【摘要】鉬尾礦是全球開采鉬礦過程中產(chǎn)生的固體廢棄物之一。將鉬尾礦用于路基建設(shè)，不僅可以解決環(huán)境污染問題，還可以緩解天然砂資源短缺的現(xiàn)狀，是一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的資源回收方式。文中以黑龍江伊春地區(qū)的鉬尾礦為研究對(duì)象，在凍融循環(huán)條件下，加入不同摻量的水泥和粉煤灰對(duì)鉬尾礦砂進(jìn)行穩(wěn)定處理。通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，得到不同摻量條件下穩(wěn)定鉬尾礦砂的強(qiáng)度。文中的研究成果為鉬尾礦的再利用提供了參考。

【關(guān)鍵詞】鉬尾礦；水泥粉煤灰穩(wěn)定；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

【中圖分類號(hào)】TU51 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）07-0110-05

0 引言

鉬尾礦是指鉬礦開采、磨細(xì)、浮選后剩余的碎屑狀巖土廢料?，F(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)依賴鉬，特別是在建筑用鋼的生產(chǎn)中，添加鉬可提高鋼的淬透性和耐腐蝕性。隨著城市的快速發(fā)展，道路建設(shè)量逐年增加，砂石作為路基填料的需求量巨大[1]。雖然鉬尾礦在路基路面工程中的實(shí)際應(yīng)用十分少見，但在其他尾礦作為路基填料的利用方面已有相關(guān)研究，并取得了一定成果[2]。

東北地區(qū)冬季漫長且氣溫較低，地表溫差大[3]。水泥和粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到凍融循環(huán)的影響。冬季土體凍結(jié)后體積增大，隨著天氣變暖，土體融化后體積減小，凍結(jié)和融化的過程反復(fù)循環(huán)，容易導(dǎo)致土體開裂，從而影響其耐久性。因此，研究鉬尾礦復(fù)合材料的耐久性非常必要。此研究將模擬季節(jié)性凍土區(qū)土體的凍結(jié)和融化過程，進(jìn)行水泥和粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦的凍融循環(huán)試驗(yàn)。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為主要指標(biāo)，研究在不同摻量的水泥和粉煤灰條件下，凍融循環(huán)對(duì)穩(wěn)定鉬尾礦耐久性能的影響，為類似工程提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

鉬尾礦砂。試驗(yàn)用土取自黑龍江伊春某礦業(yè)鉬尾礦壩的鉬尾礦砂。為了測定鉬尾礦砂的粒徑和級(jí)配，采用篩分法和密度計(jì)法聯(lián)合測定。根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[4]，鉬尾礦的不均勻系數(shù)Cu=3.33；曲率系數(shù)Cc=1.33。計(jì)算結(jié)果表明，約83.42%的顆粒集中在0.075～0.5 mm范圍內(nèi)，因此粒度成分為極細(xì)顆粒級(jí)配。這表明鉬尾礦砂為級(jí)配不良土，應(yīng)命名為含細(xì)粒土砂，級(jí)配曲線見圖1[5]。

通過試驗(yàn)測得鉬尾礦的基本物理性質(zhì)，結(jié)果見表1。通過X射線熒光光譜（XRF）分析，測定了鉬尾礦砂和水泥的化學(xué)成分，結(jié)果如表2所示。

水泥。試驗(yàn)使用的無機(jī)結(jié)合料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見表3。

粉煤灰。試驗(yàn)使用的粉煤灰為河津市某粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的F類I級(jí)粉煤灰，主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)使用的分散裝置為砂漿攪拌機(jī)，模具為50 mm×50 mm的圓柱形鋼模具。加載設(shè)備為WDW-100E型萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為1 mm/min，如圖2所示。脫模設(shè)備為YT-20型液壓電動(dòng)脫模儀器。試驗(yàn)所用低溫試驗(yàn)箱為STDW-40型，如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 配合比及凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

選取水泥摻量、粉煤灰摻量和凍融循環(huán)次數(shù)作為試驗(yàn)變量。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[6]，建議水泥與粉煤灰的比例為1：3～1：5，水泥粉煤灰與細(xì)粒材料的比例為3：7～1：9。此次試驗(yàn)選取的水泥摻量為3%、5%、7%，粉煤灰摻量為9%、15%、21%。試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比見表5。試件的壓實(shí)系數(shù)定為0.95。

在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)之前，穩(wěn)定鉬尾礦需要經(jīng)過一段時(shí)間的前期養(yǎng)護(hù)。有研究采用28天的養(yǎng)護(hù)期，而有的則采用90天。根據(jù)Yao B C[7]的研究，水泥穩(wěn)定材料在90天養(yǎng)護(hù)期的強(qiáng)度約為28天時(shí)的1.1倍，強(qiáng)度提升不大，但養(yǎng)護(hù)時(shí)間更長。因此，試驗(yàn)選擇28天作為凍融循環(huán)試驗(yàn)的前期養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

研究發(fā)現(xiàn)，尾礦砂在經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度顯著下降，而在5次循環(huán)后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。據(jù)此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)前密后疏的凍融循環(huán)方案，設(shè)置了0、1、3、5、7、10次凍融循環(huán)共6個(gè)因素水平。試驗(yàn)共54組，每組試樣制備數(shù)量為6。凍融循環(huán)試驗(yàn)流程見圖4。

1.3.2 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)方法

根據(jù)JTG 3441—2024《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[8]，采用位移控制加載，加載速率設(shè)定為1 mm/min，并記錄試件破壞時(shí)的最大壓力，按式（1）計(jì)算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。通過此試驗(yàn)，可以評(píng)估無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的抗壓性能，為公路工程材料的選用和質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)。

（1）

式中：為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）；為破壞時(shí)的最大壓力（N）；為試件截面積（mm2）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞特征

不同凍融循環(huán)次數(shù)下穩(wěn)定鉬尾礦的外觀特征如圖5所示，N為凍融循環(huán)次數(shù)。圖5（a）顯示未經(jīng)凍融的試件，試件表面完整光滑；圖5（b）和圖5（c）分別顯示第1次和第3次凍融循環(huán)后的外觀圖，試件的完整性幾乎沒有受到凍融循環(huán)的影響，表面較為完整，沒有出現(xiàn)明顯破損。但第3次凍融循環(huán)后的試件表面變得更為粗糙，這是由于前幾次凍融造成了試件表面的部分顆粒脫落，脫落后留下的縫隙為水分進(jìn)入試件內(nèi)部創(chuàng)造了條件。

如圖5（d）所示，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為5次時(shí)，試件開始出現(xiàn)部分表面剝落。當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到7次時(shí)，試件的表面顆粒出現(xiàn)更大面積的剝落，剝落區(qū)域向內(nèi)部擴(kuò)展，使得較大的顆粒暴露于表面，如圖5（e）所示。當(dāng)凍融次數(shù)為10次時(shí)，試件的剝落區(qū)域及深度進(jìn)一步加劇，表面裂縫繼續(xù)發(fā)展并連通，外觀劣化嚴(yán)重，完整性喪失，見圖5（f）。

2.2 凍融循環(huán)對(duì)模量、抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量的影響

強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率按照式（2）、式（3）計(jì)算：

（2）

（3）

式中：為強(qiáng)度損失百分率；為第n次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度（MPa）；為質(zhì)量損失百分率；為第n次凍融循環(huán)后質(zhì)量（g）。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表7顯示了不同水泥摻量和粉煤灰摻量下無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定尾礦砂在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的強(qiáng)度損失速率。從表7可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試樣的強(qiáng)度損失速率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。以A5組為例，此組試樣在第1次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失率為18.77%，在第5次凍融循環(huán)后達(dá)到最大值36.79%，之后基本保持不變。這說明此組試樣在前期養(yǎng)護(hù)期間已經(jīng)形成了較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，能夠有效抵抗凍融作用。其余組的變化規(guī)律相似。

2.3 單因素評(píng)估模型

2.3.1 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

圖6顯示在不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦的抗壓強(qiáng)度變化。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在第1次凍融循環(huán)后降低的程度最大，而在2～5次循環(huán)中，強(qiáng)度的下降速率逐步變緩。超過5次循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度的變化曲線變得更加平坦，表明強(qiáng)度趨向穩(wěn)定。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化采用指數(shù)函數(shù)擬合，函數(shù)表達(dá)式見式（4），擬合結(jié)果見圖6。

（4）

式中：為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；為凍融循環(huán)次數(shù)。

2.3.2 水泥摻量和粉煤灰摻量的影響

圖7和圖8顯示，當(dāng)試件的水泥摻量保持不變時(shí)，增加粉煤灰可以提升試件強(qiáng)度；反之，固定粉煤灰用量、提高水泥摻量也能增強(qiáng)試樣強(qiáng)度。這表明水泥和粉煤灰在提高材料強(qiáng)度方面起著互補(bǔ)的作用，并且它們的摻入比例對(duì)最終的強(qiáng)度結(jié)果有直接影響。

一般來說，水泥摻量越高，抗壓強(qiáng)度越高，這是因?yàn)樗嗯c混合料中的水發(fā)生反應(yīng)后形成了膠結(jié)物質(zhì)，增強(qiáng)了土體顆粒間的黏合力，從而提升了材料的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這一反應(yīng)過程對(duì)于提高土體的承載能力和穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。然而，并不是水泥摻量越高越好。當(dāng)水泥摻量達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增加水泥摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升作用會(huì)減弱，甚至出現(xiàn)下降現(xiàn)象。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇水泥摻量，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理和高效的目的。

3 結(jié)語

文中通過對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦的抗壓試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）凍融后試樣的質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和彈性模量均減小?？箟簭?qiáng)度和彈性模量在第一次凍融循環(huán)后降低幅度最大，在經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定。

2）無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鉬尾礦的抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)大致呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，降低程度服從指數(shù)衰減模型。水泥對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升主要在5%摻量之前，超過5%后增長速度逐漸減小。經(jīng)過測試，水泥摻量為5%、粉煤灰摻量為15%的鉬尾礦在各方面表現(xiàn)出良好的效果。

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[作者簡介]魯?shù)ぃ?983—），女，湖北隨州人，本科，工程師，研究方向：工程項(xiàng)目管理。

[通信作者]徐欽（2000—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向：土木工程災(zāi)害監(jiān)測與控制。

[基金項(xiàng)目] 物聯(lián)網(wǎng)智慧供熱節(jié)能管理系統(tǒng)-基于室溫預(yù)測模型的二級(jí)網(wǎng)智能調(diào)節(jié)技術(shù)（GZ20230013）；快速城市軌道交通引起的周邊環(huán)境振動(dòng)研究，2023年度黑龍江省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科研項(xiàng)目（HST2023JC010）