林煜宏,潘榮建,蘭素戀
(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007;3.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023)
鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦作業(yè)后產(chǎn)生的廢渣,其顆粒粒度細(xì),一般呈粉細(xì)砂狀,在礦山選礦作業(yè)過(guò)程中,常堆積于尾礦庫(kù)中,形成尾礦堆積壩。我國(guó)的鐵尾礦庫(kù)數(shù)量較多,尤其以穩(wěn)定性較差的中小型庫(kù)為主。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年我國(guó)尾礦類固廢產(chǎn)量為10.3億t[1]。其中,鐵尾礦是我國(guó)最主要的尾礦固廢類型,其產(chǎn)量約占尾礦總產(chǎn)量的50%,并以5億t/年的速度持續(xù)增長(zhǎng)。目前,發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)尾礦的綜合利用率高達(dá)60%左右,而國(guó)內(nèi)尾礦綜合利用率不到20%,遠(yuǎn)低于其他大中型工業(yè)固廢的利用率。在生產(chǎn)實(shí)踐中,除部分貴重金屬尾礦被用于礦山采空區(qū)回填外,大部分尾礦被接排入并堆存于尾礦庫(kù)中,帶來(lái)了一系列的土地占用、植被破壞和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。加之尾礦堆積壩體量大、勢(shì)能高、工程穩(wěn)定性較差,使堆積體容易受到強(qiáng)降雨、凍融循環(huán)和地震等極端自然和氣候條件的影響,造成潰壩事故[2],對(duì)下游造成嚴(yán)重的人員傷亡、生態(tài)破壞和財(cái)產(chǎn)損失。如2008年生產(chǎn)單位因違法違規(guī)生產(chǎn)和采取錯(cuò)誤的工程措施導(dǎo)致了“9·8山西襄汾新塔礦業(yè)尾礦庫(kù)潰壩事故”,事故泄容量達(dá)26.8萬(wàn)m3,過(guò)泥面積30.2 hm2,造成277人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)9 619.2萬(wàn)元,對(duì)下游的生態(tài)和環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[3]。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng),我國(guó)西部地區(qū)公路建設(shè)進(jìn)入加速階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,截至2020年末,我國(guó)公路公里總數(shù)達(dá)到519.81萬(wàn)km,高速公路里程達(dá)16.10萬(wàn)km[4]。由于我國(guó)特殊的地形地貌,在西部地區(qū)公路建設(shè)中普遍存在軟土層問(wèn)題,這類土的抗剪強(qiáng)度較低、壓縮性高、固結(jié)速度慢,因而沉降變形量大、地基穩(wěn)定性很差,容易導(dǎo)致嚴(yán)重的公路質(zhì)量問(wèn)題,因此常需要對(duì)其做特殊處理,以提高地基的穩(wěn)定性和承載力。軟土地基的處理對(duì)天然石材、石灰、粉煤灰和水泥等建筑材料的需求量較大。然而,隨著生態(tài)環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng),全國(guó)各地對(duì)砂石骨料開(kāi)采的限制越來(lái)越嚴(yán)格,道路工程建設(shè)中所需要的粗、細(xì)集料(包括砂、礦粉等)產(chǎn)能大幅下降,價(jià)格也一路升高。
鐵尾礦中Si、Fe和Al元素所占比例較大,其礦物組成與天然砂石骨料十分相似,放射性和對(duì)水環(huán)境的影響較小,屬于非惰性材料[5]。目前對(duì)鐵尾礦在公路工程中的應(yīng)用已有大量研究,涉及不同等級(jí)公路的各個(gè)結(jié)構(gòu)層[6],但是關(guān)于鐵尾礦在公路軟土地基處理方面的研究還鮮有報(bào)道。若通過(guò)科學(xué)技術(shù)手段,將鐵尾礦合理應(yīng)用于公路軟土地基處理工程,不僅可以使鐵尾礦得以大量利用,大幅降低尾礦庫(kù)庫(kù)容,還能夠代替砂石集料,降低公路工程的造價(jià),將具有極高的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此,本文在分析鐵尾礦物理化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上,基于鐵尾礦磨粉后活性得到提高的特點(diǎn),對(duì)鐵尾礦在公路軟土地基處理中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討,對(duì)提高鐵尾礦的綜合利用率,降低道路工程成本,提升道路工程品質(zhì)具有積極意義。
取四川某尾礦庫(kù)的鐵尾礦料,其比重為2.75,塑性WP為18.5%,液限WL為33.2%,塑性指數(shù)IP為15.7,最優(yōu)含水率為14%。經(jīng)烘干、人工研磨后,對(duì)其進(jìn)行顆粒粒度分析,其級(jí)配曲線如圖1所示。由圖1可以看出,該鐵尾礦最大粒徑≤2.5 mm,粒徑較細(xì),d60和d30分別為0.18 mm和0.07 mm。其不均勻系數(shù)Cu為15,曲率系數(shù)Cc為2.3,滿足Cu>5,1
圖1 鐵尾礦級(jí)配曲線圖
采用X-射線熒光光譜法對(duì)該鐵尾礦的化學(xué)組成進(jìn)行分析,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,由表1可知,該鐵尾礦主要含有Si、Fe、Mg、Ca、Al等元素的氧化物成分,上述氧化物含量分別為33.63%、22.92%、19.46%、10.83%和6.44%,Si、Fe和Al元素所占比例較大,其礦物組成與天然砂石骨料較為相似。此外,該鐵尾礦還含有少量的K2O、TiO2以及其他微量化合物。
表1 鐵尾礦的主要化學(xué)成分表(%)
堿激發(fā)膠凝技術(shù)是基于一些材料具有火山灰活性或水硬性的特點(diǎn),借助對(duì)應(yīng)的堿性激活劑對(duì)材料的活性物質(zhì)進(jìn)行激發(fā),使材料發(fā)生水化反應(yīng),從而制備具有良好使用性能的膠凝材料。20世紀(jì)40-60年代,美國(guó)學(xué)者Purdon[7]和蘇聯(lián)學(xué)者Glukhovsky[8]率先將礦渣和粉煤灰用作原料制備了堿激發(fā)膠凝材料。隨后,應(yīng)用固廢制備堿激發(fā)膠凝材料的新技術(shù)得到迅速發(fā)展,并成功運(yùn)用于礦山膠凝充填工程和其他建筑工程當(dāng)中。固廢雖然化學(xué)組成各不相同,但其主要成分中均含有一定量的SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等,具有潛在膠凝活性。研究表明,對(duì)鐵尾礦進(jìn)行磨粉處理,能夠改變鐵尾礦中的氧化鈦鐵結(jié)構(gòu),提高鐵尾礦的火山灰活性[9]。因此,在軟土地基處理中,可將鐵尾礦進(jìn)行磨粉,并將其與礦渣微粉、粉煤灰和高嶺土一同作為復(fù)合前驅(qū)體,采用電石渣、脫硫石膏和氫氧化鈉作為復(fù)合激發(fā)劑,輔之以少量的水泥熟料,通過(guò)一定的配合比設(shè)計(jì),制備性能良好的多源固廢復(fù)合激發(fā)膠凝材料。上述固廢與水反應(yīng)能夠生成C-S-H膠凝和C-A-S-H膠凝等水化產(chǎn)物,其典型水化產(chǎn)物一般為網(wǎng)狀、蜂窩狀的膠凝體,元素組成以Ca、Si、Al、Na等元素為主,反應(yīng)方程式如式(1)~(3)所示:
3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+
(3-x)Ca(OH)2
(1)
2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+
(2-x)Ca(OH)2
(2)
3CaO·SiO2+nH2O=4CaO·Al2O3·19H2O+
2CaO·Al2O3·8H2O
(3)
對(duì)埋深≤3 m、回填面積比較大的軟弱土地基,可采用以鐵尾礦粉為主要原料的多源固廢復(fù)合激發(fā)膠凝材料對(duì)土性進(jìn)行改良。施工前應(yīng)先采用立磨機(jī)等大型磨粉器械對(duì)鐵尾礦進(jìn)行機(jī)械研磨,提高鐵尾礦的火山灰活性和水化性能。在軟黏土或淺層地基土中摻入鐵尾礦基多源固廢復(fù)合激發(fā)膠凝材料,在控制含水量條件下進(jìn)行攪拌,利用土顆粒、孔隙水和膠凝材料之間的水化反應(yīng)來(lái)改善土的性質(zhì)。施工時(shí)需對(duì)淺層軟弱土區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理,根據(jù)軟弱土深度確定各網(wǎng)格區(qū)域的膠凝材料用量,沿著地基縱深方向?qū)侥z凝材料的軟弱土進(jìn)行強(qiáng)力攪拌,應(yīng)注意初凝時(shí)間和拼接長(zhǎng)度設(shè)計(jì),必要時(shí)可添加緩凝劑、減水劑等外加劑。堿激發(fā)膠凝產(chǎn)物一般具較高的強(qiáng)度[10],膠凝產(chǎn)物生成后,通過(guò)對(duì)原有空隙的填充和對(duì)土顆粒的包裹,形成穩(wěn)定的膠凝強(qiáng)度,從而使軟弱土地基的物理力學(xué)性質(zhì)獲得明顯改善,增強(qiáng)地基的承載力。
多源固廢復(fù)合激發(fā)膠凝材料固化鐵尾礦砂樁可用于軟弱黏土或可液化軟土地基,其作用原理與水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)較為類似,兼具柔性樁和剛性樁的特點(diǎn),其樁體28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到3 MPa左右。該固化鐵尾礦樁在施工時(shí)依靠樁管打入地基,對(duì)地基有一定的橫向擠密作用,使得周?chē)令w粒間發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng),粒間大孔隙被小孔隙填充,孔隙率減小,顆粒之間距離縮短,增強(qiáng)了土的骨架作用,從而提高土的抗剪強(qiáng)度,降低地基的壓縮性。另一方面,由于固化鐵尾礦樁本身具有一定的膠凝強(qiáng)度,能夠承擔(dān)較大的外荷載,使得地基承載力大幅提高。對(duì)于高等級(jí)公路,設(shè)計(jì)時(shí)可考慮在樁體與樁間土體的上部鋪筑具有一定厚度的砂墊層,與樁和樁間土形成復(fù)合地基。交通荷載的傳遞首先抵至褥墊層,然后分散至樁和樁間土,并由二者共同承擔(dān)。固化鐵尾礦樁復(fù)合地基主要通過(guò)樁體作用、墊層作用、加速固結(jié)作用、擠密作用和加筋作用等,提高地基的承載力。
固化鐵尾礦樁的施工方法可采用振動(dòng)擠密法和沉管法等。振動(dòng)沖法指通過(guò)振沖器振動(dòng)水沖成孔,清理后填入鐵尾礦及膠凝材料混合料,形成半剛性樁基。在施工過(guò)程中,首先需要對(duì)表層雜土進(jìn)行清理,平整場(chǎng)地,以便于施工器械移動(dòng)。隨后,需要按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行測(cè)量定位,確定現(xiàn)場(chǎng)樁基位置。之后,應(yīng)用成孔器械在既定樁位成孔,并填入鐵尾礦及膠凝材料混合料,通過(guò)振動(dòng)器械使其振動(dòng)密實(shí)。在振沖過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格控制填料質(zhì)量和振留時(shí)間。成樁后樁基在地下水的作用下發(fā)生膠凝反應(yīng),逐漸獲得膠凝強(qiáng)度。沉管法施工與振沖法相類似,但其采用沉管進(jìn)行成孔施工,采用振動(dòng)或錘擊填料方式成樁。固化鐵尾礦樁施工完成后,可按需進(jìn)行褥墊層鋪設(shè),施工過(guò)程中應(yīng)該采取分層碾壓的方式,同時(shí)確保密實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。
鐵尾礦砂墊層法屬于置換法的一種,與換土墊層法具有相似的原理。該方法通過(guò)將淺層軟弱土全部或者部分挖除,換填為全尾礦砂,并按照要求進(jìn)行壓實(shí),以提高鐵尾礦的粘聚力。鐵尾礦墊層法適用于軟弱土厚度<3 m的淺層地基。首先需要對(duì)表層軟弱土進(jìn)行挖出,換填時(shí)將鐵尾礦和黏?;旌狭线M(jìn)行攪拌,采取注水調(diào)控,必要時(shí)需降低地下水位,以控制其最優(yōu)含水率??刹捎煤粚?shí)、振動(dòng)與碾壓相配合的施工方法進(jìn)行壓實(shí),在施工過(guò)程中對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行控制,使地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。換填后的鐵尾礦墊層可以起到較好的緩沖作用,基底應(yīng)力通過(guò)墊層的擴(kuò)散作用,傳遞至軟弱土層時(shí)大幅降低,使得地基的承載力得到提高。從鐵尾礦的級(jí)配組成可以看出,鐵尾礦是一種級(jí)配良好的砂類土,其本身并不具備粘聚力或粘聚力很小,可通過(guò)添加少量黏粒,增加其細(xì)粒含量,以使鐵尾礦在較小的壓實(shí)功作用下壓密,提高鐵尾礦墊層的強(qiáng)度。
已有研究表明,鐵尾礦放射性和對(duì)水環(huán)境的影響較小,屬于無(wú)毒非惰性材料[5],因此,鐵尾礦已在不同等級(jí)公路得到大量應(yīng)用。對(duì)于鐵尾礦基膠凝材料軟土改良體和鐵尾礦樁復(fù)合地基,由于鐵尾礦粉和鐵尾礦砂被生成的水化產(chǎn)物較好地包裹,因此,上述工藝產(chǎn)生的污染較小。對(duì)于鐵尾礦砂墊層,鐵尾礦顆粒與水土產(chǎn)生直接接觸,因此,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和施工條件綜合分析,需要對(duì)鐵尾礦中重金屬離子析出進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和分析,必要時(shí)可以采取黏土包邊等隔離措施,以確保對(duì)環(huán)境的影響滿足相關(guān)規(guī)范要求。
(1)試驗(yàn)采用的鐵尾礦顆粒粒徑以砂粒為主,粒徑>0.075 mm的顆粒質(zhì)量占比>50%,其中d60和d30分別為0.18 mm和0.07 mm,屬于尾粉砂。
(2)試驗(yàn)得出,該鐵尾礦的化學(xué)組成與天然砂石骨料較為相似,其成分以Si、Fe、Mg、Al等元素的氧化物為主,且Si、Fe和Al元素所占比例較大。
(3)粉磨工藝能夠提高鐵尾礦的火山灰活性,粉磨后鐵尾礦協(xié)同多源固廢制備堿激發(fā)膠凝材料,其在公路軟土地基中的應(yīng)用形式主要有:鐵尾礦膠凝材料軟土改良體、固化鐵尾礦樁復(fù)合地基以及鐵尾礦砂墊層等,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行綜合選擇。
(4)在鐵尾礦處理公路軟土地基實(shí)踐中,應(yīng)該重視重金屬離子析出問(wèn)題,需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境、施工條件等綜合評(píng)估鐵尾礦對(duì)環(huán)境的影響。