铁尾矿半刚性路面基层的抗冲刷性能预估分析

王绪旺，蒋应军

(1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

国家生态环境部发布的《2019年全国大、中城市固体废弃物污染环境防治年报》中统计，2018年我国工业企业尾矿产生量为8.8亿吨，综合利用率仅为27.1%，为加强矿山企业绿色矿山建设的可持续发展，对生产过程中产生的尾矿等固体废弃物应多领域考虑大宗化利用，以解决铁尾矿堆存带来的占用大量土地、对周边大气河流及地下水等危害、尾矿坝体的安全隐患[1]等多方面的问题。曾雅钰琼等对铁尾矿在道路基层材料中的应用研究表明，稳定的铁尾矿混合料机械性能够达到二级及二级以下公路基层或底基层的标准[2]，但无机结合料稳定细粒土类半刚性基层材料抗冲刷能力差，在被水冲刷后极易引起道路水损害[3]。二级及二级以下公路多为地方性道路，设计标准和养护要求相对高等级公路较低，无机结合料稳定铁尾矿渣用于地方道路的半刚性路面基层时，在山区或雨水较多的路段应具有足够的水稳定性，以满足道路设计使用年限的要求。国内外关于半刚性路面基层材料的抗冲刷性能研究成果，主要从半刚性路面基层材料的混合料结构类型[4]、水泥胶结料含量[5]、含水量及压实度[6]等因素分析其抗冲刷性能，但基本为单因素分析，并没有对影响因素进行综合分析，长安大学盛燕萍等[7]利用灰色系统理论方法，建立以集料分形维数、水泥28 d砂胶强度、水泥剂量、含水量为参数的“水泥稳定碎石冲刷量预测模型”，通过适用性验证表明该模型可以较为准确地预测半刚性基层材料28 d冲刷量值。本文按二级及二级以下公路路面基层的C-B-3集料级配要求改良铁尾矿，确定最佳无机结合料稳定剂量后，采用文献[7]的冲刷量灰色预估模型计算分析无机结合料稳定铁尾矿用于半刚性路面基层的抗冲刷性，对进一步研究铁尾矿用于道路建设的耐久性提供基础，并为矿山企业绿色矿山建设的可持续发展开辟新的铁尾矿利用途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 铁尾矿

在柞水小岭镇木梓沟铁尾矿库均匀确定取样点，取样前先铲除表面层，共取样品10份，每份质量为(5±0.1) kg，其矿物化学组成[8]见表1所示。

表1 铁尾矿砂矿物主要化学组成成分Tab.1 Main chemical composition of iron tailings mineral %

1.1.2 水泥

采用P·O42.5水泥，其化学成分见表2所示。

表2 P·O42.5水泥技术指标Tab.2 P·O42.5 cement technical index

1.2 试验方法

1.2.1 铁尾矿粒径组成和颗粒粗细程度

将2份质量为(5±0.1) kg的铁尾矿样品在潮湿状态下充分拌匀，采用人工四分法[9]缩分至不少于550 g的试样2份，在(105±5) ℃的烘箱中烘干至恒重，冷却至室温后称取500 g，准确至0.5 g，置于由上往下孔径依次为4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15、0.075 mm的标准套筛上，将套筛固定在摇筛机上摇筛大约10 min后取出套筛，然后依次对4.75 mm孔径至0.075 mm孔径的筛进行手筛，并称量各筛筛余试样的质量，精确至0.5 g，即完成铁尾矿粒径组成的筛分试验[10]，根据铁尾矿的筛分试验结果，按照文献[10]中细度模数μf的公式计算铁尾矿的细度模数μf。

(1)

式中：A0.15、A0.30、A0.60、…、A4.75分别为各筛上的累计筛余百分率，%。

1.2.2 无机结合料稳定铁尾矿类型确定

取0.5 mm筛下的代表性铁尾矿试样200 g(精确至0.01 g)，分别放入三个盛土皿中，加入不同数量的蒸馏水，用泥刀调匀，盖上湿布放置18 h以上；将调好的试样搅拌均匀后分层装入盛土杯(直径50 mm，深度40～50 mm)，用力压密，使空气逸出；然后把装有铁尾矿的盛土杯放在液塑限联合测定仪的升降座上，调整锥尖与铁尾矿表面刚好接触，松开制动使76 g锥体下落5 s，自动停止时读数窗上显示锥人深度h1；改变锥尖与铁尾矿接触位置(锥尖两次锥入位置距离不小于1 cm)重复下落得锥人深度h2，若h1、h2的平行误差在0.5 mm以内，取h1、h2的平均值作为锥入深度h。在双对数坐标上，以含水率ω为横坐标，锥入深度h为纵坐标，绘制液限A点、略大于塑限的C点和两者之间的B点形成含水率ω-锥入深度h图。在绘制的ω-h图(图1)上查得纵坐标入铁尾矿渣深度为17 mm时所对应的横坐标的含水率ω为液限，锥入土深度2 mm所对应的含水率为塑限，完成铁尾矿的液限和塑限的测定[11]，根据JTJ E21—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中关于液限、塑限和无机结合料稳定类型的规定要求确定稳定铁尾矿的无机结合料类型。

图1 含水率ω-锥入深度hFig.1 Water content ω-cone depth h

1.2.3 铁尾矿的级配改良

根据二级及二级以下公路路面基层集料级配范围要求[12]进行改良铁尾矿，铁尾矿依次过2.36、1.18、0.60、0.30、0.15、0.075、0.075 mm的筛子后，按照粒径分类存放，在铁尾矿中掺加适量比例19～4.75 mm的碎石，级配形成碎石铁尾矿混合集料。

1.2.4 干密度与含水率测定

采用无机结合料稳定改良的铁尾矿试料，先用19 mm的方孔筛对试料进行人工筛分，若存留在19 mm筛上的颗粒筛余百分率不超过10%，则换用26.5 mm的筛进行筛分，留作备用。

将已过筛的试料系用四分法逐次分小，至最后取出约30 kg试料，再用四分法将所取的试料分成5份，每份试料的干质量为5.5 kg。预定5个不同含水量，依次相差0.5%～1.5%，按预定的含水量制备试样，然后将无机结合料稳定剂加入到浸润后的试样中，用泥刀拌和均匀。将击实筒放在坚硬的地面上，将制备好的铁尾矿试样分5次逐层加入到击实筒内，第1层试样1 100 g装入后整平表面，安装到多功能自控电动击实仪上击实59次，即完成第1层击实，然后重复上述做法，进行其余4层试样的击实。击实试验完成后测定计算稳定改良的铁尾矿混合料湿密度ρw值，再从试样内部取两个有代表性的样品，每个样品质量约300 g，测定其含水量(精度至0.1%)，两个试样的含水量的差值不大于1%，然后烘干稳定改良的铁尾矿混合料，计算测定其干密度ρd值[13]。

1.3 冲刷量预估方法

根据文献[7]的水泥稳定碎石冲刷量的预测模型简化公式(2)，对无机结合料稳定改良铁尾矿混合集料进行冲刷量预估。

L≈18.782D-0.554f28d-3.554p+2.362ω。

(2)

式中：D为集料分形维数；f28d为水泥28 d的砂胶强度；p为水泥剂量；ω为含水量。

文献[14]关于密集配混合料质量分布分形的特征函数P(r)：

(3)

式中：rmin为最小粒径尺寸；rmax为最大粒径尺寸；r为集料中某种颗粒的筛孔尺寸；D为集料粒径分布分形维数；P(r)为各粒径集料的质量通过率。

确定出铁尾矿改良后的集料分形维数D、水泥掺加剂量P、无机结合料稳定改良的铁尾矿混合料的含水量ω后，按照公式(2)预估其冲刷量。

2 结果与分析

2.1 铁尾矿的筛余分析和细度模数

铁尾矿的筛余量和筛余百分率结果见表3所示。

表3 铁尾矿的筛余量及筛余百分率Tab.3 Sieve residue and sieve percentage of iron tailings

根据表3中铁尾矿的筛余量及筛余百分率，按照公式(1)计算铁尾矿的细度模数μf=1.50, 在特细砂0.7<μf≤1.5的指标范围，即表明铁尾矿渣为特细砂。

2.2 无机结合料稳定铁尾矿类型

采用数码式液限塑限联合测定仪对铁尾矿的液限和塑限进行测定，经测定铁尾矿的液限为19%，塑限为8%，塑性指数为11。文献[12]中明确了当被稳定材料的液限不超过28%，塑性指数小于17时，宜采用水泥类稳定材料进行稳定。所以，稳定铁尾矿的无机结合料类型确定为水泥。

2.3 铁尾矿改良

按照文献[12]中二级及二级以下公路采用水泥稳定级配碎石的级配要求，确定铁尾矿改良满足水泥稳定级配碎石的C-C-3集料级配范围，把铁尾矿与19～4.75 mm的碎石按照表4集料粒径段进行掺加，形成碎石铁尾矿级配混合集料。

表4 级配碎石铁尾矿混合集料Tab.4 Gradated mixed aggregate of crushed iron tailings

2.4 干密度与含水率分析

二级及二级以下公路的路面基层的强度Rd<5.0 MPa，根据文献[12]中水泥稳定材料配合比试验推荐的水泥试验剂量3%、4%、5%、6%、7%，通过文献[13]要求的击实试验测定不同水泥剂量的所用的含水量，如表5所示。

表5 碎石铁尾矿混合集料的干密度与含水量Tab.5 Dry density and water content of mixed aggregate of crushed iron tailings

2.5 冲刷量预估

水泥稳定改良的碎石铁尾矿混合料集料，表4中混合集料的最大粒径rmax为19 mm，最小粒径为rmin为0.075 mm，很明显rmax远大于rmin，于是公式(3)可以简化为：

P(r)=(r/rmax)3-D。

(4)

为了进一步研究碎石铁尾矿混合集料粒径的分形维数，对公式(4)两边同时取对数得：

lgP(r)=(3-D)lg(r/rmax)。

(5)

建立双对数坐标系，以lg(r/rmax)为横坐标、lgP(r)为纵坐标，在lgP(r)和lg(r/rmax)的双对数坐标图上[15]，利用最小二乘原理对碎石铁尾矿混合集料曲线进行线性拟合，求得拟合直线斜率k，由k=3-D算得碎石铁尾矿混合集料粒径分布分形维数D。

将表4中19～0.075 mm筛子的通过率依次取以10为底的对数作为纵坐标，则纵坐标值依次为：2.00、1.94、1.88、1.79、1.61、1.43、1.26、1.18、1.00、0.78、0.60；将粒径19～0.075 mm与最大粒径值rmax为19 mm的比取以10为底的对数值作为横坐标，则横坐标依次为：0、-0.08、-0.16、-0.30、-0.60、-0.91、-1.21、-1.50、-1.80、-2.10、-2.40，绘制成双对数坐标图，对曲线进行线性拟合，如图2所示。

由图2可知，19～0.075 mm筛孔孔径与各筛通过率在双对数坐标系内线性相关，曲线拟合的线性

图2 级配双对数图Fig.2 Graded log-log grqph

函数为y=0.583x+2，相关系数R2=0.669，斜率k1=0.583，根据k=3-D，则碎石铁尾矿混合集料的分形维数D1=3-k1=2.417。

按公式(2)计算水泥稳定的碎石铁尾矿路面基层的冲刷量L，计算结果见表6所示。

表6 预估冲刷量Tab.6 Estimated erosion

从表6可知，随着水泥剂量由3%逐步提高至7%，冲刷量预测模型计算的冲刷量预测值逐步降低，从20.760 g降低到8.883 g，表明水泥稳定碎石铁尾矿抗冲刷性的使用剂量起着很关键作用。水泥剂量5%的冲刷值14.715 g，与水泥剂量4%形成3.058 g的冲刷值变化；而水泥剂量6%的冲刷值11.658 g，与水泥剂量5%形成3.057 g的冲刷值变化；相比增加了1%水泥剂量后，冲刷值变化ΔL基本无变化，说明水泥剂量为5%是其抗冲刷性经济掺量。根据表6计算的冲刷量预测值和文献[12]推荐的水泥经济剂量6%，综合考虑水泥稳定铁尾矿应用于二级及二级以下公路的路面基层的C-C-3级配集料，建议掺入5%的水泥，能够取得良好的抗冲刷性能且经济性较好。

3 结论

(1)铁尾矿为特细集料，根据铁尾矿的液限和塑性指数试验测定结果，宜采用水泥进行稳定，对于二级及二级以下公路的路面基层宜按照水泥稳定级配碎石的C-C-3集料级配要求掺入碎石进行改良铁尾矿。

(2)随着水泥剂量由3%逐步提高至7%，冲刷量预测模型计算的冲刷量预测值逐步降低，当水泥剂量为5%时能够取得良好的抗冲刷性能和经济性。