改良鐵尾礦砂在高速公路路基中的應用研究

馬懷森 闕 云 丁 峰 陸澤標

(1.寧波路建工程咨詢有限公司 寧波 315100； 2.福州大學土木工程學院 福州 350116；3.龍巖東環高速公路有限公司 龍巖 364031)

在鐵礦開采加工、破碎篩分過程中所產生的大量廢棄鐵尾礦砂堆積形成的尾礦庫需占用大面積土地資源，并對生態環境造成極大污染，因此突破鐵尾礦砂綜合利用的問題已經刻不容緩[1]。

國內外學者曾提出了許多尾礦砂利用方案，但將其作為高速公路路基填料的研究并不多。1980年馬鞍山礦山研究院和東北大學對鐵尾礦砂用做路面材料為研究課題，結果表明，鐵尾礦砂作為路用材料前景廣闊，具有較高的生態環保價值[2]；倪修勤等[3]通過研究發現石灰改良鐵尾礦砂的基本力學性能良好，為改良鐵尾礦砂在道路工程中的應用提供了理論支撐。上述研究均是基于改良尾礦砂的力學性能指標開展室內試驗研究，而現場路用性能的實測數據較少。目前，國內關于路基土壓實的研究大多是基于激振壓路機等機械進行統一作業，應對不同性能的路基填料時很難采取合適的機械工況組合，從而增加施工成本，減緩施工效率[4]。吳紅權等[5]采用不同壓實機械組合，按路基不同層位的壓實標準進行碾壓試驗，針對液限高低不同的填料提出不同的松鋪厚度下達到相應壓實標準合適的機械工況。嚴筱等[6]通過改變低液限粉土路基的碾壓工藝，來提高其壓實度，確定最佳松鋪厚度為30 cm，采用機械先強振再弱振，壓實4～5遍可以有效提高粉土路基壓實度。

目前對于不同地區不同類型土質路基施工技術和壓實效果的相關研究較少。鑒于此，本文針對福建龍巖地區典型的鐵尾礦砂用作高速公路路基填料的施工工藝和路用性能展開試驗研究，對比分析水泥、石灰2種改良劑作用下，鐵尾礦砂的路用效果是否滿足于路基填筑，歸納總結最佳改良方案和機械工況組合。

1 基本指標

對鐵尾礦砂進行顆粒篩分、CBR等一系列力學試驗，發現素尾礦砂無法直接用于高速公路路基填筑，故采用水泥、石灰對其進行改良。

1.1 顆粒級配

依據JTG E40-2007《公路土工試驗規程》[7]中的要求，對鐵尾礦砂的顆粒級配進行分析，鐵尾礦砂篩分結果見圖1。

圖1 鐵尾礦砂顆粒級配

由圖1可知，0.3～0.6 mm之間的顆粒含量占比約為20%，0.15～0.3 mm之間的顆粒含量占比約為10%。另外，鐵尾礦砂的不均勻系數Cu=5.16，曲率系數Cc=1.13，不能同時滿足Cu≥5和1≤Cc≤3 2個條件，為級配不良砂。按照GB/T 14684-2022 《建設用砂》[8]中關于砂的分類標準，判斷該類尾礦砂的細度模數為1.18，屬于特細砂。

1.2 物理性質

根據鐵尾礦砂的工程特性，分別對其進行天然含水率、相關密度、含泥量、燒失量、液塑限、稠度等基本物理指標試驗，試驗結果見表1。

表1 鐵尾礦砂的基本物理指標

由表1可知，龍巖地區鐵尾礦砂天然含水率較大，且顆粒之間的黏聚力較差，屬于可塑性較差的低液限粉砂，若將其直接用于高速公路路基填筑，則其強度和耐久性也難以滿足工程整體結構的穩定性和長期目標，因此需要改良處治。

1.3 力學參數

1) 擊實參數確定。擊實參數的變化直接影響施工控制含水率(w±2%)的大小，按照規范標準JTG E51-2009 《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[9]對改良前后的鐵尾礦砂試樣進行擊實，其擊實參數曲線見圖2、圖3。

圖2 不同摻量下水泥改良鐵尾礦砂擊實參數曲線

圖3 不同摻量下石灰改良鐵尾礦砂擊實參數曲線

由圖2可知，水泥改良后鐵尾礦砂的各方面性能有較大程度的改善，隨著水泥摻量增加，最大干密度指標提高0.1～0.2 g/cm3，且能將鐵尾礦砂的含水率調整到施工控制含水率的最佳范圍。

由圖3可知，由于水泥等膠凝材料遇水發生水化反應，水化產物產生速度和生成量大于石灰，因此水泥改良鐵尾礦砂的擊實參數相比石灰改良要高。當摻量(質量分數)達到6%時，施工參數較優，鐵尾礦砂的強度和剛度大幅度提升。隨著石灰摻量增加最大干密度也隨之增大，最佳含水率隨之逐漸降低，說明石灰對鐵尾礦砂含水率的控制周期較長，短期內無法滿足工程需要。通過先前的室內試驗發現，6%的水泥和8%的石灰摻量下，改良鐵尾礦砂的強度分別為0.792 MPa和0.548 MPa，已滿足國家現行規范對路基填土強度的基本要求，遵循經濟適用原則，初選6%和8%分別為水泥、石灰改良鐵尾礦砂的最優改良指標。

2) 強度參數確定。通過CBR、無側限抗壓強度Rc、黏聚力c、內摩擦角φ、抗剪強度τ、壓縮模量K、壓縮系數av，以及體積壓縮系數mv等指標進一步判斷石灰和水泥改良鐵尾礦砂路用效果，測試結果見表2。

表2 改良鐵尾礦砂的其他力學指標

由表2可知，素尾礦砂的強度和剛度以及承載力均無法滿足高速公路對路基填土的要求，即(下路堤CBR≥3%，強度大于等于0.5 MPa)。而經水泥和石灰改良后的鐵尾礦砂的力學性能均得到大幅度提升，尤其在水泥6%、石灰8%的摻量下，改良鐵尾礦砂的強度和承載力均可滿足下路堤填料的強度要求，部分參數下甚至能夠達到上路堤的填筑要求，兩類改良材料對鐵尾礦砂的作用效果較顯著，因此確定6%的水泥和8%的石灰摻量為改良鐵尾礦砂的最優配比，并以此進行下一階段的現場路用性能試驗測試。

2 壓實檢測

僅通過室內力學參數指標確定2種改良材料對鐵尾礦砂路基路用性能的改善效果過于單一，故需通過增加現場試驗測試2種改良方法的可行性，現場試驗段工況布置見表3。

表3 現場試驗工況

選取6%水泥、8%石灰作為現場試驗中鐵尾礦砂拌和、鋪筑、碾壓、檢測的最優配比。試驗過程見圖4。

圖4 現場試驗過程

其中，壓實度檢測采用灌砂法，基于不同方案下的鐵尾礦砂路基試驗段結果，確定最佳工況組合，現場壓實度測試結果見圖5。由圖5可知，水泥、石灰改良鐵尾礦砂試驗段的壓實度隨著強振遍數增加而提升。但僅依靠改變施工參數來提高路基整體強度和穩定性過于單一。并且僅改變施工參數可能會導致路基出現“彈簧土”情況，存在極大安全隱患。石灰改良試驗段即使在強振數遍后，壓實度也僅有89%，難以滿足國家規范標準中對無機結合料改良土做路基填料的壓實度最低要求[10]；水泥改良試驗段的壓實效果較好，且在工況2時路基壓實度可以達到93%，根據JTG/T 3610-2019 《公路路基施工技術規范》[11]中表4.4.3土質路基壓實度標準中規定，高速公路下路堤壓實度需≥93%(條件受限時需≥90%)，因此在工況2：靜壓1遍+弱振2遍+強振2遍+靜壓1遍時，水泥改良鐵尾礦砂的壓實度就能滿足規范要求。相同機械工況下，水泥改良試驗段的壓實度遠大于石灰改良試驗段，效果更優。

圖5 各工況下不同試驗段的壓實度情況

3 沉降分析

本次現場試驗主要是通過測試2種改良方案下鐵尾礦砂路基的壓實度和沉降分析來論證無機結合料改良鐵尾礦砂的最佳摻配方案，并總結壓實機械施工參數對路基壓實效果的影響規律，以確定最佳的改良方案和最有效的機械工況組合。

對比不同改良方案下，鐵尾礦砂路基的壓實效果和變形情況。觀測計算不同改良方案、不同壓實參數下試驗段的沉降率。經過碾壓后的累計沉降量可以通過式(1)計算求得。

(1)

圖6 水泥改良鐵尾礦砂沉降量曲線

圖7 石灰改良鐵尾礦砂沉降量曲線

沉降差檢測只能反映在相同松鋪厚度下壓路機的壓實效果，并不能反映不同機械工況組合下對試驗段路基壓實程度的影響，因此需要引進沉降率Sn。

(2)

壓實層的松鋪厚度H經n遍碾壓后的壓實密度ρn為

(3)

從式(3)可以得出壓實前后的壓實層密度增加率T為

(4)

由式(4)可見，壓實層密度增加率T是沉降率Sn的單調遞增函數，其將隨沉降率Sn的增大而增大。表明路基松鋪厚度的沉降率越大，壓實密度越大，路基的碾壓效果越好。將試驗得到試驗沉降差數據轉化為沉降率數據，水泥、石灰改良鐵尾礦砂試驗段路基壓實結果見圖8、圖9。

由圖8、圖9可知，壓實層沉降量和沉降率隨碾壓遍數增加而增大。無論是水泥還是石灰改良鐵尾礦砂，當強振遍數達到2遍以上時，壓實效果都比其他工況要好。相同工況下，水泥改良試驗段的沉降變形較石灰更優，在摻灰拌和過程中，水泥水化產物發揮其膠凝性作用，可有效增加鐵尾礦砂顆粒間的黏聚力，使整體強度大幅度提升，而石灰與尾礦砂加水拌和后效果一般，顆粒仍然松散，強度也很難滿足路基填料要求；在碾壓過程中，水泥改良試驗段經碾壓后，表面較為平整強硬，而石灰改良段路基表面凹凸不平，含水率過大，出現“彈簧土”現象。綜上，6%水泥改良鐵尾礦砂靜壓1遍+弱振2遍+強振2遍+靜壓1遍為最優機械工況；8%石灰改良鐵尾礦砂靜壓1遍+弱振2遍+強振4遍+靜壓1遍時，壓實度最高為89%，仍無法滿足高速公路路基填料關于壓實度的最低要求，即壓實度≥90%。整體上，水泥改良鐵尾礦砂的路用效果優于石灰改良。

圖8 水泥改良鐵尾礦砂沉降率曲線

圖9 石灰改良鐵尾礦砂沉降率曲線

4 結語

1) 鐵尾礦砂顆粒級配較差，顆粒之間較為松散，黏結力不足，整體性較差，含水率較大，無法直接用作高速公路路基填料。采用水泥和石灰改良后的鐵尾礦砂強度基本滿足填筑要求，且水泥和石灰的最佳摻量分別為6%和8%。

2) 相同機械工況下，水泥改良試驗段比石灰改良段的沉降率更大，壓實效果更好；且石灰改良段易出現“彈簧土”現象，說明石灰并不能有效改善鐵尾礦砂含水率高的缺陷；無論是水泥還是石灰改良鐵尾礦砂，當強振遍數達到2遍時的沉降情況優于其他工況。

3) 6%水泥改良鐵尾礦砂靜壓1遍+弱振2遍+強振2遍+靜壓1遍為最優機械工況；8%石灰改良鐵尾礦砂靜壓1遍+弱振2遍+強振4遍+靜壓1遍時，壓實度最高為89%，無法滿足高速公路路基填料對壓實度的最低要求，即壓實度≥90%。整體上，水泥改良鐵尾礦砂的路用效果優于石灰改良。