铁尾矿砂-水泥改良膨胀土工程特性试验研究*

程 伟 高 峰 胡建林, 郑瑞海 王晓燕 宋 超

(1.河北建筑工程学院土木工程学院 张家口 075000； 2.山西大同大学建筑与测绘工程学院 大同 037003；3.河北省沥青路面工程固废综合利用技术创新中心 张家口 075000)

膨胀土是一种富含亲水性矿物成分(如蒙脱石、伊利石)的高塑性黏土。其对环境湿度变化敏感，具有干缩湿胀的特点。因为其反复胀缩变形会使膨胀土路基、边坡等发生破坏，给项目建设带来安全风险和经济损失。因此如何有效改良膨胀土成为该领域的重要研究课题。

国内外许多学者对膨胀土的改良进行了研究，他们的改良效果和改良机理各有不同。综合起来可以分成3大类：①物理改良方法，通过使用一些不与膨胀土发生反应的惰性材料(如风化砂、石屑、铁尾矿等)，依靠材料间的嵌挤咬合作用达到抑制膨胀土膨胀变形的作用[1-3]。②化学改良法，将水泥、石灰、粉煤灰等材料混入膨胀土中，通过在膨胀土中的化学反应生成新物质，从而降低膨胀土的活性，从而抑制膨胀土的胀缩变形[4-6]。③复合改良，复合改良可以充分发挥多种改良方法的优点，达到更好的改良效果。陈伟等[7]采用崩解性砂岩-水泥改良膨胀土，通过常规物理力学试验和扫描电镜试验，发现了崩解性砂岩和水泥的掺入均能有效抑制膨胀土的胀缩性，且复合改良效果要优于单一改良，并从微观上解释了其作用机理；杨俊等[8]进行了风化砂分别和水泥、石灰、粉煤灰复合改良的研究，通过室内试验，对其无侧限抗压强度进行分析，分别得出了3种复合改良的最佳掺和比。

使用水泥改良膨胀土已经广泛应用在工程实践中，其具有较好的适应性和经济性。铁尾矿砂改良膨胀土与传统的物理改良法类似。存在一些不足之处，铁尾矿砂与膨胀土结合会使膨胀土的黏结力下降，使得铁尾矿砂改良膨胀土的强度提高不太明显。因此，本文提出了一种新的复合改良方法，在膨胀土中加入一定比例的铁尾矿砂，同时掺入一定量的水泥，掺铁尾矿砂能改善膨胀土的颗粒级配，掺入水泥能够起到很好的胶结作用，提高改良膨胀土的强度。充分发挥2种材料的优点，提高改良膨胀土的强度。同时还可以提高铁尾矿砂的利用率。

本文讨论的双掺改良土用于高速公路路基填土的上路床位置。结合张家口张尚高速沿线膨胀土，采用水泥和铁尾矿砂复合改良的方法，对标准养护7 d的改良膨胀土进行无侧限抗压强度试验。以研究水泥掺量和铁尾矿砂掺量对改良土强度的影响。

1 试验方案设计

1.1 试验材料

试验所用膨胀土取自河北省张家口市张尚高速公路沿线k5段，土样呈黄褐色、灰白色，见蜡状光泽，有很细的砂粒，表层土干燥时呈硬块状。试验用膨胀土基本性质指标见表1。

试验用水泥采用的是张家口金隅水泥有限公司日产的矿渣硅酸盐水泥P·S·A 32.5。

试验用铁尾矿砂呈灰黑色，其主要性质指标见表2。

1.2 试验方案

为研究铁尾矿砂-水泥改良膨胀土的强度特征，并确定最优的铁尾矿砂掺量，分别进行击实试验和无侧限抗压强度试验。

文中铁尾矿砂掺量是指铁尾矿砂的干质量与膨胀土和铁尾矿砂干质量之和的比率，水泥掺量是指水泥的干质量与铁尾矿砂和膨胀土干质量之和的比率。

本试验采用的铁尾矿掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%；水泥掺量分别为4%、6%、8%、10%、12%；试件采用压力试验机静压成型，其中试模为直径×厚度为100 mm×100 mm的圆柱体。根据JTG D30-2015 《公路路基设计规范》按96%的压实度制样。施工时通过控制土的最优含水率、分层压实和提高压实功的方式来保证其压实度。

1.3 试样制备

试验配料按上述配合比进行配料。根据JTG 3430-2020 《公路土工试验规程》进行重型击实试验，得到不同水泥掺量、不同铁尾矿掺量下的最优含水率和最大干密度。试样制备如下：将膨胀土和铁尾矿砂充分拌和，根据重型击实试验得到的最优含水率，喷上一定质量的水 (预留2%)，混合均匀后放入塑料袋中放置24 h；在试样成型前1 h内，将预设质量的水泥和水加入混合物中，混合料搅拌均匀后，根据其最大干密度和压实度计算所需混合料质量，分3次倒入试模内，然后在压力试验机下以1 mm/min的加载速率成型；在标准养护室养护7 d后，在万能试验机上进行无侧限抗压强度试验，每组试样制备3个平行试样，取试验结果满足精度要求的3组试验的平均值，作为最终的试验结果。

2 试验结果与分析

2.1 击实试验

通过重型击实试验，得到了不同水泥掺量、不同铁尾矿砂掺量下改良膨胀土的最优含水率、最大干密度。见表3、表4。限于篇幅，本文只对单掺水泥、单掺铁尾矿砂的情况进行了分析。

表3 不同掺量铁尾矿砂、水泥改良膨胀土最优含水率试验结果 %

表4 不同掺量铁尾矿砂、水泥改良膨胀土最大干密度试验结果

单掺水泥改良膨胀土的击实试验结果见图1。

图1 不同水泥掺量下的击实试验曲线

由图1可见，改良土最大干密度随水泥掺量的增加逐渐增大，最优含水率随水泥掺量的增加而逐渐减小。这是由于在外力击实作用下，土颗粒不但要克服颗粒间的摩阻力，还要克服水分子形成的黏聚力。随着水泥掺量的增加，水泥与膨胀土中强亲水矿物发生反应，降低了改良土的吸水能力，结合水膜变化范围变小，土颗粒间斥力增加而引力相对减小，颗粒发生相对移动的阻力降低，所以在相同的压实能下，改良土更容易被压实[9]。所以，随着水泥掺量的增加改良土最大干密度增加，最优含水率降低。

单掺铁尾砂矿改良膨胀土的击实试验结果见图2。

图2 不同铁尾矿砂掺量下的击实试验曲线

由图2可见，改良土最大干密度随铁尾矿砂掺量的增加逐渐增大，最优含水率随铁尾矿砂掺量的增加而逐渐减小。这是由于铁尾矿砂为惰性材料，几乎不与土体发生反应，且吸水率极低，并且铁尾矿砂的相对密度比土高，所以改良土最大干密度随铁尾矿砂掺量的增加逐渐增大，最优含水率随铁尾矿砂掺量的增加而逐渐减小。

2.2 无侧限抗压强度试验

2.2.1改良膨胀土试验结果

通过无侧限抗压强度试验，得到了不同水泥掺量、不同铁尾矿掺量下改良膨胀土的抗压强度，结果见表5～表7。

表5 铁尾矿砂改良膨胀土无侧限抗压强度试验结果

表6 水泥改良膨胀土无侧限抗压强度试验结果

表7 铁尾矿砂-水泥改良膨胀土无侧限抗压强度试验结果

2.2.2改良膨胀土试验结果分析

限于篇幅，本文对水泥改良膨胀土铁尾矿砂-水泥改良膨胀土进行分析。

1) 单掺水泥改良膨胀土无侧限抗压强度分析。水泥改良膨胀土的无侧限抗压强度与水泥掺量之间的关系曲线见图3。

图3 水泥掺量与改良土无侧限抗压强度的关系曲线

由图3可见，随着水泥掺量的增加，改良膨胀土的无侧限抗压强度逐渐增大，水泥掺量从0%增加到4%时，无侧限抗压强度增加0.176 MPa,水泥掺量从4%增加到6%时，无侧限抗压强度增加0.356 MPa，水泥掺量从6%增加到8%时，无侧限抗压强度增加0.459 MPa，水泥掺量从8%增加到10%时，无侧限抗压强度增加0.157 MPa，水泥掺量从10%增加到12%时，无侧限抗压强度增加0.149 MPa。随着水泥掺量的增加，改良土的无侧限抗压强度的增长速率呈现先快后慢的趋势。出现这种现象的原因是当膨胀土中掺入水泥后，水泥发生水化反应、离子交换反应、团粒作用等一系列化学反应，生成了高强度的凝胶体，改善了膨胀土的受力骨架，从而使膨胀土的强度显著提高。当水泥掺量多时，需要过多的水，很多水泥物质还没有发生反应，所以改良土的强度增长变缓。

李儒天等[10-11]通过研究发现水泥改良膨胀土的无侧限抗压强度与水泥掺量的关系符合三次多项式关系。根据表3的试验结果，通过Origin软件对水泥改良膨胀土的无侧限抗压强度与水泥掺量的关系分别用多项式和logistic线性回归方法进行拟合,结果见图4、图5。

图4 水泥改良膨胀土无侧限抗压强度与水泥掺量的拟合曲线(多项式)

图5 水泥改良膨胀土无侧限抗压强度与水泥掺量的拟合曲线(Logistic线性回归)

由图4、图5可见，与传统的多项式拟合相比，logistic线性回归的R2比多项式拟合的大。回归效果更加显著。

2) 双掺水泥、铁尾矿砂改良膨胀土无侧限抗压强度分析。

双掺水泥、铁尾矿砂改良膨胀土的无侧限抗压强度与水泥掺量之间的关系曲线见图6。

图6 不同水泥掺量下改良膨胀土铁尾矿掺量与改良土无侧限抗压强度的关系曲线

由图6可知，改良土的无侧限抗压强度随着铁尾矿砂掺量的增加呈先增加后减小的趋势，当铁尾矿砂掺量为20%时，改良土的无侧限抗压强度达到最大。

这是由于水泥能与膨胀土发生一系列化学反应，生成了高强度的凝胶体，改善了膨胀土的受力骨架;铁尾矿砂由于具有一定的棱角和硬度，能产生较大的相互摩擦嵌挤作用，增加了改良土颗粒间的摩擦力。从而使改良土在外力作用下，变形减小，从而增强了改良土的无侧限抗压强度。

3 结论

1) 单掺水泥改良膨胀土击实试验，随水泥掺量的增加，最大干密度逐渐增加，最优含水率逐渐减小。单掺铁尾矿砂改良膨胀土击实试验，随铁尾矿砂掺量的增加，最大干密度逐渐增加，最优含水率逐渐减小。

2) 单掺水泥改良膨胀土的无侧限抗压强度随水泥掺量的增加逐渐增大，增长速率呈先快后慢的趋势，且水泥改良膨胀土无侧限抗压强度与水泥掺量之间的拟合关系式为

3) 双掺水泥、铁尾矿砂改良膨胀土时，改良土的无侧限抗压强度随着铁尾矿砂掺量的增加呈先增加后减小的趋势，不同水泥掺量下最优铁尾矿砂掺量均为20%。