CN106116395A - 一种作为道路底基层填料的无机结合料稳定土及其配制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种作为道路底基层填料的无机结合料稳定土及其配制方法，其是将工业废料铁尾矿砂和电石渣作为无机结合料；由于铁尾矿砂颗粒强度较大，在混合料中起骨架作用,提高了稳定土的强度,起到对土体的物理改良作用；而电石渣水化物既可以填充孔隙，又具有胶结作用，起到对土体的化学改良作用，故本发明是利用两种无机工业废料对土体的物理化学复合改良的方法。本发明通过在土中掺入工业废料铁尾矿砂和电石渣，改善了土体的内部结构，从而提高了土体的密实性、强度以及水稳定性；且本发明技术简单，具有成本低廉、节约资源和易于推广的特点。

Description

一种作为道路底基层填料的无机结合料稳定土及其配制方法

技术领域

本发明属于地质灾害处理及岩土工程技术领域，具体涉及一种作为道路底基层填料的无机结合料稳定土。

背景技术

改革开放以来，我国公路建设得到突飞猛进的发展。而“十二五”时期是我国交通运输发展进程中极不平凡的5年。公路网络不断延伸，全国公路通车总里程达457万公里，高速公路里程突破12万公里，“7918”国高网基本建成，农村公路里程突破397万公里，西部地区81％的建制村实现通畅，国省干线公路技术等级逐步提升，全国96％的县城实现二级及以上等级公路连通。虽然公路建设取得巨大的成果，但是我国运输供给能力仍然不足，全面建设小康社会对交通运输提出更高要求。

公路按照结构层可分为路面、基层、底基层以及垫层。底基层可分为粒料类、无机结合料稳定类和有机结合料稳定类。粒料类底基层又称无粘结粒料类材料底基层，主要包括级配碎石、级配砾石、符合级配的天然砂砾、砾石加工成的级配砾碎石、填隙碎石、泥结碎石及泥灰结碎石等。粒料类底基层又常分为嵌锁型和级配型，目前常用的有填隙碎石(嵌锁型)、级配碎(砾)石、天然砂砾(级配型)几种。粒料类底基层的主要特点是透水性大、施工方便，我国大都将此类结构作为高等级公路的底基层或垫层。无机结合料稳定类底基层又称半刚性底基层，常用的半刚性底基层材料有：水泥稳定材料、石灰稳定材料及综合稳定材料。其中，水泥稳定材料包括水泥稳定级配碎石(砾石)、水泥稳定石屑、水泥稳定土及水泥稳定砂等。石灰稳定材料包括石灰碎石土、石灰土等。综合稳定材料包括水泥煤渣土、水泥粉煤灰土、石灰粉煤灰土及石灰煤渣土等。半刚性底基层具有良好的力学性能，强度高、水稳性好、板体性好。有机结合料沥青稳定类底基层包括热拌沥青混合料、沥青贯入碎石及沥青稳定土等。

但是目前常用的道路底基层材料大多属于资源性材料，例如碎石、水泥及石灰等。开采原材料能耗大，加剧环境的破坏，而且加工原材料会进一步污染环境。根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》的内容，矿产资源是经济和社会可持续发展的重要物质基础，我国矿产资源严重紧缺，坚持资源节约优先；引导和支撑循环经济发展，强化废弃物减量化、资源化利用与安全处置，加强发展循环经济的共性技术研究；优先综合治污与废弃物循环利用，开发废弃物等资源化利用技术，建立发展循环经济的技术示范模式。如何充分利用现有废弃物，降低工程费用是设计人员、科研人员和施工人员考虑的一个重要问题。所以，探寻一种安全适用、技术可靠、经济合理以及环境和谐的底基层填料是广大工程参与者亟待解决的问题。

铁尾矿砂是一种工业废料，多以泥浆形式外排，日积月累形成尾矿库。铁尾矿库不仅占用大面积土地，而且容易造成塌方、溃坝等灾害，给周边环境带来很大的安全隐患。近些年来，我国矿产资源的开发规模更是不断增大，每年产生的铁尾矿砂数以亿吨计。据统计，目前我国堆存的铁尾矿量近80亿吨。数量如此庞大的铁尾矿砂同时也是一种可利用的资源。目前，铁尾矿利用主要集中在生产改性砂浆、水泥以及砖块等方面，取得了不少有益的成果，对铁尾矿砂的利用实现了废弃物的资源化、无害化和减量化。但是以上处理方式由于处理成本高或是掺入量少等原因，使得每年消耗利用的尾矿砂相对于产生的量较少。

电石渣是工业制乙炔生成的废料，它的主要成分为氢氧化钙，有少许金属氧化物和有机物等，具有较强的保水性。电石渣不仅是污水管网的重点污染源，并且堆放易造成土壤严重钙化。据统计，每年我国大约新增3000万吨的电石渣。由于电石渣富含氢氧化钙，与熟石灰成分相似，利用电石渣来稳定路基用土，尤其是稳定特殊土，不仅可以解决特殊土路基对公路的危害，而且可以拓展电石渣的工程应用范围。

基于“以废治废”的思想，根据目前道路底基层材料的使用情况，考虑将工业废料铁尾矿砂和电石渣作为无机结合料，将含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土作为道路底基层填料。该方法既实现了工业“双废”(铁尾矿砂与电石渣)资源化利用，形成一种“废物利用、变废为宝”的资源利用模式，提供了一种新的道路底基层材料，主要是解决了特殊土地区缺乏优质填料的工程问题。这对我国产业升级以及建设资源节约型社会具有重大的意义和价值。

发明内容

本发明基于上述问题，提供了一种作为道路底基层填料的无机结合料稳定土，将工业废料铁尾矿砂和电石渣作为无机结合料。由于铁尾矿砂颗粒强度较大，在混合料中起骨架作用,提高了稳定土的强度,起到对土体的物理改良作用；而电石渣水化物既可以填充孔隙，又具有胶结作用，起到对土体的化学改良作用，故本发明是利用两种无机工业废料对土体的物理化学复合改良的方法。通过在土中掺入工业废料铁尾矿砂和电石渣，改善了土体的内部结构，提高了土体的密实性、强度以及水稳定性。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明作为道路底基层填料的无机结合料稳定土，其特点在于：所述无机结合料稳定土的各原料按质量百分比的构成为：

电石渣 6％～8％；

铁尾矿砂 20％～30％；

工程所用土体的干土 64％～74％。

其中：所述铁尾矿砂的化学成分以质量百分比计为：二氧化硅60.0％～70.0％，三氧化二铝7.0％～13.0％，三氧化二铁10.0％～15.0％，氧化钙2.0％～6.0％，氧化镁4.0％～8.0％及三氧化硫0.5％～3.0％。

所述电石渣的化学成分以质量百分比计为：氧化钙58.3～65.7％，氧化镁0.26～0.41％，二氧化硅3.4～6.2％，三氧化二铝1.4～3.8％,三氧化二铁0.21～0.51％及三氧化硫0.19～0.37％。

所述铁尾矿砂的粒径为细粒级别，粒径大于0.25mm的颗粒质量占铁尾矿砂总质量的43.6～52.0％，粒径大于0.075mm的颗粒质量占铁尾矿砂总质量的89.3～94.1％。

上述无机结合料稳定土的配制方法，包括如下步骤：

第一步，按质量百分比称取电石渣、铁尾矿砂和工程所用土体的干土；先将铁尾矿砂和干土充分拌和，然后再与电石渣搅拌均匀，得到混合土；

第二步，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中的重型击实试验，确定混合土的最佳含水率；

第三步，根据第二步确定的最佳含水率，调整第一步得到的混合土的含水率，使其保持在最佳含水率，然后搅拌均匀并且在自然条件下闷料12～24h，即得到作为道路底基层填料的的无机结合料稳定土。

将上述含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土，作为道路底基层的施工方法为：

第一步，将含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土卸到指定地点后，采用水平分层填筑法逐层向上铺筑。根据《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)要求，每层松铺土层厚度不宜超过400mm，应检验其厚度并满足预定的要求；

第二步，在施工面用摊铺机摊铺均匀，必要时人工辅助整平，构成一层底基层；检测构成底基层的无机结合料稳定土的含水率达到最佳含水率或略大于最佳含水率后，从最低处开始分层铺筑，填料摊铺、整平时，做成2％～4％的横坡，利于横向排水；

第三步，按照先慢后快、先边后中、先静压后振动碾压的原则，用压路机碾压，并对碾压后的底基层进行精确整平；

第四步，检测新完成底基层的施工质量，如压实度、平整度等，施工质量满足要求后，方可进行下一层底基层的铺筑。在摊铺之前，先将下承层顶面拉毛或采用凸块式压路机碾压。填料宜在当天碾压完成，最长不应超过4d。

本发明中，所用的无机结合料为铁尾矿砂和电石渣，其在无机结合料稳定土中发挥的作用有：

在含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土中，由于铁尾矿砂颗粒之间存在嵌锁和摩阻作用，使得其表面相互滑动摩擦、剪切时体积膨胀而需克服的阻力以及颗粒重新排列而受到的阻力有所提升，故砂土颗粒之间产生的咬合更加紧密，抵抗外力的能力增强；另外铁尾矿砂颗粒硬度较大，在混合料中起到类似于混凝土骨料砂、石的作用，即尾矿砂颗粒起骨架作用。粒子干涉理论认为，为了达到最大密实度，应由下一级颗粒填充前一级颗粒之间的空隙，其余空隙又被次小颗粒填充，但是填充的颗粒粒径不能大于其间隙之间的距离，不然大小颗粒之间一定会产生干涉现象。因为尾矿砂粒径较一般黏土颗粒粒径要大些，使得电石渣水化物和黏土颗粒填充其孔隙，同时也起到胶结作用，从而改善了土体的内部结构，提高了土体的密实性、强度以及水稳定性，达到稳定土的作用。而且电石渣成分类似石灰，具有同石灰相似的效果，例如吸收空气中的二氧化碳形成碳酸钙晶体，而碳酸钙晶体坚固，水稳性好，从而提高了土的强度。

本发明的有益效果体现在：

(1)工业废料的资源化利用：本发明利用的是工业废料铁尾矿砂和电石渣，两者均是进行工业生产产生的废弃物。将铁尾矿砂与电石渣作为无机结合料，充分利用了两种工业废料的特性及有效成分，实现了工业废料合理开发二次资源，形成一种“废物利用、变废为宝”的资源利用模式，这对我国产业升级以及建设资源节约型社会具有重大的意义和价值。

(2)降低工程造价：本发明将含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土作为道路底基层填料，利用的是工业废料铁尾矿砂和电石渣，两者均是工业废弃物，价格低廉，从而很大程度上降低了工程造价。

(3)保护环境：本发明利用工业废料铁尾矿砂和电石渣，可以降低铁尾矿砂和电石渣这些工业废料因堆积而占用大量的土地资源以及对周边环境的影响，同时也可避免因堆积引起的地质灾害。

(4)本发明技术简单，具有成本低廉、节约资源和易于推广的特点。

具体实施方式

本发明所用的铁尾矿砂取自安徽省庐江龙桥矿业有限公司，电石渣取自安徽省庐江某精细化工有限公司，两种工业废料的化学成分见表1。所用土取自合肥市马鞍山路与太湖路交口的某工程场地：液限46.8％，塑性指数22.6，自由膨胀率为60.5％，胀缩总率2.47％；无侧限抗压强度806kPa，浸水后强度213kPa，即水稳系数为0.26；CBR值为2.89％。

表1铁尾矿砂与电石渣化学成分

实施例1

本实施例按如下步骤配制作为道路底基层填料的无机结合料稳定土：

第一步，取天然含水率的代表性土样50kg，碾碎并过20mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的天然含水率；按质量百分比分别称取6％的电石渣、20％的铁尾矿砂和74％的烘干土；先将铁尾矿砂和烘干土样充分拌和，然后再与电石渣搅拌均匀，得到混合土；

第二步，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中重型击实试验确定混合土的最佳含水率为11.9％；

第三步，根据第二步确定的最佳含水率，调整第一步得到的混合土的含水率，使其保持在最佳含水率，然后搅拌均匀并且在自然条件下闷料18h，即得到含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土。

根据上述重型击实试验结果，在压实度为95％的条件下，含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土的各项试验结果如下：液限41.6％，塑性指数13.9，自由膨胀率为38.0％，胀缩总率0.69％，无侧限抗压强度1398.7kPa，浸水24h后强度为844.5kPa，即水稳系数为0.60，CBR值为91.2％。

以上试验结果表明：电石渣掺入比为6％、铁尾矿砂掺入比为20％的无机结合料稳定土作为道路底基层填料是可行的。按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的关于胀缩总率的试验，无机结合料稳定土胀缩性有了显著降低，满足《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)中规定的胀缩总率≤0.7％的要求；按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的自由膨胀率试验，自由膨胀率也有了显著降低；根据《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)中规定的膨胀土分级标准，该复合改良土属于非膨胀土；按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)所做的无侧限抗压强度试验，无侧限抗压强度有了显著提高，虽然浸水后强度有所降低，但仍然满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中规定的强度值；按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的承载比(CBR)试验，CBR值显著提高，满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中规定的CBR值。总之，将含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土作为道路底基层填料满足道路底基层材料相关要求。

实施例2

本实施例按如下步骤配制作为道路底基层填料的无机结合料稳定土：

第一步，取天然含水率的代表性土样50kg，碾碎并过20mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的天然含水率；按质量百分比分别称取8％的电石渣、20％的铁尾矿砂和72％的烘干土，先将铁尾矿砂和烘干土样充分拌和，然后再与电石渣搅拌均匀得到混合土；

第二步，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中重型击实试验确定混合土的最佳含水率13.8％；

第三步，根据第二步确定的最佳含水率，调整第一步得到的混合土含水率，使其保持在最佳含水率，然后搅拌均匀并且在自然条件下闷料18h，即得到含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土。

按照上述重型击实试验结果，在压实度为95％的条件下，含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土的各项试验结果如下：液限40.5％，塑性指数12.9，自由膨胀率为32.0％，胀缩总率0.19％，无侧限抗压强度1738.0kPa，浸水24h后强度1160.2kPa，即水稳系数为0.67，CBR值为109.8％。

以上试验结果表明：电石渣掺入比为8％、铁尾矿砂掺入比为20％的无机结合料稳定土作为道路底基层填料是可行的。按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的关于胀缩总率的试验，无机结合料稳定土胀缩性有了显著降低，满足《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)中规定的胀缩总率≤0.7％的要求；按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的自由膨胀率试验，自由膨胀率也有了显著降低，根据《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)中规定的膨胀土分级标准，该复合改良土属于非膨胀土；按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)所做的无侧限抗压强度试验，无侧限抗压强度有了显著提高，虽然浸水后强度有所降低，但仍然满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中规定的强度值；按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的承载比(CBR)试验，CBR值显著提高，满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中规定的CBR值。总之，将含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土作为道路底基层填料满足道路底基层材料相关要求。

实施例3

本实施例按如下步骤配制作为道路底基层填料的无机结合料稳定土：

第一步，取天然含水率的代表性土样50kg，碾碎并过20mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的天然含水率；按质量百分比分别称取6％的电石渣、30％的铁尾矿砂和64％的烘干土，先将铁尾矿砂和烘干土样充分拌和，然后再与电石渣搅拌均匀得到混合土；

第二步，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中重型击实试验确定混合土的最佳含水率14.0％；

第三步，根据第二步确定的最佳含水率，调整第一步得到的混合土含水率，使其保持在最佳含水率，然后搅拌均匀并且在自然条件下闷料18h，即得到含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土。

按照上述重型击实试验结果，在压实度为95％的条件下，含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土的各项试验结果如下：液限37.4％，塑性指数12.2，自由膨胀率为28.0％，胀缩总率0.23％，无侧限抗压强度1706.0kPa，浸水24h后强度1073.4kPa，即水稳系数为0.63，CBR值为110.7％。

以上试验结果表明：电石渣掺入比为6％、铁尾矿砂掺入比为30％的无机结合料稳定土作为道路底基层填料是可行的。按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的关于胀缩总率的试验，无机结合料稳定土胀缩性有了显著降低，满足《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)中规定的胀缩总率≤0.7％的要求；按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的自由膨胀率试验，自由膨胀率也有了显著降低，根据《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)中规定的膨胀土分级标准，该复合改良土属于非膨胀土；按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)所做的无侧限抗压强度试验，无侧限抗压强度有了显著提高，虽然浸水后强度有所降低，但仍然满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中规定的强度值；按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)所做的承载比(CBR)试验，CBR值显著提高，满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中规定的CBR值。总之，将含有铁尾矿砂与电石渣的无机结合料稳定土作为道路底基层填料满足道路底基层材料相关要求。

Claims (5)

1.一种作为道路底基层填料的无机结合料稳定土，其特征在于：所述无机结合料稳定土的各原料按质量百分比的构成为：

电石渣 6％～8％；

铁尾矿砂 20％～30％；

工程所用土体的干土 64％～74％。

2.根据权利要求1所述的无机结合料稳定土，其特征在于：所述铁尾矿砂的化学成分以质量百分比计为：二氧化硅60.0％～70.0％，三氧化二铝7.0％～13.0％，三氧化二铁10.0％～15.0％，氧化钙2.0％～6.0％，氧化镁4.0％～8.0％及三氧化硫0.5％～3.0％。

3.根据权利要求1所述的无机结合料稳定土，其特征在于：所述电石渣的化学成分以质量百分比计为：氧化钙58.3～65.7％，氧化镁0.26～0.41％，二氧化硅3.4～6.2％，三氧化二铝1.4～3.8％,三氧化二铁0.21～0.51％及三氧化硫0.19～0.37％。

4.根据权利要求1所述的无机结合料稳定土，其特征在于：所述铁尾矿砂的粒径为细粒级别，粒径大于0.25mm的颗粒质量占铁尾矿砂总质量的43.6～52.0％，粒径大于0.075mm的颗粒质量占铁尾矿砂总质量的89.3～94.1％。

5.一种权利要求1所述无机结合料稳定土的配制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，按质量百分比称取电石渣、铁尾矿砂和工程所用土体的干土；先将铁尾矿砂和干土充分拌和，然后再与电石渣搅拌均匀，得到混合土；

第二步，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中的重型击实试验，确定混合土的最佳含水率；

第三步，根据第二步确定的最佳含水率，调整第一步得到的混合土的含水率，使其保持在最佳含水率，然后搅拌均匀并且在自然条件下闷料12～24h，即得到作为道路底基层填料的的无机结合料稳定土。