金尾矿水泥改良黄土路基物理性能及微观结构研究

2023-08-30黄海锋

企业科技与发展 2023年5期

摘要：文章研究不同掺量金尾矿改良黄土路基的效果，将水泥与金尾矿混合，利用无侧限抗压强度及抗剪强度试验验证金尾矿改良路基的可行性。试验结果表明，7 d、14 d无侧限抗压强度及抗剪强度随水泥含量增加而增加，随后趋于稳定；金尾矿掺量为15%时，可有效提高黄土物理力学性能。微观测试结果表明，金尾矿对黄土内部孔结构有显著影响。随着金尾矿掺量增加，黄土内部孔隙逐渐减少，掺量达到15%时，孔隙率有效降低，土骨架强度提高。研究结果可为金尾矿水泥改良黄土路基提供参考依据。

关键词：金尾矿；水泥改良；黄土路基；无侧限抗压强度；抗剪强度

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1674-0688（2023）05-0057-04

0 引言

随着社会的快速发展，我国道路建设规模不断扩大，道路建设体系有了很大改善。但是，由于砂石、卵石等路基原材料短缺，导致价格上涨，增加了路基建设造价。因此，开发一种既可替代砂石材料，又可有效提高路基性能的材料，是道路建设亟待解决的问题。金矿开采作为我国矿产资源开采的重要组成部分，每年排放近3亿吨金尾矿［1］，其中大部分金尾矿只能以尾矿库的形式堆积。目前，我国金尾矿资源利用率仅为25%左右［2］，囤积的剩余矿物对环境造成严重威胁，合理利用尾矿资源具有重要的现实意义。

目前，众多学者已开展利用尾矿对路基进行改良的研究。罗敖等［3］利用电子显微镜观察铁尾矿的微观结构和力学性能，认为其稳定性差、不易压实，因此提出用黏土包边尾矿砂的方法，并采用有限元及物理力学试验等方法验证其可行性。试验结果表明，采用黏性填料的尾矿砂充填地基，可以达到路基设计标准。李富有等［4］利用5%的灰渣对尾矿石进行地基填土实验，并对其进行压实度及无侧限抗压强度测试，结果表明5%的灰渣可以取代常规的土方，用作路基的填筑。刘炳华等［5］对连云港市一种铁尾矿进行化学成分分析，结果表明铁尾矿没有毒性，可以用作路基的填筑材料，并对其力学性能进行研究，研究结果显示CBR值很低，不符合路基填筑材料设计要求。上述研究表明，单独将金尾矿用于路基填料，效果较差，无法充分发挥尾矿的应用价值，需联合其他材料使用。目前，改良路基多采用铁尾矿、铜尾矿等，较少采用金尾矿，而金尾矿产量不断增加，却无法得到有效利用。同时，尾矿多运用在黏土区，较少运用在黄土地区，因为黄土具有遇水易发生不均匀沉降及湿陷等不良特性，仅加入尾矿无法有效弥补黄土水稳性差、湿陷性等缺陷。鉴于此原因，本文遵循“固废再利用”理念，利用金尾矿对黄土路基进行改良，将不同掺量的金尾矿掺入水泥，利用无侧限抗压强度试验研究混合土样强度演变规律，采用扫描电镜探究金尾矿对黄土内部结构的影响。研究结果可进一步提高黄土地区公路路基的稳定性，为金尾矿改良路基提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

金尾矿取自安徽省的一个铁矿区，由于矿料粒径不均匀，所以利用球磨机将金尾矿磨细成小于1 mm的粒径。金尾矿的化学成分见表1，其中二氧化硅的含量占70.82%，三氧化二铁和氧化铝分别占13.66%和5.08%，具有一定的火山灰反应潜力。金尾矿的细度模量为1.56，比重为3.14。

试验所用黄土选自西安市某段公路，位于地下2～3 m深处。收集到的黄土样品在使用前被粉碎和干燥。土壤的物理性质见表2。

水泥为马鞍山海螺水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥、平均粒径为21 μm，比表面积为320 m2/kg，化学成分主要包括CaO（67%）、SiO2（20%），数据均为海螺水泥有限公司提供。

1.2 试验制备

定义金尾矿掺量W为金尾矿与土壤质量比的百分数，分别按照W1=0%、W2=5%、W3=10%、W4=15%、W5=20%配置不同掺量的金尾矿土，并加入5%的水泥。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）的试验方法，按照试验规定比例，准确称量土、尾矿、蒸馏水、水泥。首先将金尾矿和土壤混合搅拌，将80%的蒸馏水喷洒到改性土壤中，搅拌均匀后放在密封袋中固化12 h。然后，将所需的水泥和剩余的20%蒸馏水加入改性土壤中，进行二次搅拌。最后，用千斤顶和模具将金尾矿土静态地压入直径和高度均为50 mm的圆柱形模具中，置于恒温恒湿条件下养护，在养护7 d、14 d时分别进行无侧限抗压强度试验及抗剪强度试验。

1.3 试验方法

无侧限抗压强度及抗剪强度试验使用的设备为SLB-1三轴剪切试验机，其起落速度为1 mm/min，采用电脑进行自动记录，获得无侧限抗压强度值及抗剪强度试验值。

微观测试利用JSM-6490LV扫描电子显微镜对金尾矿土的微观结构进行扫描。实验样品在乙醇中浸泡24 h，在样品中心取一小块方片（5 mm×5 mm），放置在60 ℃的温度环境下干燥12 h。该切片在扫描前按要求进行真空镀金处理。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

图1为养护7 d、14 d条件下，不同金尾矿掺量下黄土无侧限抗压强度变化曲线。从图1中可以看出，随着金尾矿掺量的增加，无侧限抗压强度呈先快速增加，后缓慢增加的趋势，最大抗压强度为235 kPa。当金尾矿掺量为0～15%时，抗压强度增长速度较快，这可能是金尾矿含量较少、黄土含量较高时，试样强度主要来自内部颗粒的堆积和表面之间的摩擦，而颗粒之间的有效黏聚力較小，随金尾矿的活性被水泥水化产物Ca（OH）2激活，生成的C-S-H凝胶与黄土颗粒相互团聚，可以有效地填充孔隙，加强颗粒间的胶结，增加黏聚力，宏观上显示出黄土试样随金尾矿掺量的增加，无侧限抗压强度增长速度加快的结果。但随着金尾矿含量继续增加，过量金尾矿形成的空隙无法被黄土填充，因此强度降低，并且由于水泥含量固定，生成的Ca（OH）2有限，导致过量金尾矿无法完全激活，出现金尾矿掺量达到20%时，强度增长缓慢的结果。同时可观察到，随着养护周期增加，金尾矿土无侧限抗压强度呈增加趋势，表明养护周期越长，越有利于金尾矿与其他离子发生化学反应，生成凝胶物质，填充土壤内部孔隙，提高黄土试样抗压强度，这也说明影响黄土强度的主要因素是孔隙、裂缝、水化产物。随着金尾矿的加入，一方面，大颗粒黄土因为重成为土骨架，而黄土细小颗粒填充孔隙，导致孔隙率降低，密实度增强；另一方面，水化过程中也会产生大量的C-S-H凝胶填充孔隙，使密度增加，从而提高强度。

2.2 渗透特性

渗透试验采用的是TST-55型渗透仪。将制作完成的重塑黄土试样放置在渗透仪上，将透水石放置在试样上下两侧并与水头装置连接。首先打开排水装置，使试样达到饱和状态，然后控制供水管流速，记录水头高度变化与水温温度。

图2为不同金尾矿与水泥掺量下重塑黄土渗透系数变化柱状图。由图2可知，随着混合料掺量的增加，渗透系数呈先下降后上升的趋势，不同掺量（5%、10%、15%、20%）的黄土较素黄土（0%）渗透系数分别下降19.5%、44.9%、57.5%、54.0%。素土（0%）渗透系数最高（8.7×10-7 cm/s），原因是素土内部孔隙较多，颗粒之间空隙较大，同时黄土遇水易溃散，颗粒间失去胶结作用，土壤内部结构被水破坏，易导致水分在土壤内部流动，所以素土渗透系数相对较高。随着混合料掺量的增加（5%～15%），渗透系数呈下降趋势。一方面，由于金尾矿发挥其填充与膨胀作用使黄土孔隙的连通性降低，阻碍了水流通过，使改良黄土的抗渗特性得到改善；另一方面，水泥的胶结作用产生的水化硅酸钙和铝酸钙等胶凝物质［化学反应式如公式（1）、公式（2）所示］减少重塑黄土内部孔隙，使重塑黄土抗渗能力得到显著提高。随着混合料掺量继续增加（20%），过量金尾矿依然起到填充孔隙的作用，但此时过量石灰会形成较大胶凝物，反而增加黄土内部孔隙，并且孔隙增加程度大于金尾矿填充效果，所以渗透系数在掺量为20%时比掺量为15%时略有增加。

xCa（OH）2+SiO2+nH2O→xCaO?SiO2?（n+x）?H2O （1）

xCa（OH）2+Al2O3+nH2O→xCaO?Al2O3?（n+x）?H2O （2）

公式（1）和（2）中，n表示含有多少水的质量，x表示含有多少有机材料的质量。

2.3 抗剪强度

图3为不同养护周期下抗剪强度变化曲线。随着金尾矿掺量增加，抗剪强度与无侧限抗压强度变化趋势相同，即抗剪强度先快速增加，后平缓增加。当掺入金尾矿后，土骨架逐渐由黄土颗粒支撑转变为金尾矿颗粒支撑，金尾矿颗粒之间的孔隙在剪切作用下被直径较小的黄土颗粒填充，孔隙面积和直径降低。同时，黄土颗粒与金尾矿颗粒接触面积增大，增加颗粒间的摩擦力，改善孔隙结构，提高土骨架强度。黄土在持续剪切力的作用下，由于颗粒间孔隙较小且颗粒之间的摩擦作用，限制颗粒发生相对位移，使土骨架不易被破坏，这也是金尾矿改良黄土抗剪强度增大的原因。但掺入过量金尾矿后，由于金尾矿表面积较大，金尾矿颗粒相互接触后（以点接触为主）会产生较大孔隙，并且黄土颗粒在剪切作用下无法有效填充孔隙，黄土颗粒无法通过狭小孔隙通道进入金尾矿颗粒所形成的孔隙空间，进而导致黄土内部孔隙率提高，无法有效抵挡剪切破坏，使抗剪强度增加缓慢。养护周期越高，抗剪强度的提高越明显，主要依赖于金尾矿与Ca（OH）2发生火山灰反应生成的凝胶物质与水泥水化产物（C-S-H凝胶与C-A-H凝胶）共同依附于黄土颗粒，增大了颗粒间的接触面积，使黄土在剪切力的作用下颗粒间摩擦力增大，咬合力提高。养护14 d时，不同掺量的金尾矿（5%～20%）较素黄土（0%）分别提高33.3%、77.8%、94.4%、101.8%；養护7 d时，不同掺量的金尾矿分别提高68.8%、95.6%、139.5%、166.7%。

2.4 微观试验

图4为养护14 d时不同掺量的金尾矿黄土微观图像。由图4可以看出，随着金尾矿掺量的增加，黄土内部孔隙逐渐减少，胶凝物质增多，颗粒接触面积增大。当金尾矿掺量为0时，黄土内部存在较多的孔隙，颗粒分布不均匀，连通性较差。土壤内部结构以颗粒状和片状为主，部分区域有不规则的团聚体。土颗粒主要以点—点接触和点—面接触，颗粒堆叠形成架空松散结构，内部包含少量胶结物质。当金尾矿掺量为5%～15%时，黄土内部结构表现为外观较致密、孔隙小。颗粒以聚合结构的形式存在且颗粒接触面积增大，大量的C-S-H凝胶以纤维和片状的形式填充孔隙，同时水泥的水化产物降低黄土试样的孔隙度，使结构致密，从而提高了无侧限抗压强度与抗剪强度，这与上述试验结果一致。当金尾矿掺量为20%时，可以明显观察到黄土内部出现较小粒径的孔隙，存在相互连接的小裂纹且出现较大的团聚体。大量的絮凝水化产物覆盖在颗粒的表面，填充孔隙，减少颗粒之间的间隙。由于过量金尾矿的掺入导致黄土内部孔隙持续演变，在力的作用下，土骨架强度下降，此状态下的重塑土样内部孔隙较多，过量金尾矿颗粒相互团聚，又由于黄土含量较低，金尾矿含量较高，黄土颗粒并未占据金尾矿颗粒间的孔隙，而是较多地游离在土骨架外，易导致在力的作用下颗粒接触方式转变为点接触，孔隙间距增大，进一步降低土体强度。

3 结论

分析试验结果，可以得出以下结论。

（1）随着金尾矿掺量的增加，无侧限抗压强度呈先快速增加，后缓慢增加的趋势，最大抗压强度为235 kPa。

（2）金尾矿可有效提高黄土抗剪强度，养护14 d后，不同掺量的金尾矿（5%、10%、15%、20%）较素黄土（0）分别提高33.3%、77.8%、94.4%、101.8%。

（3）微观试验结果表明，加入水泥与金尾矿可以发生离子交换反应，使团聚体更致密。水泥水化及金尾矿火山灰反应生成的C-S-H凝胶和碳酸钙能有效填充黄土的孔隙，使金尾矿与土壤颗粒的结合更致密，进一步增强强度。

4 参考文献

［1］申艳军，白志鹏，郝建帅，等.尾矿制备混凝土研究进展与利用现状分析［J］.硅酸盐通报，2021，40（3）：845-857，876.

［2］王海玲.铁尾矿料路基填筑施工技术研究［J］.交通世界，2022（Z2）：147-148.

［3］罗敖，熊竹.粘土包边尾矿砂路基稳定性研究［J］.公路工程，2013，38（6）：254-259.

［4］李富有，何余良.铁尾矿粉在道路工程中的应用研究［J］.中外公路，2022，42（1）：233-239.

［5］刘炳华，闫新勇.尾矿砂填筑公路路基的物理力学性质及参数研究［J］.郑州铁路职业技术学院学报，2012，24（3）：26-28.

【作者简介】黄海锋，男，广西容县人，任职于广西路建工程集团有限公司，工程师，研究方向：道路桥梁工程。