林煜宏，潘荣建，兰素恋
(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；
2.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；
3.广西职业技术学院，广西 南宁 530023)
铁尾矿是铁矿石经选矿作业后产生的废渣，其颗粒粒度细，一般呈粉细砂状，在矿山选矿作业过程中，常堆积于尾矿库中，形成尾矿堆积坝。我国的铁尾矿库数量较多，尤其以稳定性较差的中小型库为主。据统计，2019年我国尾矿类固废产量为10.3亿t[1]。其中，铁尾矿是我国最主要的尾矿固废类型，其产量约占尾矿总产量的50%，并以5亿t/年的速度持续增长。目前，发达国家对尾矿的综合利用率高达60%左右，而国内尾矿综合利用率不到20%，远低于其他大中型工业固废的利用率。在生产实践中，除部分贵重金属尾矿被用于矿山采空区回填外，大部分尾矿被接排入并堆存于尾矿库中，带来了一系列的土地占用、植被破坏和资源浪费等问题。加之尾矿堆积坝体量大、势能高、工程稳定性较差，使堆积体容易受到强降雨、冻融循环和地震等极端自然和气候条件的影响，造成溃坝事故[2]，对下游造成严重的人员伤亡、生态破坏和财产损失。如2008年生产单位因违法违规生产和采取错误的工程措施导致了“9·8山西襄汾新塔矿业尾矿库溃坝事故”，事故泄容量达26.8万m3，过泥面积30.2 hm2，造成277人死亡，直接经济损失达9 619.2万元，对下游的生态和环境造成了严重破坏[3]。
随着我国经济高速增长，我国西部地区公路建设进入加速阶段。据统计数据显示，截至2020年末，我国公路公里总数达到519.81万km，高速公路里程达16.10万km[4]。由于我国特殊的地形地貌，在西部地区公路建设中普遍存在软土层问题，这类土的抗剪强度较低、压缩性高、固结速度慢，因而沉降变形量大、地基稳定性很差，容易导致严重的公路质量问题，因此常需要对其做特殊处理，以提高地基的稳定性和承载力。软土地基的处理对天然石材、石灰、粉煤灰和水泥等建筑材料的需求量较大。然而，随着生态环保意识的不断增强，全国各地对砂石骨料开采的限制越来越严格，道路工程建设中所需要的粗、细集料(包括砂、矿粉等)产能大幅下降，价格也一路升高。
铁尾矿中Si、Fe和Al元素所占比例较大，其矿物组成与天然砂石骨料十分相似，放射性和对水环境的影响较小，属于非惰性材料[5]。目前对铁尾矿在公路工程中的应用已有大量研究，涉及不同等级公路的各个结构层[6]，但是关于铁尾矿在公路软土地基处理方面的研究还鲜有报道。若通过科学技术手段，将铁尾矿合理应用于公路软土地基处理工程，不仅可以使铁尾矿得以大量利用，大幅降低尾矿库库容，还能够代替砂石集料，降低公路工程的造价，将具有极高的环境效益和经济效益。因此，本文在分析铁尾矿物理化学性质的基础上，基于铁尾矿磨粉后活性得到提高的特点，对铁尾矿在公路软土地基处理中的应用进行了深入探讨，对提高铁尾矿的综合利用率，降低道路工程成本，提升道路工程品质具有积极意义。
1.1 铁尾矿的物理性质
取四川某尾矿库的铁尾矿料，其比重为2.75，塑性WP为18.5%，液限WL为33.2%，塑性指数IP为15.7，最优含水率为14%。经烘干、人工研磨后，对其进行颗粒粒度分析，其级配曲线如图1所示。由图1可以看出，该铁尾矿最大粒径≤2.5 mm，粒径较细，d60和d30分别为0.18 mm和0.07 mm。其不均匀系数Cu为15，曲率系数Cc为2.3，满足Cu>5，1
图1 铁尾矿级配曲线图
1.2 铁尾矿的化学性质
采用X-射线荧光光谱法对该铁尾矿的化学组成进行分析，试验结果如表1所示，由表1可知，该铁尾矿主要含有Si、Fe、Mg、Ca、Al等元素的氧化物成分，上述氧化物含量分别为33.63%、22.92%、19.46%、10.83%和6.44%，Si、Fe和Al元素所占比例较大，其矿物组成与天然砂石骨料较为相似。此外，该铁尾矿还含有少量的K2O、TiO2以及其他微量化合物。
表1 铁尾矿的主要化学成分表(%)
2.1 铁尾矿基多源固废复合激发胶凝材料
碱激发胶凝技术是基于一些材料具有火山灰活性或水硬性的特点，借助对应的碱性激活剂对材料的活性物质进行激发，使材料发生水化反应，从而制备具有良好使用性能的胶凝材料。20世纪40-60年代，美国学者Purdon[7]和苏联学者Glukhovsky[8]率先将矿渣和粉煤灰用作原料制备了碱激发胶凝材料。随后，应用固废制备碱激发胶凝材料的新技术得到迅速发展，并成功运用于矿山胶凝充填工程和其他建筑工程当中。固废虽然化学组成各不相同，但其主要成分中均含有一定量的SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3等，具有潜在胶凝活性。研究表明，对铁尾矿进行磨粉处理，能够改变铁尾矿中的氧化钛铁结构，提高铁尾矿的火山灰活性[9]。因此，在软土地基处理中，可将铁尾矿进行磨粉，并将其与矿渣微粉、粉煤灰和高岭土一同作为复合前驱体，采用电石渣、脱硫石膏和氢氧化钠作为复合激发剂，辅之以少量的水泥熟料，通过一定的配合比设计，制备性能良好的多源固废复合激发胶凝材料。上述固废与水反应能够生成C-S-H胶凝和C-A-S-H胶凝等水化产物，其典型水化产物一般为网状、蜂窝状的胶凝体，元素组成以Ca、Si、Al、Na等元素为主，反应方程式如式(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)
2.2 铁尾矿基胶凝材料软土改良体
对埋深≤3 m、回填面积比较大的软弱土地基，可采用以铁尾矿粉为主要原料的多源固废复合激发胶凝材料对土性进行改良。施工前应先采用立磨机等大型磨粉器械对铁尾矿进行机械研磨，提高铁尾矿的火山灰活性和水化性能。在软黏土或浅层地基土中掺入铁尾矿基多源固废复合激发胶凝材料，在控制含水量条件下进行搅拌，利用土颗粒、孔隙水和胶凝材料之间的水化反应来改善土的性质。施工时需对浅层软弱土区域进行网格划分处理，根据软弱土深度确定各网格区域的胶凝材料用量，沿着地基纵深方向对掺胶凝材料的软弱土进行强力搅拌，应注意初凝时间和拼接长度设计，必要时可添加缓凝剂、减水剂等外加剂。碱激发胶凝产物一般具较高的强度[10]，胶凝产物生成后，通过对原有空隙的填充和对土颗粒的包裹，形成稳定的胶凝强度，从而使软弱土地基的物理力学性质获得明显改善，增强地基的承载力。
2.3 固化铁尾矿砂桩复合地基
多源固废复合激发胶凝材料固化铁尾矿砂桩可用于软弱黏土或可液化软土地基，其作用原理与水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)较为类似，兼具柔性桩和刚性桩的特点，其桩体28 d无侧限抗压强度可以达到3 MPa左右。该固化铁尾矿桩在施工时依靠桩管打入地基，对地基有一定的横向挤密作用，使得周围土颗粒间发生相互错动，粒间大孔隙被小孔隙填充，孔隙率减小，颗粒之间距离缩短，增强了土的骨架作用，从而提高土的抗剪强度，降低地基的压缩性。另一方面，由于固化铁尾矿桩本身具有一定的胶凝强度，能够承担较大的外荷载，使得地基承载力大幅提高。对于高等级公路，设计时可考虑在桩体与桩间土体的上部铺筑具有一定厚度的砂垫层，与桩和桩间土形成复合地基。交通荷载的传递首先抵至褥垫层，然后分散至桩和桩间土，并由二者共同承担。固化铁尾矿桩复合地基主要通过桩体作用、垫层作用、加速固结作用、挤密作用和加筋作用等，提高地基的承载力。
固化铁尾矿桩的施工方法可采用振动挤密法和沉管法等。振动冲法指通过振冲器振动水冲成孔，清理后填入铁尾矿及胶凝材料混合料，形成半刚性桩基。在施工过程中，首先需要对表层杂土进行清理，平整场地，以便于施工器械移动。随后，需要按照设计图纸进行测量定位，确定现场桩基位置。之后，应用成孔器械在既定桩位成孔，并填入铁尾矿及胶凝材料混合料，通过振动器械使其振动密实。在振冲过程中应该严格控制填料质量和振留时间。成桩后桩基在地下水的作用下发生胶凝反应，逐渐获得胶凝强度。沉管法施工与振冲法相类似，但其采用沉管进行成孔施工，采用振动或锤击填料方式成桩。固化铁尾矿桩施工完成后，可按需进行褥垫层铺设，施工过程中应该采取分层碾压的方式，同时确保密实度满足设计要求。
2.4 铁尾矿砂垫层
铁尾矿砂垫层法属于置换法的一种，与换土垫层法具有相似的原理。该方法通过将浅层软弱土全部或者部分挖除，换填为全尾矿砂，并按照要求进行压实，以提高铁尾矿的粘聚力。铁尾矿垫层法适用于软弱土厚度<3 m的浅层地基。首先需要对表层软弱土进行挖出，换填时将铁尾矿和黏粒混合料进行搅拌，采取注水调控，必要时需降低地下水位，以控制其最优含水率。可采用夯实、振动与碾压相配合的施工方法进行压实，在施工过程中对压实度进行控制，使地基承载力满足设计要求。换填后的铁尾矿垫层可以起到较好的缓冲作用，基底应力通过垫层的扩散作用，传递至软弱土层时大幅降低，使得地基的承载力得到提高。从铁尾矿的级配组成可以看出，铁尾矿是一种级配良好的砂类土，其本身并不具备粘聚力或粘聚力很小，可通过添加少量黏粒，增加其细粒含量，以使铁尾矿在较小的压实功作用下压密，提高铁尾矿垫层的强度。
已有研究表明，铁尾矿放射性和对水环境的影响较小，属于无毒非惰性材料[5]，因此，铁尾矿已在不同等级公路得到大量应用。对于铁尾矿基胶凝材料软土改良体和铁尾矿桩复合地基，由于铁尾矿粉和铁尾矿砂被生成的水化产物较好地包裹，因此，上述工艺产生的污染较小。对于铁尾矿砂垫层，铁尾矿颗粒与水土产生直接接触，因此，在实际应用过程中，应该根据现场地质情况和施工条件综合分析，需要对铁尾矿中重金属离子析出进行严格的监测和分析，必要时可以采取黏土包边等隔离措施，以确保对环境的影响满足相关规范要求。
(1)试验采用的铁尾矿颗粒粒径以砂粒为主，粒径>0.075 mm的颗粒质量占比>50%，其中d60和d30分别为0.18 mm和0.07 mm，属于尾粉砂。
(2)试验得出，该铁尾矿的化学组成与天然砂石骨料较为相似，其成分以Si、Fe、Mg、Al等元素的氧化物为主，且Si、Fe和Al元素所占比例较大。
(3)粉磨工艺能够提高铁尾矿的火山灰活性，粉磨后铁尾矿协同多源固废制备碱激发胶凝材料，其在公路软土地基中的应用形式主要有：铁尾矿胶凝材料软土改良体、固化铁尾矿桩复合地基以及铁尾矿砂垫层等，在实际应用中应该根据现场工况进行综合选择。
(4)在铁尾矿处理公路软土地基实践中，应该重视重金属离子析出问题，需要根据现场地质环境、施工条件等综合评估铁尾矿对环境的影响。
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