改良鐵尾礦砂在高速公路路基中的應(yīng)用研究

馬懷森 闕 云 丁 峰 陸澤標(biāo)

(1.寧波路建工程咨詢有限公司 寧波 315100； 2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福州 350116；3.龍巖東環(huán)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(chǎn)生的大量廢棄鐵尾礦砂堆積形成的尾礦庫(kù)需占用大面積土地資源，并對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大污染，因此突破鐵尾礦砂綜合利用的問題已經(jīng)刻不容緩[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)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(xué)對(duì)鐵尾礦砂用做路面材料為研究課題，結(jié)果表明，鐵尾礦砂作為路用材料前景廣闊，具有較高的生態(tài)環(huán)保價(jià)值[2]；倪修勤等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)石灰改良鐵尾礦砂的基本力學(xué)性能良好，為改良鐵尾礦砂在道路工程中的應(yīng)用提供了理論支撐。上述研究均是基于改良尾礦砂的力學(xué)性能指標(biāo)開展室內(nèi)試驗(yàn)研究，而現(xiàn)場(chǎng)路用性能的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于路基土壓實(shí)的研究大多是基于激振壓路機(jī)等機(jī)械進(jìn)行統(tǒng)一作業(yè)，應(yīng)對(duì)不同性能的路基填料時(shí)很難采取合適的機(jī)械工況組合，從而增加施工成本，減緩施工效率[4]。吳紅權(quán)等[5]采用不同壓實(shí)機(jī)械組合，按路基不同層位的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，針對(duì)液限高低不同的填料提出不同的松鋪厚度下達(dá)到相應(yīng)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)合適的機(jī)械工況。嚴(yán)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(shí)度，確定最佳松鋪厚度為30 cm，采用機(jī)械先強(qiáng)振再弱振，壓實(shí)4～5遍可以有效提高粉土路基壓實(shí)度。

目前對(duì)于不同地區(qū)不同類型土質(zhì)路基施工技術(shù)和壓實(shí)效果的相關(guān)研究較少。鑒于此，本文針對(duì)福建龍巖地區(qū)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(yàn)研究，對(duì)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(jié)最佳改良方案和機(jī)械工況組合。

1 基本指標(biāo)

對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行顆粒篩分、CBR等一系列力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(duì)其進(jìn)行改良。

1.1 顆粒級(jí)配

依據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]中的要求，對(duì)鐵尾礦砂的顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，鐵尾礦砂篩分結(jié)果見圖1。

圖1 鐵尾礦砂顆粒級(jí)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(shù)Cu=5.16，曲率系數(shù)Cc=1.13，不能同時(shí)滿足Cu≥5和1≤Cc≤3 2個(gè)條件，為級(jí)配不良砂。按照GB/T 14684-2022 《建設(shè)用砂》[8]中關(guān)于砂的分類標(biāo)準(zhǔn)，判斷該類尾礦砂的細(xì)度模數(shù)為1.18，屬于特細(xì)砂。

1.2 物理性質(zhì)

根據(jù)鐵尾礦砂的工程特性，分別對(duì)其進(jìn)行天然含水率、相關(guān)密度、含泥量、燒失量、液塑限、稠度等基本物理指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 鐵尾礦砂的基本物理指標(biāo)

由表1可知，龍巖地區(qū)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(qiáng)度和耐久性也難以滿足工程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期目標(biāo)，因此需要改良處治。

1.3 力學(xué)參數(shù)

1) 擊實(shí)參數(shù)確定。擊實(shí)參數(shù)的變化直接影響施工控制含水率(w±2%)的大小，按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)JTG E51-2009 《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[9]對(duì)改良前后的鐵尾礦砂試樣進(jìn)行擊實(shí)，其擊實(shí)參數(shù)曲線見圖2、圖3。

圖2 不同摻量下水泥改良鐵尾礦砂擊實(shí)參數(shù)曲線

圖3 不同摻量下石灰改良鐵尾礦砂擊實(shí)參數(shù)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(biāo)提高0.1～0.2 g/cm3，且能將鐵尾礦砂的含水率調(diào)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(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物產(chǎn)生速度和生成量大于石灰，因此水泥改良鐵尾礦砂的擊實(shí)參數(shù)相比石灰改良要高。當(dāng)摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到6%時(shí)，施工參數(shù)較優(yōu)，鐵尾礦砂的強(qiáng)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(duì)鐵尾礦砂含水率的控制周期較長(zhǎng)，短期內(nèi)無法滿足工程需要。通過先前的室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6%的水泥和8%的石灰摻量下，改良鐵尾礦砂的強(qiáng)度分別為0.792 MPa和0.548 MPa，已滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范對(duì)路基填土強(qiáng)度的基本要求，遵循經(jīng)濟(jì)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(yōu)改良指標(biāo)。

2) 強(qiáng)度參數(shù)確定。通過CBR、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、抗剪強(qiáng)度τ、壓縮模量K、壓縮系數(shù)av，以及體積壓縮系數(shù)mv等指標(biāo)進(jìn)一步判斷石灰和水泥改良鐵尾礦砂路用效果，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 改良鐵尾礦砂的其他力學(xué)指標(biāo)

由表2可知，素尾礦砂的強(qiáng)度和剛度以及承載力均無法滿足高速公路對(duì)路基填土的要求，即(下路堤CBR≥3%，強(qiáng)度大于等于0.5 MPa)。而經(jīng)水泥和石灰改良后的鐵尾礦砂的力學(xué)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(qiáng)度和承載力均可滿足下路堤填料的強(qiáng)度要求，部分參數(shù)下甚至能夠達(dá)到上路堤的填筑要求，兩類改良材料對(duì)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(yōu)配比，并以此進(jìn)行下一階段的現(xiàn)場(chǎng)路用性能試驗(yàn)測(cè)試。

2 壓實(shí)檢測(cè)

僅通過室內(nèi)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)確定2種改良材料對(duì)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試2種改良方法的可行性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段工況布置見表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況

選取6%水泥、8%石灰作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中鐵尾礦砂拌和、鋪筑、碾壓、檢測(cè)的最優(yōu)配比。試驗(yàn)過程見圖4。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程

其中，壓實(shí)度檢測(cè)采用灌砂法，基于不同方案下的鐵尾礦砂路基試驗(yàn)段結(jié)果，確定最佳工況組合，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果見圖5。由圖5可知，水泥、石灰改良鐵尾礦砂試驗(yàn)段的壓實(shí)度隨著強(qiáng)振遍數(shù)增加而提升。但僅依靠改變施工參數(shù)來提高路基整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性過于單一。并且僅改變施工參數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致路基出現(xiàn)“彈簧土”情況，存在極大安全隱患。石灰改良試驗(yàn)段即使在強(qiáng)振數(shù)遍后，壓實(shí)度也僅有89%，難以滿足國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)無機(jī)結(jié)合料改良土做路基填料的壓實(shí)度最低要求[10]；水泥改良試驗(yàn)段的壓實(shí)效果較好，且在工況2時(shí)路基壓實(shí)度可以達(dá)到93%，根據(jù)JTG/T 3610-2019 《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》[11]中表4.4.3土質(zhì)路基壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，高速公路下路堤壓實(shí)度需≥93%(條件受限時(shí)需≥90%)，因此在工況2：靜壓1遍+弱振2遍+強(qiáng)振2遍+靜壓1遍時(shí)，水泥改良鐵尾礦砂的壓實(shí)度就能滿足規(guī)范要求。相同機(jī)械工況下，水泥改良試驗(yàn)段的壓實(shí)度遠(yuǎn)大于石灰改良試驗(yàn)段，效果更優(yōu)。

圖5 各工況下不同試驗(yàn)段的壓實(shí)度情況

3 沉降分析

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要是通過測(cè)試2種改良方案下鐵尾礦砂路基的壓實(shí)度和沉降分析來論證無機(jī)結(jié)合料改良鐵尾礦砂的最佳摻配方案，并總結(jié)壓實(shí)機(jī)械施工參數(shù)對(duì)路基壓實(shí)效果的影響規(guī)律，以確定最佳的改良方案和最有效的機(jī)械工況組合。

對(duì)比不同改良方案下，鐵尾礦砂路基的壓實(shí)效果和變形情況。觀測(cè)計(jì)算不同改良方案、不同壓實(shí)參數(shù)下試驗(yàn)段的沉降率。經(jīng)過碾壓后的累計(jì)沉降量可以通過式(1)計(jì)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(cè)只能反映在相同松鋪厚度下壓路機(jī)的壓實(shí)效果，并不能反映不同機(jī)械工況組合下對(duì)試驗(yàn)段路基壓實(shí)程度的影響，因此需要引進(jìn)沉降率Sn。

(2)

壓實(shí)層的松鋪厚度H經(jīng)n遍碾壓后的壓實(shí)密度ρn為

(3)

從式(3)可以得出壓實(shí)前后的壓實(shí)層密度增加率T為

(4)

由式(4)可見，壓實(shí)層密度增加率T是沉降率Sn的單調(diào)遞增函數(shù)，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(shí)密度越大，路基的碾壓效果越好。將試驗(yàn)得到試驗(yàn)沉降差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為沉降率數(shù)據(jù)，水泥、石灰改良鐵尾礦砂試驗(yàn)段路基壓實(shí)結(jié)果見圖8、圖9。

由圖8、圖9可知，壓實(shí)層沉降量和沉降率隨碾壓遍數(shù)增加而增大。無論是水泥還是石灰改良鐵尾礦砂，當(dāng)強(qiáng)振遍數(shù)達(dá)到2遍以上時(shí)，壓實(shí)效果都比其他工況要好。相同工況下，水泥改良試驗(yàn)段的沉降變形較石灰更優(yōu)，在摻灰拌和過程中，水泥水化產(chǎn)物發(fā)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(qiáng)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(qiáng)度也很難滿足路基填料要求；在碾壓過程中，水泥改良試驗(yàn)段經(jīng)碾壓后，表面較為平整強(qiáng)硬，而石灰改良段路基表面凹凸不平，含水率過大，出現(xiàn)“彈簧土”現(xiàn)象。綜上，6%水泥改良鐵尾礦砂靜壓1遍+弱振2遍+強(qiáng)振2遍+靜壓1遍為最優(yōu)機(jī)械工況；8%石灰改良鐵尾礦砂靜壓1遍+弱振2遍+強(qiáng)振4遍+靜壓1遍時(shí)，壓實(shí)度最高為89%，仍無法滿足高速公路路基填料關(guān)于壓實(shí)度的最低要求，即壓實(shí)度≥90%。整體上，水泥改良鐵尾礦砂的路用效果優(yōu)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(jié)語(yǔ)

1) 鐵尾礦砂顆粒級(jí)配較差，顆粒之間較為松散，黏結(jié)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(qiáng)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(jī)械工況下，水泥改良試驗(yàn)段比石灰改良段的沉降率更大，壓實(shí)效果更好；且石灰改良段易出現(xiàn)“彈簧土”現(xiàn)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(dāng)強(qiáng)振遍數(shù)達(dá)到2遍時(shí)的沉降情況優(yōu)于其他工況。

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