樂(lè)旭東 ,曾武華 ,黃凌君 ,張仁巍
(1.三明學(xué)院,建筑工程學(xué)院 福建 三明,365004;2.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三明學(xué)院),福建 三明,365004)
鐵尾礦是鐵礦石經(jīng)選礦后的產(chǎn)生的固體廢棄物,是我國(guó)產(chǎn)量最大、利用率最低的工業(yè)固體廢棄物[1]。隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展,鐵尾礦的排放量逐年增加,目前我國(guó)的鐵尾礦存量在75億t以上,且以每年5億t的速度快速增長(zhǎng)[2],鐵尾礦的存放需要占用大量土地資源,并對(duì)周?chē)h(huán)境和人民生活造成很大影響。近年來(lái),我國(guó)十分重視鐵尾礦資源的二次利用,尤其是將鐵尾礦替代砂石料應(yīng)用于道路工程的建設(shè),不僅可以消耗大量的鐵尾礦,還能節(jié)約自然資源,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。
國(guó)外對(duì)鐵尾礦作為建筑材料的研究和應(yīng)用起步較早,美國(guó)明尼蘇達(dá)州在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始將鐵尾礦應(yīng)用于市政道路建設(shè),目前美國(guó)已有半數(shù)的自治州將鐵尾礦應(yīng)用于道路建設(shè)當(dāng)中,實(shí)踐表明,鐵尾礦作為路基填料具有強(qiáng)度高、耐久性好的特點(diǎn)[4]。與國(guó)外相比,我國(guó)對(duì)鐵尾礦作為路用材料的應(yīng)用研究較晚,但近年來(lái)也取得了較多研究成果,例如,王緒旺[5]對(duì)鐵尾礦砂作為半剛性路面基層材料的抗沖刷性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明:為滿足半剛性路面基層混合料的抗沖刷要求,水泥使用比例不應(yīng)少于7%;呂邵偉等[6]對(duì)鐵尾礦砂的靜力特性和動(dòng)力特性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)粒徑分布是決定鐵尾礦砂力學(xué)性質(zhì)的主要因素,通過(guò)摻入纖維可有效改善鐵尾礦砂的力學(xué)性能;王一峰等[7]對(duì)土凝巖改良鐵尾礦砂的路用性能進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究,分析了土凝巖摻量、壓實(shí)度、養(yǎng)護(hù)齡期等因素對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的影響,并得到了滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路基層材料強(qiáng)度要求的最佳配合比。
目前國(guó)內(nèi)多采用水泥對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行固化作為道路基層材料,但水泥的干縮和溫縮系數(shù)較大,摻量過(guò)大易導(dǎo)致固化體開(kāi)裂,使材料的抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B、抗沖刷性能降低,影響道路的使用壽命。土壤固化劑是一種性能優(yōu)良的土工復(fù)合材料,具有固化速度快、強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定、收縮量小等特點(diǎn),在國(guó)外土壤固化技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的推廣應(yīng)用,我國(guó)近年來(lái)也十分重視土壤固化劑的研究與應(yīng)用,并取得了一定成果[8],但采用土壤固化劑對(duì)鐵尾礦等固體廢棄物進(jìn)行固化的研究還比較少。本文采用水泥和粉狀無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行加固,通過(guò)一系列配合比試驗(yàn)和路用性能試驗(yàn),對(duì)比單摻水泥或固化劑以及二者復(fù)摻對(duì)鐵尾礦砂的加固效果,探討水泥與固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂作為公路底基層材料的路用性能,為實(shí)現(xiàn)鐵尾礦砂的資源化利用提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
1.1.1 鐵尾礦砂
試驗(yàn)所用鐵尾礦砂產(chǎn)自河南省舞鋼市,化學(xué)成分見(jiàn)表1,根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)[9]進(jìn)行篩分試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,就其顆粒大小及顆粒組成而言,該鐵尾礦砂屬于含細(xì)粒土砂,依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)[10]的規(guī)定,該鐵尾礦砂滿足作為二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層材料的要求。
表1 鐵尾礦砂氧化物含量/%
表2 鐵尾礦砂顆粒組成
1.1.2 水泥與固化劑
試驗(yàn)所用水泥為天瑞牌42.5普通硅酸鹽水泥,初凝時(shí)間155 min,終凝時(shí)間265 min,抗壓強(qiáng)度46.5 MPa,抗折強(qiáng)度10.3 MPa。固化劑為洛陽(yáng)某廠家生產(chǎn)的粉狀無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑,初凝時(shí)間215 min,終凝時(shí)間295 min,抗壓強(qiáng)度43.5 MPa,抗折強(qiáng)度9.6 MPa。該固化劑是以硅酸鹽水泥及其它活性材料為主要成分,并配入各種激發(fā)劑、保水劑及高分子聚合材料等外摻劑,能夠改善土壤的空間結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu),有效提高土壤的力學(xué)性能及耐久型性能。
為研究水泥與固化劑對(duì)鐵尾礦砂的加固效果,分別采用水泥與固化劑單摻以及二者等比例復(fù)摻的形式進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果,擬定結(jié)合料總摻量為6%、8%、10%、12%,摻量按占干燥集料質(zhì)量計(jì),配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。
表3 水泥和固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂配合比設(shè)計(jì)
分別對(duì)以上各組配合比材料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)及7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,選擇出各類(lèi)型材料滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)要求的最佳配合比,進(jìn)行延遲試驗(yàn)及水穩(wěn)定性試驗(yàn)。
1.3.1 擊實(shí)試驗(yàn)
擊實(shí)試驗(yàn)按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)[11]的要求進(jìn)行,采用甲類(lèi)擊實(shí)方法,擊實(shí)桶容積997 cm3,擊實(shí)錘重4.5 kg,平均單位擊實(shí)功為2.687 J,分5層進(jìn)行擊實(shí),每層擊實(shí)27次。
1.3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)
根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料作二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層的材料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),試件按93%壓實(shí)度制作。采用靜壓法成型直徑50 mm、高50 mm的圓柱體試件,每組6個(gè),試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(溫度(20±2)℃,相對(duì)濕度≥95%),養(yǎng)生期最后一天將試件浸泡于(20±2)℃的水中,最后用壓力機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
1.3.3 延遲試驗(yàn)
在道路施工過(guò)程中,從材料拌和完成到攤鋪碾壓需要一定的時(shí)間間隔,間隔時(shí)間越長(zhǎng),材料的強(qiáng)度下降越明顯[12]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料在進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)進(jìn)行不同成型時(shí)間條件下的混合料強(qiáng)度試驗(yàn)(延遲試驗(yàn)),并根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定容許延遲時(shí)間。
延遲試驗(yàn)按《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)的要求進(jìn)行,混合料在完成拌和后,分別在自然條件下靜置0、1、2、3、4、5 h后進(jìn)行試件成型,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生7 d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),從而得到不同延遲時(shí)間下,混合料強(qiáng)度的變化曲線以及滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的容許延遲時(shí)間。
1.3.4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)
由于長(zhǎng)期降水及地下水位上升等原因,道路基層與底基層常常處于飽和狀態(tài),水的浸入將影響材料的強(qiáng)度及耐久性,因此對(duì)材料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)十分必要[13]。水穩(wěn)定性試驗(yàn)按無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的要求制作試件,試件分別養(yǎng)生7、28、60、90 d,每組齡期分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生和提前浸水1 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出水穩(wěn)定系數(shù),其值為試件飽水后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與正常養(yǎng)生狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比。
按表3的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),得到各組配合比的擊實(shí)曲線如圖1所示,并根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果繪制出結(jié)合料摻量與最佳含水量和最大干密度的關(guān)系曲線如圖2所示。
由圖1中可以看出,A組的擊實(shí)曲線變化趨勢(shì)較陡,隨著含水量變化其干密度變化較大,而B(niǎo)組和C組的擊實(shí)變化曲線相對(duì)比較平緩,說(shuō)明摻入固化劑后,混合料的水敏感性有所減弱,可擊實(shí)區(qū)域變寬,有利于現(xiàn)場(chǎng)施工控制[12]。
圖1 各組配合比擊實(shí)曲線
由圖2(a)可見(jiàn),各組配合比的最佳含水量隨著結(jié)合料摻量的增加均呈現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì),這是因?yàn)榻Y(jié)合料摻入后發(fā)生水化反應(yīng)會(huì)消耗水,摻量越大消耗的水越多;由圖2(b)可見(jiàn),隨著結(jié)合料摻量的增加,各組配合比的最大干密度也有所增大,說(shuō)明結(jié)合料的摻入提高了鐵尾礦砂的壓實(shí)性,水化產(chǎn)物的增加能夠使土粒間的聯(lián)結(jié)更加緊密,有利于增強(qiáng)材料的密實(shí)程度。在結(jié)合料摻量相同的情況下,A組的最佳含水量高于B、C組,從側(cè)面反映出固化劑在前期水化速度較慢,初凝時(shí)間較長(zhǎng),有利于延長(zhǎng)施工時(shí)間,便于施工控制;摻加水泥的A、C組最大干密度相近,并且略高于單摻固化劑的B組,說(shuō)明摻入水泥有利于提高混合料的密實(shí)程度。
圖2 結(jié)合料摻量對(duì)最佳含水量及最大干密度的影響
按照表3的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果如圖3??梢钥闯?,材料強(qiáng)度隨著結(jié)合料摻量的增加而增大,固化劑及水泥在初期與水發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生凝膠,使分散的鐵尾礦顆粒產(chǎn)生聯(lián)結(jié),形成骨架結(jié)構(gòu),而結(jié)合料摻量越大,水化產(chǎn)生的凝膠越多,鐵尾礦顆粒間的聯(lián)結(jié)就更加緊密,骨架越牢固,材料強(qiáng)度越高[14]。而在結(jié)合料摻量相同的情況下,A組的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高,說(shuō)明水泥對(duì)鐵尾礦砂的早期加固效果要優(yōu)于固化劑,主要原因是水泥在養(yǎng)生前期水化反應(yīng)較快,有利于提高材料的早期強(qiáng)度;C組的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度略低于A組,但明顯高于B組,這是因?yàn)樗嘣缙谒鬄楣袒瘎┨峁┝藟A性環(huán)境,激發(fā)了固化劑中的活性物質(zhì)[15],加快了材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)。
從圖3中可以看出,當(dāng)結(jié)合料摻量大于10%時(shí),三組材料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層材料的強(qiáng)度要求(Rc,7d,0.93>2.0 MPa)。綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素,選擇結(jié)合料總摻量為10%的配合比作為最佳配合比,進(jìn)行進(jìn)一步的材料性能對(duì)比試驗(yàn)。
對(duì)三組材料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與結(jié)合料摻量進(jìn)行線性擬合,得到擬合方程如下
A 組:Rc=0.236ω +0.223,R2=0.9938;
B 組:Rc=0.229ω -0.086,R2=0.9922;
C 組:Rc=0.246ω +0.020,R2=0.9979;
式中Rc代表無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;ω代表結(jié)合料摻量;R2代表相關(guān)性系數(shù)
從線性擬合方程中可以看出,7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與結(jié)合料摻量的相關(guān)性系數(shù)R2均超過(guò)了0.99,說(shuō)明二者存在密切的線性正相關(guān)關(guān)系,材料的強(qiáng)度隨著結(jié)合料摻量的增加而線性增大,在實(shí)際應(yīng)用中,該類(lèi)材料的抗壓強(qiáng)度可控性較好,可通過(guò)調(diào)整結(jié)合料的摻量,有效地調(diào)節(jié)混合料的強(qiáng)度[16]。
圖3 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
按照規(guī)范要求,對(duì)三組材料分別進(jìn)行0~5 h的延遲試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出延遲時(shí)間與各配合比抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線,如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著延遲時(shí)間的增長(zhǎng),各組材料的強(qiáng)度均有所下降,在延遲的前2 h,各組材料的強(qiáng)度下降幅度均較小,A3組材料在延遲2 h后強(qiáng)度下降幅度明顯增大,B3、C3組材料在延遲3 h后,強(qiáng)度下降幅度也明顯增大,這是因?yàn)樵谘舆t一段時(shí)間后,水泥和固化劑先后進(jìn)入了初凝狀態(tài),水化反應(yīng)加劇,產(chǎn)生大量的水化產(chǎn)物并開(kāi)始與鐵尾礦砂產(chǎn)生膠結(jié),再次壓制成型后破壞了水化產(chǎn)物與鐵尾礦砂的膠結(jié)作用,使材料的強(qiáng)度大幅下降。固化劑的初凝時(shí)間比水泥晚,因此摻入固化劑能夠有效地降低延遲效應(yīng)對(duì)混合料強(qiáng)度的影響。
從圖4中可以看出,在延遲3 h時(shí),各組材料的強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求,可確定這三組配合比的容許延遲時(shí)間為3 h,為保證材料強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,在施工中應(yīng)盡量控制材料的延遲碾壓時(shí)間,不應(yīng)超過(guò)容許延遲時(shí)間。
圖4 延遲時(shí)間與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線
對(duì)A3、B3、C3組材料分別養(yǎng)生7、28、60、90 d后,進(jìn)行浸水與未浸水的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5??梢钥闯觯牧系膹?qiáng)度隨著養(yǎng)生齡期的延長(zhǎng)而增大,且養(yǎng)生前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,三組材料的7d的未浸水強(qiáng)度均達(dá)到90 d強(qiáng)度的60%以上,28 d未浸水強(qiáng)度達(dá)到90 d強(qiáng)度的80%以上,說(shuō)明養(yǎng)生初期結(jié)合料水化反應(yīng)速度快,能夠迅速提高材料的抗壓強(qiáng)度,有利于縮短施工養(yǎng)護(hù)時(shí)間,加快施工進(jìn)度,但在施工中應(yīng)注意加強(qiáng)材料的前期養(yǎng)護(hù),確保材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)。
圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果
對(duì)三組材料進(jìn)行對(duì)比,A3組的7 d強(qiáng)度最高,但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度緩慢,60、90 d強(qiáng)度明顯低于B3、C3組;B3組的7、28 d強(qiáng)度為三組最低,但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,90 d強(qiáng)度為三組最高;C3組的7 d強(qiáng)度略低于A3組,28、6 0d強(qiáng)度為三組中最高,90 d強(qiáng)度略低于B3組。主要原因是:水泥的早期水化反應(yīng)較快,有利于混合料早期強(qiáng)度的形成,但隨著齡期增長(zhǎng),水化產(chǎn)物逐漸減少,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢;固化劑前期水化反應(yīng)速度不及水泥,但隨著活性物質(zhì)的持續(xù)釋放,材料的中后期強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定;水泥與固化劑復(fù)摻后對(duì)鐵尾礦砂進(jìn)行加固,即保障了材料早期強(qiáng)度,也促進(jìn)了材料中后期強(qiáng)度的提高。
根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出各組材料不同齡期的水穩(wěn)定系數(shù),繪制出水穩(wěn)定系數(shù)與養(yǎng)生齡期的關(guān)系曲線,如圖6所示??梢钥闯?,各組材料不同齡期的水穩(wěn)定性均接近或超過(guò)80%,說(shuō)明該類(lèi)材料的水穩(wěn)定性較好,三組材料的水穩(wěn)定性均隨養(yǎng)生齡期的延長(zhǎng)而增大,主要是因?yàn)殡S著養(yǎng)生齡期的延長(zhǎng),水化反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠逐漸增多,骨架逐漸趨于穩(wěn)定,材料的耐水性能也不斷提高[17],因此加強(qiáng)養(yǎng)生對(duì)材料的水穩(wěn)定性提高有很大幫助。
對(duì)比三組材料,A3組養(yǎng)生7 d的水穩(wěn)定性為三組中最高,且各齡期的水穩(wěn)定性比較穩(wěn)定,在80.9%~84.7%之間;B3組養(yǎng)生7 d的水穩(wěn)定性為78.1%,為三組中最低,但后期增長(zhǎng)快,90 d水穩(wěn)定性達(dá)到86.6%,為三組最高;C3組的水穩(wěn)定性隨齡期增長(zhǎng)相對(duì)穩(wěn)定,在80.1%~86.0%之間。對(duì)比強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與水穩(wěn)定性結(jié)果后發(fā)現(xiàn),材料的水穩(wěn)定性與強(qiáng)度之間存在一定的相關(guān)性,水穩(wěn)定性隨著材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)而提高。
圖6 水穩(wěn)定系數(shù)與養(yǎng)生齡期的關(guān)系曲線
(1)水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂、固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂及水泥固化劑綜合穩(wěn)定鐵尾礦砂的最佳含水量與最大干密度都隨結(jié)合料摻量的增加而增大,在結(jié)合料摻量相同的情況下,水泥能夠使最佳含水量和最大干密度最大化。固化劑的摻入能夠使材料的擊實(shí)曲線變緩,增大了可擊實(shí)范圍,降低了材料的水敏感性,有利于施工控制。
(2)材料的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著結(jié)合料摻量增加而增大,并且存在明顯的線性正相關(guān)關(guān)系,證明該類(lèi)材料有較好的強(qiáng)度可控性。結(jié)合料摻量為10%的水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂、固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂及水泥固化劑綜合穩(wěn)定鐵尾礦砂能夠滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性的要求,選為最佳配合比。
(3)三個(gè)最佳配合比的容許延遲時(shí)間均為3 h,為確保施工后材料的強(qiáng)度滿足要求,應(yīng)盡量縮短施工時(shí)間,保證在容許延遲時(shí)間內(nèi)完成材料的碾壓施工。固化劑的初凝時(shí)間較長(zhǎng),能夠降低延遲效應(yīng)對(duì)混合料強(qiáng)度的影響,有利于延長(zhǎng)施工時(shí)間。
(4)材料的強(qiáng)度隨著養(yǎng)生齡期的延長(zhǎng)而增長(zhǎng),前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸減緩。水泥對(duì)材料前期的加固效果較好,固化劑能有效提升材料的中后期強(qiáng)度,二者復(fù)摻后材料各齡期的強(qiáng)度均比較好。
(5)材料的水穩(wěn)定系數(shù)隨著養(yǎng)生齡期的延長(zhǎng)均有所提高,且水穩(wěn)定系數(shù)與材料的強(qiáng)度之間存在一定相關(guān)性。摻入水泥的配合比在前期水穩(wěn)定性較好,但隨著養(yǎng)生齡期延長(zhǎng)材料強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng),摻固化劑的配合比水穩(wěn)定性增長(zhǎng)較快,對(duì)此類(lèi)材料應(yīng)加強(qiáng)前期的養(yǎng)護(hù)工作。