一种用铁尾细砂改良膨胀土的方法及其施工方法.pdf

本发明公开了一种用铁尾细砂改良膨胀土的方法及其施工方法，是先按配比将铁尾细砂和所需改良的膨胀土混合均匀，获得混合土，然后通过重型击实试验确定混合土的最优含水率，并通过增湿或晾干处理，使混合土的含水率保持在最优含水率，最后经闷料即获得铁尾细砂改良的膨胀土。本发明的方法可以有效提高膨胀土的强度，并解决膨胀土填料胀缩变形破坏问题，所获得的改良土可用于膨胀土地区的建筑、铁路、公路、机场、水利工程等填筑材料，具有巨大的经济效益和工程建设意义。

1.  一种用铁尾细砂改良膨胀土的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，将铁尾细砂和所需改良的膨胀土混合均匀，获得混合土，其中所述铁尾细砂占所述膨胀土土颗粒质量的30％～50％；
第二步，以所述混合土塑限w_P-(2.0％～4.0％)为中间值，制备5个不同含水率的混合土试样，构成试样组，要求各相邻含水率的混合土试样的含水率相差2.0～2.5％；对所述试样组中各混合土试样进行重型击实试验，确定混合土的最优含水率；
第三步，根据第一步所用铁尾细砂的含水率和膨胀土的天然含水率，按照第二步所确定的混合土的最优含水率，对第一步的混合土进行增湿或晾干处理，使得混合土的含水率保持在最优含水率；
第四步，将第三步所得的最优含水率条件下的混合土进行均匀搅拌后，在自然条件下进行闷料12～24小时，即得到铁尾细砂改良的膨胀土。

2.  根据权利要求1所述的铁尾细砂改良膨胀土的方法，其特征在于：
所述的铁尾细砂的化学成分，按照质量百分比的构成为：SiO₂ 60.0％～70.0％、Al₂O₃7.0％～13.0％、Fe₂O₃ 10.0％～15.0％、CaO 2.0％～6.0％、MgO 4.0％～8.0％及SO₃ 0.5％～3.0％。

3.  根据权利要求1或2所述的铁尾细砂改良膨胀土的方法，其特征在于：
所述的铁尾细砂的含水率小于5.0％。

4.  根据权利要求1或2所述的铁尾细砂改良膨胀土的方法，其特征在于：
所述的铁尾细砂的粒径为细砂级别，粒径大于0.25mm的颗粒质量超过铁尾细砂总质量的48.0％，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过铁尾细砂总质量93.0％。

5.  一种权利要求1～4中任意一项所述方法所获得的铁尾细砂改良的膨胀土。

6.  一种权利要求5所述铁尾细砂改良的膨胀土的施工方法，其特征在于，施工步骤为：
第一步，将铁尾细砂改良的膨胀土卸到指定地点后，在施工面机械摊铺均匀并辅助人工整平，摊铺厚度为25～30cm，构成一层填土层；
第二步，检测构成填土层的铁尾细砂改良的膨胀土的含水率达到最优含水率后，按照先慢后快，先静压后振动碾压的原则，用压路机碾压填土层，并对碾压后的填土层进行精确整平；
第三步，检测填土层的压实度达到所需压实度后，进行下一层填土层的摊铺。

一种用铁尾细砂改良膨胀土的方法及其施工方法
一、技术领域
本发明涉及的是一种膨胀土的改良及施工方法，具体涉及一种工业废料铁尾细砂的资源化利用，以及其在提高膨胀土强度和减小膨胀土胀缩变形时所需的最优铁尾细砂掺量的方法，属于地质灾害处理及岩土工程技术领域。
二、背景技术
膨胀土是一种特殊的高液限黏性土，具有吸水膨胀崩解、失水收缩、多裂隙、超固结和对环境湿热变化非常敏感等特殊性质。使膨胀土地区的建筑、铁路、公路、机场、水利工程等经常遭受巨大的破坏，造成巨大的经济损失。而我国是世界上膨胀土分布范围最广，面积最大的国家之一。因此，在我国膨胀土地区开展工程建设，寻求一种安全适用、技术先进、经济合理和环境友好(保护环境)的膨胀土处理方法是广大工程参与者亟待解决的问题。
目前膨胀土处理的方法主要有：换填法、保湿法、生物改良法、化学改良法等。换填法是一种将地基下膨胀土挖去而换填成具有强度较高、压缩性较低、性能稳定和无侵蚀性的土类方法。换填法费工费时且换填所需的填土大多数取自于耕地农田，极大浪费了我国的土地资源，与我国现阶段所提倡的“建设资源节约型、环境友好型社会”不相一致；保湿法(俗称包裹法)是利用含水率的变化引起膨胀土干缩湿胀这一原理，采用保持土中的含水率相对不变，从而达到消除膨胀土胀缩变形的目的。通常利用土工布或者粘性土将膨胀土进行包裹，避免膨胀土因与外界接触而引起的含水率变化，此方法处理成本不高，经济性较好。但未从根本上解决膨胀土的胀缩性，且施工过程中不易把握，容易出现质量隐患，因而在实际工程中不易推广应用；生物改良法是利用生物表面活性剂附着在粘土矿物的表面上，可以降低土颗粒液面张力和增强粘土矿物表面的疏水性，破坏或降低了粘土矿物表面水化膜的厚度，从而使土颗粒间的粘结力变大，土的抗剪强度提高，胀缩性减小。该种生物表面活性剂因其本身易老化、不经济性和施工中的不易操作性等，因而在实际工程推广应用中受到制约；化学改良法就是通过改良剂与膨胀土中的引发胀缩的粘土颗粒发生一定的化学反应或离子交换，最终使膨胀土膨胀潜势降低，同时能提高强度和水稳定性增强的目的。常用的化学改良法包括石灰改良、工业废渣(粉煤灰)改良、水泥改良等。石灰能够明显降低膨胀土的胀缩性，但石灰改良膨胀土不仅存在石灰改良膨胀土施工周期长、长期稳定性差等缺点，而且施工过程中还存在石灰对周围环境和地下水的污染。水泥改良膨胀土具有凝结硬化快及施工速度快等优点，但改良土易产生干缩裂缝、施工质量难以控制以及处理费用较高等缺点。粉煤灰改良膨胀土能够提高膨胀土的抗剪强度，降低液限，但是对胀缩性改良效果不明显，且成本相对较高，现场施工难以控制。综上所述，目前膨胀土改良方法的效果并不理想。因此，寻求 一种安全适用、技术先进、经济合理和环境友好(保护环境)的膨胀土处理方法有待进一步研究。
尾矿是选矿和工业生产中形成的细颗粒的、采用水力输送排放，可用土的特征描述的固体物质。砂性尾矿中粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量85％的尾矿称为尾细砂。矿山企业在选矿完成后排放的尾矿砂，多以泥浆形式外排，日积月累形成尾矿库。尾矿库占地面积大，而且极具安全隐患，另外在尾矿库中富含的选矿药剂尾矿的水渗透到地下，对环境、地下水也会造成极大的污染。据统计，2000年以前，我国矿山产出的尾矿总量为50.26亿吨，其中，铁矿尾矿量为26.14亿吨，有色金属的尾矿量为21.09亿吨，黄金尾矿量为2.72亿吨，其他0.31亿吨。据调查，2000年我国矿山年排放尾矿达到6亿吨，按此推算，现有尾矿的总量80亿吨左右。然而我国的铁尾矿库中的尾矿多以铁尾细砂的形式存在。因此，在目前的技术条件下，研究如何充分利用丰富的铁尾细砂资源具有重要意义。
对铁尾细砂的处理方法一般是作为矿山地下开采采空区的充填料，即水砂充填料或胶结充填的集料；或者直接在铁尾矿堆积场上覆土造田，种植农作物或植树造林；而目前最具经济效益的处理方法是尾矿制砂和作为建筑材料的原料，如用于制作水泥、尾砂砖瓦、玻璃等以及用于公路填筑等。但由于技术、经济方面的原因，目前铁尾细砂采用以上处理方法的较少，大多数铁尾细砂还是采用露天堆放。因此，寻求一种工业废料铁尾细砂作为建筑材料的新途径，实现工业废料“资源化利用”将具有明显的经济效益和社会效益。
三、发明内容
本发明针对已有的膨胀土处理方法中存在的缺陷，旨在提供一种用铁尾细砂改良膨胀土的方法，该方法通过对膨胀土中掺入工业废料铁尾细砂，达到降低控制膨胀土胀缩势能大小的物质成分的含量：即降低蒙脱石含量、离子交换量以及小于2μm黏粒含量。本发明提供了一种安全适用、技术先进、经济合理和环境友好(保护环境)的膨胀土处理方法，可以有效提高膨胀土的强度及解决膨胀土填料胀缩变形破坏问题，易于推广。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明用铁尾细砂改良膨胀土的方法，其特点在于包括以下步骤：
第一步，将铁尾细砂和所需改良的膨胀土混合均匀，获得混合土，其中所述铁尾细砂占所述膨胀土土颗粒质量的30％～50％；膨胀土的质量为土颗粒质量、水的质量和空气质量之和，空气质量可忽略不计。
第二步，以所述混合土塑限w_P-(2.0％～4.0％)为中间值，制备5个不同含水率的混合土试样，构成试样组，要求各相邻含水率的混合土试样的含水率相差2.0～2.5％；对所述试样组中 各混合土试样进行重型击实试验，确定混合土的最优含水率；
第三步，根据第一步所用铁尾细砂的含水率和膨胀土的天然含水率，按照第二步所确定的混合土的最优含水率，对第一步的混合土进行增湿或晾干处理，使得混合土的含水率保持在最优含水率；
第四步，将第三步所得的最优含水率条件下的混合土进行均匀搅拌后，在自然条件下进行闷料12～24小时，即得到铁尾细砂改良的膨胀土。
其中：所述的铁尾细砂的化学成分，按照质量百分比的构成为：SiO₂ 60.0％～70.0％、Al₂O₃ 7.0％～13.0％、Fe₂O₃ 10.0％～15.0％、CaO 2.0％～6.0％、MgO 4.0％～8.0％及SO₃ 0.5％～3.0％。
所述的铁尾细砂的含水率小于5.0％。
所述的铁尾细砂的粒径为细砂级别，粒径大于0.25mm的颗粒质量超过铁尾细砂总质量的48.0％，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过铁尾细砂总质量93.0％。
按照上述方法所获得的铁尾细砂改良的膨胀土的施工方法是：
第一步，将铁尾细砂改良的膨胀土卸到指定地点后，在施工面机械摊铺均匀并辅助人工整平，摊铺厚度为25～30cm，构成一层填土层；
第二步，检测构成填土层的铁尾细砂改良的膨胀土的含水率达到最优含水率后，按照先慢后快，先静压后振动碾压的原则，用压路机碾压填土层，并对碾压后的填土层进行精确整平；
第三步，检测填土层的压实度达到所需压实度后，进行下一层填土层的摊铺。
本发明中铁尾细砂是工业废料，实现了工业废渣的资源化利用，同时避免了尾砂长期堆积造成的地质灾害，具有明显地经济效益和社会效益。
本发明中将铁尾细砂与膨胀土通过机械搅拌均匀并闷料12～24小时后，即可摊铺。经改良的膨胀土的各项物理力学性质指标得到明显改善，经测定：经改良的膨胀土的自由膨胀率为25.0～32.0％；膨胀力68.8～115.9kPa；胀缩总率e_ps为0.28～0.61％；无侧限抗压强度达到0.80-1.09MPa；相应CBR值8.2～11.0％。可用作道路、坝体、机场跑道、工程回填等填筑材料，具有巨大的经济效益和工程建设意义。
与已有技术相比，本发明有益效果体现有:
1、工期短：本发明的改良方法只需将铁尾细砂与膨胀土搅拌均匀并闷料12～24小时后，即可运输到现场摊铺，无需养护。另外，在实际工程中因膨胀土初始含水率一般都大于最优含水率，而加入含水率小于5.0％的铁尾细砂后，可以实现改良土的含水率接近最优含水率，减少了过去因膨胀土含水率过大所产生的翻晒时间，大大缩短了工程的工期；
2、环境保护：利用本发明可以减少铁尾矿堆积而占用的大量土地和对周围环境的污染，同时解决了目前因尾细砂堆积引起的地质灾害问题；
3、资源再生利用：利用本发明，将工业废料铁尾细砂处理的膨胀土成为工程性质良好土工材料，可用于道路、坝体、机场跑道、工程回填等填筑土，产生了再生资源，实现了资源可持续性发展，该改良法属于物理改良方法，因而此改良土有较强的稳定性；
4、价格低廉：本发明实现工业废渣铁尾细砂资源化利用，避免了传统膨胀土改良时所采用的大量固化剂(石灰、水泥等)的用量，且本发明减少了矿山企业的尾库成本，故本发明大大节约了膨胀土改良成本，又实现了铁尾细砂再利用的新途径。
本发明的改良机理是：
本发明中掺入的铁尾细砂的粒径为细砂级别，粒径大于0.25mm的颗粒质量超过总质量48.0％，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量93.0％。首先，大颗粒的铁尾细砂在改良土中起到骨架作用，提高了改良土的饱和强度，增强了改良土的水稳定性。其次，通过铁尾细砂的掺入可以降低控制膨胀土胀缩势能大小的物质成分的含量，从而减小了改良土的自由膨胀率、膨胀力以及胀缩总率等。再次，利用尾矿细砂的摩擦阻力，可以抵消部分膨胀土的膨胀力及消耗部分膨胀能量，从而达到减小改良土的膨胀力和自由膨胀率。
四、具体实施方式
本发明所用的铁尾细砂取自合肥市庐江县龙桥铁矿，其含水率应小于5.0％，若含水率超过该值，可以先采用自然晒干或者预先烘干法。试验膨胀土选自合肥市包河花园附近的市政工程，天然含水率为25.1％，重度19.3kN/m³，粘粒含量34.3％，最优含水率23.3％，最大干密度1.99×10³kg/m³，自由膨胀率为54.0％，膨胀力207.0kPa，胀缩总率1.97％，无侧限抗压强度984.5kPa；相应CBR值3.1％。
实施例1：
铁尾细砂改良的膨胀土的室内试验配置步骤：
(1)取天然含水率的代表性膨胀土50kg，碾碎，过20mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的天然含水率；称取占膨胀土中土颗粒质量30％(定义为铁尾细砂掺入比30％)的铁尾细砂，并将其与膨胀土混合均匀，获得混合土；
(2)根据混合土的塑限w_P预估铁尾细砂掺入比30％的混合土的最优含水率小于其塑限4.0％，以该预估最优含水率“w_P-4.0％”为中间值制备5个不同含水率的混合土试样，构成试样组，相邻两个含水率的差值宜为2.5％；将以上五种不同含水率的混合土拌匀后，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中的重型击实试验确定铁尾细砂掺入比30％的混合土的最 优含水率为17.0％，最大干密度为2.11×10³kg/m³；
(3)根据第一步所用铁尾细砂的含水率和膨胀土的天然含水率，按照第二步所确定的混合土的最优含水率，对第一步的混合土进行增湿或晾干处理，使得混合土的含水率保持在最优含水率；
(4)将第(3)步所得的最优含水率条件下的混合土进行均匀搅拌后，在自然条件下进行闷料24小时，即得到铁尾细砂改良的膨胀土。
按照上述重型击实试验结果，在压实度为96％的条件下，测得铁尾细砂改良的膨胀土的膨胀力115.9kPa，胀缩总率0.61％，自由膨胀率32.0％，无侧限抗压强度1085.4kPa，相应CBR值8.2％。
以上试验结果表明：铁尾细砂掺入比为30％的改良膨胀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)中规定的胀缩总率小于0.7％的要求，自由膨胀率也显著降低，根据《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)中膨胀土分级标准，该改良土属于非弱膨胀土；CBR强度有所提高，满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)中CBR值不小于8.0％的要求；无侧限抗压强度有所提高，满足填料强度不低于0.80MPa要求。总之，铁尾细砂改良的膨胀土满足工程填料相关要求。
上述铁尾细砂改良的膨胀土的施工方法为：将上述的铁尾细砂改良的膨胀土卸到指定地点后，在施工面机械摊铺均匀并辅助人工整平，摊铺厚度为25～30cm，构成一层填土层；然后，检测构成填土层的铁尾细砂改良的膨胀土的含水率达到最优含水率后，按照先慢后快，先静压后振动碾压的原则，用压路机碾压填土层，并对碾压后的填土进行精确整平；最后，检测每层填土层的压实度达到所需压实度后，方可进行下一层土的摊铺。
实施例2：
铁尾细砂改良的膨胀土的室内试验配置步骤：
(1)取天然含水率的代表性膨胀土50kg，碾碎，过20mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的天然含水率；称取占膨胀土中土颗粒质量40％的铁尾细砂，并将其与膨胀土混合均匀，获得混合土；
(2)根据混合土的塑限w_P预估铁尾细砂掺入比40％的混合土的最优含水率小于其塑限3.0％，以该预估最优含水率“w_P-3.0％”为中间值制备5个不同含水率的混合土试样，构成试样组，相邻两个含水率的差值宜为2.0％；将以上五种不同含水率的混合土拌匀后，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中的重型击实试验确定铁尾细砂掺入比40％的混合土的最优含水率为16.5％，最大干密度为2.14×10³kg/m³；
(3)根据第一步所用铁尾细砂的含水率和膨胀土的天然含水率，按照第二步所确定的混合土的最优含水率，对第一步的混合土进行增湿或晾干处理，使得混合土的含水率保持在最优含水率；
(4)将第(3)步所得的最优含水率条件下的混合土进行均匀搅拌后，在自然条件下进行闷料12小时，即得到铁尾细砂改良的膨胀土。
按照上述重型击实试验结果，在压实度为96％的条件下，测得铁尾细砂改良的膨胀土的膨胀力102.1kPa，胀缩总率0.43％，自由膨胀率30.0％，无侧限抗压强度860.7kPa，相应CBR值9.8％。
以上试验结果表明：铁尾细砂掺入比为40％的改良膨胀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)中规定的胀缩总率小于0.7％的要求，自由膨胀率也有了显著降低，根据《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)中膨胀土分级标准，该改良土属于非弱膨胀土；CBR强度显著提高，满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)中CBR值不小于8.0％的要求；无侧限抗压强度有所降低，但满足填料强度不低于0.80MPa要求。总之，铁尾细砂改良的膨胀土满足工程填料相关要求。
上述铁尾细砂改良的膨胀土的施工方法为：将上述的铁尾细砂改良的膨胀土卸到指定地点后，在施工面机械摊铺均匀并辅助人工整平，摊铺厚度为25～30cm，构成一层填土层；然后，检测构成填土层的铁尾细砂改良的膨胀土的含水率达到最优含水率后，按照先慢后快，先静压后振动碾压的原则，用压路机碾压填土层，并对碾压后的填土进行精确整平；最后，检测每层填土层的压实度达到所需压实度后，方可进行下一层土的摊铺。
实施例3：
铁尾细砂改良的膨胀土的室内试验配置步骤：
(1)取天然含水率的代表性膨胀土50kg，碾碎，过20mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的天然含水率；称取占膨胀土中土颗粒质量50％的铁尾细砂，并将其与膨胀土混合均匀，获得混合土；
(2)根据混合土的塑限w_P预估铁尾细砂掺入比50％的混合土的最优含水率小于其塑限2.0％，以该预估最优含水率“w_P-2.0％”为中间值制备5个不同含水率的混合土试样，构成试样组，相邻两个含水率的差值宜为2.0％；将以上五种不同含水率的混合土拌匀后，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中的重型击实试验确定铁尾细砂掺入比50％的混合土的最优含水率为14.1％，最大干密度为2.18×10³kg/m³；
(3)根据第一步所用铁尾细砂的含水率和膨胀土的天然含水率，按照第二步所确定的混 合土的最优含水率，对第一步的混合土进行增湿或晾干处理，使得混合土的含水率保持在最优含水率；
(4)将第(3)步所得的最优含水率条件下的混合土进行均匀搅拌后，在自然条件下进行闷料12小时，即得到铁尾细砂改良的膨胀土。
按照上述重型击实试验结果，在压实度为96％的条件下，测得铁尾细砂改良的膨胀土的膨胀力68.8kPa，胀缩总率0.28％，自由膨胀率25.0％，无侧限抗压强度804.1kPa，相应CBR值11.0％。
以上试验结果表明：铁尾细砂掺入比为50％的改良膨胀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)中规定的胀缩总率小于0.7％的要求，自由膨胀率也有了显著降低，根据《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)中膨胀土分级标准，该改良土属于非弱膨胀土；CBR强度显著提高，满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)中CBR值不小于8.0％的要求；无侧限抗压强度有明显地降低，但满足填料强度不低于0.80MPa要求。总之，铁尾细砂改良的膨胀土满足工程填料相关要求。
上述铁尾细砂改良的膨胀土的施工方法为：将上述的铁尾细砂改良的膨胀土卸到指定地点后，在施工面机械摊铺均匀并辅助人工整平，摊铺厚度为25～30cm，构成一层填土层；然后，检测构成填土层的铁尾细砂改良的膨胀土的含水率达到最优含水率后，按照先慢后快，先静压后振动碾压的原则，用压路机碾压填土层，并对碾压后的填土进行精确整平；最后，检测每层填土层的压实度达到所需压实度后，方可进行下一层土的摊铺。