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

隨著國內(nèi)環(huán)境的惡化，我國對于環(huán)保問題日漸重視，尤其是道路施工方面，如何做到建設(shè)過程中綠色發(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)無法提取利用的固體廢棄物。相關(guān)研究統(tǒng)計[1]，我國尾礦利用率極低，僅不到10.0%，大量尾礦堆積占用過多場地，浪費資源，并對環(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材料的要求[2-3]。

為了探究黏土外摻比例對磷尾礦砂性能的影響關(guān)系，以國道302 K19+005～K21+010路段施工為研究背景，介紹磷尾礦砂實測成分，設(shè)計黏土外摻比例30.0%、50.0%、70.0%、90.0%4類對比試驗混合料，選取干密度與CBR強度指標(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，并計算該混合料的經(jīng)濟(jì)效益，力求充分利用磷尾礦砂，降低資源浪費，同時滿足工程需要。

1 磷尾礦砂介紹

試驗中磷尾礦砂借助分光光度儀與等離子體質(zhì)譜儀來檢測礦砂的組成成分，最后測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80.0%，和天然河砂組成成分基本一致。

表1 實測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磷尾礦砂中所含重金屬元素數(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測數(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填充路床時各自均有缺點。磷尾礦砂填充時黏粒少，固化較弱，顆粒松散，整體性較差。黏土填充時抗剪強度差，壓實度不達(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，兩者可形成互補作用，可有效提升混合料的強度與穩(wěn)定性[4]。

圖2 黏土各外摻比例的混合料擊實后干密度實測數(shù)據(jù)

本試驗的目的是探析黏土外摻比例變化時對混合料性能的影響關(guān)系。設(shè)計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，壓實工作難度增大。磷尾礦砂劃分到細(xì)砂、特細(xì)砂兩個檔，顆粒分布均勻，遇水或碾壓后不會大程度地改變顆粒間的組成狀態(tài)。黏土遇水或碾壓后會黏結(jié)在一起成團(tuán)，和尾礦砂無法攪拌均勻，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，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、抗剪強度小。黏土抗剪強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，黏性土顆粒間會形成厚度不一的結(jié)合水膜，含水比例與土體的黏結(jié)力均會影響水膜厚度。

圖3 黏土外摻比例變化時CBR變化值

分析圖3變化折線，當(dāng)黏土外摻比例增長時，CBR值先增加后下降，黏土外摻比例為50.0%時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，黏粒間膠結(jié)強度上升，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，填充體密實度增加，導(dǎo)致混合料抗剪強度上升，表現(xiàn)為CBR值升高。若黏土外摻比例超過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，混合料顆粒級配為最優(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，此時抗剪強度達(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

以國道302 K19+005～K21+010路段施工為例，周圍無山丘，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)含水比例方可運送至施工現(xiàn)場。若含水比例過低，可外摻水至最優(yōu)含水比例；若含水比例過高，可風(fēng)干至最優(yōu)含水比例。在運送時對運送車輛進(jìn)行苫蓋，避免運送時揚塵污染與水分蒸發(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應(yīng)另放處理。

在施工場地完成摻配工作，運送車卸料后第一時間內(nèi)利用挖掘機將尾礦砂與黏土按照1∶1的設(shè)計比例進(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)計高程，獲得松鋪頂?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，利用推土機均勻推開混合料，豎直方向分段，遵循從低至高的原則依次攤鋪，各個作業(yè)段，逐層預(yù)留好臺階，各攤鋪厚度具體要求見表3描述。

表3 尾礦砂路基單層最高壓實厚度要求值

攤鋪后，緊跟整形工序，可選取平地機完成。在整形后利用壓路機迅速碾壓一次，盡快顯露出不平整部分，利用平地機再次整形，每次整形后必須達(dá)到設(shè)計的坡度與路拱，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，碾壓前可采取振動壓路機靜壓2遍后，采取振動壓路機振動碾壓7遍，最后采取鋼輪壓路機靜壓3遍。前2次碾壓時速率保持在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

仍以國道302 K19+005～K21+010路段施工為例，具體經(jīng)濟(jì)效益計算情況見表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。受國內(nèi)對環(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，降低開采砂石量，減少場地浪費與環(huán)境污染，符合當(dāng)代中國乃至世界的循環(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)效益計算分析

5 結(jié)論

以國道302 K19+005～K21+010路段施工為研究背景，探究黏土外摻比例對磷尾礦砂性能的影響關(guān)系。研究磷尾礦砂實測成分后設(shè)計黏土外摻比例30.0%、50.0%、70.0%、90.0% 4類對比試驗混合料，選取干密度與CBR強度指標(biāo)探究磷尾礦砂外摻黏土混合料的性能影響，同時分析混合料抗剪強度影響因素及機理。以國道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，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，混合料顆粒級配為最優(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，符合國家提倡的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，值得推廣應(yīng)用。