鐵尾礦半剛性路面基層的抗沖刷性能預(yù)估分析
2020-07-28 17:04王緒旺蔣應(yīng)軍
王緒旺 蔣應(yīng)軍
收稿日期：2020-04-10
基金項(xiàng)目：陜西省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018GY-099）;陜西省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201832051）
作者簡(jiǎn)介：王緒旺（1982-），男，講師，碩士，研究方向：新型結(jié)構(gòu)體系與材料，Email：qqwangxuwang@126.com.
通訊作者：王緒旺，Email：qqwangxuwang@126.com.
摘 要：為分析無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦用作半剛性路面基層的水穩(wěn)定性，對(duì)鐵尾礦進(jìn)行篩分，通過(guò)測(cè)定改良鐵尾礦混合料的液限、塑限，確定無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類(lèi)型，按二級(jí)及二級(jí)以下公路路面基層的集料級(jí)配要求改良鐵尾礦，以擊實(shí)試驗(yàn)確定無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定時(shí)最佳含水率和最大干密度，然后用半剛性基層沖刷量灰色預(yù)估模型計(jì)算并分析其抗沖刷性。結(jié)果表明：鐵尾礦為特細(xì)集料，液限為19%，塑性指數(shù)為11，宜采用水泥進(jìn)行穩(wěn)定，摻加級(jí)配碎石改良鐵尾礦滿(mǎn)足C-C-3集料級(jí)配要求，當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)能夠取得良好的抗沖刷性能和經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞：鐵尾礦;路面基層;抗沖刷性
中圖分類(lèi)號(hào)：U414?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2019年全國(guó)大、中城市固體廢棄物污染環(huán)境防治年報(bào)》中統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)工業(yè)企業(yè)尾礦產(chǎn)生量為8.8億噸，綜合利用率僅為27.1%，為加強(qiáng)礦山企業(yè)綠色礦山建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的尾礦等固體廢棄物應(yīng)多領(lǐng)域考慮大宗化利用，以解決鐵尾礦堆存帶來(lái)的占用大量土地、對(duì)周邊大氣河流及地下水等危害、尾礦壩體的安全隱患[1]等多方面的問(wèn)題。曾雅鈺瓊等對(duì)鐵尾礦在道路基層材料中的應(yīng)用研究表明，穩(wěn)定的鐵尾礦混合料機(jī)械性能夠達(dá)到二級(jí)及二級(jí)以下公路基層或底基層的標(biāo)準(zhǔn)[2]，但無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土類(lèi)半剛性基層材料抗沖刷能力差，在被水沖刷后極易引起道路水損害[3]。二級(jí)及二級(jí)以下公路多為地方性道路，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和養(yǎng)護(hù)要求相對(duì)高等級(jí)公路較低，無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦渣用于地方道路的半剛性路面基層時(shí)，在山區(qū)或雨水較多的路段應(yīng)具有足夠的水穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足道路設(shè)計(jì)使用年限的要求。國(guó)內(nèi)外關(guān)于半剛性路面基層材料的抗沖刷性能研究成果，主要從半剛性路面基層材料的混合料結(jié)構(gòu)類(lèi)型[4]、水泥膠結(jié)料含量[5]、含水量及壓實(shí)度[6]等因素分析其抗沖刷性能，但基本為單因素分析，并沒(méi)有對(duì)影響因素進(jìn)行綜合分析，長(zhǎng)安大學(xué)盛燕萍等[7]利用灰色系統(tǒng)理論方法，建立以集料分形維數(shù)、水泥28 d砂膠強(qiáng)度、水泥劑量、含水量為參數(shù)的“水泥穩(wěn)定碎石沖刷量預(yù)測(cè)模型”，通過(guò)適用性驗(yàn)證表明該模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)半剛性基層材料28 d沖刷量值。本文按二級(jí)及二級(jí)以下公路路面基層的C-B-3集料級(jí)配要求改良鐵尾礦，確定最佳無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定劑量后，采用文獻(xiàn)[7]的沖刷量灰色預(yù)估模型計(jì)算分析無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦用于半剛性路面基層的抗沖刷性，對(duì)進(jìn)一步研究鐵尾礦用于道路建設(shè)的耐久性提供基礎(chǔ)，并為礦山企業(yè)綠色礦山建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟新的鐵尾礦利用途徑。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
1.1.1 鐵尾礦
在柞水小嶺鎮(zhèn)木梓溝鐵尾礦庫(kù)均勻確定取樣點(diǎn)，取樣前先鏟除表面層，共取樣品10份，每份質(zhì)量為（5±0.1） kg，其礦物化學(xué)組成[8]見(jiàn)表1所示。
1.1.2 水泥
采用P·O42.5水泥，其化學(xué)成分見(jiàn)表2所示。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 鐵尾礦粒徑組成和顆粒粗細(xì)程度
將2份質(zhì)量為（5±0.1） kg的鐵尾礦樣品在潮濕狀態(tài)下充分拌勻，采用人工四分法[9]縮分至不少于550 g的試樣2份，在（105±5） ℃的烘箱中烘干至恒重，冷卻至室溫后稱(chēng)取500 g，準(zhǔn)確至0.5 g，置于由上往下孔徑依次為4.75、2.36、1.18、0.60、0.30、0.15、0.075 mm的標(biāo)準(zhǔn)套篩上，將套篩固定在搖篩機(jī)上搖篩大約10 min后取出套篩，然后依次對(duì)4.75 mm孔徑至0.075 mm孔徑的篩進(jìn)行手篩，并稱(chēng)量各篩篩余試樣的質(zhì)量，精確至0.5 g，即完成鐵尾礦粒徑組成的篩分試驗(yàn)[10]，根據(jù)鐵尾礦的篩分試驗(yàn)結(jié)果，按照文獻(xiàn)[10]中細(xì)度模數(shù)μf的公式計(jì)算鐵尾礦的細(xì)度模數(shù)μf。
μf=（A0.15+A0.30+A0.60+A1.18+A2.36）-5A4.75
100-A4.75。
（1）
式中：A0.15、A0.30、A0.60、…、A4.75分別為各篩上的累計(jì)篩余百分率，%。
1.2.2 無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦類(lèi)型確定
取0.5 mm篩下的代表性鐵尾礦試樣200 g（精確至0.01 g），分別放入三個(gè)盛土皿中，加入不同數(shù)量的蒸餾水，用泥刀調(diào)勻，蓋上濕布放置18 h以上;將調(diào)好的試樣攪拌均勻后分層裝入盛土杯（直徑50 mm，深度40～50 mm），用力壓密，使空氣逸出;然后把裝有鐵尾礦的盛土杯放在液塑限聯(lián)合測(cè)定儀的升降座上，調(diào)整錐尖與鐵尾礦表面剛好接觸，松開(kāi)制動(dòng)使76 g錐體下落5 s，自動(dòng)停止時(shí)讀數(shù)窗上顯示錐人深度h1;改變錐尖與鐵尾礦接觸位置（錐尖兩次錐入位置距離不小于1 cm）重復(fù)下落得錐人深度h2，若h1、h2的平行誤差在0.5 mm以?xún)?nèi)，取h1、h2的平均值作為錐入深度h。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，以含水率ω為橫坐標(biāo)，錐入深度h為縱坐標(biāo)，繪制液限A點(diǎn)、略大于塑限的C點(diǎn)和兩者之間的B點(diǎn)形成含水率ω-錐入深度h圖。在繪制的ω-h圖（圖1）上查得縱坐標(biāo)入鐵尾礦渣深度為17 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)的含水率ω為液限，錐入土深度2 mm所對(duì)應(yīng)的含水率為塑限，完成鐵尾礦的液限和塑限的測(cè)定[11]，根據(jù)JTJ E21—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于液限、塑限和無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類(lèi)型的規(guī)定要求確定穩(wěn)定鐵尾礦的無(wú)機(jī)結(jié)合料類(lèi)型。
1.2.3 鐵尾礦的級(jí)配改良
根據(jù)二級(jí)及二級(jí)以下公路路面基層集料級(jí)配范圍要求[12]進(jìn)行改良鐵尾礦，鐵尾礦依次過(guò)2.36、1.18、0.60、0.30、0.15、0.075、0.075 mm的篩子后，按照粒徑分類(lèi)存放，在鐵尾礦中摻加適量比例19～4.75 mm的碎石，級(jí)配形成碎石鐵尾礦混合集料。
1.2.4 干密度與含水率測(cè)定
采用無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定改良的鐵尾礦試料，先用19 mm的方孔篩對(duì)試料進(jìn)行人工篩分，若存留在19 mm篩上的顆粒篩余百分率不超過(guò)10%，則換用26.5 mm的篩進(jìn)行篩分，留作備用。
將已過(guò)篩的試料系用四分法逐次分小，至最后取出約30 kg試料，再用四分法將所取的試料分成5份，每份試料的干質(zhì)量為5.5 kg。預(yù)定5個(gè)不同含水量，依次相差0.5%～1.5%，按預(yù)定的含水量制備試樣，然后將無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定劑加入到浸潤(rùn)后的試樣中，用泥刀拌和均勻。將擊實(shí)筒放在堅(jiān)硬的地面上，將制備好的鐵尾礦試樣分5次逐層加入到擊實(shí)筒內(nèi)，第1層試樣1 100 g裝入后整平表面，安裝到多功能自控電動(dòng)擊實(shí)儀上擊實(shí)59次，即完成第1層擊實(shí)，然后重復(fù)上述做法，進(jìn)行其余4層試樣的擊實(shí)。擊實(shí)試驗(yàn)完成后測(cè)定計(jì)算穩(wěn)定改良的鐵尾礦混合料濕密度ρw值，再?gòu)脑嚇觾?nèi)部取兩個(gè)有代表性的樣品，每個(gè)樣品質(zhì)量約300 g，測(cè)定其含水量（精度至0.1%），兩個(gè)試樣的含水量的差值不大于1%，然后烘干穩(wěn)定改良的鐵尾礦混合料，計(jì)算測(cè)定其干密度ρd值[13]。
1.3 沖刷量預(yù)估方法
根據(jù)文獻(xiàn)[7]的水泥穩(wěn)定碎石沖刷量的預(yù)測(cè)模型簡(jiǎn)化公式（2），對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定改良鐵尾礦混合集料進(jìn)行沖刷量預(yù)估。
L≈18.782D-0.554 f28d-3.554 p+2.362ω。（2）
式中：D為集料分形維數(shù);f28d為水泥28 d的砂膠強(qiáng)度;p為水泥劑量;ω為含水量。
文獻(xiàn)[14]關(guān)于密集配混合料質(zhì)量分布分形的特征函數(shù)P（r）：
P（r）=r3-Dmin-r3-D
r3-Dmin-r3-Dmax。
（3）
式中：rmin為最小粒徑尺寸;rmax為最大粒徑尺寸;r為集料中某種顆粒的篩孔尺寸;D為集料粒徑分布分形維數(shù);P（r）為各粒徑集料的質(zhì)量通過(guò)率。
確定出鐵尾礦改良后的集料分形維數(shù)D、水泥摻加劑量P、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定改良的鐵尾礦混合料的含水量ω后，按照公式（2）預(yù)估其沖刷量。
2 結(jié)果與分析
2.1 鐵尾礦的篩余分析和細(xì)度模數(shù)
鐵尾礦的篩余量和篩余百分率結(jié)果見(jiàn)表3所示。
根據(jù)表3中鐵尾礦的篩余量及篩余百分率，按照公式（1）計(jì)算鐵尾礦的細(xì)度模數(shù)μf=1.50， 在特細(xì)砂0.7<μf≤1.5的指標(biāo)范圍，即表明鐵尾礦渣為特細(xì)砂。
2.2 無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦類(lèi)型
采用數(shù)碼式液限塑限聯(lián)合測(cè)定儀對(duì)鐵尾礦的液限和塑限進(jìn)行測(cè)定，經(jīng)測(cè)定鐵尾礦的液限為19%，塑限為8%，塑性指數(shù)為11。文獻(xiàn)[12]中明確了當(dāng)被穩(wěn)定材料的液限不超過(guò)28%，塑性指數(shù)小于17時(shí)，宜采用水泥類(lèi)穩(wěn)定材料進(jìn)行穩(wěn)定。所以，穩(wěn)定鐵尾礦的無(wú)機(jī)結(jié)合料類(lèi)型確定為水泥。
2.3 鐵尾礦改良
按照文獻(xiàn)[12]中二級(jí)及二級(jí)以下公路采用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的級(jí)配要求，確定鐵尾礦改良滿(mǎn)足水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的C-C-3集料級(jí)配范圍，把鐵尾礦與19～4.75 mm的碎石按照表4集料粒徑段進(jìn)行摻加，形成碎石鐵尾礦級(jí)配混合集料。
2.4 干密度與含水率分析
二級(jí)及二級(jí)以下公路的路面基層的強(qiáng)度Rd<5.0 MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[12]中水泥穩(wěn)定材料配合比試驗(yàn)推薦的水泥試驗(yàn)劑量3%、4%、5%、6%、7%，通過(guò)文獻(xiàn)[13]要求的擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定不同水泥劑量的所用的含水量，如表5所示。
2.5 沖刷量預(yù)估
水泥穩(wěn)定改良的碎石鐵尾礦混合料集料，表4中混合集料的最大粒徑rmax為19 mm，最小粒徑為rmin為0.075 mm，很明顯rmax遠(yuǎn)大于rmin，于是公式（3）可以簡(jiǎn)化為：
P（r）=（r/rmax）3-D。（4）
為了進(jìn)一步研究碎石鐵尾礦混合集料粒徑的分形維數(shù)，對(duì)公式（4）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)得：
lgP（r）=（3-D）lg（r/rmax）。（5）
建立雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，以lg（r/rmax）為橫坐標(biāo)、lgP（r）為縱坐標(biāo)，在lgP（r）和lg（r/rmax）的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上[15]，利用最小二乘原理對(duì)碎石鐵尾礦混合集料曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，求得擬合直線(xiàn)斜率k，由k=3-D算得碎石鐵尾礦混合集料粒徑分布分形維數(shù)D。
將表4中19～0.075 mm篩子的通過(guò)率依次取以10為底的對(duì)數(shù)作為縱坐標(biāo)，則縱坐標(biāo)值依次為：2.00、1.94、1.88、1.79、1.61、1.43、1.26、1.18、1.00、078、0.60;將粒徑19～0.075 mm與最大粒徑值rmax為19 mm的比取以10為底的對(duì)數(shù)值作為橫坐標(biāo)，則橫坐標(biāo)依次為：0、-0.08、-0.16、-0.30、-0.60、-0.91、-1.21、-1.50、-1.80、-2.10、-2.40，繪制成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，如圖2所示。
由圖2可知，19～0.075 mm篩孔孔徑與各篩通過(guò)率在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)線(xiàn)性相關(guān)，曲線(xiàn)擬合的線(xiàn)性
函數(shù)為y=0.583 x+2，相關(guān)系數(shù)R2=0.669，斜率k1=0.583，根據(jù)k=3-D，則碎石鐵尾礦混合集料的分形維數(shù)D1=3-k1=2.417。
按公式（2）計(jì)算水泥穩(wěn)定的碎石鐵尾礦路面基層的沖刷量L，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6所示。
從表6可知，隨著水泥劑量由3%逐步提高至7%，沖刷量預(yù)測(cè)模型計(jì)算的沖刷量預(yù)測(cè)值逐步降低，從20.760 g降低到8.883 g，表明水泥穩(wěn)定碎石鐵尾礦抗沖刷性的使用劑量起著很關(guān)鍵作用。水泥劑量5%的沖刷值14.715 g，與水泥劑量4%形成3.058 g的沖刷值變化;而水泥劑量6%的沖刷值11.658 g，與水泥劑量5%形成3.057 g的沖刷值變化;相比增加了1%水泥劑量后，沖刷值變化ΔL基本無(wú)變化，說(shuō)明水泥劑量為5%是其抗沖刷性經(jīng)濟(jì)摻量。根據(jù)表6計(jì)算的沖刷量預(yù)測(cè)值和文獻(xiàn)[12]推薦的水泥經(jīng)濟(jì)劑量6%，綜合考慮水泥穩(wěn)定鐵尾礦應(yīng)用于二級(jí)及二級(jí)以下公路的路面基層的C-C-3級(jí)配集料，建議摻入5%的水泥，能夠取得良好的抗沖刷性能且經(jīng)濟(jì)性較好。
3 結(jié)論
（1）鐵尾礦為特細(xì)集料，根據(jù)鐵尾礦的液限和塑性指數(shù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，宜采用水泥進(jìn)行穩(wěn)定，對(duì)于二級(jí)及二級(jí)以下公路的路面基層宜按照水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的C-C-3集料級(jí)配要求摻入碎石進(jìn)行改良鐵尾礦。
（2）隨著水泥劑量由3%逐步提高至7%，沖刷量預(yù)測(cè)模型計(jì)算的沖刷量預(yù)測(cè)值逐步降低，當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)能夠取得良好的抗沖刷性能和經(jīng)濟(jì)性。
參考文獻(xiàn)：
[1]
張以河， 胡攀， 張娜， 等. 鐵礦廢石及尾礦資源綜合利用與綠色礦山建設(shè)[J]. 資源與產(chǎn)業(yè)， 2019， 21（3）： 1-13.
[2]曾雅鈺瓊， 潘建平， 楊秀英， 等. 鐵尾礦在道路基層材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用化工， 2018， 47（2）： 358-364.
[3]張景君. 半剛性基層材料水損害試驗(yàn)研究[D]. 大連： 大連理工大學(xué)， 2014.
[4]孫兆輝. 水泥穩(wěn)定碎石基層材料的集料級(jí)配優(yōu)化[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2006， 9（6）： 675-680.
[5]SCULLION T， SEBESTA S， HARRIS J P. A balanced approach to selecting the optimal cement content for soil-cement bases[R]. Austin： Texas A&M University， 2000.
[6]林毅， 丁青， 桑明麗， 等. 基于正交試驗(yàn)的水泥穩(wěn)定基層強(qiáng)度影響分析[J]. 中國(guó)水運(yùn)， 2007， 5（9）： 51-52.
[7]盛燕萍， 李海濱， 陳栓發(fā)， 等. 基于灰色理論的水泥穩(wěn)定碎石沖刷量模型[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012， 32（2）： 22-28.
[8]王緒旺， 張豪. 基于環(huán)境安全應(yīng)用的鐵尾礦砂路用適應(yīng)性研究[J]. 商洛學(xué)院學(xué)報(bào)， 2020， 34（2）： 29-32.
[9]王緒旺. 商洛市丹江河砂堿活性研究[J]. 商洛學(xué)院學(xué)報(bào)， 2015， 29（6）： 45-48.
[10]中華人民共和國(guó)交通部. JTG E42—2005， 公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京： 人民交通出版社， 2005.
[11]中華人民共和國(guó)交通部. JTG E40—2007， 公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京： 人民交通出版社， 2007.
[12]王旭東， 張蕾. 公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則（實(shí)施手冊(cè)）[M]. 北京： 人民交通出版社， 2015.
[13]中華人民共和國(guó)交通部. JTJ E21—2009， 公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京： 人民交通出版社， 2009.
[14]李波， 韓森， 劉亞敏， 等. 骨架密實(shí)型瀝青混合料礦料的分形特征[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2009， 12（1）： 67-70.
[15]趙大勇， 張建國(guó). 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的密級(jí)配瀝青混合料分形維數(shù)研究[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 33（4）： 66-71.
（責(zé)任編輯：于慧梅）
Prediction Analysis of Anti-scouring
Performance of Iron Tailings Semi-rigid Pavement Base
WANG Xuwang*1， JIANG Yingjun2
（1.College of Urban，Rural Planning and Architectural Engineering， Shangluo University， Shangluo 726000， China;
2.School of Highway Engineering，Chang′an University，Xi′an 710064，China）
Abstract：
Order to analyze the water stability of the inorganic binder-stabilized iron tailings used as a semi-rigid pavement base， the iron tailings are sieved， and the stability type of the inorganic binder is determined by measuring the liquid limit and plastic limit of the improved iron tailings mixture. Aggregate grading of road pavement bases of Grade 2 and below requires improved iron tailings， and the best moisture content and maximum dry density when the inorganic binder is stabilized are determined by compaction tests， and then the grey prediction model of semi-rigid base erosion is used to calculate and analyze its erosion resistance. The results show that iron tailings are ultra-fine aggregates with a liquid limit of 19% and a plasticity index of 11. Cement should be used for stabilization. The iron tailings improved by adding graded crushed stone meet the C-C-3 aggregate grading requirements. When the cement dosage is 5%， good anti-scouring performance and economy can be achieved.
Key words：
iron tailings;pavement base;scour resistance
