石灰铁尾矿砂稳定土工程特性研究

2021-08-16方中明张瑞坤石名磊

公路工程 2021年3期

方中明,张瑞坤,石名磊

(1.南京市公路建设处, 江苏南京 210078；2.东南大学，江苏南京 210096；3.江苏华宁工程咨询有限公司，江苏南京 210018)

0 引言

铁矿石经过破碎、加水湿磨、磁选等一系列工序选取“有用组分”后，剩余的固体废料称为铁尾矿，并以铁尾矿碎屑或铁尾矿砂的形态存在。随着我国钢铁工业的快速发展，铁尾矿产出量巨大。目前，铁尾矿作为重工业废渣，多以尾矿库的形式露天堆放[1]，不仅占用大量土地资源，而且存在着地质灾害隐患以及对生态环境的不利影响[2-4]。随着矿产资源保护及环保意识的不断增强，铁尾矿的综合利用已引起相关部门的重视。从铁尾矿中回收有加金属与非金属元素、铁尾矿制作建筑材料、磁化尾矿做土壤改良剂等方面已取得了一些实用性成果[5-11]。然而，从总体上说，我国铁尾矿的综合利用率明显偏低，技术水平较落后。

公路工程建设需要消耗大量的建筑材料，特别是高速公路路基工程中消耗的土石方量惊人，若把尾矿用在路面混凝土、路面基层和路基回填中，可以大量消耗尾矿废弃料，为现有尾矿库腾出库容，减少对周围环境的污染；同时替代土工材料可节约不可再生土地资源，降低公路工程造价。从已有的研究成果看[12-14]，铁尾矿在公路中应用前景乐观。但是，铁尾矿砂在道路中的应用还处于试验阶段，进一步开展铁尾矿在道路工程中的应用研究具有十分重要的意义。本文根据室内试验成果和工程应用实例，分析了石灰铁尾矿砂稳定土应用于高速公路底基层的工程特性，为其推广应用提供了一定经验。

1 铁尾矿材料参数

1.1 化学成分

铁尾矿材料的化学成分决定了其性质。国内不同地区部分典型大型铁尾矿库的库存尾矿材料的主要化学成分，汇总于表1。可以看出，我国现存铁尾矿库中尾矿的主要化学成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3等氧化物为主，主要氧化物(SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO)的总含量均超过70%。不同地区间尾矿的氧化物含量不同，但同一地区内含量差别较小。

本文对取自南京市江宁区两个尾矿库的铁尾矿料(后文简称江宁铁尾矿砂)进行了化学成分检测，结果见表2。两铁尾矿库的主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3，其中SiO2含量约为45%左右，Al2O3、Fe2O3约为25%左右，三者的含量总和超过了70%。比较而言，该铁尾矿库材料的化学成分与安徽马鞍山地区的两处尾矿(见表1)的组成和含量接近。南京当地发电厂的湿排粉煤灰和铁尾矿砂两种材料的化学成分对比见表3，粉煤灰中3种主要活性氧化物含量为72.4%，而江宁铁尾矿砂的含量为71.3%，并且各有效成分的含量也基本相同。该铁尾矿的主要化学成分与公路工程中常用的活性材料——粉煤灰化学成分相近，具备一定活性以及工程利用价值。

表1 国内大型铁尾矿主要化学成分Table1 Thechemicalcompositionofthedomesticlarge-scaleironoretailings%尾矿来源SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2O河北迁安铁矿72.633.99.92.823.820.560.97河北迁西铁矿70.278.437.043.923.032.711.62河北遵化铁矿58.7611.8410.415.146.112.711.62河北唐山铁矿72.796.0810.74.853.160.670.54河北邯郸铁矿31.986.4910.2330.7713.84——安徽马鞍山铁矿53.660.3828.70.510.220.030.05安徽黄梅山铁矿43.5812.2117.5412.70.691.02上海梅山铁矿27.887.272514.621.780.340.98辽宁朝阳铁矿74.986.567.632.412.981.21.46辽宁鞍山铁矿75.910.6511.691.821.510.580.96吉林通化铁矿63.075.613.828.180.23——山西阳泉铁矿64.597.44136.343.050.590.87

表2 江宁区某尾矿库材料的化学成分Table2 ThechemicalcompositionoftheironoretailingsinJiangningarea%样品名称SiO2AL2O3Fe2O3CaONa2OSO3MgOP2O5K2OTiO2铁尾矿材料I4615.79.554.564.033.883.391.210.71铁尾矿材料II43.915.111.64.144.223.963.241.440.790.76样品名称MnOSrOV2O5CLCuOZrO2ZnOCr2O3烧失量含水量铁尾矿材料I0.130.040.0330.030.0110.010.0060.0059.652.81铁尾矿材料II0.180.030.0390.0110.0110.010.0110.00510.57.98

表3 铁尾矿材料、粉煤灰化学成分Table3 Thechemicalcompositionoftheironoretailingsandcoalash%名称SiO2Al2O3Fe2O3CaOK2OSO3TiOMgONa2OP2O5烧失量含水量粉煤灰44.424.93.12.091.10.930.890.580.270.1221.511.79铁尾矿材料I4615.79.554.5613.880.713.394.031.29.652.81

1.2 粒度成分

不同地区铁矿石的形成条件、铁矿石筛选过程所用的机械、技术水平不同，铁尾矿颗粒大小差距很大。国内主要铁尾矿颗粒组成见表4。

表4 国内主要铁尾矿颗粒组成Table4 Thedomesticironoretailingsparticles尾矿来源不同孔径(mm)通过率/%210.50.250.10.075河北迁安铁矿9785.678.649.620.83河北迁西铁矿8778.358.227.811.34.2河北唐山铁矿78.660.830.26.53.90安徽马鞍山铁矿10010010010084.679.71辽宁朝阳铁矿95.781.474.640.816.55辽宁鞍山铁矿9064.830.44.92.10山西阳泉铁矿10097.291.170.459.346.5

江宁铁尾矿材料室内颗粒分析结果见表5。可以看出，粒径在0.5～1 mm的粒组含量约为24.97%，0.25～0.5 mm粒组为35.53%。根据GB5007-2002砂土分类，粒径大于0.25 mm的颗粒含量超过全重50%的规定为中砂，根据铁尾矿颗粒个体特征可判断其为中砂，故本文称之为江宁铁尾矿砂，分别用铁尾矿砂I和铁尾矿砂II表述。江宁铁尾矿砂的粒组组成和级配曲线，见图1和图2。江宁铁尾矿砂I和铁尾矿砂II的颗粒个体特征十分接近，铁尾矿砂II的P0.25(0.25 mm)粒组含量相对略高。级配指标不均匀系数Cu和曲率系数Cc，见表6。

表5 铁尾矿砂颗粒通过率分析结果Table5 Theironminetailingsparticlesthroughrateanalysis土样编号不同孔径(mm)通过率/%210.50.250.10.075铁尾矿砂I96.0593.3567.7724.578.232.81铁尾矿砂II91.3577.7156.9330.116.481.67平均值93.2085.5362.3527.347.262.24

图1 铁尾矿砂粒组组成

图2 颗粒级配累计曲线

表6 铁尾矿砂颗粒分析结果Table6 Analysisoftheironminetailingsparticles类型指标铁尾矿砂I铁尾矿砂IICuCcCuCc数值3.861.484.690.89

可以看出，两种铁尾矿砂级配指标接近，其中不均匀系数偏低(Cu<10)，粒度较均匀。铁尾矿砂颗粒级配分布相对集中，粒度大小较为均匀，级配不理想。显然，铁矿在生产过程中按照一定要求用同一个球磨机研磨，再筛洗后，必然造成铁尾矿砂的颗粒级配分布比较集中，即粒度较均匀。

2 石灰铁尾矿稳定土

铁尾矿砂的主要化学成分虽然与粉煤灰类似，但其粒径远远大于粉煤灰，颗粒比表面积小；同时铁尾矿颗粒以结晶形态为主，相对粉煤灰玻璃体形态呈化学惰性。两者综合，导致铁尾矿砂与石灰、粘土颗粒之间活性发挥水平较低。因此，铁尾矿砂火山灰活性是潜在的，活性发挥的速度缓慢，激发应用有重要意义。为此，试验用铁尾矿砂采用了物理激发方法，即机械粉磨粉碎的方法来减小铁尾矿砂粒径，激发其潜在活性，制成铁尾矿粉。试验研究中，比较铁尾矿砂、铁尾矿粉和粉煤灰三者分别与石灰共同稳定土作为路面底基层材料的可行性。

铁尾矿砂经过球磨机粉磨2 h后，粒径减小，此时粒度分布曲线见图3。铁尾矿砂、铁尾矿粉和粉煤灰3种材料的特征粒径见表7。由表7和图3可知，粉磨铁尾矿砂的D50(中位径)从0.11 mm减小到0.03 mm，D90(累计粒度百分数达到90%时所对应的颗粒粒径)从0.22 mm减小到0.09 mm。粉磨之后，铁尾矿粉的粒度成分和粉煤灰十分接近。

图3 颗粒级配累计曲线

表7 不同材料的特征粒径Table7 Thecharacteristicdiameterofdifferentmaterials材料铁尾矿砂/mm铁尾矿粉/mm粉煤灰/mmD500.110.030.03D900.220.090.12

稳定土试验中，所用粘性土取自于南京仙林，从外观上来看，粘性土呈黄色，用手细搓，粘性较强。该粘性土为低液限粘土，膨胀性较小，重型击实成果，击实后土样的力学指标较高，是一种性能较好的路用材料基本性质如下：表观密度ρ为2.175 g/cm3，液限ωL为40.8%，塑限ωP为22.3%，塑性指数IP为18.5,粘聚力c为43.5 kPa，内摩擦角φ为20.7°，最佳含水率ωOP为16.37%，最大干密度ρdmax为1.86 g/cm3，自由膨胀率δef为30.1%。

四是加快基础设施建设，提升防洪和水资源调控能力。继续推进流域水环境综合治理，做好省部际联席会议、水利协调小组办公室相关工作。大力推进流域骨干水利工程建设。会同地方水利部门，努力推动和加快新孟河、望虞河西岸控制工程、新沟河、太嘉河等工程前期工作；推进民生水利建设，及时完成大中型病险水库（闸）除险加固初步设计复核，流域片新建中型水库、江河主要支流和重要独流入海河流等项目审查与审核，流域片重要城市防洪规划技术审查等工作。

2.1 试验方案

高速公路底基层常用的石灰粉煤灰粘土(简称二灰土)材料中，石灰与粉煤灰比例范围一般为1∶2～1∶3，石灰掺量为3%～15%。本文选择石灰掺量为8%，铁尾矿砂掺量为16%和24%，分别采用符号T1和T2表示。对应铁尾矿粉和粉煤灰的两种配合比，分别表示为C1、C2和F1、F2，参见表8。

表8 石灰铁尾矿砂稳定土配合比方案Table8 TheLimeironminetailingsstabilizedsoilmixratio%配合比石灰粘土尾矿砂尾矿粉粉煤灰T18761600T28682400F18760016F28680024C18760160C28680240

按照相应配合比进行的击实试验结果揭示，石灰粉煤灰二灰土中，随着粉煤灰含量增加，最大干密度水质降低，最优含水量提高。石灰铁尾矿砂(粉)稳定土重型击实标准相对石灰粉煤灰二灰土，干重度明显偏高，最佳含水量略有降低，且随着铁尾矿砂(粉)含量的增加，最大干密度提高，最优含水率降低，参见表9。石灰铁尾矿砂和铁尾矿粉稳定土重型击实标准较为接近，铁尾矿砂稳定土最大干重度相对略偏高，最佳含水量则略偏低。

表9 石灰铁尾矿砂稳定土标准击实试验结果Table9 Themixturestandardcompactiontestresults配合比最优含水率/%最大干密度/(g·cm-3)T117.51.832T216.31.857F118.21.724F219.11.681C117.61.811C216.91.848

2.2 强度试验

根据室内不同配合比设计，按最大干密度的96%制样，考虑不同龄期和不同养护条件，得到无侧限抗压强度结果揭示，两种配合比的石灰铁尾矿砂(粉)稳定土(6+1)d泡水无侧限强度均大于800 kPa，符合高速公路底基层强度要求[15],见表10。

表10 石灰铁尾矿砂稳定土无侧限强度Table10 TheunconfinedcompressivestrengthofLimeironminetailingsstabilizedsoil养护方式不同配合比的无侧限强度/kPaT1T2C1C2F1F26d标养+1d泡水928.68928.49934.1970.61695.29586.887d标养1897.931830.241117.391620.251674.221152.9814d标养1939.272363.222178.692025.432066.641936.4121d标养+7d泡水1257.631319.411379.301586.571106.561118.1527d标养+1d泡水1154.841362.891383.391124.171045.931188.0228d标养2686.872434.273116.513024.661827.362429.34

a.石灰铁尾矿砂稳定土。

石灰铁尾矿砂稳定土作为一种新型的“二灰土”T1和T2，早期强度高于传统二灰土强度，源于铁尾矿砂颗粒粒径大于粉煤灰，与粘土颗粒形成良好级配，颗粒间相互嵌挤、咬合，增强了颗粒间连接，进而提高了混合料的强度。混合料7 d到28 d无侧限抗压强度都有不同程度的增长，约34%～110%，表明各种配比的混合料都有较好的强度增长潜力，其中F2强度增长最快。石灰尾矿砂稳定土28 d强度增长率为74%～150%，说明石灰尾矿砂稳定土混合料化学活性接近石灰粉煤灰，且早期强度相对偏高，是一种性能良好的路面底基层材料，见图4。

图4 石灰铁尾矿砂稳定土与二灰土无侧限抗压强度

b.石灰铁尾矿粉稳定土。

石灰铁尾矿粉稳定土和石灰铁尾矿砂稳定土两者无侧限试验结果揭示：7 d龄期强度前者小于后者，14 d龄期两种混合料强度相近，但28 d龄期石灰铁尾矿粉稳定土强度大于石灰铁尾矿砂稳定土强度，见图5。铁尾矿粉比表面积增大，与石灰及粘土颗粒接触面积大，同时粉碎过程中产生了较多球形颗粒，这些颗粒发挥“滚珠”作用，增强了混合料的流动性，从而加快了离子之间的交换吸附过程，粉碎过程同时磨去了细小玻璃微珠表面的惰性层，增加了其表面活性点，相对加快了活性SiO2、AL2O3的溶出和水化的速度。但因为水化反应发生速度较慢，在14 d龄期之后，铁尾矿粉颗粒比表面积增大，活性增强，增加和加快水化反应的作用才体现出来。

图5 石灰铁尾矿砂(粉)稳定土强度对比

图6为石灰铁尾矿粉稳定土和石灰粉煤灰二灰土的无侧限抗压强度对比。尽管两种材料粒径大小接近，比表面积也接近，但经过粉碎的铁尾粉稳定土强度明显高于粉煤灰，尤其是7 d龄期和28 d龄期。

图6 石灰铁尾矿粉稳定土与二灰土无侧限抗压强度

由此可见，石灰铁尾矿砂稳定土的早期强度中，早期强度主要影响因素是铁尾矿砂、粘土以及石灰的颗粒级配改善，使大小颗粒之间填充效果更好，减少了混合料中的孔隙，同时增强了颗粒之间的摩擦和咬合，提高了混合料的整体性。石灰铁尾矿砂稳定土的后期强度则主要是火山灰反应产生的水化产物，因为养护时间较长，火山灰反应较为充分，生成的水化产物多，此时水化产物之间的胶结力要大于混合料颗粒间的摩擦力，火山灰反应产生的水化产物，水化产物越多，水化速度越快，后期强度越高。综合以上原因就可以很好解释，粉碎的铁尾矿粉稳定土7 d强度小于未粉碎尾矿砂，14 d之后强度大于未粉碎尾矿砂的现象。

各配比不同养护方式和龄期对应的无侧限抗压强度见图7。可以看出，不同养护条件对混合料抗压强度的影响显著，7 d，28 d龄期各配比的混合料泡水之后强度均下降50%以上，铁尾矿砂(粉)稳定土浸水稳定性相对传统石灰粉煤灰二灰土偏优。因此，施工中合理控制养护条件对混合料强度的形成有着十分重要的作用。

(a)7 d龄期

3 工程检测结果

依托江苏某在建高速公路，根据上述室内试验结果，推荐了石灰铁尾矿砂粘土底基层的配合比为：石灰:铁尾矿砂:粘土=8:24:68。采用载荷板法、PFWD法和DCP法进行检测，测试结果参见图8～图10。

图8 载荷板法测定的平均回弹模量

图9 PFWD测定的平均回弹模量

图10 DCP平均贯入度与龄期关系

由图8可看出，按照推荐配合比施工的石灰铁尾矿砂稳定粘土底基层1 d后的回弹模量值已超过80 MPa，满足设计规范要求。回弹模量值随着龄期的增长，增长趋势明显。28 d龄期的数据表明，回弹模量值已高于2倍的1 d龄期强度。从承载板法测定的底基层的回弹模量值可以得出石灰铁尾矿砂稳定土作为高等级公路路面底基层完全满足要求。

按点点对应原则，采用PFWD和DCP分别对石灰铁尾矿砂稳定粘土底基层6个不同断面进行了检测。PFWD与DCP检测结果分别见图9和图10。PFWD测定的不同龄期的路基和路面底基层的回弹模量增长趋势明显，与载荷板法测定结果相比，趋势一致，但数值略小于载荷板法测定的静态回弹模量。笔者认为这符合两种方法的检测特性，载荷板测得的静态回弹模量只考虑弹性变形，不考虑残余变形，而动态回弹模量是根据总变形计算所得。

由图10可知，层位的DCP的平均贯入度PR均随龄期增长而降低，从侧面反映了各层位的强度增长。目前，关于DCP贯入度值与回弹模量相关关系的研究正在逐步深入。美国AASHTO规范建议采用下面公式换算二灰土底基层的回弹模量。

(1)

M=17.68·CBR0.64

(2)

式中：PR为DCP测试贯入率，mm/锤击次；CBR为加州承载比，%;M为回弹模量，MPa。

根据上述公式得到的石灰铁尾矿砂稳定土底基层的平均回弹模量值见表11。表中数据表明推荐配合比的石灰尾矿砂稳定粘土底基层满足设计要求。

表11 DCP法平均回弹模量汇总Table11 TheaverageresilientmodulussummaryusingDCPmethodMPa龄期左幅路右幅路1234561234561d118.099.3128.3108.091.0103.3106.3116.2122.7136.488.3116.37d168.1140.0190.2154.8132.0140.1143.4157.8176.1197.8131.0164.514d214.1178.8236.0191.5178.7181.9183.9192.5225.6238.9159.7193.928d238.5214.1270.0208.5203.9225.6203.9214.1253.1280.2194.7225.6