石棉尾矿在公路底层铺筑中的使用

　　0、引言

　　雅泸高速公路是国家高速公路网首都放射线北京—昆明公路的重要路段，也是交通运输部规划建设的8条西部大通道之一，交通运输部全国科技示范路。该高速公路经过四川省石棉地区，当地筑路材料严重缺乏。创建于20世纪30年代的石棉县宋家坪石棉矿，每生产1t石棉产生约12m3石棉尾矿，目前在矿区斜坡上堆积的石棉尾矿已超过6×106m3，若能将废弃石棉尾矿料用作高速公路(底)基层，不仅可以解决尾矿堆积斜坡稳定、雨水冲刷等问题，而且还可以为治理尾矿污染节省大笔费用，合理利用土地对矿区生态恢复也有积极作用，有利于可持续发展。国内外学者在石棉尾矿用于制备砖瓦、陶瓷等方面进行了大量研究，但将大量石棉尾矿应用于公路工程方面的研究还较少。本文对石棉尾矿在(底)基层中应用进行了系统的试验研究。

　　1、石棉尾矿材料

　　1．1物理力学性能指标

　　石棉尾矿是在石棉矿采选中产生的矿物残渣，从外表上看，石棉尾矿呈致密块状、层状或纤维状集合体，外观颜色呈灰绿色，蛇纹石化橄榄岩，质地坚硬，还含有少量滑石、白云石和方解石。蛇纹石主要由含镁约25%的超基性镁硅酸盐组成，密度2．5～2．8g/cm3，莫氏硬度4．0，有脂滑感。蛇纹石变质成纤维状者称温石棉，又称蛇纹石石棉。

　　为了解石棉尾矿的表面特性，进行了扫描电子显微镜(SEM，scanning electron microscope)分析，结果见图1。为合理利用石棉尾矿料，了解石棉尾矿粗、细集料特性，分别对粗集料进行表观密度、含泥量、针片状颗粒含量(游标卡尺法)等试验，对细集料进行表观密度、含泥量、液塑限等试验，结果见表1。

　　从试验结果可知，粗集料表观密度大于2．5g/cm3，吸水率小于3．0%，含泥量小于1．0;细集料表观密度大于2．5g/cm3，小于0．075mm含量小于3．0%，液限小于28，塑性指数小于6．0，满足水泥稳定基层集料的基本性能要求，可以作为水稳基层集料使用，但石棉尾矿含有约3%～5%短小石棉纤维，在密实状态下，纤维将细粒黏结在一起，这将影响压实最大干密度和最优含水量。从SEM图片可以看出石棉尾矿含有细小的石棉纤维，这是导致级配石棉尾矿碎石与一般级配碎石相比吸水率偏高的原因，因此要合理利用石棉尾矿碎石作为水稳(底)基层，应严格控制施工含水量和做好施工防排水。

　　1．2化学成分分析

　　为充分认识石棉尾矿料的组成成分，采用X射线衍射分析法(XRD，X－ray diffraction)和X射线荧光光谱法(XRF，X Ray Fluorescence)对宋家坪石棉尾矿料进行化学成分及元素含量分析。石棉尾矿XRD图谱见图2，石棉尾矿化学成分XRF分析实验室结果见表2。

　　

　　由XRD和XRF测试结果分析可知，该石棉尾矿结晶较好，其化学成分主要为SiO2和MgO，二者含量约88%，含有少量Fe2O3，可以在高速公路(底)基层中应用。

　　1．3环境影响分析

　　石棉矿开采后，尾矿直接堆放在斜坡上，目前尾矿堆积边坡最高已达18m左右，基本属于自然极限堆积状态，堆存这些尾矿使大面积土地、植被受到破坏，石棉尾矿矿区地形地貌如图3所示。尾矿堆积体边坡完全为松散堆积体，一旦条件发生变化，其稳定性将难以保证，容易形成滑坡或泥石流等灾害事故，使得更大面积的土地受到破坏，水体遭受污染并可能危及人身和财产安全。

　　石棉尾矿中含有少量未选出的碎石棉短纤维，随着建材生产的二次分选，尾矿粒径基本为0．5cm以下。且石棉尾矿处在自然环境中，长期受到风蚀、氧化、溶滤等过程使尾矿堆场变成一个周期性的尘暴源，对空气造成污染。石棉尾矿对人体危害主要是因为尾矿中含有少量温石棉粉尘，主要化学成分为Mg6［Si4O10］［OH］8，该粉尘是尘肺的根源。温石棉粉尘的浓度、人体在没有防护的情况下吸入高浓度粉尘的时间，都是影响尘肺病变的关键因素，所以合理利用石棉尾矿在施工过程中还要特别注意防护措施。

　　2、其他试验材料性质

　　2．1粉煤灰和水泥

　　采用Ⅱ级粉煤灰，其活性成分为SiO2+A12O3+Fe2O3，占成分总量的70%以上;水泥为P．O42．5普通硅酸盐水泥，初凝时间大于45min，终凝时间小于10h，二者化学成分和物理力学性能指标见表4、表5。

　　2．2外加剂

　　外加剂采用缓凝减水剂，其主要成分为一萘磺酸钠甲醛缩合物，按水泥质量的1．0%掺入，减水率为21．4%，泌水率比为70%。

　　3、石棉尾矿(底)基层配合比设计

　　本研究依托雅泸高速公路P3段路面工程进行，根据石棉尾矿物理化学性质和工程特性以及沿线材料分布，采用水泥稳定石棉尾矿碎石方案。

　　3．1最优含水量及最大干密度

　　将石棉尾矿集料，共分19～31．5mm、19～9．5mm、这5档规格进行混合，级配曲线如图4所示。以级配石棉尾矿料和水泥为主要材料组成的混合料，采用振动击实试验研究水泥掺入量对混合料的最大干密度和最优含水量的影响。水泥掺入量分别为2．5%、3%、3．5%、4%、4．5%，含水量分别为2%，3%，4%、5%、6%。不同水泥含量下，石棉尾矿水泥稳定土的含水量与干密度的关系曲线如图5所示。

　　

　　从级配曲线图可以看出，两端的集料占的百分含量偏少，这种结果在施工中的表现是具有较好的压实性。由图5可以看出，水泥含量为3%时，混合料的最大干密度为2．242g/cm3，最优含水量为6．3%;水泥含量为4%时，混合料的最大干密度为2．255g/cm3，最优含水量为6．4%;水泥含量为5%时，混合料的最大干密度为2．247g/cm3，最优含水量为6．6%。按照每种混合料的最佳含水量和98%压实度要求成型试件，试件在标准养护室内养生7d后，浸水1d，测试抗压强度，试验结果见表5(水稳石棉尾矿底基层设计强度为≥2．0MPa。

　　

　　根据无侧限试验结果，当水泥剂量分别采用2．5%、3．0%、3．5%、4．0%、4．5%时均能满足强度指标要求，从经济出发，在满足强度的前提下，考虑石棉尾矿的表面特性，将水泥稳定石棉尾矿(底)基层混合料的配合比采用3．0%水泥剂量。

　　3．2影响强度因素分析

　　影响水泥稳定石棉尾矿(底)基层强度的因素较多，如养护龄期、混合料级配、水泥掺入量、含水量等。水泥稳定石棉尾矿(底)基层强度和稳定性主要由黏聚力和内摩阻力提供，石棉尾矿硬度与砂卵石相比偏大，且集料的表面纹理较为发育，形状复杂，在施工过程中压实较难。石棉尾矿水稳(底)基层强度主要来源于碎石颗粒本身的强度以及粗细集料和水泥之间的粘合力，随着养护龄期的延长，强度也增长，不同水泥加入量，不同集料级配的混合料在相同龄期内增长存在差异。

　　3．3优选配合比

　　通过石棉尾矿不同级配情况下最优含水率和最大干密度，最佳水泥剂量以及强度试验分析，并结合影响强度的因素分析得到了可用作基层材料的优选配合比为:底基层选用22∶24∶21∶9∶24，基层选用23∶24∶21∶9∶23，最有含水量为4．5%，最佳水泥含量为3．0%，缓凝减水剂按水泥质量的1．0%掺入。

　　4、工程应用

　　由于实际工程与室内试验在工艺、气候条件等方面存在差异，所以实际应用前应进行现场试验路段验证，才能进行推广使用。雅泸高速公路P3段(K116+800～K174+000)位于高中山峡谷区和深切河谷区，全长57．2km，石棉尾矿应用试验段位于K119+800～K120+300，在C14～C23标段，利用石棉尾矿铺筑(底)基层总计约31km，需用石棉尾矿约80多万m3，既解决了沿线筑路材料稀缺的问题，又节约了土地资源，并有利于环境保护。

　　4．1施工质量控制

　　施工应以试验优选配合比作为依据，严格控制最佳含水量和最大干密度。重点控制原材料粒径、级配，混合料通过0．075mm筛孔的颗粒含量控制在5%以下，塑性指数控制在4．5以下。在拌和时，防止各粒径分组集料之间发生串料现象，控制水泥稳定石棉尾矿基层材料的强度和水泥用量。严格控制施工碾压时的含水量。碾压时混合料含水量宜较最佳含水量大0．5%～1．0%，以满足水泥水化的需要，同时弥补碾压过程中含水量的损失，但不宜较最佳含水量大1%以上。注意振幅的适应性，确保级配石棉尾矿表面不发生集料振碎现象和结构层表面的松散现象。碾压段落要求层次分明，设置明显的分界标志，碾压要充分，振压不起浪、不推移。

　　4．2施工工艺

　　为保证工程质量，降低工程造价，减少石棉尾矿拌合施工对周围环境的影响与破坏，采用厂拌法进行基层和底基层施工，施工工艺流程见图6。

　　4．3施工注意事项

　　为避免扬尘及施工污染，拌和场选址应远离居民区，并设置排污、排水设施及垃圾集中堆放区，材料运输过程中采用洒水车在沿途洒水，施工过程中严禁运输车将混合料抛洒和倾斜到路基边坡，对施工范围内的植被加强保护，严禁乱砍乱伐，保护现有的生态环境。

　　

　　5、结论

　　通过室内试验以及现场测试，结合SEM、XRD、XRF微观分析，研究了石棉尾矿作为高速公路(底)基层材料的路用特性。得到如下结论:

　　(1)采用SEM分析，可知石棉尾矿吸水率较普通碎石高，是因为石棉尾矿中含有少量的石棉纤维。

　　(2)由XRD和XRF测试结果分析可知，石棉尾矿结晶较好，其化学成分主要为SiO2和MgO，二者含量约88%。不含铜、铅等重金属污染，可以在高速公路(底)基层中应用。

　　(3)通过室内试验，水泥稳定石棉尾矿碎石底基层选用22∶24∶21∶9∶24，基层选用23∶24∶21∶9∶23，最有含水量为4．5%，最佳水泥含量为3．0%，缓凝减水剂按水泥质量的1．0%掺入，最大干密度可达2．242g/cm3。

　　(4)水泥稳定石棉尾矿碎石混合料级配及配比用于高速公路(底)基层是可行的。在生产施工中取得了良好的经济效益、社会效益以及环境效益。

　　参考文献:
　　［1］徐林荣，蒋建国，彭涛．石棉尾矿用作筑路材料技术特性研究，200731800003［R］．长沙:中南大学，2008．
　　［2］檀竹红，郑水林．石棉尾矿现状及资源化利用研究进展［J］．中国非金属矿工业导刊，2007(3):55－58．
　　［3］郑水林，李杨，刘福来，等．石棉尾矿综合利用中试技术研究［J］．非金属矿，2007，30(5):36－39．
　　［4］苏庆平，张雪青，高琳科，等．石棉尾矿制备轻质氧化镁的工艺条件研究［J］．矿物学报，2010，30(2):268－272．
　　［5］郑黎明，郑水林，桂经亚，等．石棉尾矿渣负载TiO2处理含酚废水的影响因素研究［J］．非金属矿，2011，34(2):62－64．
　　［6］李军．石棉尾矿沥青混凝土路用试验研究［D］．长沙:中南大学，2009．
　　［7］李小川．石棉尾矿路用混凝土试验研究［D］．长沙:中南大学，2008．
　　［8］JTGE42－2005，公路工程集料试验规程［S］．
　　［9］黄继成，黄彭．沥青混合料集料分形和性状相关性研究［J］．同济大学学报:自然科学版，2006，34(12):1632－1636．
　　［10］王宏畅，黄晓明，傅智．半刚性基层材料路用性能的试验研究［J］．公路交通科技，2005，22(11):45－49．
　　［11］JTGE60—2008，公路路基路面现场测试规程［S］．
　　［12］曹建新，王哲人．连续级配的级配碎石材料试验研究［J］．公路交通科技，2005，22(5):14－16．
　　［13］常士骠，张苏民．工程地质手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2007．
　　［14］刘小明，徐林荣，黄幼民．石棉尾矿高速公路水稳基层材料的研究［J］．公路工程，2010，35(5):44－47．
　　［15］李军，徐林荣，刘小明．石棉尾矿用作沥青混合料集料特性研究［J］．铁道科学与工程学报，2011，8(5):31－34．