易龍生 萬(wàn) 磊 汪 洲 袁多偉

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

鐵尾礦路面基層材料力學(xué)性能與耐久性能研究

易龍生 萬(wàn) 磊 汪 洲 袁多偉

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為了探討鐵尾礦大規(guī)模資源化利用的新途徑，以無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果(試件中水泥、碎石、鐵尾礦和改性生物酶的質(zhì)量比為5∶30∶68∶2)為基礎(chǔ)，研究了聚丙烯纖維摻量對(duì)路面基層材料的力學(xué)性能和耐久性能的影響。結(jié)果表明，在聚丙烯纖維摻量為1.5 kg/m3的情況下，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到0.396 MPa，抗彎拉強(qiáng)度達(dá)1.641 MPa，抗彎拉強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比為0.27，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)情況下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于5 MPa，抗凍系數(shù)大于0.80，水穩(wěn)系數(shù)大于0.88，試件沖刷率為0.139 g/min，質(zhì)量損失比為1.92%，各項(xiàng)力學(xué)性能、耐久性能均滿(mǎn)足高速公路和一級(jí)公路的要求，說(shuō)明鐵尾礦作為高速公路路面基層材料的主要成分是可行的。

鐵尾礦 路面基層材料 力學(xué)性能 耐久性能

我國(guó)既是鋼鐵消費(fèi)大國(guó)，又是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，年產(chǎn)粗鋼超過(guò)7億t，居世界第一。與之對(duì)應(yīng)的是每年約需處理10億t鐵礦石、產(chǎn)出約7億t鐵尾礦，鐵尾礦綜合利用率不足當(dāng)年產(chǎn)出量的20%，以致于全國(guó)已累計(jì)堆存鐵尾礦超過(guò)60億t[1-6]。這些大量堆存的鐵尾礦不僅占用寶貴的土地資源，而且成為堆存地周邊安全與污染的嚴(yán)重隱患。為了開(kāi)辟鐵尾礦大規(guī)模資源化利用的新領(lǐng)域，本試驗(yàn)對(duì)鐵尾礦用作高速公路路面基層材料的可行性進(jìn)行了研究。

高速公路路面基層為承上啟下的路面結(jié)構(gòu)層，其主要作用是承受由面層傳下來(lái)的行車(chē)荷載，并將其均勻擴(kuò)散至基層和土基，因此，基層需要有足夠的強(qiáng)度和剛度。表征路面材料力學(xué)強(qiáng)度的常見(jiàn)參數(shù)有抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度等[7]。一般來(lái)說(shuō)，組成路面結(jié)構(gòu)層的材料抗壓強(qiáng)度往往較高、劈裂抗拉強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度往往較低。因而，在現(xiàn)實(shí)中，路面材料純粹因受壓而破壞的情況往往較少，而由剪應(yīng)力或彎拉應(yīng)力過(guò)大引起的路面材料發(fā)生斷裂破壞的情況則往往較多。也就是說(shuō)，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度是路面基層材料常見(jiàn)力學(xué)性能中的短板，為使鐵尾礦路面基層材料全面滿(mǎn)足力學(xué)強(qiáng)度要求，本試驗(yàn)將著重對(duì)鐵尾礦路面基層材料的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度的提升進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)原料

1.1 鐵尾礦

試驗(yàn)用鐵尾礦取自武鋼(集團(tuán))礦業(yè)公司金山店鐵選廠(chǎng)尾礦庫(kù)，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鐵尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Main chemical composition analysis of iron tailings %

由表1可以看出，該鐵尾礦中的活性成分氧化鈣、氧化鋁含量較高，分別達(dá)14.35%、9.07%；硅、鋁含量與傳統(tǒng)建材較接近,這有利于將金山店鐵尾礦開(kāi)發(fā)為路面基層材料[8-9]。

1.2 碎 石

鐵尾礦路面基層材料是指用鐵尾礦部分替代傳統(tǒng)的級(jí)配碎石與河砂而得到的路面基層材料。由于鐵尾礦級(jí)配的缺陷，試驗(yàn)用粒徑為13.2～0 mm的碎石作為試件的骨料，以改善原料級(jí)配。

1.3 水 泥

試驗(yàn)用水泥為湖南坪塘南方水泥有限公司生產(chǎn)的32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 水泥主要性能指標(biāo)Table 2 Main property indexes of cement

1.4 改性生物酶

近年來(lái)，有機(jī)類(lèi)路用土壤固化劑在我國(guó)一些地區(qū)的道路施工中得以推廣利用。與傳統(tǒng)的石灰、粉煤灰等無(wú)機(jī)土壤固化劑相比，改性生物酶用作路面基層材料的固化劑，具有無(wú)毒、無(wú)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

改性生物酶本身具有生物活性，遇適量水會(huì)發(fā)生凝聚、離子交換、催化和活化、水解水化等一系列生化反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的“膠結(jié)”反應(yīng)，使加水后壓實(shí)的集料形成一個(gè)密集、堅(jiān)固的整體。改性生物酶的加入改變了集料原有顆粒的表面活性、極性和吸附性，使集料原本對(duì)水的親和性變?yōu)榕懦庑?，從而增加集料抗水性與抗?jié)B性，進(jìn)而提高集料的強(qiáng)度[10]。

試驗(yàn)用改性生物酶為市售品。

1.5 聚丙烯纖維

試驗(yàn)用聚丙烯纖維為長(zhǎng)沙博賽特公司生產(chǎn)，主要性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 聚丙烯纖維主要物理性能Table 3 Main physical properties of polypropylene fibers

2 試件的制作

按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中T0843—2009、T0844—2009要求分別制作φ50 mm×50 mm圓柱形試件(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件)和160 mm×40 mm×40 mm梁式試件(劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)試件)，在恒溫(20 ℃)恒濕(95%)條件下進(jìn)行養(yǎng)生(養(yǎng)生期根據(jù)所進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目而定)，養(yǎng)生期的最后1 d改為在水中浸泡24 h，取出后用毛巾吸干試件表面的水分，然后進(jìn)行相應(yīng)的性能測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 路面基層材料配比的確定

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中JTG E51—2009要求，通過(guò)試件7 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)路面基層材料中水泥、碎石、鐵尾礦和改性生物酶的最佳質(zhì)量配比進(jìn)行了研究[11-12]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 路面基層材料配合比試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The result of materials for pavement base at different mixing ratio

從表4可以看出，水泥、碎石、鐵尾礦和改性生物酶的質(zhì)量配比為5∶30∶68∶2時(shí)，對(duì)應(yīng)試件的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，為4.90 MPa，滿(mǎn)足《JTJ 034—2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求。由于纖維的適量摻入往往有利于提高試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，因此，后續(xù)僅對(duì)路面基層材料試件的常見(jiàn)力學(xué)性能短板——劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，試驗(yàn)固定水泥、碎石、鐵尾礦和改性生物酶的質(zhì)量比為5∶30∶68∶2。

3.2 聚丙烯纖維摻量對(duì)路面基層材料力學(xué)性能的影響

聚丙烯纖維摻量對(duì)路面基層材料力學(xué)性能影響試驗(yàn)的試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間為60 d，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出：①聚丙烯纖維的摻量增加至1.5 kg/m3前，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度提高；繼續(xù)增加聚丙烯纖維的摻量，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度下降。②聚丙烯纖維的摻量增加至0.9 kg/m3前，試件的抗彎拉強(qiáng)度顯著提高；繼續(xù)增加聚丙烯纖維的摻量，試件的抗彎拉強(qiáng)度下降。③聚丙烯纖維的摻量在0.9～1.5 kg/m3范圍內(nèi)，試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較高。④適量摻加聚丙烯纖維可顯著提高試件的抗彎拉強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比，但聚丙烯纖維摻量過(guò)高也會(huì)引起抗彎拉強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值的下降。⑤聚丙烯纖維摻量為0.6～1.5 kg/m3時(shí)，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足《JTJ 034—2000 公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》要求。

表5 試件的力學(xué)性能指標(biāo)Table 5 Mechanical properties of specimens

3.3 聚丙烯纖維摻量對(duì)路面基層材料耐久性能的影響

3.3.1 聚丙烯纖維摻量對(duì)凍融循環(huán)的影響

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，養(yǎng)護(hù)28 d后分為2組，凍融循環(huán)試驗(yàn)組試件浸入水中飽水24 h后取出，在-18 ℃下冰凍16 h，然后在20 ℃的水槽內(nèi)融化8 h，如此循環(huán)5次；而對(duì)照組則繼續(xù)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，最后1 d改為浸水24 h,分別測(cè)定2組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算抗凍系數(shù)，即凍融循環(huán)組與對(duì)照組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同聚丙烯纖維摻量下試件的凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 The result of freeze-thawing cycle test at different dosage of polypropylene fibers

由表6可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，凍融循環(huán)組和對(duì)照組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均先顯著上升后升幅趨緩，抗凍系數(shù)則呈先上升后下降趨勢(shì)，但所有聚丙烯纖維摻量下的抗凍系數(shù)均在0.80以上，變化不大。當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為1.5 kg/m3時(shí)，凍循環(huán)試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

3.3.2 聚丙烯纖維摻量對(duì)干濕循環(huán)的影響

干濕循環(huán)試驗(yàn)采用φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，恒溫養(yǎng)護(hù)28 d后分為2組，干濕循環(huán)試驗(yàn)組試件浸入水中飽水24 h后取出風(fēng)干24 h，如此循環(huán)5次，而對(duì)照組則繼續(xù)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)，最后1 d改為浸水24 h,分別測(cè)定2組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算水穩(wěn)系數(shù)，即干濕循環(huán)組與對(duì)照組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同聚丙烯纖維摻量下試件的干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Wet and dry cycle test results at different dosage of polypropylene fibers

由表7可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，干濕循環(huán)和對(duì)照組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均先顯著上升后顯著下降，高點(diǎn)在聚丙烯纖維的摻量為1.5 kg/m3時(shí)，而水穩(wěn)系數(shù)則變化不大，均在0.88～0.92之間。當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為1.5 kg/m3時(shí)，干濕循環(huán)試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

3.3.3 聚丙烯纖維摻量對(duì)抗沖刷的影響

抗沖刷試驗(yàn)采用φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，稱(chēng)量養(yǎng)護(hù)28 d后試件的質(zhì)量，將試件放入容器中并固定好，加入約55 mm深的水將試件漫過(guò)，將容器固定在振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)頻率為10 Hz、振動(dòng)時(shí)間為30 min，取出沖刷后的試件，將容器內(nèi)的混濁水沉淀12 h，倒掉上清水，稱(chēng)取沉淀物的質(zhì)量，以沖刷率(即沉淀物質(zhì)量與振動(dòng)時(shí)間的比值)和質(zhì)量損失比(即沉淀物質(zhì)量與原試件質(zhì)量的比值)為評(píng)價(jià)指標(biāo)[13]，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，試件的質(zhì)量損失比曲線(xiàn)與沖刷率曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本一致，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，沖刷率與質(zhì)量損失比先下降后上升，低點(diǎn)在聚丙烯纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的試件沖刷率為0.139 g/min,質(zhì)量損失比為1.92%，滿(mǎn)足《路基路面工程》[7]要求。

圖1 不同聚丙烯纖維摻量下試件的抗沖刷試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Anti flushing tests at different dosage of polypropylene fibers

4 結(jié) 論

(1)武鋼金山店鐵尾礦在水泥、碎石、鐵尾礦和改性生物酶的質(zhì)量比為5∶30∶68∶2，聚丙烯纖維摻量為1.5 kg/m3情況下，恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)60 d的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到0.396 MPa、抗彎拉強(qiáng)度達(dá)1.641 MPa、抗彎拉強(qiáng)度與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比為0.27，滿(mǎn)足《路基路面工程》規(guī)定的高速公路和一級(jí)公路力學(xué)性能要求。

(2)在試驗(yàn)確定的配料比情況下，凍融循環(huán)試件和干濕循環(huán)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于5 MPa，抗凍系數(shù)大于0.80、水穩(wěn)系數(shù)大于0.88，表明該試件具有良好的抗凍性和水穩(wěn)性；抗沖刷試驗(yàn)表明，試件沖刷率為0.139 g/min,質(zhì)量損失比為1.92%，表明該試件具有良好的耐沖刷性，這些指標(biāo)均滿(mǎn)足高速公路和一級(jí)公路及一級(jí)公路路面基層材料的耐久性能要求。

(3)武鋼金山店鐵尾礦在水泥、碎石、鐵尾礦和改性生物酶的質(zhì)量比為5∶30∶68∶2，聚丙烯纖維摻量為1.5 kg/m3情況下，可以作為高速公路及一級(jí)公路路面基層材料的主要成分使用。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

The Mechanical Properties and Durability of Materials for Pavement Base with Iron Tailings

Yi Longsheng Wan Lei Wang Zhou Yuan Duowei

(SchoolofMineralsProcessingandBioengineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

In order to explore new ways for large-scale utilization of iron tailings resource，the mechanical property and durability of materials for pavement base at different dosage of polypropylene fibers was studied based on the mass ratio of cement，gravel，iron ore tailings and modified enzyme was 5∶30∶68∶2 by unconfined compression tests.The results showed that，with the polypropylene fiber dosage of 1.5 kg/m3，tensile strength and flexural strength of the sample reached 0.396 MPa and 1.641 MPa respectively，the ratio of flexural strength to unconfined compressive strength is 0.27，the unconfined compressive strength at both freeze-thaw and dry wet cycle will higher than 5 MPa，the frost resistance coefficient is greater than 0.88，the water stability is more than 0.88，the anti flushing ratio is 0.139 g/min，the mass loss ratio of the sample is 1.92%.Various mechanical properties and durability properties can meet the requirements of expressway and first-class highway.Iron ore tailings using as main raw materials for pavement base of expressway is feasible.

Iron tailings，Materials for pavement base，Mechanical property，Durability

2013-12-02

易龍生(1964—)，男，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD926.4

A

1001-1250(2014)-03-177-04