李軍衛(wèi)，劉長(zhǎng)明，單雪峰

（1.黑龍江東方學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150066；2.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110021；3.黑龍江省公路工程監(jiān)理咨詢有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

開采鐵礦之后的鐵尾礦砂是原礦石在精選之后的固體廢料，但是經(jīng)過精選之后的鐵尾礦砂還是含有大量的金屬離子和其他物質(zhì)成分無法直接進(jìn)行回收利用，大多數(shù)尾礦砂的處理都是現(xiàn)場(chǎng)堆積的方式。目前，隨著礦產(chǎn)資源的不斷開采，鐵尾礦廢料數(shù)量逐漸遞增使得尾礦砂的管理費(fèi)用和尾礦排放量也大幅度增加，增加了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本和污染了城市環(huán)境；同時(shí)，不斷增高的尾礦壩也給施工人員的生命安全和周圍建筑物帶來嚴(yán)重威脅；另一方面，在初始選礦時(shí)殘留下的藥劑和尾礦砂自身所帶有的金屬離子在對(duì)尾礦廢料進(jìn)行處理的過程中會(huì)造成環(huán)境的嚴(yán)重污染，甚至導(dǎo)致周圍的植物、水源和土地資源受到破壞[1-3]。因此，面對(duì)尾礦的污染和難以回收利用的特點(diǎn)，以及國(guó)家提倡可持續(xù)發(fā)展的理念，需要對(duì)尾礦廢料的性質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)其進(jìn)行二次利用以解決上述問題。

我國(guó)西部地區(qū)基礎(chǔ)交通設(shè)施修建進(jìn)入一個(gè)“浪潮”，而修建公路的路基路面時(shí)需要大量的石料，石料材料性能的好壞直接影響路基路面的性能以及使用壽命，現(xiàn)有采石場(chǎng)開采石料時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的影響也更大，不符合可持續(xù)發(fā)展的理念[4]，而上述無法處理的鐵尾礦砂自身性質(zhì)與公路所用石料的性質(zhì)相似，故可以對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行一定的處理，使其滿足修筑公路路基路面所需材料性能要求，將改良后的鐵尾礦砂用到公路施工中[5-7]；這樣不僅可以解決鐵尾礦砂堆積處理的成本耗費(fèi)以及降低對(duì)環(huán)境的污染，又可解決公路修筑時(shí)原材料的來源和避免了原有石料資源的浪費(fèi)。

本文以遼寧省鞍山地區(qū)的鐵尾礦砂為研究對(duì)象，通過采用固化劑對(duì)其進(jìn)行改良，對(duì)改良后的尾礦砂進(jìn)行力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證其是否可以滿足路面基層材料性質(zhì)要求；并對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)和水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)分析其耐久性能。

1 尾礦砂和水泥的基本性能

作為固化劑的水泥材料主要來自沈陽天和水泥廠，水泥為普通硅酸鹽水泥PO32.5，主要性能指標(biāo)為28 d抗壓強(qiáng)度為30.5 MPa、28 d抗折強(qiáng)度6.0 MPa、水泥的初凝時(shí)間1.05 h、水泥的終凝時(shí)間4.12 h、燒失量2.51%和細(xì)度3.2%。

而所采用的鐵尾礦砂均來自鞍山市齊大山尾礦壩，根據(jù)篩分實(shí)驗(yàn)確定出所采用鐵尾礦砂的級(jí)配，并繪制出鐵尾礦砂的級(jí)配曲線見圖1。其中，篩孔直徑選2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.075 mm五種。

圖1 級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve

由圖1可知，本文所選用的尾礦砂的粒徑大于0.5 mm的尾礦砂總含量超過了50%，故選取的尾礦砂為中粗砂。

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算出尾礦砂的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)值，即

式中，Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)；d60為含量為60%時(shí)對(duì)應(yīng)顆粒粒徑，mm；d30為含量為30%時(shí)對(duì)應(yīng)顆粒粒徑，mm；d10為含量為10%時(shí)對(duì)應(yīng)顆粒粒徑，mm。

根據(jù)式（1）、式（2），結(jié)合級(jí)配曲線計(jì)算得出尾礦砂的不均勻系數(shù)Cu為2.14，曲率系數(shù)Cc為1.31。

鞍山市齊大山尾礦壩的鐵尾礦砂化學(xué)成分和占比為TFe（11.51%）、FeO（2.23%）、SiO2（79.08%）、CaO（0.39%）、MgO（1.25%）、Al2O3（1.98%）、MnO（0.84%）、P（0.53%）和S（0.36%）、燒損量為1.83%，該鐵尾礦砂中SiO2的含量最多，故該尾礦砂可以定義為高硅鞍山型鐵尾礦；鐵尾礦的主要礦物成分為鎂、鐵氧化物和云母、鈣硅石，石英等硅酸鹽礦物。

2 改良尾款砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方案與步驟

在公路施工過程中對(duì)于路面材料強(qiáng)度的評(píng)價(jià)主要以7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為指標(biāo)。本文將采用水泥作為固化劑來改良鐵尾礦砂，分別開展不同固化劑用量、材料壓實(shí)度和演化周期作用下改良尾礦砂力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)[7-8]；根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)范制作實(shí)驗(yàn)所需試樣，按照要求將改良尾礦砂制備成（50×50）mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，對(duì)試樣的基本尺寸和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定后，用保鮮膜將其完全包住后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)完事之后采用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，軸向應(yīng)力施加速率采用0.5 mm/min，每一組實(shí)驗(yàn)做三個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。其中，采用濟(jì)南美特斯儀器儀表有限公司生產(chǎn)的30 t微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，主要技術(shù)指標(biāo)為：最大實(shí)驗(yàn)力300 kN、實(shí)驗(yàn)機(jī)級(jí)別0.5級(jí)、實(shí)驗(yàn)力測(cè)量范圍0.2% ~ 100%FS、實(shí)驗(yàn)力示值相對(duì)誤差±0.5%以內(nèi)、實(shí)驗(yàn)力分辨力1/300000FS基本滿足本次實(shí)驗(yàn)的要求。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用固化劑用量分別為（3、6、9、12）%三種、壓實(shí)度分別設(shè)置為87%、90%、93%、96%三種、養(yǎng)護(hù)實(shí)驗(yàn)定為（7、14、28和90）d四種，最終得到不同固化劑用量、材料壓實(shí)度和演化周期條件下改良尾礦砂無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律見圖2。

圖2 養(yǎng)護(hù)周期影響Fig.2 Eあect of maintenance cycle

由圖2可知，在相同水泥固化劑用量的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)周期不斷增長(zhǎng)，改良后鐵尾礦砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐漸非線性增大，但是在養(yǎng)護(hù)初期時(shí)材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大強(qiáng)度增長(zhǎng)速率有所減緩，這主要是由于在養(yǎng)護(hù)初期時(shí)，松散顆粒在固化劑作用下快速凝結(jié)在一起，在鐵尾礦砂之間形成一個(gè)空間型的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，使得凝結(jié)的物質(zhì)逐漸充填在里面，但是隨著鐵尾礦砂與固化劑的反應(yīng)進(jìn)行，可凝結(jié)的物質(zhì)越來越少，且空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定。

由圖3可知，在相同水泥固化劑用量的條件下，隨著材料壓實(shí)度的增大，改良后鐵尾礦砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)線性增大關(guān)系，且隨著養(yǎng)護(hù)周期不斷增長(zhǎng)，鐵尾礦砂隨著壓實(shí)度增大幅度也越大，這是由于在水泥固化劑作用下鐵尾礦砂逐漸凝結(jié)在一起，隨著壓實(shí)度的不斷增大，這種凝結(jié)作用也更加強(qiáng)烈，使得空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。

圖3 壓實(shí)度影響Fig.3 Impact of compaction

由圖4可知，在相同壓實(shí)度的條件下，隨著固化劑用量的增大，改良后鐵尾礦砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也基本呈現(xiàn)線性增大關(guān)系，且養(yǎng)護(hù)周期不斷增長(zhǎng)，鐵尾礦砂隨著固化劑用量增大幅度也越大，這是由于水泥固化劑的摻入主要是將松散的鐵尾礦砂顆粒通過化學(xué)反應(yīng)凝結(jié)在一起，隨著水泥用量的不斷增多這種化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行更加強(qiáng)烈更加徹底，使得鐵尾礦砂顆粒凝結(jié)速率和凝結(jié)效果更好，進(jìn)而使得空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。

圖4 固化劑摻量影響Fig.4 Eあect of curing agent content

3 改良尾礦砂的抗壓回彈模量性質(zhì)

3.1 抗壓回彈模量實(shí)驗(yàn)方案與步驟

由于車輛在公路上行駛時(shí)，會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生一定的動(dòng)荷載作用，為了避免由動(dòng)荷載帶來路面過大變形，需要保證路面基層材料的強(qiáng)度與路面面層材料性能相適應(yīng)且強(qiáng)度要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，故采用抗壓回彈模量來評(píng)價(jià)路面基層材料的強(qiáng)度。

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中T 0804.2009的要求[7]和《公路工程集料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》[8]，將改良尾礦砂制備成（150×150）mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，對(duì)試樣的基本尺寸和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定后，用保鮮膜將其完全包住后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)天數(shù)定為7 d、14 d、28 d和90 d、固化劑用量為9%、壓實(shí)度為93%），在養(yǎng)護(hù)之后需要將試樣放入(20±2)℃水浸泡至飽和，再進(jìn)行抗壓回彈模量測(cè)量?？箟夯貜椖Ａ坎捎贸休d板法進(jìn)行測(cè)量，其實(shí)驗(yàn)步驟為：首先將飽和的試樣從水中取出，擦干試樣表面的水分對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定，采用最大荷載的1/2進(jìn)行預(yù)壓，在預(yù)壓1 min之后讀取千分表的數(shù)值并記錄，然后施加下一級(jí)荷載進(jìn)行預(yù)壓，在預(yù)壓1 min之后讀取千分表的數(shù)值并記錄，重復(fù)以上步驟直至所有荷載施加完畢為止。其中，抗壓回彈模量E計(jì)算方法為

式中，p為施加壓力，kN；D為承載板直徑，mm；l為相應(yīng)于施加壓力的回彈變形，mm；μ為泊松系數(shù)，一般取0.25。

3.2 抗壓回彈模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案和抗壓回彈模量計(jì)算方法，得出不同養(yǎng)護(hù)周期作用下改良后鐵尾礦砂變化規(guī)律見圖5。

圖5 養(yǎng)護(hù)周期對(duì)抗壓回彈模量的影響Fig.5 Eあect of curing period on compression modulus

由圖5可知，隨著養(yǎng)護(hù)周期不斷增長(zhǎng)，改良后鐵尾礦砂的抗壓回彈模量不斷增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，都是養(yǎng)護(hù)初期材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大強(qiáng)度增長(zhǎng)速率有所減緩，養(yǎng)護(hù)周期從7 d、14 d、28 d到90 d時(shí)，抗壓回彈模量分別為（1065.82、1399.09、1553.94和1917.51）MPa；相對(duì)于養(yǎng)護(hù)7 d試樣，養(yǎng)護(hù)4 d、28 d和90 d試樣的抗壓回彈模量增長(zhǎng)率分別為31.27%、45.80%和79.91%，這也說明了養(yǎng)護(hù)周期的增大可以有效提升試樣的抵抗變形能力。

4 改良尾礦砂的水穩(wěn)定性

4.1 水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)方案和步驟

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中T 0804.2009和《公路工程集料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》的要求，制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的試樣一致，只是將試樣分為養(yǎng)護(hù)后浸水飽和試樣和不浸水養(yǎng)護(hù)試樣，對(duì)改良后鐵尾礦砂進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，軸向應(yīng)力施加速率采用0.5 mm/min，每一組實(shí)驗(yàn)也做三個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)固化劑用量分別為6%、9%、12%三種，壓實(shí)度選取為93%一種，養(yǎng)護(hù)實(shí)驗(yàn)定為（7、14、28和90）d四種。其中，水穩(wěn)定系數(shù)ω計(jì)算方法為

式中，ω為水穩(wěn)定系數(shù)，%；R1為浸水飽和后試樣強(qiáng)度，MPa；R0為未浸水試樣的強(qiáng)度，MPa。

4.2 水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案和水穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法，得出不同養(yǎng)護(hù)周期作用下改良后鐵尾礦砂的水穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律見圖6。

圖6 水穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律Fig.6 Water stability coeきcient change law

由圖6可知，在同一水泥固化劑用量的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)周期不斷增大，改良后鐵尾礦砂的水穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律呈現(xiàn)出現(xiàn)減小后增大的趨勢(shì)，這是由于在水泥和鐵尾礦砂在進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部的水即促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，使得鐵尾礦砂松散顆?？梢阅Y(jié)在一起，又對(duì)凝結(jié)的顆粒起到分解作用，加快了顆粒之間分解作用；而在反應(yīng)初期時(shí)水的促進(jìn)水化反應(yīng)凝結(jié)顆粒的作用小于分解顆粒的作用，故水穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)使得材料內(nèi)部空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定時(shí)，水分解顆粒的作用逐漸下降，進(jìn)而水穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)了上升趨勢(shì)。同時(shí)，水泥固化劑的用量越多，改良后鐵尾礦砂的水穩(wěn)定性越好，這是由于在低摻量固化劑的改良后鐵尾礦砂中，水的分解作用大于水化作用，進(jìn)而使得顆粒之間的凝結(jié)效果沒有高摻量固化劑改良后鐵尾礦砂的凝結(jié)效果好。

5 改良尾礦砂的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)

5.1 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)方案和步驟

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》中T 0804.2009和《公路工程集料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》的要求，將改良尾礦砂制備成（100×100）mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，對(duì)試樣的基本尺寸和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定后，用保鮮膜將其完全包住后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)天數(shù)定為28 d和90 d、固化劑用量為9%、壓實(shí)度為90%、93%和96%），在養(yǎng)護(hù)之后需要將試樣放入(20±2)℃水將試樣浸泡至飽和，將飽和的試樣從水中取出，擦干試樣表面的水分后將其放入到凍融箱內(nèi)，在-25℃條件下凍結(jié)5 h后取出，然后在室溫條件下融化5 h后再次將試樣放入到凍融箱內(nèi)[8-9]，重復(fù)以上步驟直至凍融次數(shù)到20次。改良鐵尾礦抗凍性主要由強(qiáng)度損失率M來評(píng)價(jià)，其計(jì)算方法為

式中，M為強(qiáng)度損失率，%；Rc為凍融前試樣強(qiáng)度，MPa；Rdc為凍融n次試樣強(qiáng)度，MPa。

5.2 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案和強(qiáng)度損失率計(jì)算方法得出不同壓實(shí)度作用下改良后鐵尾礦砂的強(qiáng)度損失率變化規(guī)律見圖7。

圖7 質(zhì)量損失率變化規(guī)律Fig.7 Change law of mass loss rate

由圖7可知，隨著壓實(shí)度的增大，改良后鐵尾礦砂的強(qiáng)度損失率逐漸減小，這主要是由于當(dāng)改良后鐵尾礦砂壓實(shí)度越大時(shí)，在水泥固化劑作用下鐵尾礦砂凝結(jié)作用越強(qiáng)，使得空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定，進(jìn)而使得改良后鐵尾礦砂抗凍能力增強(qiáng)。但是隨著養(yǎng)護(hù)周期時(shí)間的增大，在同一壓實(shí)度作用下，改良后鐵尾礦砂的強(qiáng)度損失率越小，這主要是由于鐵尾礦砂試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，其空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定且抗壓強(qiáng)度也基本穩(wěn)定，故試樣后期的抗凍能力要大于前期的抗凍能力。

6 結(jié) 論

（1）在相同水泥固化劑用量的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)周期不斷增長(zhǎng)，改良后鐵尾礦砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸非線性增大，但是在養(yǎng)護(hù)初期時(shí)材料的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增大強(qiáng)度增長(zhǎng)速率有所減緩。

（2）由于在低摻量固化劑改良后鐵尾礦砂中，水的分解作用大于水化作用，使得顆粒之間的凝結(jié)效果沒有高摻量固化劑改良后鐵尾礦砂的凝結(jié)效果好，進(jìn)而水泥固化劑的用量越多，改良后鐵尾礦砂的水穩(wěn)定性越好。

（3）鐵尾礦砂試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，其空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定且抗壓強(qiáng)度也基本穩(wěn)定，故試樣后期的抗凍能力要大于前期的抗凍能力；

（4）在同一水泥固化劑用量的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)周期不斷增大，改良后鐵尾礦砂的水穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。