鐵尾礦砂處理膨脹土力學(xué)性能研究

作者簡(jiǎn)介：黃楊秋（1974—），高級(jí)工程師，主要從事高速公路工程建設(shè)管理工作。

摘要：為進(jìn)一步探究工業(yè)廢鐵尾礦砂改性膨脹土力學(xué)性能，文章從宏觀(guān)和微觀(guān)兩個(gè)方面探討了膨脹土的增強(qiáng)作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵尾礦砂改良膨脹土?xí)黾痈牧纪恋淖畲蟾擅芏?，降低其最佳含水率，有利于調(diào)整施工現(xiàn)場(chǎng)的含水率；鐵尾礦砂可以提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，內(nèi)聚力呈先增大后減小的趨勢(shì)，在30%時(shí)達(dá)到峰值，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響則呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)；根據(jù)SEM微觀(guān)分析，添加鐵尾礦砂可以減少細(xì)小孔隙，增強(qiáng)土壤的咬合力，同時(shí)增加大孔隙的數(shù)量，最大限度地加強(qiáng)鐵尾礦砂對(duì)膨脹土的宏觀(guān)力學(xué)性能的提升作用。

關(guān)鍵詞：鐵尾礦砂；膨脹土；力學(xué)；微觀(guān)測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：U414

0 引言

鐵尾礦砂是選礦過(guò)程中排放的固體廢物，被認(rèn)為是礦產(chǎn)工業(yè)的主要污染源。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)未處理的鐵尾礦砂已超過(guò)500×10⁹ t，并以每年約50×10⁹ t的速度增長(zhǎng)^［1］。鐵尾礦砂的長(zhǎng)期積累占用了豐富的土地資源，產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染，對(duì)人類(lèi)的身體健康和財(cái)產(chǎn)安全都產(chǎn)生了嚴(yán)重的不利影響。由此，申艷軍等^［2］注意到鐵尾礦砂的主要礦物成分是來(lái)自花崗巖的SiO₂和Fe₂O₃，與土木工程項(xiàng)目中通常使用的沙子具有相似的特性，因此認(rèn)為鐵尾礦砂具有很高的回收潛力并用作建筑材料。此外，劉家倫^［3］證明鐵尾礦砂傾向于惰性材料，鐵尾礦砂改良的膨脹土僅屬于物理改良，基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生多余的化學(xué)污染，是比其他改進(jìn)方法更環(huán)保、更安全的一種改良方法。

膨脹土因含水量的變化而表現(xiàn)為脹濕干縮，這是由高親水性黏土礦物，如蒙脫石和伊利石造成的。這種膨脹收縮特性很可能導(dǎo)致基礎(chǔ)的不均勻變形與沉降，進(jìn)一步導(dǎo)致膨脹土上部結(jié)構(gòu)破壞。因此，李威等^［4］考慮將水泥和石灰等添加劑添加到膨脹土中，以削弱其膨脹收縮特性，并改善工程行為。然而，傳統(tǒng)的添加劑通常是基于相當(dāng)大的資源消耗獲得的，伴隨著粉塵和有害氣體排放造成的環(huán)境污染。因此，鼓勵(lì)利用再生固體廢物對(duì)膨脹土進(jìn)行改造是一種非常具有成本效益和生態(tài)友好的方式。大量研究證明，一些工業(yè)副產(chǎn)品，如粉煤灰、高爐渣和堿渣，可以回收用于改造力學(xué)特性差的土壤，而目前對(duì)于鐵尾礦砂改良膨脹土尚未開(kāi)展相關(guān)研究。

基于此，本文研究了鐵尾礦砂處理膨脹土的力學(xué)性能，并進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)、最大含水率、最大干密度、直剪試驗(yàn)研究其力學(xué)性能，并對(duì)處理后的土壤進(jìn)行掃描顯微鏡電子測(cè)試 （SEM）和壓汞法 （MIP）測(cè)試，以揭示鐵尾礦砂處理膨脹土的改良機(jī)制。

1 試樣材料及方法

1.1 材料

膨脹土取自合肥工業(yè)大學(xué)屯溪路校區(qū)東北角的基坑，深度為3.4～3.8 m，含鈣或鐵錳結(jié)核。天然土壤的基本物理性質(zhì)如表1所示，主要礦物成分通過(guò)X射線(xiàn)衍射（XRD）測(cè)試，如圖1所示。天然土壤的自由膨脹率為52.5%。根據(jù)前人研究，試驗(yàn)土壤可歸類(lèi)為弱膨脹土。

鐵尾礦砂（ITS）取自安徽省廬江縣的一個(gè)鐵礦。X射線(xiàn)熒光光譜法（XRF）檢測(cè)的主要化學(xué)成分由SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃和少量MgO和CaO組成。

1.2 樣品制備

將測(cè)試的土壤和鐵尾礦砂在105 ℃的烘箱中干燥24 h，然后粉碎，通過(guò)2 mm的篩子。將土壤與鐵尾礦砂充分混合，鐵尾礦砂與土壤的質(zhì)量比控制在0、10%、20%、30%、40%和50%。將一定量的蒸餾水倒入沙土混合物中，攪拌均勻。然后，將混合物在塑料袋中密封24 h，隨后通過(guò)靜壓法制備尺寸為61.8 mm×20.0 mm的樣品。

1.3 直接剪切試驗(yàn)

制樣后，按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5012-1999）制備樣品并進(jìn)行測(cè)試。Zj-2型應(yīng)變控制直剪儀用于對(duì)土樣進(jìn)行不固結(jié)、不排水直剪試驗(yàn)。ITS改性膨脹土試樣的豎向壓力設(shè)定為 50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率為 0.8 mm/min。每轉(zhuǎn)一圈記錄百分表讀數(shù)，直到剪切損失。

1.4 自由膨脹率測(cè)試

試樣制備后（試樣用0.5 mm篩子過(guò)篩），按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5012-1999）制備試樣并進(jìn)行試驗(yàn)。記錄數(shù)據(jù)時(shí)，每2 h記錄一次讀數(shù)，直到兩次讀數(shù)之差＜0.2 ml，可以完成測(cè)試。

1.5 掃描顯微鏡電子測(cè)試

首先，將土壤樣品切成5 mm×5 mm×10 mm的長(zhǎng)方體，在凍干24 h之后，用手小心地將樣品分成兩塊。選取比較平整、較薄的黏土作為試驗(yàn)樣品，以斷口面為觀(guān)察面。通過(guò)真空鍍膜設(shè)備對(duì)被測(cè)樣品噴金，然后進(jìn)行形貌觀(guān)察。在破樣過(guò)程中，應(yīng)注意保持土樣部分不被碰撞，更不能因接觸其他物質(zhì)而受到污染。

2 結(jié)果與討論

2.1 自由膨脹率

ITS摻量對(duì)膨脹土自由膨脹率的影響如圖2所示。

如圖2所示，隨著ITS含量的增加，自由膨脹率顯著降低?？梢杂^(guān)察到，ITS含量增加到20%時(shí)，自由膨脹率低于40%，因此建議膨脹土中加入ITS，可有效改善膨脹土的膨脹特性以滿(mǎn)足工程實(shí)踐需要。究其原因?yàn)镮TS改良膨脹土主要是將部分土置換成ITS，不會(huì)因位移而膨脹。隨著ITS含量的增加，孤立的砂粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫B通的砂骨架。因此，黏土顆粒的膨脹潛力受到砂骨架的限制，導(dǎo)致自由膨脹率明顯降低。此外，從圖2還可以看出，隨著ITS含量超過(guò) 30%，自由膨脹率的下降速率降低。這是因?yàn)?ITS 是一種惰性物質(zhì)，它只會(huì)引起膨脹土的物理改性，導(dǎo)致未能持續(xù)降低試樣的膨脹行為。

2.2 壓實(shí)特性

不同含量鐵尾礦砂（ITS）處理膨脹土的壓實(shí)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。如圖3所示，增加ITS含量會(huì)導(dǎo)致最大干密度明顯增加，同時(shí)最佳含水量顯著降低。向膨脹土壤中添加ITS會(huì)導(dǎo)致比重增加，從而導(dǎo)致最大干密度的增加。此外，ITS幾乎沒(méi)有活性、疏水性，當(dāng)親水性土顆粒部分被疏水性ITS取代時(shí)，膨脹土的親水性減弱，因此降低了最佳含水量。

2.3 內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力

圖4為不同ITS摻量處理后試樣的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線(xiàn)。從圖4可以看出，ITS的加入可以有效地提高膨脹土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，隨著ITS含量的增加，內(nèi)摩擦角明顯增大。內(nèi)聚力的增加幅度較低，且增加的趨勢(shì)在ITS摻量為30%時(shí)終止，說(shuō)明在一定數(shù)量范圍內(nèi)添加ITS對(duì)膨脹土的內(nèi)聚力有增強(qiáng)作用，而ITS的過(guò)量摻入將對(duì)膨脹土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角產(chǎn)生不利影響。

綜上所述，ITS對(duì)膨脹土的改性是一個(gè)純物理過(guò)程，ITS本身對(duì)試件的內(nèi)聚力影響不大。改性土壤由連續(xù)介質(zhì)（土壤顆粒）和不連續(xù)介質(zhì)（ITS）組成。在剪切試驗(yàn)中，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，改性土的顆粒級(jí)配得到改善，在一定程度上增強(qiáng)了土的原有粘結(jié)力。但I(xiàn)TS顆粒與膨脹土顆粒之間的連接不如土顆粒本身緊密，在凝固過(guò)程中存在比原狀土稍大的間隙，因此，土壤有所減少。在低鐵尾礦砂摻量下，土體原有的內(nèi)聚力迅速增加。但當(dāng)鐵尾礦砂摻量超過(guò)一定閾值時(shí)，膨脹土的內(nèi)聚力均有不同程度的降低，總體上內(nèi)聚力逐漸減小。土壤的內(nèi)摩擦角由土壤顆粒之間的相互滑動(dòng)摩擦和互鎖作用決定，在膨脹土中加入ITS可以增強(qiáng)土顆粒間的聯(lián)鎖作用，同時(shí)增加滑動(dòng)摩擦力。

2.4 微觀(guān)測(cè)試

為了揭示ITS處理膨脹土的改性機(jī)理，采用SEM技術(shù)對(duì)試樣的微觀(guān)形貌進(jìn)行了測(cè)定，如下頁(yè)圖5所示。

ITS的摻入對(duì)膨脹土的土質(zhì)影響不大。如上所述，ITS的添加對(duì)膨脹土的抗剪強(qiáng)度有促進(jìn)作用。此外，可以看出，鐵尾礦砂粒與土粒之間的結(jié)合作用并不隨ITS摻量的變化而變化。從圖5可以看出，原狀土和改良土都有一定數(shù)量的孔隙，大部分孔隙的寬度介于1～20 μm。隨著ITS摻量的增加，改性土中ITS顆粒與土顆粒之間的孔徑變化不明顯，只有孔數(shù)發(fā)生了變化。在0～20%摻量區(qū)間，隨著ITS摻量增加，樣品中的中、小孔隙也逐漸增加。當(dāng)ITS摻量比例為30%時(shí)，ITS與土壤顆粒的連接程度最好，孔隙度小且分布均勻。當(dāng)ITS摻量超過(guò)30%時(shí)，孔隙量相應(yīng)增加。結(jié)合土樣的SEM圖像和孔隙分布規(guī)律，可以證明改性土樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律，即在實(shí)際情況下，30%ITS摻量試樣的ITS與土顆粒結(jié)合最緊密，抗剪強(qiáng)度最高。此外，還可以發(fā)現(xiàn)試樣的自由膨脹率隨著ITS摻量的增加而降低，這主要是因?yàn)樵诘虸TS摻量下，SEM圖像顯示ITS顆粒較少且相距較遠(yuǎn)，砂土顆粒之間的孔隙較大，因此樣品的自由膨脹率比較高。隨著ITS摻量的增加，ITS的顆粒逐漸增多，相互靠近，并且在高ITS摻量下，ITS置換了大量的土壤顆粒，但 ITS 與土顆粒之間基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。ITS 與土顆粒之間的孔隙增多，更多的土粒相互靠近，形成土骨架，限制了膨脹土的膨脹性，使膨脹土自由膨脹率進(jìn)一步降低，但下降幅度明顯縮小。

2.5 壓汞測(cè)試

參照張平等^［5］的研究成果，土壤孔隙可分為四種類(lèi)型，包括微孔（d＜0.007 μm）、小孔（0.007μm＜d＜0.9 μm）、中孔（0.9 μm＜d＜35 μm）和大孔（35 μm＜d＜2 000 μm）。這些孔隙分別被定義為土壤顆粒內(nèi)的孔隙、粒間孔隙、團(tuán)粒內(nèi)孔和團(tuán)粒間孔。通常認(rèn)為＞300 μm的孔隙可以定義為宏觀(guān)孔隙。累積孔隙體積隨孔徑的變化曲線(xiàn)如圖6所示，具體過(guò)程大致可以分為以下三個(gè)階段。

第一階段以半徑為5～300 μm的孔隙為主，包括ITS摻量影響的大孔隙和部分中孔隙。累積孔隙體積曲線(xiàn)隨ITS摻量的變化而變化?？傮w而言，由于摻入了粒徑大于土壤顆粒的ITS，改良后的土壤粒徑有所改善。但根據(jù)相應(yīng)的SEM圖像，ITS顆粒與土壤顆粒之間的聯(lián)系效果較差，該區(qū)間的中孔比普通土壤多。且由圖6可以看出，ITS摻量為30%的試樣在所有改性土中孔隙數(shù)量最少，這與SEM圖像結(jié)果一致。

第二階段主要涉及半徑為0.2～5 μm的孔隙，包含殘留的中孔和部分小孔。在不同ITS摻量下，累積孔隙體積曲線(xiàn)基本相同，說(shuō)明該階段孔隙對(duì)混砂率沒(méi)有影響。

第三階段基本針對(duì)半徑為0.005～0.2 μm的孔隙，包括微孔和剩余的小孔。隨著ITS摻量的增加，累積孔隙體積逐漸減小，這可以解釋為：ITS粒徑較大，沒(méi)有形成小孔和微孔。這一性質(zhì)決定了這一階段的孔隙變化是由于摻入ITS以取代土壤。土壤是具有內(nèi)部孔隙的三相體系，而ITS是具有少量?jī)?nèi)部孔隙的固相。因此，用ITS代替膨脹土，就相當(dāng)于用無(wú)孔固相代替多孔三相體系，從而減少了改良土壤內(nèi)部的微孔和小孔。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用工業(yè)廢棄物ITS對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，通過(guò)力學(xué)及微觀(guān)測(cè)試，得出以下結(jié)論。

（1）用ITS改良膨脹土，增大了改良土的最大干密度，降低了其最佳含水量。隨著ITS摻量的提高，壓實(shí)曲線(xiàn)較為平緩，有利于控制施工現(xiàn)場(chǎng)的含水率。當(dāng)ITS摻量超過(guò)20%時(shí)，改性土可視為非膨脹土。

（2）ITS可以提高膨脹土的內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力。內(nèi)聚力的影響先增加后減小。當(dāng)ITS含量為30%時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值，且對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不斷增大。

（3）SEM圖像顯示，除了砂與土之間約10 μm左右的裂隙外，ITS對(duì)膨脹土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)未起作用。砂粒同時(shí)提高了土壤中的咬合力和孔隙率，表明ITS存在一個(gè)實(shí)現(xiàn)膨脹土宏觀(guān)強(qiáng)度最大的閾值含量。壓汞試驗(yàn)表明，ITS的摻入降低了土壤中微孔和小孔的比例，且孔徑分布圖具有明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，這很好地解釋了其宏觀(guān)力學(xué)規(guī)律。

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收稿日期：2023-04-11