白琦峰， 張 華， 鮑偉超， 葉圣輝

(1.安徽東潤新材料科技有限公司, 安徽 馬鞍山 243000； 2.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團有限公司， 安徽 馬鞍山 243000；3.南京潤程工程咨詢有限公司， 江蘇 南京 210000)

0 引言

鐵礦開采選礦后剩余的鐵礦殘渣稱鐵尾砂，其細度較細，主要堆存在尾礦庫中。我國鐵尾砂存量達50億t，其綜合利用率不足10%[1]。鐵尾砂堆存需要占用大量土地、污染環(huán)境，尾礦庫維護費用高，并存在嚴重的安全隱患。我國公路行業(yè)持續(xù)保持快速發(fā)展，公路工程碎石消耗巨大。隨著我國環(huán)保政策趨緊，大量碎石場關(guān)閉，碎石來源緊張，供需矛盾突出，價格飆升。鐵尾砂經(jīng)過固化處理后，可替代大部分碎石用于路面基層，具有消耗量大、經(jīng)濟效益好、環(huán)保意義顯著等優(yōu)勢，為高附加值綠色材料。

國內(nèi)對于鐵尾砂在公路基層材料的應(yīng)用研究起步較晚，目前我國研究多以室內(nèi)路用性能試驗為主，實際工程應(yīng)用停留在試驗路階段，并沒有大規(guī)模應(yīng)用的實例，但經(jīng)眾多科研人員不斷研究，鐵尾砂的應(yīng)用還是取得一些實用性進展[2-5]。

為提高鐵尾砂在基層中的應(yīng)用性能，進行了專用固化劑開發(fā)。為驗證固化劑在鐵尾砂基層中的應(yīng)用性能，本文通過粗、細尾砂比例對強度的影響對比，確定粗、細尾砂的摻配比例。以此為基礎(chǔ)，進行不同摻量固化劑下穩(wěn)定鐵尾砂的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度試驗及凍融試驗，得到不同固化劑摻量時固化劑穩(wěn)定鐵尾砂混合料的適用公路等級結(jié)構(gòu)層，并進行試驗路驗證。

1 原材料及反應(yīng)機理

1.1 原材料

1) 鐵尾砂產(chǎn)自安徽某鐵礦，該鐵礦尾砂分為粗鐵尾砂和細鐵尾砂2種。其主要成分見表1，篩分結(jié)果見表2，主要技術(shù)指標見表3。其中細鐵尾砂粒徑主要集中在0～0.075mm之間，0.075mm通過率達到70%以上，細度模數(shù)為0.130，按照砂的分類屬于特細砂。

2) 固化劑的主要成分為氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)和調(diào)整活性及凝結(jié)時間的外摻劑。

1.2 反應(yīng)機理

氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)在水的作用下反應(yīng)生成具有水硬性膠凝能力的水化物。圖1為2000倍和5000倍下固化劑穩(wěn)定鐵尾砂的電鏡照片，可觀測到固化劑水化結(jié)晶體的生長和填充尾砂顆?？紫肚闆r。固化劑水化產(chǎn)物凝結(jié)、硬化過程中，裹附、粘結(jié)尾砂顆粒，填充尾砂顆粒間孔隙，形成整體強度。固化后尾砂的強度形成主要是固化劑水化反應(yīng)后的填充、固結(jié)作用，固化劑水化物固結(jié)尾砂顆粒，并填充尾砂顆粒間的孔隙，填充越充分，則強度越高。

表1 鐵尾砂化學(xué)成分含量成分含量/%CAS No全鐵(TFe)15.4—氧化鐵(Fe2O3)1 309-37-1二氧化硅(SiO2)63.314 808-60-7三氧化二鋁(Al2O3)4.11 344-28-1氧化鈣(CaO)4.71 305-78-8氧化鎂(MgO)4.71 309-48-4氧化鉀(K2O)0.5—氧化錳(MnO)0.21 344-43-0二氧化鈦(TiO2)0.213 463-67-7氧化鋇(BaO)0.11 304-28-5磷(P)7 723-14-0燒堿(NaOH)0.41 310-73-2硫(S)0.263 705-05-5水分6.27 732-18-5

表2 鐵尾砂篩分試驗結(jié)果類別通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%4.752.361.180.60.30.150.075粗砂99.589.777.560.748.026.411.4細砂100.0100.099.899.297.990.274.5

a)×2 000倍

b)×5 000倍

2 試驗方案

為分析固化劑穩(wěn)定鐵尾砂混合料的路用性能，首先通過粗、細尾砂比例對強度的影響來確定最佳的粗、細尾砂比例。按照最佳比例分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗、劈裂試驗和凍融試驗。

2.1 確定最佳粗、細尾砂比例

根據(jù)細尾砂優(yōu)先使用原則，將粗尾砂和細尾砂分別按照3∶7、4∶6、5∶5這3種比例進行摻配，在10%固化劑摻量下，通過標準擊實試驗確定其最大干密度與最佳含水率。采用最佳含水率，以98%壓實標準成型Φ50 mm×50mm試件，并測定不同齡期的無側(cè)限抗壓強度[6]。不同粗、細尾砂比例穩(wěn)定鐵尾砂的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表4。試驗結(jié)果表明:隨著粗尾砂摻量的增加，最大干密度逐漸增大，而最佳含水率逐漸降低，其對應(yīng)齡期的無側(cè)限抗壓強度也隨之增加。粗、細比例為3∶7時，7d強度為5.1MPa，基本能滿足規(guī)范規(guī)定的基層強度要求[7]。考慮經(jīng)濟成本以及充分利用細尾砂的原則，后續(xù)研究按照粗、細尾砂比例3∶7進行。

表4 不同粗、細尾砂比例穩(wěn)定鐵尾砂的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果粗、細尾砂配比最佳含水率/%最大干密度/ (g·cm-3)7 d強度/MPa14 d強度/MPa28 d強度/MPa3∶79.82.0695.15.66.04∶69.52.0985.66.16.65∶59.02.1606.87.89.0

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

在粗、細尾砂比例為3∶7的條件下，對不同固化劑摻量穩(wěn)定鐵尾砂進行試驗研究。固化劑摻量分別取2%、4%、6%、8%、10%、15%和20%，采用重型擊實試驗確定最佳含水率和最大干密度。按照相應(yīng)最佳含水率與最大干密度成型Φ50 mm×50mm試件(98%壓實度)，在標準養(yǎng)護的相應(yīng)齡期最后1d泡水后，測定相應(yīng)齡期的無側(cè)限抗壓強度。

2.3 劈裂強度試驗

除抗壓強度外，抗拉強度是無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的另一重要指標，該指標與無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料抗疲勞性能有直接關(guān)系。對于同一類材料，抗拉強度越大，抗疲勞開裂能力越強?？估瓘姸瓤刹捎弥苯永煸囼灒部刹捎瞄g接拉伸試驗(劈裂試驗)，后者采用圓柱形試件，成型簡便。根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[6]中T0806-1994“無機結(jié)合料穩(wěn)定材料間接抗拉強度試驗方法(劈裂試驗)”，試件成型后在(20±2)℃恒溫室內(nèi)標準養(yǎng)護90d，最后1d浸水，然后將試件放置在壓力機上，保持1mm/min的速率進行劈裂試驗，記錄試件破壞時的最大壓力。

2.4 凍融試驗

氣候環(huán)境尤其是冬季低溫循環(huán)凍融對無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料會產(chǎn)生不利影響，通常通過凍融試驗評價無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料抵抗氣候環(huán)境影響的能力。

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[6]中T0858-2009“無機結(jié)合料穩(wěn)定材料凍融試驗方法”，在最佳含水率與最大干密度下制備試件，標準養(yǎng)護28d，非凍融試件養(yǎng)護28d的最后1d泡水檢測其無側(cè)限抗壓強度為RC;凍融試件在養(yǎng)護28d的最后1d泡水后置入-18℃的低溫箱冷凍18h，然后放入20℃水中浸泡8h完成1次凍融循環(huán)，在完成5次凍融循環(huán)后檢測其無側(cè)限抗壓強度為RDC。

抗凍性指標按公式(1)進行計算。

(1)

式中: BDR表示經(jīng)5次凍融循環(huán)后試件的殘留強度比,%；RDC表示5次凍融循環(huán)后試件的抗壓強度,MPa；RC表示對比試件的抗壓強度，MPa。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 無側(cè)限抗壓強度

最佳含水量、最大干密度和無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表5。

表5 不同固化劑摻量穩(wěn)定鐵尾砂無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果固化劑摻量/%最佳含水率/%最大干密度/ (g·cm-3)7 d強度/MPa14 d強度/MPa28 d強度/MPa2.09.02.1300.40.81.04.09.42.1081.62.83.66.09.02.0913.13.64.08.010.02.0873.84.85.110.09.82.0695.15.66.015.09.92.0555.56.46.720.010.62.0506.28.28.3

由表5可以得出，隨著固化劑摻量的增加，最大干密度逐漸減小，最佳含水率基本穩(wěn)定在9%～10%之間，強度逐漸增大；隨著齡期的增長，強度也相應(yīng)地增大。

3.2 劈裂強度試驗

不同固化劑摻量穩(wěn)定鐵尾砂劈裂強度試驗結(jié)果見表6。根據(jù)以往數(shù)據(jù)，水泥穩(wěn)定碎石90d劈裂強度為0.4～0.6MPa[8]。由表6可得，當固化劑摻量大于4%時，其90d劈裂強度可達到與水泥穩(wěn)定碎石相當?shù)乃?。并?0d以后，穩(wěn)定鐵尾砂的強度仍在持續(xù)增長。

表6 不同固化劑摻量穩(wěn)定鐵尾砂劈裂強度試驗結(jié)果(粗尾砂∶細尾砂=3∶7)固化劑摻量/%90 d劈裂強度/MPa180 d劈裂強度/MPa20.320.4640.510.6160.550.6880.600.72100.730.84150.930.99201.131.25

3.3 凍融試驗

3種不同劑量鐵尾砂混合料的凍融試驗結(jié)果見表7。結(jié)果表明：經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，鐵尾砂混合料強度不但未下降甚至還略有提高。這一現(xiàn)象與穩(wěn)定鐵尾砂混合料較為致密和強度持續(xù)增長有關(guān)。

表7 穩(wěn)定鐵尾砂凍融試驗結(jié)果固化劑用量/%RDC/MPaRC/MPaBDR/%64.04.0100.085.25.1101.9106.16.0101.6

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》[7]要求對凍土地區(qū)高速公路和一級公路的石灰粉煤灰穩(wěn)定類基層開展凍融試驗，在重凍區(qū)殘留抗壓強度要求不小于70%，中凍區(qū)要求不小于65%。經(jīng)歷凍融循環(huán)后，3種固化劑用量的穩(wěn)定鐵尾砂混合料殘留強度比均能滿足規(guī)范要求。

3.4 穩(wěn)定鐵尾砂混合料適用范圍分析

表8列出了《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》[7]對水泥穩(wěn)定類材料7d無側(cè)限抗壓強度標準的規(guī)定，鐵尾砂混合料用于基層時，強度要求為1.0～7.0MPa，公路等級越高，交通荷載越重，對強度要求越高。

對照表5不同固化劑摻量的鐵尾砂無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，滿足規(guī)范對水泥穩(wěn)定類材料的要求。用于路面基層時，固化劑摻量應(yīng)在4%以上。隨著固化劑摻量的提高，鐵尾砂混合料強度增加，適用于更多的工況。當固化劑用量達到10%以上時，可滿足所有公路等級和交通荷載等級公路的強度要求[9-10]。

表8 水泥穩(wěn)定類材料7 d無側(cè)限抗壓強度標準MPa結(jié)構(gòu)層公路等級極重、特重交通重交通中等、輕交通基層高速公路、一級公路、5.0～7.04.0～6.03.0～5.0二級及二級以下公路4.0～6.03.0～5.02.0～4.0底基層高速公路、一級公路、3.0～5.02.5～4.52.0～4.0二級及二級以下公路2.5～4.52.0～4.01.0～3.0

4 試驗路實施效果

在某鐵尾砂庫內(nèi)部道路鋪筑了450m固化劑穩(wěn)定鐵尾砂基層試驗路。根據(jù)規(guī)范要求,分別按照不同含水率進行標準擊實試驗，確定最大干密度和最佳含水率。然后測量試件在最佳含水率和最大干密度時的無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果見表9。

表9 鐵尾砂基層試驗路混合料試驗參數(shù)混合料類型層位固化劑摻量/%最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)7 d強度代表值/MPa粗鐵尾砂∶細鐵尾砂=3∶7基層10.010.01.9964.1

根據(jù)試驗結(jié)果，進行固化劑穩(wěn)定鐵尾砂基層試驗路的施工(見圖2 a)、養(yǎng)生(見圖2 b)、取芯(見圖2 c)及通車1 a后路況觀測(見圖2 d)。試驗路建成通車1 a后，對試驗路路況進行了觀測，全線450m路面未見坑槽、松散等病害，現(xiàn)場取芯芯樣完整、密實。試驗路出現(xiàn)橫向裂縫3條，裂縫間距50～100mm，與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石基層的瀝青路面裂縫情況相當。固化劑穩(wěn)定鐵尾砂基層初步表現(xiàn)出良好的路用性能。

a)試驗路攤鋪

c)試驗路芯樣

d)試驗路通車1 a后路況

5 結(jié)論

1) 氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO)為主要活性成分的無機水硬性固化劑對鐵尾砂有理想的穩(wěn)定效果。

2) 當固化劑摻量大于4%時，即可達到與常用水泥穩(wěn)定碎石相當?shù)呐褟姸取?/p>

3) 固化劑穩(wěn)定鐵尾砂具有較好的抗低溫凍融循環(huán)作用。

4) 根據(jù)規(guī)范對無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的技術(shù)要求，固化劑摻量為4%時，可用于中等、輕交通的二級及二級以下公路的底基層；固化劑摻量大于10%時，可用于所有公路等級和交通荷載等級的基層和底基層。

5) 通過固化劑穩(wěn)定鐵尾砂基層試驗路的施工、檢測與通車1 a后路面病害觀測，發(fā)現(xiàn)固化劑穩(wěn)定鐵尾砂芯樣完整，未見坑槽、松散等病害，與常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石混合料基層的瀝青路面裂縫情況相當。固化劑穩(wěn)定鐵尾砂基層初步表現(xiàn)出良好的路用性能。

6) 固化劑穩(wěn)定鐵尾砂混合料在未使用新集料的情況下，展現(xiàn)了良好的路用性能及實際應(yīng)用效果，對保護環(huán)境和節(jié)約資源具有十分突出的意義。