尾矿库筑坝膨胀土料掺灰改良试验

曾学敏 张明银 段蔚平

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司； 2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.安徽马钢张庄矿业有限责任公司)

尾矿库筑坝膨胀土料掺灰改良试验

曾学敏1，2，3张明银4段蔚平1，2，3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司； 2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.安徽马钢张庄矿业有限责任公司)

张庄铁矿尾矿库筑坝土料存在膨胀性，为使其满足筑坝要求，采用掺石灰的方法对研究区内的膨胀土进行室内改良试验，确定了掺灰改良后筑坝土料物理力学参数，为该区建库筑坝提供了施工依据。综合对比试验结果各项参数，确定改良膨胀土最优掺灰比率为2%生石灰+3%消石灰，使该区不均匀土层②层黏土物理力学性质得到极大改善，达到筑坝的要求。

尾矿库 膨胀土 掺灰比率 膨胀率 渗透系数

膨胀土是指土中粘粒成分主要由亲水性矿物(如蒙脱石、伊利石)组成，具有吸水膨胀和失水收缩的变形特性的矿物，其工程特点表现为潜在性、长期性和反复性。膨胀土受工程建设活动影响，会随气候、地质环境等自然条件改变而发生水分转移。当其处于干燥状态时，其膨胀潜势高，反之则低，这就给膨胀土地区的建设工程带来了诸多困难。

张庄铁矿尾矿库建设工程场区广泛分布不均匀岩土层②层黏土(即粉质黏土)，尾矿库初期坝及挡水坝均为一次性不透水黏土坝，设计采用从场区内取土料筑坝。室内试验表明，该建设工程场区内②层黏土具有膨胀性，如果用该区②层黏土筑坝，尾矿库运营后，坝体会出现开裂、隆起及失稳等问题，严重时甚至可能导致溃坝。因此，工程的关键是改良区内②层黏土的含水率和膨胀性。此次试验以石灰为改良剂，对膨胀土的特性进行改良。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料

现场改良试验位于坝区的3个40.0 m×10.0 m区域，掺灰比率生石灰+消石灰按2%+2%、2%+3%、2%+4%，每个试验段取面积为30.0 cm2、高度为2.0 cm的环刀样5个，面积为30.0 cm2、高度为4.0 cm的环刀样2个，10.0 cm×10.0 cm×10.0 cm的块状样4个，共2组。

1.2 试验内容

将现场所取试样埋于相同掺量改良膨胀土中养护，而后进行：石灰剂量检测，以研究筑坝场区待检测石灰改良土的石灰剂量；自由膨胀率试验，以研究不同掺灰比率下自由膨胀率与养护时间的变化关系；渗透试验，以研究不同掺量比率下渗透系数与干湿循环次数的变化关系；快剪试验，以确定现场改良膨胀土的强度指标。

2 试验研究

2.1 石灰剂量试验

取养护3、5、7、14、28 d的块状试样，按规范要求进行各龄期的EDTA滴定，制定考虑龄期影响的石灰剂量检测标准曲线，试验结果如表1所示。

表1 现场石灰改良土的石灰剂量结果

2.2 自由膨胀率

将养护3、5、7、14、28、56 d的另一组块状样烘干，而后对试样各龄期进行自由膨胀率试验，得到自由膨胀率与养护时间的变化关系，试验结果如表2所示。

表2 养护时间及掺灰比率对自由膨胀率影响试验结果

从表2可知，养护龄期加长，自由膨胀率逐渐趋于稳定；养护龄期相同，提高掺灰比率，自由膨胀率先下降后趋于稳定。

2.3 水稳定性试验

试验采用高2.0 cm的环刀试样，试样的试验环境同自由膨胀率试验，养护28 d干湿循环试验，膨胀土的绝对膨胀率见表3，膨胀土的相对膨胀率见表4。

表3 现场石灰改良膨胀土的绝对膨胀率

从表3可知，改良膨胀土在浸水膨胀后的绝对膨胀率总体随石灰掺量的增加而减小，其绝对膨胀率均小于1%。

表4 石灰改良膨胀土相对膨胀率

从表4可知，改良膨胀土的相对膨胀率总体变化不大；相对膨胀率大于零，说明每次干湿循环过程中改良膨胀土浸水饱和后发生了膨胀变形。

2.4 渗透系数试验

将养护28 d的4.0 cm高的环刀样进行干湿循环试验，干湿循环过程中每次试样浸水膨胀饱和后进行渗透试验，试验结果如表5所示。

表5 现场石灰改良膨胀土渗透系数

从表5可知，改良膨胀土试样在浸水膨胀后，其渗透系数总体上随石灰掺量的增加而增加；6次干湿循环后渗透系数均在10-5cm/s数量级左右。

2.5 快剪试验

将养护28 d的2.0 cm高的环刀样进行6次干湿循环，浸水饱和后进行快剪(直剪)试验，改良膨胀土的强度变化曲线如图1～6所示。

图1 掺生石灰+消石灰(2%+2%)改良膨胀土剪应力与剪位移关系曲线

综合对比自由膨胀率、水稳定性、渗透和快剪试验结果，考虑现场施工时掺灰的均匀性和粉碎后土块大小等因素对改良效果的影响，建议现场实际施工时膨胀土改良的掺灰比率(生石灰+消石灰)为2%+3%。

图2 掺生石灰+消石灰(2%+2%)改良膨胀土抗剪强度与法向应力关系曲线

图3 掺生石灰+消石灰(2%+3%)改良膨胀土剪应力与剪位移关系曲线

图4 掺生石灰+消石灰灰(2%+3%)改良膨胀土抗剪强度与法向应力关系曲线

图5 掺生石灰+消石灰(2%+4%)改良膨胀土剪应力与剪位移关系曲线

3 施工工艺

施工采用“二次掺灰”工艺，即掺灰过程分为两步。首先，在膨胀土内掺生石灰，经过焖料、拌合，降低土体含水率。然后，向土料中掺消石灰，粉碎并碾压成型。具体施工顺序：

图6 掺生石灰+消石灰(2%+4%)改良膨胀土抗剪强度与法向应力关系曲线

(1) 石灰检测。石灰进场后，需检测其有效CaO和MgO含量，以及石灰中的杂质含量，确保石灰符合三级或三级以上标准。

(2) 焖料用2%的生石灰拌和。根据每层填土质量计算出所需的生石灰掺量，采用生石灰和土料互层的方法(土料厚度≥1.0 m)进行堆焖和拌合，第2 d和第3 d均需对土料翻拌不少于1次。

(3) 石灰粉碎并碾压。焖料第3天翻拌后运至填筑场地摊铺，掺所需量消石灰并粉碎，测试土料石灰剂量和含水率，合格后快速连续压实至满足筑坝设计要求。

4 结 论

通过采用“二次掺灰”的石灰改良膨胀土施工工艺，使②层黏土的结构得到明显改变，降低自由膨胀率，改善含水率，消除土体的胀缩变形特性，是膨胀土区工程建设的有效方法。

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[5] 查甫生，刘松玉，杜延军，等.石灰-粉煤灰改良膨胀土试验[J].东南大学学报，2007(3):339-344.

Experiment on Dam Improving by Adding Swelling Soil Lime Mixed Ash on Tailings Dam

Zeng Xuemin1,2,3Zhang Mingyin4Duan Weiping1,2,3

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.，Ltd；2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines;3.National Engineering Research Center of Huawei High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Mineral Resources Co.,Ltd.;4.Anhui Masteel Zhangzhuang Mining Co., Ltd.)

Zhangzhuang iron tailings has swelling performance when used in dam building, in order to meet the requirements of dam, swelling soil property improving around the research area by adding lime was conducted within indoor experiments. Physical and mechanical parameters of improved damming soil was determined, and provide construction basis for dam building around the area. Compare each parameter, optimal ash dosage for improved swelling soil is 2% quick lime + 3% slaked lime, making the physical and mechanical properties of uneven soil layers ② layer significantly improved, meet the requirement of dam building.

Tailings dam, Swelling soil, Lime adding ratio, Inflation ratio, Permeability coefficient

2015-05-18)

曾学敏(1985—)，男，工程师，硕士， 243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。