黏土外摻比例對(duì)磷尾礦砂性能的影響研究

吳 非

(保定交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司 保定市 071000)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)環(huán)境的惡化，我國(guó)對(duì)于環(huán)保問(wèn)題日漸重視，尤其是道路施工方面，如何做到建設(shè)過(guò)程中綠色發(fā)展，節(jié)能減排，已成為當(dāng)代各施工建設(shè)者們的關(guān)注課題。

尾礦是礦石內(nèi)無(wú)法提取利用的固體廢棄物。相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)[1]，我國(guó)尾礦利用率極低，僅不到10.0%，大量尾礦堆積占用過(guò)多場(chǎng)地，浪費(fèi)資源，并對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，如何綜合利用尾礦亟待解決。土木工程建設(shè)中尤其是道路建設(shè)時(shí)天然石料需求量極大，若能將尾礦有效利用于公路建設(shè)中，是一舉兩得之法。通過(guò)相關(guān)分析，尾礦幾何形狀和力學(xué)性能均能滿足道路施工對(duì)材料的要求[2-3]。

為了探究黏土外摻比例對(duì)磷尾礦砂性能的影響關(guān)系，以國(guó)道302 K19+005～K21+010路段施工為研究背景，介紹磷尾礦砂實(shí)測(cè)成分，設(shè)計(jì)黏土外摻比例30.0%、50.0%、70.0%、90.0%4類對(duì)比試驗(yàn)混合料，選取干密度與CBR強(qiáng)度指標(biāo)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(yīng)用中的施工工藝與關(guān)鍵把控點(diǎn)，并計(jì)算該混合料的經(jīng)濟(jì)效益，力求充分利用磷尾礦砂，降低資源浪費(fèi)，同時(shí)滿足工程需要。

1 磷尾礦砂介紹

試驗(yàn)中磷尾礦砂借助分光光度儀與等離子體質(zhì)譜儀來(lái)檢測(cè)礦砂的組成成分，最后測(cè)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(nèi)所示。其中氧化硅所占百分比超過(guò)80.0%，和天然河砂組成成分基本一致。

表1 實(shí)測(cè)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(cè)磷尾礦砂中所含重金屬元素?cái)?shù)量，最后將其數(shù)據(jù)整理成表2。觀察表2內(nèi)數(shù)值，磷尾礦砂內(nèi)所含重金屬元素的數(shù)量達(dá)到居住用地的要求，摻入黏土后進(jìn)行路基填筑，加固了固結(jié)結(jié)構(gòu)，有效避免了重金屬元素流失的現(xiàn)象。

表2 磷尾礦重金屬成分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

篩分磷尾礦砂，將篩分后的數(shù)據(jù)繪制成圖1。通過(guò)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(xì)度模數(shù)M計(jì)算為1.75，劃歸到細(xì)砂檔。若僅使用磷尾礦砂作為路床填充料，抗剪強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致塑性及粘聚力等均不達(dá)標(biāo)，整體性較低，為解決該問(wèn)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(jí)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(dú)填充路床時(shí)各自均有缺點(diǎn)。磷尾礦砂填充時(shí)黏粒少，固化較弱，顆粒松散，整體性較差。黏土填充時(shí)抗剪強(qiáng)度差，壓實(shí)度不達(dá)標(biāo)，因雨水侵蝕沖刷，穩(wěn)定性較差。將黏土外摻入磷尾礦砂后，兩者可形成互補(bǔ)作用，可有效提升混合料的強(qiáng)度與穩(wěn)定性[4]。

圖2 黏土各外摻比例的混合料擊實(shí)后干密度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)的目的是探析黏土外摻比例變化時(shí)對(duì)混合料性能的影響關(guān)系。設(shè)計(jì)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(fù)相關(guān)關(guān)系，與最優(yōu)含水比例呈正相關(guān)關(guān)系。黏土外摻比例增加，混合料內(nèi)黏性成分變多，壓實(shí)工作難度增大。磷尾礦砂劃分到細(xì)砂、特細(xì)砂兩個(gè)檔，顆粒分布均勻，遇水或碾壓后不會(huì)大程度地改變顆粒間的組成狀態(tài)。黏土遇水或碾壓后會(huì)黏結(jié)在一起成團(tuán)，和尾礦砂無(wú)法攪拌均勻，黏土外摻比例升高，混合料最優(yōu)含水比例升高，增加了后期灑水養(yǎng)生工序。所以在應(yīng)用黏土改良磷尾礦砂時(shí)，必須嚴(yán)格把控黏土的外摻比例，確?；旌狭献顑?yōu)含水比例與施工質(zhì)量。

磷尾礦砂由內(nèi)摩擦力形成剪切強(qiáng)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(dǎo)致內(nèi)摩擦力小、抗剪強(qiáng)度小。黏土抗剪強(qiáng)度即粘聚力大小受土顆粒間的黏結(jié)力決定。若土體內(nèi)含有水分時(shí)，黏性土顆粒間會(huì)形成厚度不一的結(jié)合水膜，含水比例與土體的黏結(jié)力均會(huì)影響水膜厚度。

圖3 黏土外摻比例變化時(shí)CBR變化值

分析圖3變化折線，當(dāng)黏土外摻比例增長(zhǎng)時(shí)，CBR值先增加后下降，黏土外摻比例為50.0%時(shí)CBR值最大。磷尾礦砂外摻黏土?xí)r，內(nèi)摩擦力與黏聚力共同作用下形成混合料的剪切強(qiáng)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(dāng)黏土外摻比例上升時(shí)，黏粒間膠結(jié)強(qiáng)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(shí)度增加，導(dǎo)致混合料抗剪強(qiáng)度上升，表現(xiàn)為CBR值升高。若黏土外摻比例超過(guò)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(nèi)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(nèi)水膜厚度，降低了黏土膠結(jié)作用，從而減小了抗剪強(qiáng)度，表現(xiàn)為CBR值下降。

當(dāng)磷尾礦砂內(nèi)黏土外摻比例為50.0%時(shí)，混合料顆粒級(jí)配為最優(yōu)狀態(tài)，尾礦砂周圍鑲嵌與填充著大量受膠結(jié)作用而構(gòu)成的黏性團(tuán)，內(nèi)摩擦力與黏聚力兩者達(dá)到平衡且最優(yōu)組合，此時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到頂峰，表現(xiàn)為CBR值最高。

3 磷尾礦砂填筑路床施工流程介紹

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

在填筑前，參照相關(guān)規(guī)定處理好地基[5-7]。只有磷尾礦砂達(dá)到最優(yōu)含水比例方可運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)。若含水比例過(guò)低，可外摻水至最優(yōu)含水比例；若含水比例過(guò)高，可風(fēng)干至最優(yōu)含水比例。在運(yùn)送時(shí)對(duì)運(yùn)送車輛進(jìn)行苫蓋，避免運(yùn)送時(shí)揚(yáng)塵污染與水分蒸發(fā)。若發(fā)現(xiàn)顆粒組成或含水比例明顯不同于其它砂源時(shí)應(yīng)另放處理。

在施工場(chǎng)地完成摻配工作，運(yùn)送車卸料后第一時(shí)間內(nèi)利用挖掘機(jī)將尾礦砂與黏土按照1∶1的設(shè)計(jì)比例進(jìn)行摻配并拌和均勻，杜絕發(fā)生部分抱團(tuán)或離析狀況。拌和完畢后，利用松鋪系數(shù)與設(shè)計(jì)高程，獲得松鋪?lái)數(shù)母叱獭?/p>

利用水平分層填筑的方法完成攤鋪施工。結(jié)合高程控制點(diǎn)，利用推土機(jī)均勻推開(kāi)混合料，豎直方向分段，遵循從低至高的原則依次攤鋪，各個(gè)作業(yè)段，逐層預(yù)留好臺(tái)階，各攤鋪厚度具體要求見(jiàn)表3描述。

表3 尾礦砂路基單層最高壓實(shí)厚度要求值

攤鋪后，緊跟整形工序，可選取平地機(jī)完成。在整形后利用壓路機(jī)迅速碾壓一次，盡快顯露出不平整部分，利用平地機(jī)再次整形，每次整形后必須達(dá)到設(shè)計(jì)的坡度與路拱，尤其關(guān)注銜接部分的平順性。

當(dāng)混合料為最優(yōu)含水比例或稍低于最優(yōu)含水比例時(shí)，碾壓前可采取振動(dòng)壓路機(jī)靜壓2遍后，采取振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓7遍，最后采取鋼輪壓路機(jī)靜壓3遍。前2次碾壓時(shí)速率保持在1.4～1.8km/h范圍內(nèi)，從第3次起至后續(xù)碾壓速率保持在2.1～2.6km/h范圍內(nèi)。

當(dāng)路床表面噴足水分后，可直接將素土覆蓋其表面，進(jìn)行后期養(yǎng)生，養(yǎng)生期間保證素土內(nèi)含水量充足，并進(jìn)行斷交處理。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

仍以國(guó)道302 K19+005～K21+010路段施工為例，具體經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算情況見(jiàn)表4內(nèi)數(shù)據(jù)。分析表4內(nèi)數(shù)值可推得，黏土外摻入磷尾礦砂具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。受國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)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(kāi)采砂石量，減少場(chǎng)地浪費(fèi)與環(huán)境污染，符合當(dāng)代中國(guó)乃至世界的循環(huán)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(jīng)濟(jì)效益計(jì)算分析

5 結(jié)論

以國(guó)道302 K19+005～K21+010路段施工為研究背景，探究黏土外摻比例對(duì)磷尾礦砂性能的影響關(guān)系。研究磷尾礦砂實(shí)測(cè)成分后設(shè)計(jì)黏土外摻比例30.0%、50.0%、70.0%、90.0% 4類對(duì)比試驗(yàn)混合料，選取干密度與CBR強(qiáng)度指標(biāo)探究磷尾礦砂外摻黏土混合料的性能影響，同時(shí)分析混合料抗剪強(qiáng)度影響因素及機(jī)理。以國(guó)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(yīng)用中的施工工藝與關(guān)鍵把控點(diǎn)，并分析該混合料的經(jīng)濟(jì)效益，最后得到如下結(jié)論：

(1)當(dāng)磷尾礦砂內(nèi)黏土外摻比例為50.0%時(shí)，混合料顆粒級(jí)配為最優(yōu)狀態(tài)，內(nèi)摩擦力與黏聚力兩者達(dá)到平衡且最優(yōu)組合，抗剪強(qiáng)度達(dá)到頂峰，CBR值最高；

(2)黏土摻磷尾礦砂具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，有效利用尾礦，符合國(guó)家提倡的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，值得推廣應(yīng)用。