鐵尾礦路面基層材料力學性能與耐久性能研究

易龍生 萬 磊 汪 洲 袁多偉

(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083)

鐵尾礦路面基層材料力學性能與耐久性能研究

易龍生 萬 磊 汪 洲 袁多偉

(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083)

為了探討鐵尾礦大規(guī)模資源化利用的新途徑，以無側(cè)限抗壓試驗結(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路面基層材料的力學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，試件的劈裂抗拉強度達到0.396 MPa，抗彎拉強度達1.641 MPa，抗彎拉強度與無側(cè)限抗壓強度之比為0.27，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)情況下的無側(cè)限抗壓強度均大于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%，各項力學性能、耐久性能均滿足高速公路和一級公路的要求，說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 力學性能 耐久性能

我國既是鋼鐵消費大國，又是鋼鐵生產(chǎn)大國，年產(chǎn)粗鋼超過7億t，居世界第一。與之對應(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年產(chǎn)出量的20%，以致于全國已累計堆存鐵尾礦超過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重隱患。為了開辟鐵尾礦大規(guī)模資源化利用的新領(lǐng)域，本試驗對鐵尾礦用作高速公路路面基層材料的可行性進行了研究。

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的行車荷載，并將其均勻擴散至基層和土基，因此，基層需要有足夠的強度和剛度。表征路面材料力學強度的常見參數(shù)有抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗彎拉強度等[7]。一般來說，組成路面結(jié)構(gòu)層的材料抗壓強度往往較高、劈裂抗拉強度與抗彎拉強度往往較低。因而，在現(xiàn)實中，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，劈裂抗拉強度和抗彎拉強度是路面基層材料常見力學性能中的短板，為使鐵尾礦路面基層材料全面滿足力學強度要求，本試驗將著重對鐵尾礦路面基層材料的劈裂抗拉強度和抗彎拉強度的提升進行研究。

1 試驗原料

1.1 鐵尾礦

試驗用鐵尾礦取自武鋼(集團)礦業(yè)公司金山店鐵選廠尾礦庫，主要化學成分分析結(jié)果見表1。

表1 鐵尾礦主要化學成分分析結(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)的級配碎石與河砂而得到的路面基層材料。由于鐵尾礦級配的缺陷，試驗用粒徑為13.2～0 mm的碎石作為試件的骨料，以改善原料級配。

1.3 水 泥

試驗用水泥為湖南坪塘南方水泥有限公司生產(chǎn)的32.5級普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表2。

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

1.4 改性生物酶

近年來，有機類路用土壤固化劑在我國一些地區(qū)的道路施工中得以推廣利用。與傳統(tǒng)的石灰、粉煤灰等無機土壤固化劑相比，改性生物酶用作路面基層材料的固化劑，具有無毒、無腐蝕等優(yōu)點。

改性生物酶本身具有生物活性，遇適量水會發(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)生強烈的“膠結(jié)”反應(yīng)，使加水后壓實的集料形成一個密集、堅固的整體。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，使集料原本對水的親和性變?yōu)榕懦庑裕瑥亩黾蛹峡顾耘c抗?jié)B性，進而提高集料的強度[10]。

試驗用改性生物酶為市售品。

1.5 聚丙烯纖維

試驗用聚丙烯纖維為長沙博賽特公司生產(chǎn)，主要性能參數(shù)見表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《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中T0843—2009、T0844—2009要求分別制作φ50 mm×50 mm圓柱形試件(無側(cè)限抗壓強度試驗試件)和160 mm×40 mm×40 mm梁式試件(劈裂抗拉強度和抗彎拉強度試驗試件)，在恒溫(20 ℃)恒濕(95%)條件下進行養(yǎng)生(養(yǎng)生期根據(jù)所進行試驗項目而定)，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，然后進行相應(yīng)的性能測定。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 路面基層材料配比的確定

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中JTG E51—2009要求，通過試件7 d的無側(cè)限抗壓強度試驗，對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)量配比進行了研究[11-12]，試驗結(jié)果見表4。

表4 路面基層材料配合比試驗結(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，對應(yīng)試件的7 d無側(cè)限抗壓強度最大，為4.90 MPa，滿足《JTJ 034—2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的無側(cè)限抗壓強度要求。由于纖維的適量摻入往往有利于提高試件的無側(cè)限抗壓強度，因此，后續(xù)僅對路面基層材料試件的常見力學性能短板——劈裂抗拉強度和抗彎拉強度進行強化試驗，試驗固定水泥、碎石、鐵尾礦和改性生物酶的質(zhì)量比為5∶30∶68∶2。

3.2 聚丙烯纖維摻量對路面基層材料力學性能的影響

聚丙烯纖維摻量對路面基層材料力學性能影響試驗的試件養(yǎng)護時間為60 d，試驗結(jié)果見表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，試件的劈裂抗拉強度提高；繼續(xù)增加聚丙烯纖維的摻量，試件的劈裂抗拉強度下降。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)，試件的無側(cè)限抗壓強度較高。④適量摻加聚丙烯纖維可顯著提高試件的抗彎拉強度與無側(cè)限抗壓強度之比，但聚丙烯纖維摻量過高也會引起抗彎拉強度與無側(cè)限抗壓強度比值的下降。⑤聚丙烯纖維摻量為0.6～1.5 kg/m3時，各項力學性能指標均滿足《JTJ 034—2000 公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》要求。

表5 試件的力學性能指標Table 5 Mechanical properties of specimens

3.3 聚丙烯纖維摻量對路面基層材料耐久性能的影響

3.3.1 聚丙烯纖維摻量對凍融循環(huán)的影響

凍融循環(huán)試驗采用φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，養(yǎng)護28 d后分為2組，凍融循環(huán)試驗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；而對照組則繼續(xù)恒溫恒濕養(yǎng)護，最后1 d改為浸水24 h,分別測定2組試件的無側(cè)限抗壓強度，并計算抗凍系數(shù)，即凍融循環(huán)組與對照組無側(cè)限抗壓強度的比值，結(jié)果見表6。

表6 不同聚丙烯纖維摻量下試件的凍融循環(huán)試驗結(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)組和對照組試件的無側(cè)限抗壓強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，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。當聚丙烯纖維的摻量為1.5 kg/m3時，凍循環(huán)試驗指標達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3.3.2 聚丙烯纖維摻量對干濕循環(huán)的影響

干濕循環(huán)試驗采用φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，恒溫養(yǎng)護28 d后分為2組，干濕循環(huán)試驗組試件浸入水中飽水24 h后取出風干24 h，如此循環(huán)5次，而對照組則繼續(xù)恒溫恒濕養(yǎng)護，最后1 d改為浸水24 h,分別測定2組試件的無側(cè)限抗壓強度，并計算水穩(wěn)系數(shù)，即干濕循環(huán)組與對照組無側(cè)限抗壓強度的比值，結(jié)果見表7。

表7 不同聚丙烯纖維摻量下試件的干濕循環(huán)試驗結(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)和對照組試件的無側(cè)限抗壓強度均先顯著上升后顯著下降，高點在聚丙烯纖維的摻量為1.5 kg/m3時，而水穩(wěn)系數(shù)則變化不大，均在0.88～0.92之間。當聚丙烯纖維的摻量為1.5 kg/m3時，干濕循環(huán)試驗指標達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3.3.3 聚丙烯纖維摻量對抗沖刷的影響

抗沖刷試驗采用φ50 mm×50 mm的圓柱形試件，稱量養(yǎng)護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，將容器固定在振動臺上，振動頻率為10 Hz、振動時間為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，稱取沉淀物的質(zhì)量，以沖刷率(即沉淀物質(zhì)量與振動時間的比值)和質(zhì)量損失比(即沉淀物質(zhì)量與原試件質(zhì)量的比值)為評價指標[13]，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，試件的質(zhì)量損失比曲線與沖刷率曲線的變化趨勢基本一致，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，低點在聚丙烯纖維摻量為1.5 kg/m3時，對應(yīng)的試件沖刷率為0.139 g/min,質(zhì)量損失比為1.92%，滿足《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60 d的劈裂抗拉強度達到0.396 MPa、抗彎拉強度達1.641 MPa、抗彎拉強度與無側(cè)限抗壓強度之比為0.27，滿足《路基路面工程》規(guī)定的高速公路和一級公路力學性能要求。

(2)在試驗確定的配料比情況下，凍融循環(huán)試件和干濕循環(huán)試件的無側(cè)限抗壓強度均大于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，這些指標均滿足高速公路和一級公路及一級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公路路面基層材料的主要成分使用。

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(責任編輯 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，碩士研究生導師。

TD926.4

A

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