鐵尾礦半剛性路面基層的抗沖刷性能預估分析

王緒旺，蔣應軍

(1.商洛學院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000；2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2019年全國大、中城市固體廢棄物污染環(huán)境防治年報》中統(tǒng)計，2018年我國工業(yè)企業(yè)尾礦產(chǎn)生量為8.8億噸，綜合利用率僅為27.1%，為加強礦山企業(yè)綠色礦山建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾礦等固體廢棄物應多領(lǐng)域考慮大宗化利用，以解決鐵尾礦堆存帶來的占用大量土地、對周邊大氣河流及地下水等危害、尾礦壩體的安全隱患[1]等多方面的問題。曾雅鈺瓊等對鐵尾礦在道路基層材料中的應用研究表明，穩(wěn)定的鐵尾礦混合料機械性能夠達到二級及二級以下公路基層或底基層的標準[2]，但無機結(jié)合料穩(wěn)定細粒土類半剛性基層材料抗沖刷能力差，在被水沖刷后極易引起道路水損害[3]。二級及二級以下公路多為地方性道路，設(shè)計標準和養(yǎng)護要求相對高等級公路較低，無機結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦渣用于地方道路的半剛性路面基層時，在山區(qū)或雨水較多的路段應具有足夠的水穩(wěn)定性，以滿足道路設(shè)計使用年限的要求。國內(nèi)外關(guān)于半剛性路面基層材料的抗沖刷性能研究成果，主要從半剛性路面基層材料的混合料結(jié)構(gòu)類型[4]、水泥膠結(jié)料含量[5]、含水量及壓實度[6]等因素分析其抗沖刷性能，但基本為單因素分析，并沒有對影響因素進行綜合分析，長安大學盛燕萍等[7]利用灰色系統(tǒng)理論方法，建立以集料分形維數(shù)、水泥28 d砂膠強度、水泥劑量、含水量為參數(shù)的“水泥穩(wěn)定碎石沖刷量預測模型”，通過適用性驗證表明該模型可以較為準確地預測半剛性基層材料28 d沖刷量值。本文按二級及二級以下公路路面基層的C-B-3集料級配要求改良鐵尾礦，確定最佳無機結(jié)合料穩(wěn)定劑量后，采用文獻[7]的沖刷量灰色預估模型計算分析無機結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦用于半剛性路面基層的抗沖刷性，對進一步研究鐵尾礦用于道路建設(shè)的耐久性提供基礎(chǔ)，并為礦山企業(yè)綠色礦山建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展開辟新的鐵尾礦利用途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 鐵尾礦

在柞水小嶺鎮(zhèn)木梓溝鐵尾礦庫均勻確定取樣點，取樣前先鏟除表面層，共取樣品10份，每份質(zhì)量為(5±0.1) kg，其礦物化學組成[8]見表1所示。

表1 鐵尾礦砂礦物主要化學組成成分Tab.1 Main chemical composition of iron tailings mineral %

1.1.2 水泥

采用P·O42.5水泥，其化學成分見表2所示。

表2 P·O42.5水泥技術(shù)指標Tab.2 P·O42.5 cement technical index

1.2 試驗方法

1.2.1 鐵尾礦粒徑組成和顆粒粗細程度

將2份質(zhì)量為(5±0.1) kg的鐵尾礦樣品在潮濕狀態(tài)下充分拌勻，采用人工四分法[9]縮分至不少于550 g的試樣2份，在(105±5) ℃的烘箱中烘干至恒重，冷卻至室溫后稱取500 g，準確至0.5 g，置于由上往下孔徑依次為4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15、0.075 mm的標準套篩上，將套篩固定在搖篩機上搖篩大約10 min后取出套篩，然后依次對4.75 mm孔徑至0.075 mm孔徑的篩進行手篩，并稱量各篩篩余試樣的質(zhì)量，精確至0.5 g，即完成鐵尾礦粒徑組成的篩分試驗[10]，根據(jù)鐵尾礦的篩分試驗結(jié)果，按照文獻[10]中細度模數(shù)μf的公式計算鐵尾礦的細度模數(shù)μf。

(1)

式中：A0.15、A0.30、A0.60、…、A4.75分別為各篩上的累計篩余百分率，%。

1.2.2 無機結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦類型確定

取0.5 mm篩下的代表性鐵尾礦試樣200 g(精確至0.01 g)，分別放入三個盛土皿中，加入不同數(shù)量的蒸餾水，用泥刀調(diào)勻，蓋上濕布放置18 h以上；將調(diào)好的試樣攪拌均勻后分層裝入盛土杯(直徑50 mm，深度40～50 mm)，用力壓密，使空氣逸出；然后把裝有鐵尾礦的盛土杯放在液塑限聯(lián)合測定儀的升降座上，調(diào)整錐尖與鐵尾礦表面剛好接觸，松開制動使76 g錐體下落5 s，自動停止時讀數(shù)窗上顯示錐人深度h1；改變錐尖與鐵尾礦接觸位置(錐尖兩次錐入位置距離不小于1 cm)重復下落得錐人深度h2，若h1、h2的平行誤差在0.5 mm以內(nèi)，取h1、h2的平均值作為錐入深度h。在雙對數(shù)坐標上，以含水率ω為橫坐標，錐入深度h為縱坐標，繪制液限A點、略大于塑限的C點和兩者之間的B點形成含水率ω-錐入深度h圖。在繪制的ω-h圖(圖1)上查得縱坐標入鐵尾礦渣深度為17 mm時所對應的橫坐標的含水率ω為液限，錐入土深度2 mm所對應的含水率為塑限，完成鐵尾礦的液限和塑限的測定[11]，根據(jù)JTJ E21—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中關(guān)于液限、塑限和無機結(jié)合料穩(wěn)定類型的規(guī)定要求確定穩(wěn)定鐵尾礦的無機結(jié)合料類型。

圖1 含水率ω-錐入深度hFig.1 Water content ω-cone depth h

1.2.3 鐵尾礦的級配改良

根據(jù)二級及二級以下公路路面基層集料級配范圍要求[12]進行改良鐵尾礦，鐵尾礦依次過2.36、1.18、0.60、0.30、0.15、0.075、0.075 mm的篩子后，按照粒徑分類存放，在鐵尾礦中摻加適量比例19～4.75 mm的碎石，級配形成碎石鐵尾礦混合集料。

1.2.4 干密度與含水率測定

采用無機結(jié)合料穩(wěn)定改良的鐵尾礦試料，先用19 mm的方孔篩對試料進行人工篩分，若存留在19 mm篩上的顆粒篩余百分率不超過10%，則換用26.5 mm的篩進行篩分，留作備用。

將已過篩的試料系用四分法逐次分小，至最后取出約30 kg試料，再用四分法將所取的試料分成5份，每份試料的干質(zhì)量為5.5 kg。預定5個不同含水量，依次相差0.5%～1.5%，按預定的含水量制備試樣，然后將無機結(jié)合料穩(wěn)定劑加入到浸潤后的試樣中，用泥刀拌和均勻。將擊實筒放在堅硬的地面上，將制備好的鐵尾礦試樣分5次逐層加入到擊實筒內(nèi)，第1層試樣1 100 g裝入后整平表面，安裝到多功能自控電動擊實儀上擊實59次，即完成第1層擊實，然后重復上述做法，進行其余4層試樣的擊實。擊實試驗完成后測定計算穩(wěn)定改良的鐵尾礦混合料濕密度ρw值，再從試樣內(nèi)部取兩個有代表性的樣品，每個樣品質(zhì)量約300 g，測定其含水量(精度至0.1%)，兩個試樣的含水量的差值不大于1%，然后烘干穩(wěn)定改良的鐵尾礦混合料，計算測定其干密度ρd值[13]。

1.3 沖刷量預估方法

根據(jù)文獻[7]的水泥穩(wěn)定碎石沖刷量的預測模型簡化公式(2)，對無機結(jié)合料穩(wěn)定改良鐵尾礦混合集料進行沖刷量預估。

L≈18.782D-0.554f28d-3.554p+2.362ω。

(2)

式中：D為集料分形維數(shù)；f28d為水泥28 d的砂膠強度；p為水泥劑量；ω為含水量。

文獻[14]關(guān)于密集配混合料質(zhì)量分布分形的特征函數(shù)P(r)：

(3)

式中：rmin為最小粒徑尺寸；rmax為最大粒徑尺寸；r為集料中某種顆粒的篩孔尺寸；D為集料粒徑分布分形維數(shù)；P(r)為各粒徑集料的質(zhì)量通過率。

確定出鐵尾礦改良后的集料分形維數(shù)D、水泥摻加劑量P、無機結(jié)合料穩(wěn)定改良的鐵尾礦混合料的含水量ω后，按照公式(2)預估其沖刷量。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵尾礦的篩余分析和細度模數(shù)

鐵尾礦的篩余量和篩余百分率結(jié)果見表3所示。

表3 鐵尾礦的篩余量及篩余百分率Tab.3 Sieve residue and sieve percentage of iron tailings

根據(jù)表3中鐵尾礦的篩余量及篩余百分率，按照公式(1)計算鐵尾礦的細度模數(shù)μf=1.50, 在特細砂0.7<μf≤1.5的指標范圍，即表明鐵尾礦渣為特細砂。

2.2 無機結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦類型

采用數(shù)碼式液限塑限聯(lián)合測定儀對鐵尾礦的液限和塑限進行測定，經(jīng)測定鐵尾礦的液限為19%，塑限為8%，塑性指數(shù)為11。文獻[12]中明確了當被穩(wěn)定材料的液限不超過28%，塑性指數(shù)小于17時，宜采用水泥類穩(wěn)定材料進行穩(wěn)定。所以，穩(wěn)定鐵尾礦的無機結(jié)合料類型確定為水泥。

2.3 鐵尾礦改良

按照文獻[12]中二級及二級以下公路采用水泥穩(wěn)定級配碎石的級配要求，確定鐵尾礦改良滿足水泥穩(wěn)定級配碎石的C-C-3集料級配范圍，把鐵尾礦與19～4.75 mm的碎石按照表4集料粒徑段進行摻加，形成碎石鐵尾礦級配混合集料。

表4 級配碎石鐵尾礦混合集料Tab.4 Gradated mixed aggregate of crushed iron tailings

2.4 干密度與含水率分析

二級及二級以下公路的路面基層的強度Rd<5.0 MPa，根據(jù)文獻[12]中水泥穩(wěn)定材料配合比試驗推薦的水泥試驗劑量3%、4%、5%、6%、7%，通過文獻[13]要求的擊實試驗測定不同水泥劑量的所用的含水量，如表5所示。

表5 碎石鐵尾礦混合集料的干密度與含水量Tab.5 Dry density and water content of mixed aggregate of crushed iron tailings

2.5 沖刷量預估

水泥穩(wěn)定改良的碎石鐵尾礦混合料集料，表4中混合集料的最大粒徑rmax為19 mm，最小粒徑為rmin為0.075 mm，很明顯rmax遠大于rmin，于是公式(3)可以簡化為：

P(r)=(r/rmax)3-D。

(4)

為了進一步研究碎石鐵尾礦混合集料粒徑的分形維數(shù)，對公式(4)兩邊同時取對數(shù)得：

lgP(r)=(3-D)lg(r/rmax)。

(5)

建立雙對數(shù)坐標系，以lg(r/rmax)為橫坐標、lgP(r)為縱坐標，在lgP(r)和lg(r/rmax)的雙對數(shù)坐標圖上[15]，利用最小二乘原理對碎石鐵尾礦混合集料曲線進行線性擬合，求得擬合直線斜率k，由k=3-D算得碎石鐵尾礦混合集料粒徑分布分形維數(shù)D。

將表4中19～0.075 mm篩子的通過率依次取以10為底的對數(shù)作為縱坐標，則縱坐標值依次為：2.00、1.94、1.88、1.79、1.61、1.43、1.26、1.18、1.00、0.78、0.60；將粒徑19～0.075 mm與最大粒徑值rmax為19 mm的比取以10為底的對數(shù)值作為橫坐標，則橫坐標依次為：0、-0.08、-0.16、-0.30、-0.60、-0.91、-1.21、-1.50、-1.80、-2.10、-2.40，繪制成雙對數(shù)坐標圖，對曲線進行線性擬合，如圖2所示。

由圖2可知，19～0.075 mm篩孔孔徑與各篩通過率在雙對數(shù)坐標系內(nèi)線性相關(guān)，曲線擬合的線性

圖2 級配雙對數(shù)圖Fig.2 Graded log-log grqph

函數(shù)為y=0.583x+2，相關(guān)系數(shù)R2=0.669，斜率k1=0.583，根據(jù)k=3-D，則碎石鐵尾礦混合集料的分形維數(shù)D1=3-k1=2.417。

按公式(2)計算水泥穩(wěn)定的碎石鐵尾礦路面基層的沖刷量L，計算結(jié)果見表6所示。

表6 預估沖刷量Tab.6 Estimated erosion

從表6可知，隨著水泥劑量由3%逐步提高至7%，沖刷量預測模型計算的沖刷量預測值逐步降低，從20.760 g降低到8.883 g，表明水泥穩(wěn)定碎石鐵尾礦抗沖刷性的使用劑量起著很關(guān)鍵作用。水泥劑量5%的沖刷值14.715 g，與水泥劑量4%形成3.058 g的沖刷值變化；而水泥劑量6%的沖刷值11.658 g，與水泥劑量5%形成3.057 g的沖刷值變化；相比增加了1%水泥劑量后，沖刷值變化ΔL基本無變化，說明水泥劑量為5%是其抗沖刷性經(jīng)濟摻量。根據(jù)表6計算的沖刷量預測值和文獻[12]推薦的水泥經(jīng)濟劑量6%，綜合考慮水泥穩(wěn)定鐵尾礦應用于二級及二級以下公路的路面基層的C-C-3級配集料，建議摻入5%的水泥，能夠取得良好的抗沖刷性能且經(jīng)濟性較好。

3 結(jié)論

(1)鐵尾礦為特細集料，根據(jù)鐵尾礦的液限和塑性指數(shù)試驗測定結(jié)果，宜采用水泥進行穩(wěn)定，對于二級及二級以下公路的路面基層宜按照水泥穩(wěn)定級配碎石的C-C-3集料級配要求摻入碎石進行改良鐵尾礦。

(2)隨著水泥劑量由3%逐步提高至7%，沖刷量預測模型計算的沖刷量預測值逐步降低，當水泥劑量為5%時能夠取得良好的抗沖刷性能和經(jīng)濟性。