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        摻黏土鐵尾礦砂路基填筑路用性能研究

        2022-07-30 13:21:32楊光磊
        山西建筑 2022年15期
        關鍵詞:鐵尾礦砂尾礦

        楊光磊,劉 凱

        (1.山東高速工程項目管理有限公司,山東 濟南 250002; 2.山東高速工程檢測有限公司,山東 濟南 250002)

        鐵尾礦砂是在特定技術條件下經過加工磨細,提煉有用成分后的廢棄物[1-2]。據(jù)統(tǒng)計,全世界每年產出的尾礦及廢石達100億t以上,我國每年排出的尾礦產量也在5億t以上[3]。而目前我國的尾礦利用率只有7%左右,大宗的尾礦固廢材料不僅占用耕地,更對大氣、環(huán)境造成污染[4-5]。如何合理有效的利用尾礦資源,成為目前國內外研究的熱點。

        目前,國內外學者對鐵尾礦的綜合利用展開了大量研究。方中明等[6]采用物理力學指標對比分析了傳統(tǒng)二灰土和石灰鐵尾礦砂穩(wěn)定土,試驗發(fā)現(xiàn)石灰鐵尾礦砂穩(wěn)定土作為路面底基層材料具有較好的適用性,可以滿足高等級公路對路面底基層的強度要求;呂紹偉等[7]通過分析鐵尾礦砂的靜力和動力特性,發(fā)現(xiàn)鐵尾礦砂的粒徑對其性能具有一定影響,并指出水泥、石灰等材料是改性鐵尾礦砂主要材料;王振明等[8]以鐵尾礦砂代替部分天然河砂,當替代率為50%時,所生產的?;⒅榛炷辆哂辛己玫墓ぷ餍?;Yisa等[9]通過擊實試驗、無側限抗壓強度試驗和加州承載比試驗(CBR)確定了紅黏土穩(wěn)定鐵尾礦砂用于路面底基層的可能性;崔碧瑩[10]以鐵尾礦砂為主要原料制備磚砌塊,鐵尾礦砂磚砌塊的各項指標均可滿足規(guī)范要求[11]。

        文章在前人研究的基礎上,通過測試鐵尾礦砂的基本物理指標及力學性能,探究鐵尾礦砂在高速公路路基填筑中應用的可行性,并進一步開展摻黏土鐵尾礦砂在路基填筑中的路用性能分析。

        1 試驗原材料分析

        鐵尾礦料作為路基填筑材料,其顆粒級配的優(yōu)質與否是保證壓實度的關鍵要素之一??刂坡坊鶋簩嵍鹊氖滓蝿帐沁x擇具有良好級配的填料,選取鐵尾礦砂作為路基填料首先對其顆粒級配進行分析。本文考察了多個礦區(qū)的鐵尾礦砂,并對其進行顆粒篩分試驗,對于顆粒直徑小于0.075 mm的采用移液管法進行分析,篩分結果見表1,表2。

        表1 各礦廠鐵尾礦砂的各篩孔通過百分率(一) %

        由表1,表2可知,各主要礦區(qū)的鐵尾礦砂的粒徑多小于2 mm,且魯南地區(qū)鐵尾礦砂的黏粒含量均小于15%,依據(jù)分類,魯南地區(qū)鐵尾礦砂為砂土類。

        文章采用不均勻系數(shù)(Cu)及曲率系數(shù)(Cc)對不同礦區(qū)的鐵尾礦砂進行級配判斷。不均勻系數(shù)(Cu)、曲率系數(shù)(Cc)的計算公式如式(1),式(2)所示。

        (1)

        (2)

        其中,d10,d30,d60分別為顆粒級配曲線上縱坐標為10%,30%,60%時所對應的粒徑,其中d10稱為有效粒徑,d60稱為控制粒徑。各礦廠區(qū)的鐵尾礦砂的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)見表3。

        表2 各礦廠鐵尾礦砂的各篩孔通過百分率(二) %

        表3 各礦廠鐵尾礦砂的不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)

        由表3可知,魯南地區(qū)的鐵尾礦砂的Cu為5~13,曲率系數(shù)Cc為1.1~1.9,符合Cu>5且1

        2 鐵尾礦砂用于路基填筑可行性分析

        2.1 液塑限分析

        為探究鐵尾礦砂直接應用于路基填筑的可行性,本文采用液限塑限聯(lián)合測定法對魯南地區(qū)鐵尾礦砂進行液塑限試驗,塑性指數(shù)計算公式如式(3)所示。

        Ip=WL-Wp

        (3)

        其中,Ip為塑性指數(shù);WL為土的液限;Wp為土的塑限。

        各礦廠鐵尾礦砂的塑性指數(shù)見表4。

        分析表4可知,各礦區(qū)鐵尾礦砂的塑性指數(shù)Ip均小于17,說明魯南地區(qū)的鐵尾礦砂均為非黏性土。結合液限和塑性指數(shù),說明魯南地區(qū)的鐵尾礦砂滿足規(guī)范對路基填料要求。

        表4 各礦廠鐵尾礦砂的塑性指數(shù)表

        2.2 擊實特性分析

        由于劉嶺一分部的鐵尾礦砂比較潔凈,且距離棗木連接線工程較近,對其進行進一步研究。路基工程中為提高路堤的強度和密實度,降低填筑材料的透水性和壓縮性,采用分層填筑壓實的施工方式對每層壓實度進行控制,獲得最佳的填筑效果。分層壓實需要獲取填筑材料的最佳含水率及最大干密度,鐵尾礦砂的擊實試驗結果如表5所示,干密度與含水率的變化趨勢如圖1所示。

        表5 劉嶺一分部鐵尾礦砂含水率與干密度數(shù)據(jù)表

        由表5,圖1可知,鐵尾礦砂的干密度隨著含水率的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,且當鐵尾礦砂的最佳含水率(質量分數(shù))在9.8%時,其最大干密度在1.873 g/cm3。

        2.3 CBR試驗

        CBR試驗按照最佳含水率制備試件,為了模擬材料在使用過程中的最不利狀態(tài),加載前飽水4晝夜。在浸水過程中及貫入試驗時,在試件頂面施加荷載板以模擬路面結構對土基的附加應力。由于在棗木連接線建設期間??紤]到鐵尾礦砂的存量與運距,對劉嶺礦區(qū)鐵尾礦砂進一步研究,對不同壓實度的鐵尾礦砂路基進行CBR試驗,試驗結果見表6。

        表6 不同壓實度鐵尾礦砂CBR數(shù)據(jù)表

        從表6可以看出,用鐵尾礦直接填筑路基僅可滿足下路堤要求,但不滿足上路堤、路床填筑要求(上路床不小于8%,下路床不小于5%,上路堤不小于4%,下路堤不小于3%)。雖然鐵尾礦砂顆粒級配良好,但黏粒含量較少,在路基振動碾壓過程中沒有足夠約束力,易造成顆粒流動,使其難以被壓實,強度不達標,穩(wěn)定性和耐久性難以保證。因此,不宜將鐵尾礦砂直接應用于路基填筑。

        3 摻黏土鐵尾礦砂路基填筑路用性能研究

        解決鐵尾礦砂在路基填筑中壓實度不足、強度不達標的問題,對鐵尾礦砂進行摻黏土改良級配,增加土粒間的黏聚力,便于施工過程中的壓實。本研究采用了4種配合比,黏土摻量分別為5%,10%,15%,20%,黏土的物理性質見表7。

        表7 黏性土物理指標

        3.1 摻黏土鐵尾礦砂的擊實特性研究

        路基土的有效壓實是保障路基結構穩(wěn)定性和耐久性的重要措施,也是公路施工中確保工程質量的關鍵。因此,本研究對添加不同摻量黏土的鐵尾礦砂進行擊實試驗,試驗結果如表8所示,最佳含水率與最大干密度隨鐵尾礦砂摻量增大的變化趨勢如圖2,圖3所示。

        表8 擊實試驗數(shù)據(jù)表

        由圖2,圖3可知,當黏土摻量在20%以下時,隨著黏土摻量的增加,最佳含水率和最大干密度均隨之增大。其原因是黏土填充了鐵尾礦砂顆粒之間的間隙,使顆粒間彼此嵌擠,單位體積質量增大,整體更加密實。摻黏土鐵尾礦砂在路基填筑時密度增大,級配嵌擠更加合理,路基的強度和穩(wěn)定性也隨之提高,行車荷載作用時產生的永久變形減小。

        3.2 摻黏土鐵尾礦砂的液塑限研究

        為探究摻黏土鐵尾礦砂的液塑限含水率,文章采用液塑限聯(lián)合測定儀進行測定,試驗結果見表9。

        表9 不同黏土摻量的鐵尾礦砂液塑限

        分析表9可知,在尾礦砂中摻入具有大量黏性顆粒的土,會明顯改善尾礦砂的塑性,隨著黏土摻量的增大,液塑限均增大,塑性指數(shù)增加。

        3.3 摻黏土鐵尾礦砂的抗剪特性研究

        作為路基填料,在受到重復荷載作用下時基層結構會進一步密實,若此時受到的剪切應力超過該填料的抗剪強度就會產生剪切破壞,在相對平緩的道路上會產生剪切型車轍,嚴重時可能造成路面的滑移等危害。因此,本文采用直接剪切試驗對各礦區(qū)鐵尾礦砂的抗剪特性進行分析,試驗儀器如圖4所示,抗剪強度參照式(4)進行計算。

        τf=CR

        (4)

        其中,τf為抗剪強度,kPa;C為測力計率定系數(shù),kPa/(0.01 mm);R為測力計讀數(shù),0.01 mm。

        由式(4)可以計算不同黏土摻量下鐵尾礦砂試樣在100 kPa,200 kPa,300 kPa時所對應的抗剪強度,進而求得黏聚力與內摩擦角,不同黏土摻量下鐵尾礦砂的黏聚力與內摩擦角見表10。

        表10 直剪試驗結果(95%壓實度)

        由表10可知,鐵尾礦砂試樣黏聚力小,內摩擦角大,其抗剪強度主要是由顆粒間的摩擦力提供。隨著黏土摻量的增加,鐵尾礦砂在直剪試驗下的內摩擦角減小,而黏聚力也有大幅度提升,說明黏土的摻入可有效改善鐵尾礦砂黏聚力差、成型難的問題。

        3.4 CBR試驗

        控制試件的最佳含水率,黏土摻量分別為0,5%,10%,15%,20%,成型試件。探究鐵尾礦砂隨著黏土摻量的增加,CBR值的變化規(guī)律。試驗為模擬路基填料在服役時的最不利狀態(tài),試件加載前飽水4 d,CBR值的變化規(guī)律如圖5所示。

        分析圖5可知,隨著黏土摻量的增加,摻黏土鐵尾礦砂的CBR值逐漸增大。同時,隨著土基擊實次數(shù)的增加,摻黏土鐵尾礦砂的CBR值也呈現(xiàn)增加趨勢。說明鐵尾礦砂摻黏土后CBR值增大本質上是因為土體密度的增大,因此,在鐵尾礦砂中摻加一定比例的黏土可以有效改善路基的承載力,提升其路用性能。另一方面,當黏土摻量不小于15%時,摻黏土鐵尾礦砂的CBR值可滿足路基全結構層的填土要求。在最大化利用鐵尾礦砂的原則下推薦使用15%的黏土摻量。

        4 結論

        1)魯南地區(qū)各礦場的鐵尾礦砂級配良好,但黏性顆粒較少,不利于壓實,承載能力不足,不可直接應用于路基填筑。2)鐵尾礦砂中摻加黏土可以補充黏性顆粒,提升路基壓實度。隨著黏土摻量的增加,摻黏土鐵尾礦砂的最佳含水率和CBR值不斷增大,當黏土摻量為15%時,摻黏土鐵尾礦砂滿足路基填筑的要求。

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