Грунтовые основания, стабилизированные цементом, широко используются при устройстве оснований автомобильных дорог. В частности, для устройства основания из щебня, стабилизированного цементом, требуется большое количество щебня в качестве заполнителя. При этом отходы обогатительных работ по своим свойствам схожи с механически дроблеными каменными заполнителями; поэтому промытый щебень и песок из хвостов, полученные методом магнитной сепарации, могут использоваться вместо щебня при приготовлении цементно-стабилизированной смеси из хвостов. Использование песка из хвостов для основания дорожного покрытия позволяет в определенной степени снизить загрязнение окружающей среды, рационально использовать ресурсы горнодобывающих предприятий, сэкономить земельные ресурсы и сократить затраты на строительство.

6.1.1 Требования к материалам

При использовании извести, летучей золы или цемента для стабилизации песка из хвостохранилищ при строительстве основания качество всех материалов должно соответствовать требованиям Технические требования к устройству оснований дорожных покрытий. Негашеная известь должна соответствовать техническим требованиям, предъявляемым к гашеной извести класса III или выше, а срок её хранения следует свести к минимуму. В случае длительного хранения её необходимо накрыть и герметично закрыть; рекомендуется закупать и использовать её по мере необходимости.

(1) Летучая зола: Общее содержание SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃ в летучей золе должно быть больше 70%; потеря при прокаливании не должна превышать 20%; удельная поверхность летучей золы должна предпочтительно быть больше 2 500 м²/кг (или 90%, проходящей через сито с ячейками 0,3 мм, и 70%, проходящей через сито с ячейками 0,075 мм).

(2) Цемент: В качестве цемента следует использовать обычный портландцемент, портландцемент с доменным шлаком или портландцемент с пуццоланом класса прочности 32,5 с временем начального схватывания более 3 часов. Не допускается использование быстротвердеющего цемента, цемента с ранней прочностью, а также цемента, утратившего свои свойства или влажного.

(3) Песок из хвостохранилища: Песок из хвостохранилищ, используемый при строительстве автомобильных дорог, как правило, должен представлять собой отходы обогащения твердых горных пород и должен быть чистым и свободным от примесей. При использовании в стабилизации с применением извести и летучей золы, цемента и летучей золы или извести и летучей золы содержание частиц размером менее 0,075 мм не должно превышать 7%; при использовании в цементной стабилизации содержание частиц размером менее 0,075 мм не должно превышать 5%.

(4) Вода: Необходимо использовать питьевую воду.

(5) Пропорции в составе материала: Помимо выполнения требований к градации, указанных в Технические требования к устройству оснований дорожных покрытий, при расчете пропорций для щебня, стабилизированного цементом, и песка из хвостов также можно руководствоваться методом расчета состава цементного бетона, т. е. доля песка из хвостов определяется методом песчаного коэффициента (или с учетом метода расчета для цементного бетона с низким содержанием цемента). Для щебня и песка из хвостов, стабилизированных известью и летучей золой, 7-дневная прочность на несвязанное сжатие для слоев подбазы и базы должна контролироваться на уровне выше 0,6 МПа в соответствии со стандартами для второстепенных автомобильных дорог. Для щебня и песка из хвостов, стабилизированных цементом, используемых в качестве основания дорожного покрытия, 7-дневная прочность на несвязанное сжатие должна контролироваться на уровне не ниже 3,0 МПа.

6.1.2 Процесс строительства и контроль

6.1.2.1 Смешивание

Смешивание на центральной установке должно осуществляться с использованием специального оборудования для смешивания стабилизированного грунта, оснащенного электронными дозирующими устройствами. При смешивании необходимо соблюдать следующие требования:

(1) Все поступающие материалы должны соответствовать материалам, указанным в расчете пропорций смеси.
(2) Все измерительные приборы, входящие в состав оборудования для замеса на заводе, должны быть откалиброваны и пройти метрологическую верификацию перед вводом в эксплуатацию.
(3) Пробное смешивание и калибровка должны проводиться в соответствии с пропорциями строительной смеси, а коэффициент разгрузки каждого бункера для заполнителей должен определяться путем отдельного дозирования.
(4) Содержание воды должно строго контролироваться, с тем чтобы влажность смеси при транспортировке на строительную площадку и уплотнении приближалась к оптимальному значению.
(5) Смесь должна быть однородной; первую партию смеси следует выбросить.
(6) При ведении строительных работ в период дождей необходимо принять меры по защите заполнителей от дождя, а грузовые автомобили, перевозящие строительную смесь, должны быть надлежащим образом накрыты.
(7) В ветреную, сухую и жаркую погоду содержание влаги следует своевременно корректировать.
(8) Количество транспортных средств для перевозки смеси должно соответствовать производственной мощности смесительного оборудования.

6.1.2.2 Распределение и укатка

Для укладки смеси следует использовать уплотнитель для стабилизированного грунта. Перед укладкой необходимо очистить нижний слой и нанести линии выравнивания. Для эффективного контроля ширины укладки сначала можно сформировать боковые валы по обеим сторонам основания в соответствии с толщиной сыпучего слоя шириной 30–50 см; высоту следует измерять с интервалом 5 м, а стальные тросы должны быть закреплены кольями в соответствии с толщиной сыпучего слоя. Ширина укладки на один асфальтоукладчик не должна превышать 7 м; предпочтительно укладывать по всей ширине за один проход, используя два асфальтоукладчика, расположенных в шахматном порядке. Скорость укладки, как правило, должна поддерживаться на уровне 2–4 м/мин, а перед асфальтоукладчиком должно находиться достаточное количество транспортных средств для обеспечения равномерной и непрерывной укладки. Уплотнение предпочтительно следует производить с использованием вибрационных катков массой 18 т и более, а также катков на резиновых шинах; количество катков и проходов уплотнения определяется на пробных участках, как правило, не менее трёх катков. Уплотнение следует производить в три этапа: начальное уплотнение, промежуточное уплотнение и окончательное уплотнение. Во время начального уплотнения следует применять статическое уплотнение, при этом каток следует за укладчиком по S-образной траектории с остановками и разворотами, с перекрытием в 1/2 ширины катка; один проход считается завершённым после уплотнения всей ширины дорожного полотна. Как правило, требуется 6–8 проходов уплотнителя; обочины и основание уплотняются одновременно. Скорость уплотнения, как правило, должна поддерживаться на уровне 1,5–2,5 км/ч. Для промежуточного уплотнения следует использовать катковые катки. Категорически запрещается выполнять развороты на 180° или резко тормозить на уже уплотнённых или уплотняемых участках; зоны начального, промежуточного и окончательного уплотнения должны строго контролироваться. Категорически запрещается перекрывающееся вибрационное уплотнение на участках, которые уже приняли форму и превысили окончательное время схватывания.

6.1.2.3 Отвердевание и организация дорожного движения

После завершения уплотнения каждой зоны и подтверждения соответствия степени уплотнения требованиям необходимо немедленно приступить к увлажненной выдержке. После уплотнения и проверки слоя основания из песка хвостовых отходов, стабилизированного известью, летучей золой или цементом, поверхность следует придать шероховатость с помощью металлической щетки или других инструментов, после чего следует приступить к выдержке. Рекомендуется влажное увлажнение песка; в течение периода увлажнения песчаный слой должен поддерживаться во влажном состоянии. По истечении 7 дней увлажнения все покрывающие материалы должны быть полностью удалены. Для щебня и песка хвостовых отходов, стабилизированных известью, летучей золой или цементом, для водного увлажнения можно использовать автооросители; в течение периода увлажнения поверхность основания должна поддерживаться во влажном состоянии, а увлажнение должно продолжаться 7 дней. Если верхний слой представляет собой асфальтобетон, перед водной выдержкой гладкую поверхность основания необходимо зашлифовать щеткой для придания ей определенной шероховатости, что способствует проникновению грунтовочного масла и сцеплению между основанием и верхним слоем, а также предотвращает образование колеи на дорожном покрытии. Для обеспечения эффекта проникновения грунтовочного масла рекомендуется наносить его через 3–4 дня после начала выдержки, а затем укладывать верхний слой по окончании периода выдержки, чтобы уменьшить количество трещин усадки в базовом слое, вызванных длительным воздействием солнечного света. В течение периода отвердевания движение по основному слою тяжелых транспортных средств, за исключением водовозов, строго запрещено.

6.1.3 Влияние применения

В 2009 году Управление транспорта уезда Лунхуа города Чэнде провинции Хэбэй использовало хвосты по добыче железной руды, полученные горнодобывающей компанией «Цзиньгу» в уезде Лунхуа, в качестве основного сырья для щебня в цементно-стабилизированном слое основания при реконструкции автомагистрали «Хань-Го». Таким образом удалось успешно использовать хвосты при строительстве основания автомагистрали, что не только позволило сократить расход цемента, но и обеспечило качество строительства.

Строительная бригада сначала провела ситовый анализ и испытания на прочность на несвязанное сжатие хвостов. Результаты испытаний показали, что размер частиц хвостов и прочность на несвязанное сжатие цемент-стабилизированного щебня соответствуют требованиям действующих стандартов дорожного строительства, а материал хвостов может удовлетворить требованиям, предъявляемым к материалам для стабилизации основания. В ходе дальнейших испытаний было установлено, что оптимальная влажность цемент-стабилизированного щебня составляет 5,01 TP3T, а максимальная сухая плотность — 2,53 г/см³. В проекте реконструкции трассы Хань-Го пропорции смеси на одну тонну основания из цемент-стабилизированного щебня составляли: цемент : хвостовой материал : вода = 45 : 905 : 50. По истечении периода отвердевания смеси основания были проведены полевые испытания и испытания образцов керна, и все результаты испытаний соответствовали техническим условиям на устройство основания. В частности, средняя 7-дневная прочность составила 3152 МПа, максимальная — 5120 МПа, а минимальная — 3143 МПа. После ввода автомагистрали в эксплуатацию повреждений дорожного покрытия не наблюдалось, его эксплуатационные характеристики были хорошими; оно также прошло выборочные проверки со стороны провинциальных и муниципальных органов контроля качества и соответствовало требованиям технических условий.

В рамках данного проекта было использовано более 32 000 тонн хвостового сырья, что позволило сэкономить свыше 400 000 юаней на затратах на материалы за счет использования хвостов и создало значительную экономическую выгоду.

В период с 2004 по 2009 год Управление транспорта города Цяньань, провинции Хэбэй, проводило исследования по применению песка из хвостохранилищ в пяти проектах по строительству сельских автодорог в Цяньане, используя этот песок вместо щебня в основаниях из дробленого камня, стабилизированных известью и летучей золой, общей протяженностью 23 420 м / 268 364 м². Результаты испытаний основания показали, что прочность соответствовала проектным требованиям.

Сюй Шуай из Ляонинского профессионального архитектурного колледжа изучил возможность использования железных отходов для частичной замены песка и гравия в дорожно-строительных материалах на основе анализа экспериментальных данных. В качестве сырья для испытаний были выбраны железные отходы и известковый песок. Песок из железных отходов был получен из отвалов Цидашань компании «Аншань Анстил»; гашеная известь — с завода «Ронгфа» в городе Аншань (провинция Ляонин), относящаяся к категории третичной известковой извести. С учётом характеристик материалов были рассчитаны пропорции смеси железных отходов, стабилизированных известью. После определения рациональных пропорций смеси были проведены испытания смеси на уплотнение, испытания на прочность при несвязанном сжатии, испытания на модуль упругости и испытания на прочность при растяжении при раскалывании. Результаты испытаний показали, что подходящее соотношение компонентов для стабилизированных известью железных отходов составляет известь : железные отходы = 30 : 100, при этом оптимальная влажность составляет 14,891 TP3T, а плотность уплотнённого материала — 1,928 т/м³. Все показатели испытаний соответствовали требованиям Технические условия на устройство оснований дорожных покрытий (JTJ 034—2000), соответствовал проектным требованиям к основаниям дорожных покрытий и мог применяться для устройства оснований второстепенных или дорог более низкой категории.

6.2 Песок из хвостохранилища для засыпки насыпей

Песок из хвостохранилищ можно использовать в качестве насыпного материала для насыпей. При строительстве применяется метод боковых насыпей и траншей, т. е. по обеим сторонам земляного полотна возводятся земляные насыпи шириной 1,5–2,0 м, высота которых не превышает 30 см и равна высоте каждого слоя засыпки песком из хвостов; в продольном направлении земляного полотна через каждые 20 м оставляется дренажное отверстие шириной 30 см, заполняемое водопроницаемым материалом, а укатка производится одновременно с укладкой земляного полотна из песка из хвостохранилища. Песок из хвостохранилища засыпается в траншею основания; поверхностный слой засыпки из песка из хвостохранилища слегка нарушается и может стать рыхлым. Перед засыпкой каждого слоя его необходимо опрыскивать водой для увлажнения, а засыпка должна производиться методом обратного строительства. Песок из хвостохранилища выравнивается и статически уплотняется бульдозерами, автогрейдерами или погрузчиками, а затем уплотняется вибрационными катками. Во время укатки содержание влаги должно строго контролироваться и, как правило, поддерживаться на уровне на 1–2 процентных пункта выше оптимального содержания влаги; если содержание влаги слишком низкое, каток не сможет эффективно перемещаться и уплотнять грунт. Поскольку песок из хвостов различается по содержанию руды и твердости, методы уплотнения также различаются. Песок из хвостов с высоким содержанием пыли и ила можно уплотнять непосредственно катками; для песка из хвостов с низким содержанием пыли и ила можно использовать метод усадочного уплотнения с помощью воды в сочетании с уплотнением катками для достижения требуемого эффекта уплотнения. Когда засыпка песком из хвостов достигает уровня на 15–20 см ниже верхней поверхности основания, для уплотнения и формирования покрывающего слоя следует использовать когезивный грунт с высоким содержанием глины. Как правило, рыхлый поверхностный песок из хвостов следует счищать, чтобы обнажить гладкую и уплотненную поверхность, а степень уплотнения измеряется методом песчаного конуса или методом водяного мешка.

Железные отходы вместо речного песка при устройстве цементно-бетонного покрытия

Цемент и бетон — два основных материала для устройства дорожного покрытия, широко используемых в Китае. Они обладают такими преимуществами, как высокая прочность, хорошая стабильность, долговечность и благоприятные условия для вождения в ночное время, и широко применяются на юге Китая. При устройстве цементно-бетонного дорожного покрытия потребляются большие объёмы речного песка. Если бы железные отвалы могли заменить речной песок в бетоне, это стало бы значительным прорывом в области утилизации промышленных отходов (отходных материалов) в Китае.

В 2006 году Институт горного проектирования группы «Анстил» и завод по производству сборных железобетонных конструкций строительной компании «Анстил» совместно провели испытания бетонных пробных блоков, в которых обычный речной песок был заменен железным хвостом. Сырьё в виде железных отходов было взято из хвостохранилища Фэншуйгоу, щебень — из местного карьера, а цемент — обычный портландцемент с шлаковым добавлением марки C32,5. Массовое соотношение цемента : щебня : железных хвостов : воды составляло 1 : 2,82 : 1,26 : 0,45. После механического смешивания были изготовлены две группы испытательных блоков из стандартного бетона марки C25 (100 мм × 100 мм × 100 мм, по 3 блока в каждой группе). После 28 дней стандартной лабораторной выдержки были проведены испытания на прочность на сжатие, результаты которых приведены в таблице 6‑1. Как видно из таблицы, прочность бетона превысила класс C35.

Таблица 6‑1. Результаты испытаний на прочность на сжатие бетонных образцов, в которых речной песок был заменен железным шламом