改良铁尾矿渣路基填筑施工与质量评价研究

董文杰

（中交二公局第六工程有限公司，西安 710000）

1 工程概况

京秦高速公路遵秦段B4 标，为北京至秦皇岛高速公路工程遵化市至秦皇岛段，设计时速120 km/h，整体式路基宽度33.5 m，路基全长6.41 km，路面全长29.06 km，为PPP 项目，合同总造价10.21 亿元，合同工期为30 个月。工程量中，路基填方1.144 7×106m3，挖方28.23×104m3，借方86.24×104m3。

2 铁尾矿渣场区复垦

我国铁矿分布区内的矿石类型丰富，组成颇为复杂，以铁尾矿渣为例，因矿区的不同，其在化学成分和粒度形态方面均存在差异[1]。济青高速公路沿线有铁尾矿渣，粒径较大，氧化铝含量较高，矿物组成包含钠长石、结晶相石英等，仅存在少量的不定形相颗粒。从化学性质的角度来看，铁尾矿渣的氧化钙含量偏低，属于惰性材料。

2.1 颗粒特征

铁尾矿渣表面粗糙、颗粒形状缺乏规则性，2～0.075 mm 的砂粒组占据较大的比重，0.075 mm 以内的颗粒相对较少，占总量的10%以下。经取样分析发现，矿物相的主要类型包含钠长石和石英等，砂粒是其主要的形态。基于分析数据绘制级配曲线，发现该曲线的形态较为良好，无中间缺失粒组的问题，结构效应突出，有明显的微观集料骨架和填充结构。

2.2 物理力学性质

从宏观的角度来看，相比于路基填料强度要求低限而言，颗粒的最小强度均高于该值，并且在粗粒含量增加、级配得以有效改善的条件下，强度特性将更为突出。但是，若将铁尾矿渣用于路基填筑，则需充分考虑其抗冲刷能力弱、遇水易软化的特点（渗透系数10-7～10-3cm/s），随之影响机械碾压施工效果，可能出现局部碾压密实度不足的情况。

3 铁尾矿渣路基填筑施工工艺及施工控制

3.1 铁尾矿渣路基填筑施工工艺

根据相关施工工艺数据可知，需重点关注的内容包括：松铺厚度、压实厚度、路基碾压方式、碾压遍数、包边土、检测方法（确定压沉值）、冲击碾压强夯补强。在本项目中，填土高度小于5 m 的路基采用冲击碾压补强1 m 一次，大于5 m 的路基采用强夯补强处理。具体机械设备进场以及施工方式见表1。

表1 机械设备进场计划一览表

3.2 改良铁尾矿渣施工控制

路基是公路的重要结构，可承受源自路面的荷载，为保证路基乃至整个道路的稳定性，需要切实提高路基的强度，保证其稳定性。在试验中，按6%的水泥用量考虑，将改良后的材料用于施工，依次经过填筑、摊铺、压实、养护等环节，从中判断经改良后铁尾矿渣的性能表现。

3.2.1 施工含水量

铁尾矿渣对水较为敏感，含水量偏高时呈流塑状，虽然采取压实措施但实际效果难以满足要求；含水量偏低时，材料缺乏足够的黏性，呈松散状，经过压实后仍难以得到完整的整体结构。具体至实际施工环境中，铁尾矿渣的表层易风干失水，压实后起皮，部分情况下存在压实度偏低的问题。对此，在改良时着重考虑其实际含水量，以最佳含水量的3%～4%为宜。

3.2.2 分层填筑

分层填筑施工，单层填筑厚度控制在35～40 cm，能够较为有效地保证各层的填筑压实施工效果，使其具有良好的纵向均匀性。分层填筑过程中，还需检测表面平整度并予以控制；由平地机完成整形，使各层具有平整性以及足够的稳定性。

3.2.3 压实工艺

压实工艺集多道工序于一体，按照“静压（1 遍）→弱振（2遍）→强振（2 遍）→静压（1 遍）”的顺序有序施工。不同压实方式下的速度存在差异，静压2.0～2.5 km/h，振动压实时可适当放慢速度（1.5～1.7 km/h），振幅为2～2.5 mm。精准控制压路机的运行姿态，不可在工作面急刹车或调头，否则均会对压实层的完整性造成不良影响。

3.2.4 保湿养护

压实后，进入养护环节，全程使改良铁尾矿渣路基保持湿润的状态。夏季施工时，高温环境容易使路基水分快速蒸发，因此，采取补洒水等方法，将路基的含水量稳定在合理的区间内。冬季气温较低，则采取覆盖措施，例如，在路基上覆盖20 cm 厚的土层，起到隔离保温的作用，以免低温冻伤。

4 改良铁尾矿渣的应用效果分析

压实度是评价路基施工质量的关键指标，因此，要在施工中安排压实度检测，根据实测结果判断路基的施工效果。环刀法、灌砂法是较为常规的压实度检测方法，其在应用中易受到人为因素的干扰，实测结果准确性偏低。相比之下，利用回弹模量评价路基填筑质量较为可行。在水泥改良铁尾矿渣试验时，共在该路段内选取10 个断面，联合应用承载板法和弯沉仪法，由专员操作，分别在1 d、7 d、14 d 龄期测试，得到具体的测试结果，据此对水泥改良铁尾矿渣的施工效果做出判断。

4.1 静态回弹模量

基于检测结果生成承载板法测定的静态回弹模量直观图形，如图1 所示。分析发现，1 d、7 d、14 d 龄期时，路基回弹模量分别达到27 MPa、47 MPa、69 MPa；通过对各龄期的对比可知，14 d 的静态回弹模量达到1 d 龄期时的2.6 倍，有显著提升。

图1 承载板法测定的平均静态回弹模量

4.2 动态变形模量

PFWD 法测定的动态变形模量结果如图2 所示。分析发现，在1 d、7 d、14 d 龄期时，动态变形弹模量分别达到20 MPa、41 MPa、56 MPa；随着龄期的增加，动态变形模量也有同步提升的变化趋势，两者具有突出的线性变化特征。

图2 PFWD法测定的动态变形模量

此外，还考虑到静态回弹模量与动态变形模量的关系。从指标变化趋势的角度来看，无论是承载板法还是PFWD 法，两种方法测量得到的路基模量均显现出高度趋同的变化规律，反映出两种方法均具有可行性，可用于评价路基的强度以及承载能力。根据试验结果可以发现，两种方法所测定的静态回弹模量和动态变形模量均能够达到要求，有力地论证了水泥改良铁尾矿渣材料应用效果较佳的事实。

5 后期路基质量评价研究

通过试验测定的压沉值可判断路基最终质量。具体土方混填路堤质量标准见表2。

表2 土石混填路堤质量标准

6 结论

1）铁尾矿渣的水稳定性较差，遇水易软化，在应用水泥材料加以改良后，依托于水泥的水化作用，可大幅度提升铁尾矿渣的水稳定性，同时也会促进铁尾矿渣强度的增加，得到优质的路基填料，使其更为有效地适应特殊的工程施工环境。

2）相比于传统填土路基施工，水泥改良铁尾矿渣路基对工艺的要求更高，诸如含水量控制、填筑、压实、养生均是重要环节，要根据具体的施工条件（填料实际含水量、现场环境温度等）采取针对性的控制措施，将各项指标稳定在合理范围内。

3）随着水泥改良铁尾矿渣路基龄期的增加，其弹性模量也随之增加，两者呈现出显著的线性变化规律。