本发明涉及一种固化尾砂与尾粘土制得的路基底基层材料及其配制方法，属于土木工程材料及岩土工程技术领域。
背景技术：
公路按照结构层可分为路面、基层、底基层以及垫层。底基层作为沥青路面基层下铺筑的次要承重层或水泥混凝土路面基层下铺筑的辅助层，一般采用水泥稳定集料类或者水泥、石灰和粉煤灰综合稳定集料类设计方案。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。所以，探寻一种安全可靠、环保经济以及技术创新的底基层材料是广大工程参与者亟待解决的问题。
尾粘土是矿山洗矿厂随水一起排出的工业废弃物，含水率极高，且黏粒含量也很高，导致其透水性差、超孔隙水压力难以消散、固结时间长、力学强度低。尾矿堆积往往会遇到填筑困难、坝体排渗不畅、沉积滩坡度缓、稳定性差等问题。目前我国对尾粘土的处理方式有上游法+旋流法、一次性筑坝法和膏体干堆法。上游法+旋流法适用于难以用冲积法堆坝的粒度偏细的尾矿，但是对尾粘土堆积坝的稳定性的改善较有限；一次性筑坝法较适于完全无法堆坝的极细粒度的尾矿，但是此法基建投资过高；膏体干堆法较适于少雨、缺水地区，但是该处理方式运行成本过高，并且不适用于多雨地区。总之，现有的技术并没有很好的处理尾粘土，再加上有些采矿单位乱排乱放。例如，一些采矿单位将尾粘土直接排入小型湖泊或废弃池塘，但是尾粘土含水率远远大于其液限，这就形成了大面积的淤积池并且无人看管；此外，由于尾粘土渗透差、排水固结慢，力学强度低，暴晒之后表面会形成一层比较薄的龟裂的硬壳层，而硬壳层之下仍是远高于液限的尾粘土，人无法在其表面行走，对周围环境造成很大的安全隐患。还有些采矿单位直接排入河流，这些尾粘土常年淤积在河道必然会影响其周围的水质，而且阻碍泄洪通道和内陆航道，严重影响了河流的排涝灌溉能力。
目前，我国对尾粘土综合利用的研究还不够深入，曾有学者向尾粘土中添加以水泥为主的固化材料，并加入大量碎石进行搅拌混合，从而改变尾粘土的性质，处理后的混合料可用于矿厂路面的硬化。这种方法不仅处理的尾粘土很少，并且由于加入有较多的碎石，使得成本很高，难以得到推广。因此，找到一种合适固化剂，能改良尾粘土的性质，使其更加合理的利用，这样不仅能解决尾粘土乱排放问题，还能使工业废弃物得到资源化利用。
尾砂就是选矿厂在特定的经济技术条件下,将矿石磨细,选取有用成分后排放的废弃物。据统计，目前我国堆存的尾矿量近80亿吨，这些尾矿常年堆积于尾矿库中，不仅耗费资金建库，侵占大面积的土地，而且可能诱发多种地质灾害。碱渣是氨碱法制碱过程中排放的废渣，根据氨碱法纯碱生产工艺的特点，每生产1t纯碱要向外排放0.3t的碱渣，这些碱渣的任意堆积和排放会对环境和水体造成严重的污染。
技术实现要素：
本发明是为避免上述现有技术的不足之处，提供一种固化尾砂与尾粘土制得的路基底基层材料及其配制方法，旨在利用廉价的工业废料尾砂、碱渣以及少量水泥对尾粘土进行处理，以废治废，将废弃尾粘土改良成路基底基层材料，既可以避免尾砂和碱渣的占用土地问题又可以解决由于乱排放的尾粘土所造成的环境问题。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种固化尾砂与尾粘土制得的路基底基层材料，其特征在于：所述路基底基层材料的原料包括尾粘土、尾砂和固化剂；所述固化剂是由硅酸盐水泥和碱渣混合而成的碱渣型复合基材；所述尾砂质量为尾砂和尾粘土总质量的60～75％；所述尾粘土质量为尾砂和尾粘土总质量的25～40％；所述固化剂质量为尾砂和尾粘土总质量的15～25％。
在所述固化剂中，硅酸盐水泥和碱渣的质量比为1:1。
所述尾砂的化学成分中SiO2占65％～75％，属高硅型尾矿。其主要成分为石英，含有少量角闪石、黑云母、方解石和白云石等。
所述尾砂的粒径为细粒级别，粒径大于0.25mm的颗粒质量占尾砂总质量的43.6～52.0％，粒径大于0.075mm的颗粒质量占尾砂总质量的89.3～94.1％。
所述尾粘土粒径全部不大于0.25mm，粒径大于0.075mm的颗粒质量占尾粘土总质量的10～15％；所述尾粘土的塑限为35.1％～38.0％、液限为59.8％～66.5％、塑性指数为21.8～31.4。
上述路基底基层材料的配制方法，包括如下步骤：
第一步：取天然含水率的尾粘土，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中土的含水率实验(烘干法)测定尾粘土的天然含水率；
第二步：按配比取各原料；将尾粘土烘干、碾碎并过0.25mm筛；将尾砂和烘干后尾粘土充分拌合，然后再加入固化剂搅拌均匀，得到混合土；
第三步：根据第一步确定的天然含水率确定第二步所取尾粘土中所含水的质量，然后称取相同质量的水加入第二步的混合土中，搅拌均匀并且在自然条件下闷料12～24h，即得到路基底基层材料。
本发明所用的骨料为尾砂、固化剂为水泥和碱渣构成的碱渣型复合基材，其在混合土中起到的作用有：天然尾粘土含水率高达220％，加入一定量的尾砂能有效降低其含水率。由于尾砂颗粒粒径大、强度高，在混合土中可起到骨架的作用。而水泥和碱渣混合作为固化剂加入到混合土中遇水搅拌以后，形成混合浆体，期间发生一系列连续、复杂的物理化学变化，这些物理化学反应主要有：水泥的水解和水化反应、离子交换和团粒化作用以及硬凝反应。水泥的这些反应消耗尾粘土中大量的水。碱渣是一种空隙大、颗粒细的固体物料，主要成分为碳酸钙，细分散的碳酸钙与氢氧化钙生成络合物CaCO3`Ca(OH)2，可以与水泥反应生成络合物CaSiO3`CaCO3`Ca(OH)2`nH2O，从而促进水泥的凝结作用。尾粘土颗粒很小，其粉粒与黏粒可以和固化剂的水化物很好的结合，共同充填尾砂颗粒之间的空隙。随着水泥各矿物成分的水化作用不断的进行，混合料逐渐失去塑性并产生一定的强度，结构不断的紧密，使得空隙率随之减小，强度不断提高。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明的路基底基层材料是利用工业废弃物尾粘土、尾砂与固化剂(碱渣、水泥)进行充分混合制得，不仅有效利用了难以处理的尾粘土，减少尾粘土流入水系而污染河流以及可能引起的地质灾害问题，而且实现了工业废料尾砂和碱渣的资源化利用，节约了制造成本，达到了环保的效果；且本发明固化尾砂与尾粘土制得的路基底基层材料将工业废料尾粘土改良成工程性质良好的底基层材料，解决了矿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。
本发明固化尾砂与尾粘土制得的路基底基层材料中，由于尾砂颗粒强度较大，在混合料中起骨架作用,而碱渣和水泥的水化物既可以填充孔隙，又具有胶结作用，从而提高了混合料的强度及抗水性能；经测定：在标准养护条件下养护7d后的无侧限抗压强度达到877.6～1272.9kPa，28d的无侧限抗压强度达到2082.4～3376.3kPa，浸水24h后的强度达到1537.3～2646.3kPa，即水稳系数为0.70～0.78；可用作道路底基层材料且技术简单，具有保护环境、节约资源的特点。
具体实施方式
下述实施例所用的尾砂取自合肥市庐江县龙桥铁矿，化学成分中SiO2占68％，粒径为细粒级别，粒径大于0.25mm的颗粒质量占尾砂总质量的48.6％，粒径大于0.075mm的颗粒质量占尾砂总质量的91.1％。尾粘土取自合肥市庐江县金鼎矿业有限公司附近的河流中，其天然含水率为220％，尾粘土粒径全部小于0.25mm，粒径大于0.075mm的颗粒质量占尾粘土总质量的15.0％，塑限为35.1％，液限为66.5％，塑性指数为31.4。
实施例1
本实施例按如下步骤制得路基底基层材料：
第一步：取天然含水率的尾粘土，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中土的含水率实验(烘干法)测定尾粘土的天然含水率为220％；
第二步：取尾粘土350g，然后烘干、碾碎并过0.25mm筛；称取尾砂650g以及碱渣120g和水泥120g。先将尾砂和烘干尾粘土充分拌和，然后再加入碱渣和水泥搅拌均匀，得到混合土；
第三步：根据第一步确定的天然含水率计算出350g尾粘土含水240.6g，向第二步得到的混合土中加入240.6g水，然后搅拌均匀并且在自然条件下闷料12h，即得作为路基底基层材料的无机结合料稳定土。
经测定：上述稳定土在标准养护条件下养护7d后的无侧限抗压强度可达到1272.9kPa，28d的无侧限抗压强度可达到3376.3kPa，浸水24h后的强度2646.3kPa，即水稳系数为0.78。
以上试验结果表明：350g尾粘土、650g尾砂以及120g碱渣和120g水泥的无机结合料稳定土作为路基底基层材料是可行的。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)中水泥粉煤灰稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度Rd规定的强度值。所以，本实施例固化尾砂与尾粘土制得路基底基层材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制得路基底基层材料：
第一步：取天然含水率的尾粘土，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中土的含水率实验(烘干法)测定尾粘土的天然含水率为220％；
第二步：取尾粘土300g，然后烘干、碾碎并过0.25mm筛；称取尾砂700g以及碱渣100g和水泥100g。先将尾砂和烘干尾粘土充分拌和，然后再加入碱渣和水泥搅拌均匀，得到混合土；
第三步：根据第一步确定的天然含水率计算出300g尾粘土含水206.3g，向第二步得到的混合土中加入206.3g水，然后搅拌均匀并且在自然条件下闷料12h，即得作为路基底基层材料的无机结合料稳定土。
经测定：上述稳定土在标准养护条件下养护7d后的无侧限抗压强度可达到877.6kPa，28d的无侧限抗压强度可达到2082.4kPa，浸水24h后的强度1537.3kPa，即水稳系数为0.74。
以上试验结果表明：300g尾粘土、700g尾砂以及100g碱渣和100g水泥的无机结合料稳定土作为路基底基层填料是可行的。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7d强度略小于《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中水泥粉煤灰稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度Rd规定的强度值，但是龄期为28d的强度以及浸水24h后的强度仍有较高强度。所以，本实施例固化尾砂与尾粘土制得路基底基层材料经长期养护后也可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制得路基底基层材料：
第一步：取天然含水率的尾粘土，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中土的含水率实验(烘干法)测定尾粘土的天然含水率为220％；
第二步：取尾粘土300g，然后烘干、碾碎并过0.25mm筛；称取尾砂700g以及碱渣120g和水泥120g。先将尾砂和烘干尾粘土充分拌和，然后再加入碱渣和水泥搅拌均匀，得到混合土；
第三步：根据第一步确定的天然含水率计算出300g尾粘土含水206.3g，向第二步得到的混合土中加入206.3g水，然后搅拌均匀并且在自然条件下闷料12h，即得作为路基底基层材料的无机结合料稳定土。
经测定：上述稳定土在标准养护条件下养护7d后的无侧限抗压强度可达到1050.5kPa，28d的无侧限抗压强度可达到2339.5kPa，浸水24h后的强度1637.6kPa，即水稳系数为0.70。
以上试验结果表明：300g尾粘土、700g尾砂以及120g碱渣和120g水泥的无机结合料稳定土作为路基底基层填料是可行的。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)中水泥粉煤灰稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度Rd规定的强度值。所以，本实施例固化尾砂与尾粘土制得路基底基层材料满足道路底基层材料相关要求。