掺黏土铁尾矿砂路基填筑路用性能研究

杨光磊，刘 凯

(1.山东高速工程项目管理有限公司，山东 济南 250002； 2.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250002)

铁尾矿砂是在特定技术条件下经过加工磨细，提炼有用成分后的废弃物[1-2]。据统计，全世界每年产出的尾矿及废石达100亿t以上，我国每年排出的尾矿产量也在5亿t以上[3]。而目前我国的尾矿利用率只有7%左右，大宗的尾矿固废材料不仅占用耕地，更对大气、环境造成污染[4-5]。如何合理有效的利用尾矿资源，成为目前国内外研究的热点。

目前，国内外学者对铁尾矿的综合利用展开了大量研究。方中明等[6]采用物理力学指标对比分析了传统二灰土和石灰铁尾矿砂稳定土，试验发现石灰铁尾矿砂稳定土作为路面底基层材料具有较好的适用性，可以满足高等级公路对路面底基层的强度要求；吕绍伟等[7]通过分析铁尾矿砂的静力和动力特性，发现铁尾矿砂的粒径对其性能具有一定影响，并指出水泥、石灰等材料是改性铁尾矿砂主要材料；王振明等[8]以铁尾矿砂代替部分天然河砂，当替代率为50%时，所生产的玻化微珠混凝土具有良好的工作性；Yisa等[9]通过击实试验、无侧限抗压强度试验和加州承载比试验(CBR)确定了红黏土稳定铁尾矿砂用于路面底基层的可能性；崔碧莹[10]以铁尾矿砂为主要原料制备砖砌块，铁尾矿砂砖砌块的各项指标均可满足规范要求[11]。

文章在前人研究的基础上，通过测试铁尾矿砂的基本物理指标及力学性能，探究铁尾矿砂在高速公路路基填筑中应用的可行性，并进一步开展掺黏土铁尾矿砂在路基填筑中的路用性能分析。

1 试验原材料分析

铁尾矿料作为路基填筑材料，其颗粒级配的优质与否是保证压实度的关键要素之一。控制路基压实度的首要任务是选择具有良好级配的填料，选取铁尾矿砂作为路基填料首先对其颗粒级配进行分析。本文考察了多个矿区的铁尾矿砂，并对其进行颗粒筛分试验，对于颗粒直径小于0.075 mm的采用移液管法进行分析，筛分结果见表1，表2。

表1 各矿厂铁尾矿砂的各筛孔通过百分率(一) %

由表1，表2可知，各主要矿区的铁尾矿砂的粒径多小于2 mm，且鲁南地区铁尾矿砂的黏粒含量均小于15%，依据分类，鲁南地区铁尾矿砂为砂土类。

文章采用不均匀系数(Cu)及曲率系数(Cc)对不同矿区的铁尾矿砂进行级配判断。不均匀系数(Cu)、曲率系数(Cc)的计算公式如式(1)，式(2)所示。

(1)

(2)

其中，d10，d30，d60分别为颗粒级配曲线上纵坐标为10%，30%，60%时所对应的粒径，其中d10称为有效粒径,d60称为控制粒径。各矿厂区的铁尾矿砂的不均匀系数与曲率系数见表3。

表2 各矿厂铁尾矿砂的各筛孔通过百分率(二) %

表3 各矿厂铁尾矿砂的不均匀系数、曲率系数

由表3可知，鲁南地区的铁尾矿砂的Cu为5～13，曲率系数Cc为1.1～1.9，符合Cu>5且1

2 铁尾矿砂用于路基填筑可行性分析

2.1 液塑限分析

为探究铁尾矿砂直接应用于路基填筑的可行性，本文采用液限塑限联合测定法对鲁南地区铁尾矿砂进行液塑限试验，塑性指数计算公式如式(3)所示。

Ip=WL-Wp

(3)

其中，Ip为塑性指数；WL为土的液限；Wp为土的塑限。

各矿厂铁尾矿砂的塑性指数见表4。

分析表4可知，各矿区铁尾矿砂的塑性指数Ip均小于17，说明鲁南地区的铁尾矿砂均为非黏性土。结合液限和塑性指数，说明鲁南地区的铁尾矿砂满足规范对路基填料要求。

表4 各矿厂铁尾矿砂的塑性指数表

2.2 击实特性分析

由于刘岭一分部的铁尾矿砂比较洁净，且距离枣木连接线工程较近，对其进行进一步研究。路基工程中为提高路堤的强度和密实度，降低填筑材料的透水性和压缩性，采用分层填筑压实的施工方式对每层压实度进行控制，获得最佳的填筑效果。分层压实需要获取填筑材料的最佳含水率及最大干密度，铁尾矿砂的击实试验结果如表5所示，干密度与含水率的变化趋势如图1所示。

表5 刘岭一分部铁尾矿砂含水率与干密度数据表

由表5，图1可知，铁尾矿砂的干密度随着含水率的增加呈现先上升后下降的趋势，且当铁尾矿砂的最佳含水率(质量分数)在9.8%时，其最大干密度在1.873 g/cm3。

2.3 CBR试验

CBR试验按照最佳含水率制备试件，为了模拟材料在使用过程中的最不利状态，加载前饱水4昼夜。在浸水过程中及贯入试验时，在试件顶面施加荷载板以模拟路面结构对土基的附加应力。由于在枣木连接线建设期间。考虑到铁尾矿砂的存量与运距，对刘岭矿区铁尾矿砂进一步研究，对不同压实度的铁尾矿砂路基进行CBR试验，试验结果见表6。

表6 不同压实度铁尾矿砂CBR数据表

从表6可以看出，用铁尾矿直接填筑路基仅可满足下路堤要求，但不满足上路堤、路床填筑要求(上路床不小于8%，下路床不小于5%，上路堤不小于4%，下路堤不小于3%)。虽然铁尾矿砂颗粒级配良好，但黏粒含量较少，在路基振动碾压过程中没有足够约束力，易造成颗粒流动，使其难以被压实，强度不达标，稳定性和耐久性难以保证。因此，不宜将铁尾矿砂直接应用于路基填筑。

3 掺黏土铁尾矿砂路基填筑路用性能研究

解决铁尾矿砂在路基填筑中压实度不足、强度不达标的问题，对铁尾矿砂进行掺黏土改良级配，增加土粒间的黏聚力，便于施工过程中的压实。本研究采用了4种配合比，黏土掺量分别为5%，10%，15%，20%，黏土的物理性质见表7。

表7 黏性土物理指标

3.1 掺黏土铁尾矿砂的击实特性研究

路基土的有效压实是保障路基结构稳定性和耐久性的重要措施，也是公路施工中确保工程质量的关键。因此，本研究对添加不同掺量黏土的铁尾矿砂进行击实试验，试验结果如表8所示，最佳含水率与最大干密度随铁尾矿砂掺量增大的变化趋势如图2，图3所示。

表8 击实试验数据表

由图2,图3可知，当黏土掺量在20%以下时，随着黏土掺量的增加，最佳含水率和最大干密度均随之增大。其原因是黏土填充了铁尾矿砂颗粒之间的间隙，使颗粒间彼此嵌挤，单位体积质量增大，整体更加密实。掺黏土铁尾矿砂在路基填筑时密度增大，级配嵌挤更加合理，路基的强度和稳定性也随之提高，行车荷载作用时产生的永久变形减小。

3.2 掺黏土铁尾矿砂的液塑限研究

为探究掺黏土铁尾矿砂的液塑限含水率，文章采用液塑限联合测定仪进行测定，试验结果见表9。

表9 不同黏土掺量的铁尾矿砂液塑限

分析表9可知，在尾矿砂中掺入具有大量黏性颗粒的土，会明显改善尾矿砂的塑性，随着黏土掺量的增大，液塑限均增大，塑性指数增加。

3.3 掺黏土铁尾矿砂的抗剪特性研究

作为路基填料，在受到重复荷载作用下时基层结构会进一步密实，若此时受到的剪切应力超过该填料的抗剪强度就会产生剪切破坏，在相对平缓的道路上会产生剪切型车辙，严重时可能造成路面的滑移等危害。因此，本文采用直接剪切试验对各矿区铁尾矿砂的抗剪特性进行分析，试验仪器如图4所示，抗剪强度参照式(4)进行计算。

τf=CR

(4)

其中，τf为抗剪强度，kPa；C为测力计率定系数，kPa/(0.01 mm)；R为测力计读数，0.01 mm。

由式(4)可以计算不同黏土掺量下铁尾矿砂试样在100 kPa，200 kPa，300 kPa时所对应的抗剪强度，进而求得黏聚力与内摩擦角，不同黏土掺量下铁尾矿砂的黏聚力与内摩擦角见表10。

表10 直剪试验结果(95%压实度)

由表10可知，铁尾矿砂试样黏聚力小，内摩擦角大，其抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力提供。随着黏土掺量的增加，铁尾矿砂在直剪试验下的内摩擦角减小，而黏聚力也有大幅度提升，说明黏土的掺入可有效改善铁尾矿砂黏聚力差、成型难的问题。

3.4 CBR试验

控制试件的最佳含水率，黏土掺量分别为0，5%，10%，15%，20%，成型试件。探究铁尾矿砂随着黏土掺量的增加，CBR值的变化规律。试验为模拟路基填料在服役时的最不利状态，试件加载前饱水4 d，CBR值的变化规律如图5所示。

分析图5可知，随着黏土掺量的增加，掺黏土铁尾矿砂的CBR值逐渐增大。同时，随着土基击实次数的增加，掺黏土铁尾矿砂的CBR值也呈现增加趋势。说明铁尾矿砂掺黏土后CBR值增大本质上是因为土体密度的增大，因此，在铁尾矿砂中掺加一定比例的黏土可以有效改善路基的承载力，提升其路用性能。另一方面，当黏土掺量不小于15%时，掺黏土铁尾矿砂的CBR值可满足路基全结构层的填土要求。在最大化利用铁尾矿砂的原则下推荐使用15%的黏土掺量。

4 结论

1)鲁南地区各矿场的铁尾矿砂级配良好，但黏性颗粒较少，不利于压实，承载能力不足，不可直接应用于路基填筑。2)铁尾矿砂中掺加黏土可以补充黏性颗粒，提升路基压实度。随着黏土掺量的增加，掺黏土铁尾矿砂的最佳含水率和CBR值不断增大，当黏土掺量为15%时，掺黏土铁尾矿砂满足路基填筑的要求。