矿业研究与开发

试样	固化剂掺量/%	配比(石:土)	拌合含水率/%	测试参数
爆破废石+路边土	0	3:7, 4:6, 5:5, 6:4, 7:3	9	无侧限抗压强度q^u
爆破废石+路边土+固化剂	2, 4，6, 8，10	最优配比	9	无侧限抗压强度q^u

试样	固化剂掺量/%	配比(石:土)	拌合含水率/%	测试参数
爆破废石+路边土	0	3:7, 4:6, 5:5, 6:4, 7:3	9	无侧限抗压强度q^u
爆破废石+路边土+固化剂	2, 4，6, 8，10	最优配比	9	无侧限抗压强度q^u

路面类型	测量弯沉值/(0.01 mm)	修正弯沉值/(0.01 mm)
730 m中段碎石路面	16.8	17.31
730 m中段改性路面	8.8	9.07
670 m中段破损路面	260.8	271.54

路面类型	测量弯沉值/(0.01 mm)	修正弯沉值/(0.01 mm)
730 m中段碎石路面	16.8	17.31
730 m中段改性路面	8.8	9.07
670 m中段破损路面	260.8	271.54

露天矿运输道路水稳层改性材料综合性能研究

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黄敏 ¹^,²^,³ , 温晨 ¹^,²^,³ , 黄明发 ¹^,²^,³ , 高忠 ¹^,²^,³ , 饶帝军 ¹^,²^,³

矿业研究与开发 | 采矿与矿山充填 2025,45(6): 87-93

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矿业研究与开发 |采矿与矿山充填 2025 , 45 (6) : 87 -93

露天矿运输道路水稳层改性材料综合性能研究

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黄敏¹^,²^,³, 温晨¹^,²^,³, 黄明发¹^,²^,³, 高忠¹^,²^,³, 饶帝军¹^,²^,³

作者信息

^1.紫金矿业集团股份有限公司，福建　上杭县　364200

^2.紫金（长沙）工程技术有限公司，湖南　长沙　410036

^3.低品位难处理黄金资源综合利用国家重点实验室，福建　上杭县　364200

通讯作者:

温晨（1998—），男，河南安阳人，硕士，助理工程师，主要从事控制爆破及岩石力学方面的研究工作。E-mail:1398448249@qq.com

作者简介:

黄敏（1985—），男，湖南长沙人，博士研究生，高级工程师，主要从事采矿技术及岩石力学方面的研究工作。E-mail:397982842@qq.com

Comprehensive Performance of Modified Materials for Cement Stabilized Layer of Open-Pit Mine Transportation Road

Min HUANG¹^,²^,³, Chen WEN¹^,²^,³, Mingfa HUANG¹^,²^,³, Zhong GAO¹^,²^,³, Dijun RAO¹^,²^,³

Affiliations

^1.Zijin Mining Group Co., Ltd., Shanghang, Fujian 364200, China

^2.Zijin（Changsha）Engineering Technology Co.，Ltd.，Changsha, Hunan 410036, China

^3.State Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Low-grade Refractory Gold Ores, Shanghang, Fujian 364200, China

出版时间: 2025-06-25

文章导航

摘要

收起

针对露天矿山传统碎石运输道路耐久性、水稳定差等问题，利用矿山周边固废对运输道路进行改性，通过实验室试验确定水稳层的爆破废石与周边土的比例，探讨含不同固化剂掺量水稳层的无侧限抗压强度、水稳定性能及耐久性能。研究结果表明，未改性材料的无侧限抗压强度低于0.2 MPa，而当爆破废石与路边土比例为4:6时，可以充分发挥爆破废石强度且路面可以较好成形；固化剂可以显著提高材料强度，当固化剂掺量为8%时，无侧限抗压强度超过2.5 MPa，水稳性系数为137.68%，试样的饱水抗压强度超过初始无侧限抗压强度，在干湿循环试验中，试样抗压强度随着循环次数的增加先大幅增长后略微下降，当固化剂掺量大于6%时，耐久性有明显提升。采用石土比4:6、掺量8%的组合开展弯沉值试验，并进行综合成本分析，结果显示，改性后路面弯沉值为9.07(0.01 mm)，路面质量显著提升，综合成本为47.5 元/m²，较原碎石路面成本降低明显。

关键词

露天矿运输 / 水泥稳定碎石层 / 改性路面 / 固化剂 / 无侧限抗压强度

Abstract

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Aiming at the problems of poor durability and water stability of traditional gravel transportation roads in open-pit mines, the transportation roads were modified using solid waste around the mine. The ratio of blasting waste rock and surrounding soil in the cement stabilized layer was determined by laboratory tests. The unconfined compressive strength, water stability and durability of the cement stabilized layer with different the dosages of curing agent were discussed. The results show that the unconfined compressive strength of the unmodified material is lower than 0.2 MPa, and when the ratio of blasting waste rock and surrounding soil is 4:6, the strength of blasting waste rock can be fully utilized and the pavement can be well formed. The curing agent can significantly improve the strength of the material. When the dosage of curing agent is 8%, the unconfined compressive strength exceeds 2.5 MPa, the water stability coefficient is 137.68%, and the saturated compressive strength of the sample exceeds the initial unconfined compressive strength. In the dry-wet cycle test, the compressive strength of the sample increases significantly and then decreases slightly with the increase of the number of cycles. When the dosage of curing agent is more than 6%, the durability is significantly improved. The deflection value test and comprehensive cost analysis were carried out using the combination of stone-soil ratio of 4:6 and dosage of 8%. The results show that the deflection value of the modified pavement is 9.07 (0.01 mm), the pavement quality was significantly improved, and the comprehensive cost is 47.5 yuan/m², which is significantly lower than that of the original gravel pavement.

Key words

Open-pit mine transportation / Cement stabilized macadam layer / Modified pavement / Curing agent / Unconfined compressive strength

引用本文

黄敏, 温晨, 黄明发, 高忠, 饶帝军. 露天矿运输道路水稳层改性材料综合性能研究. 矿业研究与开发, 2025 , 45 (6) : 87 -93 .

Min HUANG, Chen WEN, Mingfa HUANG, Zhong GAO, Dijun RAO. Comprehensive Performance of Modified Materials for Cement Stabilized Layer of Open-Pit Mine Transportation Road[J]. Mining Research and Development, 2025 , 45 (6) : 87 -93 .

正文

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0　引言

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金属矿山露天开采过程中，修建一条高质量且低成本的运输道路直接影响矿用运输车辆的运输效率和轮胎损耗，进而决定矿石及废料的运输成本^[1]。成本控制一直是采矿业的核心关注点，有效控制成本有利于提高矿业公司的核心竞争力^[2]。然而，在相当长的一段时间内，部分矿山管理人员认为矿山道路服务年限短且卡车牵引力好而忽视运输道路的质量，导致矿卡轮胎的损耗率较高、道路通行率低等^[3]。因此，有效利用矿山周边材料修筑露天矿山运输道路，在保证道路质量的同时降低修筑成本具有重要的研究意义^[4-5]。

朱晓寒^[6]利用地聚合物材料将原有路面进行重筑以提高路面质量；赵彬宇^[7]通过碱激发作用与矿渣、粉煤灰等材料生成一种强度高、耐用性强的水硬性胶凝材料；徐昆等^[8]利用煤矿周边固废研究了矿渣粉煤灰掺量、水玻璃模数和水胶比对材料强度的影响；杨雨清^[9]研究发现纤维材料与硅铝质添加剂能明显改善地聚合物力学性质；赵新佳^[10]通过冻融试验发现，冻融前的试样破裂区以粉煤灰集聚为主，冻融后的试样破裂区以矿渣集聚为主。与高速公路不同，矿山道路的修筑往往过于粗犷，众多矿山仅采用碎石压实路面，缺少水稳层，这导致随着时间的推移，道路易于破损，因此，需借鉴高标准公路的修筑标准，并结合矿山附近的材料修筑适合大型卡车的矿山运输道路。

水稳层即水泥稳定碎石层(CSM)，属于道路结构主要承载层中的半刚性基层，具有强度高、造价低、稳定性好、刚性大等优点，广泛应用于我国高速公路的修建中^[11-13]。当前，公路工程领域学者通过在水稳层中添加聚丙烯纤维^[14]、废弃橡胶粉^[12]、活性再生砖粉^[15]、红砂岩集料^[16]、钢渣^[17]、建筑垃圾^[18]等改性材料改善水稳层性能，其作用类似于水泥钢纤维，可通过强度性能、水稳性能及耐久性能综合评估。

紫金山金铜矿自2017年采用多层多元露天矿运输道路结构后，其底基层为大直径爆破废石（直径为80~150 mm)，基层为中等直径爆破废石（直径为20~80 mm)，面层为爆破废石粉末（直径0~20 mm）。现场实践结果表明，采用新型多元多层结构后露采运输道路轮胎磨损率开始下降，行车效率相对提升，但转弯处、上坡等部分路段仍面临着水稳定性差、耐久性差等问题。本文采用爆破废石和路边土作为主体筑路材料，水淬钢渣、水泥、生石灰作为固化剂原料，通过改变石土比和固化剂掺量，研究改性后水稳层的强度性能、水稳定性和耐久性，并开展工业试验，对比改性路面与改性前的碎石区域的弯沉值，验证其工程应用效果。

1　试验材料与方法

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1.1　试验材料

爆破废石，由矿山破碎站生产，属于细料，直径为20~80 mm，主要成分为石英(73.3%)、黄铁矿（12%）、明矾石(8.9%)、地开石(3.5%)。

路边土，主要由露天坑周围土、爆破废石粉末及部分淤泥组成，天然含水率高，孔隙率较大，经测定其天然含水率为48.1%，塑限为11.3%，液限为31.2%，塑性指数为19.5，最优含水率为13.6%，最大干密度为1.6 g/cm³。

固化剂，由笔者团队自主研发，其主要成分为水淬钢渣70%~85%，水泥10%~15%，生石灰5%~10%，活性指数92，相对于水泥，固化剂具备良好的固化性能。此外，经液塑限测试可知，固化剂塑限为23.2%，液限为30.1%。

1.2　试验方法

1.2.1　强度性能试验

因本文研究未涉及露天矿山运输道路强度要求的相关规范，仅参考《公路路面基层施工技术细则》《土工试验方法标准》《公路土工试验规程》等公路类相关规范，开展无侧限抗压试验，对改性前后水稳层的强度特性进行评价。采用静压制样法制备试样，直径为50 mm、高度50 mm，根据前期击实试验及拌合含水率试验确定出最优的拌合含水率为9.0%，并确定出非改性材料的最优配比，利用该配比开展不同固化剂掺量的强度试验，具体方案见表1。

1.2.2　水稳定性能试验

水稳定性能即路基受水的影响程度，表现为路基的防水或抗水性能。通过真空饱水马歇尔试验进行评价，评价指标为水稳性系数α,α为试样真空饱和后测得的保水无侧限抗压强度与养护后直接测得的无侧限抗压强度的比值。仅对改性水稳层材料开展水稳定性能试验，试验方案见表1，试样制备与前文相同。

1.2.3　耐久性能试验

本文主要研究干湿交替作用下改性水稳层的耐久性能，试验方案见表1，试样制备与前文相同，干湿交替试验参考美国材料试验协会的ASTM D4843方法^[19]。测试项目主要包括土样质量损失和无侧限抗压强度。

干湿交替试验满足土样累积质量损失率超过30%、试样出现较明显的裂隙或损坏、干湿循环次数达10次(1次干湿循环包括经历1次完整的干循环和1次完整的湿循环)任一条件时，试验结束。随后计算土样质量损失率，包括干燥质量损失率、润湿质量损失率、干湿质量损失率和累积质量损失率，其计算方法见式(1)。

（1）

式中：L_Di和L_Wi分别为干燥和润湿过程中的土样质量损失率，%；M_Di和M_Wi分别为干燥和润湿过程中的土样干质量损失，g；M₀为土样干质量，g；L_i为第i次干湿循环后的土样质量损失率，%；C_Li为土样累积质量损失率，%。

2　试验结果及讨论

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2.1　强度性能试验结果

参照《公路路面基层施工技术细则》，试验所采用的固化剂的主要成分为水淬钢渣，参照石灰粉煤灰稳定材料强度标准进行评价，但矿区自卸汽车载重较大且固化剂中含有一定量水泥，应同时考虑水泥粉煤灰稳定材料的强度标准。紫金山金铜矿露天采场运输车辆月出勤台数一般为170~200辆，日通行量小于2 000 次(双车道)，属于四级公路、中轻交通，综合考虑将石灰粉煤灰稳定材料强度q_u1=0.7 MPa和水泥粉煤灰稳定材料强度q_u2=2.5 MPa作为改性前后水稳层材料强度高低的判别标准。

不同配比下未改性水稳层的无侧限抗压强度试验结果如图1所示，其中7:3配比因制备过程中试样石子裸露无法成型，不考虑此配比。由图1可知，未改性材料均不满足规范强度要求，试样的无侧限抗压强度随着爆破废石比例的增加呈先减小后增加（增加量十分有限）的趋势，当石土配比小于4:6时，土的黏结作用对试样强度贡献较大；当石土配比大于4:6时，石子的强度开始发挥作用，但当爆破废石掺量过大时，可能出现因土质成分不足而导致试样无法成型或压实度不符合要求等问题，因此选定配比为4:6作为本文最优配比方案以开展后续试验。

结合未改性水稳层的无侧限抗压试验结果所得结论开展不同固化剂掺量下改性水稳层的无侧限抗压试验，结果如图2所示。由图2可知，掺入固化剂后，水稳层的无侧限抗压强度明显提升，所有掺量下q_u均大于q_u1，且q_u随着固化剂掺量的增加而逐渐增大，当固化剂掺量大于8%时，满足规范中水泥粉煤灰稳定材料强度要求(q_u>q_u2)。因此，为保证露天矿运输道路强度符合要求，改性水稳层材料的固化剂掺量应大于8%。

2.2　水稳定性能试验结果

水稳性系数只能反映材料水稳性能强弱，无法判断是否符合强度要求，因此，参考《公路路面基层施工技术细则》中石灰稳定土的7 d浸水抗压强度要求标准，即饱水抗压强度

MPa。不同固化剂掺量下水稳层的水稳性能试验结果如图3所示，由图3可知，试样的饱水抗压强度随着固化剂掺量的增加而增大，掺量大于4%时满足强度要求。

此外，不同固化剂掺量下水稳性系数α同样随着掺量的提高而增大，当固化剂掺量为8%时，水稳性系数为137.68%，饱水抗压强度已超过初始无侧限抗压强度。在这种情况下，养护过程中由于含水量不足而无法进行的胶凝反应将在分级饱和过程中继续进行，试样的无侧限抗压强度持续提升，表现为饱水抗压强度大于初始抗压强度。

2.3　耐久性能试验结果

不同固化剂掺量下水稳层的耐久性能测试结果如图4所示。由图4(a)可知，固化剂掺量为2%和4%时，试样未完成10次试验就发生了破坏；固化剂掺量为6%、8%、10%时，试样质量损失率先增大后减小，7次干湿循环之后基本维持在−0.5%~0.7%之间。由图4(b)可知，固化剂掺量为2%和4%时，试样耐久性能较差，其发生破坏时累积质量损失率分别为−23.76%和−8.23%；固化剂掺量为6%、8%、10%时，试样经10次干湿循环后的累计质量损失率约为−3.0%~−1.5%，完整性均较好。因此，当固化剂掺量超过6%后，试样整体的耐久性能有明显提升。

基于以上分析结果，干湿循环后试样的无侧限抗压强度如图5所示。由图5可知，前3次循环试验中，试样的无侧限抗压强度均有不同程度的提高，且无侧限抗压强度随着固化剂掺量的提高而增大，这是因为制样时掺入的固化剂在28 d的养护龄期内未完全消化，随着干湿循环试验的进行，试样发生系列反应（水化反应、火山灰反应、重金属氢氧化物沉淀反应)，相当于在增大孔隙水含量的同时延长了养护龄期，导致反应产物的胶结和填充作用愈加明显，进而引起水稳层材料强度持续提升。

继续进行试验，2%和4%掺量的试样其无侧限抗压强度急剧下降，并在第6次循环后发生破坏，而6%、8%和10%掺量的试样其强度仅略微下降后趋于稳定。产生这种变化的原因主要有两个方面：一是试样中的土质成分交替发生脱水收缩和吸水膨胀变形，从而在土颗粒的胶结点位产生循环应力，当干湿交替引起的土颗粒间应力超过土颗粒黏结强度时，土颗粒间团聚作用破坏，薄弱胶结点位分离，形成微裂隙，随着干湿循环作用次数的增加，微裂隙逐渐发育，在宏观上则表现为土体强度的降低；二是爆破废石含有一定量的金属，随着干湿循环次数的增加，土颗粒或爆破废石表面吸附的重金属逐渐解吸附，转化为孔隙水中的游离态重金属离子，根据双电层理论，黏土颗粒表面电位降低，吸附水膜变厚，土颗粒间的黏聚力降低，导致试样在宏观上表现为无侧限抗压强度降低。

3　工业试验

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3.1　工程概况

在紫金山金铜矿露天采场开展工业试验，选定含上坡、拐弯的一段碎石路面，位于730 m中段。采用路拌法按8%固化剂掺量与爆破废石细料、路边土均匀拌合，制成混合料，其中石土比为4:6，拌合含水率为9%。拌合完成后采用分层压实法，使用25 t轮胎压路机分3层压实路面。

3.2　试验方法

弯沉值是指荷载作用于路基/路面前后，路基/路面产生的变形量大小，计算单位为0.01 mm。弯沉值可反映路面对变形的抵抗能力，弯沉值越低，路面在荷载作用下发生变形的可能性越小。本文采用贝克曼梁法开展弯沉试验，通过对比730 m中段原有碎石路面、730 m中段改性路面和670 m中段的一处破损路面的弯沉值来评价路面改性效果，每个区域选取5个测量点位，并取平均值。

3.3　试验结果分析

贝克曼梁法适用于测试路基及沥青路面的回弹弯沉。贝克曼梁法的基本原理是根据测试前后百分表读数变化来计算路面弯沉值，并基于气温、设计厚度、材料类型进行修正。而本研究中支点处不产生额外变形，无需进行支点变形修正。现场弯沉值测试结果见表2。由表2可知，相对于原有的碎石路面，改性路面的弯沉值显著降低，特别是670 m中段处的破损碎石路面，因路面压实较好且使用时间较短，随着使用时间的增加，路面发生破损严重，如果不能及时修补，路面承载和抗变形能力会急剧下降，严重损害路面质量。而改性后路面的弯沉值降低明显，有效提升了路面质量，工况较好。

3.4　综合成本分析

通过现场调查分析，原碎石路面单价为28 元/m²，固化剂的成本为440 元/t，筑路单价约为10.5 元/m²，而改性路面的机械和人工成本增加不明显，分析时不考虑该部分，计算可得改性路面相对成本为38.5 元/m²。

统计分析结果表明，原矿山碎石路面维护间隔为2个月，而改性路面维护间隔为6个月。单次维护费用预计为67.5 万元，单价为4.5 元/m²，综合计算，原碎石路面成本为55 元/m²，改性路面成本为47.5 元/m²。

4　结论

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本文基于无侧限抗压强度试验、真空饱水马歇尔试验、干湿循环试验及现场工业试验，研究了露天矿山运输道路水稳层改性材料性能，得到以下主要结论。

（1）对不同爆破废石、路边土配比的未改性材料开展无侧限抗压强度试验，结果表明，爆破废石与路边土的配比为4:6可以充分发挥爆破废石强度，路压实成形效果较好。

（2）在改性水稳层的无侧限抗压强度试验中，当固化剂掺量超过8%时，材料强度满足规范要求。

（3）在改性水稳层的水稳性能测试试验中，当固化剂掺量大于4%时，材料的饱水抗压强度满足强度要求，固化剂掺量为8%时，水稳性系数为137.68%，超过初始无侧限抗压强度。

（4）在改性水稳层的干湿循环试验中，当固化剂掺量大于6%时，试样的耐久性较好，无侧限抗压强度随着循环次数的增加先大幅增长后略微下降。

（5）工业试验结果表明，改性路面弯沉值显著降低，有效提升了路面质量。改性路面成本为47.5 元/m²，原碎石路面成本为55 元/m²，改性路面成本降低明显。

基金

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国家重点研发计划项目(2022YFC2903900)
福建省自然科学基金项目(2019J05039)
福厦泉国家自主创新示范区协同创新平台项目(35022CQX72021009)

参考文献

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文献

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接收时间：2024-07-26
首发时间：2026-10-30
出版时间：2025-06-25

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收稿日期：2024-07-26

基金

国家重点研发计划项目(2022YFC2903900)

福建省自然科学基金项目(2019J05039)

福厦泉国家自主创新示范区协同创新平台项目(35022CQX72021009)

作者信息

^1.紫金矿业集团股份有限公司，福建　上杭县　364200

^2.紫金（长沙）工程技术有限公司，湖南　长沙　410036

^3.低品位难处理黄金资源综合利用国家重点实验室，福建　上杭县　364200

通讯作者:

温晨（1998—），男，河南安阳人，硕士，助理工程师，主要从事控制爆破及岩石力学方面的研究工作。E-mail:1398448249@qq.com

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kyyjykf/CN/1322907512932016616

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本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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