾礦砂固結試驗結果

圖6 鐵尾礦砂直剪試驗結果

2.2 改良砂的擊實及直剪試驗

表5 為在摻入粘性土前后，鐵尾礦砂的松散干密度和擊實情況下的最大干密度和最佳含水率數據；并進行了1 組天然的殘積礫質尾礦砂的擊實試驗與改良后的進行對比，分析粘土的摻入對鐵尾礦砂的力學性能的改變情況。 對摻粘土改良前后的鐵尾礦砂進行直剪試驗。

由表5 和圖7～8 可知，天然鐵尾礦砂由于含有較多的殘積礫質顆粒，其天然干密度能夠滿足規范標準對于工業廢渣做高速公路上路基填料的壓實度要求（≥93%），但其粘聚力差，抗剪強度不達標。當采用粘性土改良后其最大干密度會有進一步的提升，并且施工含水率易于控制；對比摻加粘土后松散狀態下和擊實后的干密度變化情況，可知其可以滿足抵抗大激振力荷載的沖擊，以及后期公路運營階段的耐久性要求； 由圖9 的數據對比分析，隨著粘土摻量的增加，鐵尾礦砂在直剪試驗下的內摩擦角減小許多，而粘聚力也有大幅度提升，說明粘土的摻入可有效改善天然砂粘聚力差，成型難的缺陷。 并且由圖中可知當粘土摻量達到30%時，試件的粘聚力和抗剪強度趨于穩定，初步確定粘性土最佳摻量為30%。

表5 粘土改良鐵尾礦砂擊實與直剪試驗結果

2.3 無側限抗壓試驗

無側限抗壓采用的試驗方法按預定干密度用靜力壓實成型， 試件尺寸為Φ100×100 mm。 按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）[8]養護7 d，之后記錄試件所能承受的最大壓力P（N），結果如圖10 所示。 從中可以看出，天然殘積礫質鐵尾礦砂所能承受的抗壓強度難以滿足工業廢渣做高速路基填料的要求。 對于高速公路路堤層填料要求在7 d 的養護條件下，試件強度應達到28 d 抗壓強度（0.6 MPa 的90%，即≥0.54 MPa）。當粘土摻量為25%的試件強度為0.457 MPa， 因此至少要達到30%時（試件的強度為0.634 MPa），強度才能滿足標準要求；當摻量達到35%以后，試件的強度開始出現下降，粘土摻量已達到飽和，尾礦砂顆粒之間已充滿粘性顆粒，再增加摻量反而會出現反彈狀態，將會成為“彈簧土”，危害路基穩定，故確定粘性土改良鐵尾礦砂的最佳摻配比為30%。

圖7 隨摻量增加干密度變化曲線

圖8 隨摻量增加最佳含水率變化曲線

圖9 各粘土摻量下的鐵尾礦砂直剪試驗內摩擦角φ（左）、粘聚力c（右）

圖10 隨粘土摻量增加7 d 無側限抗壓強度變化曲線

2.4 承載比（CBR）試驗

采用擊實試驗所得到的最大干密度、最佳含水量及93%的壓實度要求制備試件。為模擬材料在現場試驗中的最不利狀態，試件加載破壞前，先飽水4晝夜。 在浸水和進行貫入試驗時，在試件頂部施加荷載以模擬沖擊荷載對路基的壓力。CBR 試驗結果如圖11 所示。

通過試驗分析圖11， 可知天然尾礦砂的CBR值隨著擊實次數的增加，承載比會有一定程度的提升，在擊實次數設定為98 擊時，CBR 值達到2.5%，但仍不滿足路基填料的最小強度， 即高速公路、一級公路填方路基上路堤填料為工業廢渣時最小壓實度≥93%，最小CBR 值不應小于4%。摻入粘土改良的鐵尾礦砂的承載比出現極大的提升，更有利于將該地區的殘積礫質砂用于路堤填筑。 當粘性土摻量達到30%時， 各擊實次數下的CBR 值均滿足標準要求。 當粘土摻量超過30%時，CBR 值出現下降趨勢，說明如果再增加粘土摻量可能會改變研究的實質，改良砂的力學性質也會發生弱化。 故綜合施工成本、規范標準等要求，確定粘性土的最佳摻配比為30%。

圖11 各摻量下改良尾礦砂變化曲線

3 結論

（1）通過對鐵尾礦砂試樣進行化學成分分析和顆粒篩分等一系列基本物理力學特性指標測試得知，該類砂在不摻加任何改良材料的情況下，由于其顆粒之間相對松散，粘聚力差，不能滿足高速公路對上路堤和下路堤填料的最小CBR 要求（≥4%），該類尾礦砂顆粒之間流動性大，不易壓實，強度難以滿足路基設計規定，因此需要摻加粘性土進行改良。

（2）當摻入不同摻量的粘土后，通過擊實試驗和直剪試驗發現，改良尾礦砂的最大干密度ρdmax和粘聚力會迅速增加。 隨粘土摻量的增加，近似呈現出線性遞增趨勢，當摻入粘性土的量達到30%就可滿足路基填料的壓實度和抗剪能力要求。 當摻量超過30%以后，各類指標出現下降趨勢，說明如果再增加粘土摻量反而弱化了改良砂的力學性能和路用性能。

（3）通過對比天然砂和改良砂的7 d 無側限抗壓強度發現，粘性土的摻入可以有效提升尾礦砂的抗壓強度，當摻量達到30%時，抗壓能力最大；由天然砂和改良砂的CBR 試驗結果可知， 隨粘土摻量和錘擊次數的增加， 改良砂的CBR 值近似呈線性遞增，后漸漸趨于穩定，且當粘土摻量達到30%時，CBR 結果最佳，而且也滿足高速公路路基填料承載比要求。