水泥改良鐵尾礦砂路基填料的力學(xué)特性

李軍衛(wèi)，劉長明，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)成分無法直接進行回收利用，大多數(shù)尾礦砂的處理都是現(xiàn)場堆積的方式。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用和尾礦排放量也大幅度增加，增加了企業(yè)的運營成本和污染了城市環(huán)境；同時，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，在初始選礦時殘留下的藥劑和尾礦砂自身所帶有的金屬離子在對尾礦廢料進行處理的過程中會造成環(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，面對尾礦的污染和難以回收利用的特點，以及國家提倡可持續(xù)發(fā)展的理念，需要對尾礦廢料的性質(zhì)進行研究，對其進行二次利用以解決上述問題。

我國西部地區(qū)基礎(chǔ)交通設(shè)施修建進入一個“浪潮”，而修建公路的路基路面時需要大量的石料，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)有采石場開采石料時對周圍環(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，故可以對鐵尾礦砂進行一定的處理，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以及降低對環(huán)境的污染，又可解決公路修筑時原材料的來源和避免了原有石料資源的浪費。

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

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抗壓強度為30.5 MPa、28 d抗折強度6.0 MPa、水泥的初凝時間1.05 h、水泥的終凝時間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)篩分實驗確定出所采用鐵尾礦砂的級配，并繪制出鐵尾礦砂的級配曲線見圖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%時對應(yīng)顆粒粒徑，mm；d30為含量為30%時對應(yīng)顆粒粒徑，mm；d10為含量為10%時對應(yīng)顆粒粒徑，mm。

根據(jù)式（1）、式（2），結(jié)合級配曲線計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)限抗壓強度實驗

2.1 無側(cè)限抗壓強度實驗方案與步驟

在公路施工過程中對于路面材料強度的評價主要以7 d無側(cè)限抗壓強度作為指標(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、材料壓實度和演化周期作用下改良尾礦砂力學(xué)特性實驗[7-8]；根據(jù)實驗規(guī)范制作實驗所需試樣，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，對試樣的基本尺寸和質(zhì)量進行測定后，用保鮮膜將其完全包住后放入養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護；養(yǎng)護完事之后采用萬能實驗機對試樣進行壓縮實驗，軸向應(yīng)力施加速率采用0.5 mm/min，每一組實驗做三個平行實驗。其中，采用濟南美特斯儀器儀表有限公司生產(chǎn)的30 t微機控制電子萬能實驗機來進行無側(cè)限抗壓強度實驗，主要技術(shù)指標(biāo)為：最大實驗力300 kN、實驗機級別0.5級、實驗力測量范圍0.2% ~ 100%FS、實驗力示值相對誤差±0.5%以內(nèi)、實驗力分辨力1/300000FS基本滿足本次實驗的要求。

2.2 無側(cè)限抗壓強度實驗結(jié)果分析

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

圖2 養(yǎng)護周期影響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)護周期不斷增長，改良后鐵尾礦砂的無側(cè)限抗壓強度也逐漸非線性增大，但是在養(yǎng)護初期時材料的強度增長幅度較大，隨著養(yǎng)護時間的增大強度增長速率有所減緩，這主要是由于在養(yǎng)護初期時，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，隨著材料壓實度的增大，改良后鐵尾礦砂的無側(cè)限抗壓強度基本呈現(xiàn)線性增大關(guān)系，且隨著養(yǎng)護周期不斷增長，鐵尾礦砂隨著壓實度增大幅度也越大，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，隨著壓實度的不斷增大，這種凝結(jié)作用也更加強烈，使得空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。

圖3 壓實度影響Fig.3 Impact of compaction

由圖4可知，在相同壓實度的條件下，隨著固化劑用量的增大，改良后鐵尾礦砂的無側(cè)限抗壓強度也基本呈現(xiàn)線性增大關(guān)系，且養(yǎng)護周期不斷增長，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)進行更加強烈更加徹底，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 抗壓回彈模量實驗方案與步驟

由于車輛在公路上行駛時，會對路面產(chǎn)生一定的動荷載作用，為了避免由動荷載帶來路面過大變形，需要保證路面基層材料的強度與路面面層材料性能相適應(yīng)且強度要達到一定標(biāo)準(zhǔn)，故采用抗壓回彈模量來評價路面基層材料的強度。

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料實驗規(guī)程》中T 0804.2009的要求[7]和《公路工程集料實驗規(guī)程》[8]，將改良尾礦砂制備成（150×150）mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，對試樣的基本尺寸和質(zhì)量進行測定后，用保鮮膜將其完全包住后放入養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護（養(yǎng)護天數(shù)定為7 d、14 d、28 d和90 d、固化劑用量為9%、壓實度為93%），在養(yǎng)護之后需要將試樣放入(20±2)℃水浸泡至飽和，再進行抗壓回彈模量測量?？箟夯貜椖Ａ坎捎贸休d板法進行測量，其實驗步驟為：首先將飽和的試樣從水中取出，擦干試樣表面的水分對其進行質(zhì)量測定，采用最大荷載的1/2進行預(yù)壓，在預(yù)壓1 min之后讀取千分表的數(shù)值并記錄，然后施加下一級荷載進行預(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 抗壓回彈模量實驗結(jié)果分析

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

圖5 養(yǎng)護周期對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)護周期不斷增長，改良后鐵尾礦砂的抗壓回彈模量不斷增大，增長趨勢與無側(cè)限抗壓強度增長趨勢基本一致，都是養(yǎng)護初期材料的強度增長幅度較大，隨著養(yǎng)護時間的增大強度增長速率有所減緩，養(yǎng)護周期從7 d、14 d、28 d到90 d時，抗壓回彈模量分別為（1065.82、1399.09、1553.94和1917.51）MPa；相對于養(yǎng)護7 d試樣，養(yǎng)護4 d、28 d和90 d試樣的抗壓回彈模量增長率分別為31.27%、45.80%和79.91%，這也說明了養(yǎng)護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)定性實驗方案和步驟

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料實驗規(guī)程》中T 0804.2009和《公路工程集料實驗規(guī)程》的要求，制備無側(cè)限抗壓強度實驗的試樣一致，只是將試樣分為養(yǎng)護后浸水飽和試樣和不浸水養(yǎng)護試樣，對改良后鐵尾礦砂進行壓縮實驗，軸向應(yīng)力施加速率采用0.5 mm/min，每一組實驗也做三個平行實驗。水穩(wěn)定性實驗固化劑用量分別為6%、9%、12%三種，壓實度選取為93%一種，養(yǎng)護實驗定為（7、14、28和90）d四種。其中，水穩(wěn)定系數(shù)ω計算方法為

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

4.2 水穩(wěn)定性實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述實驗方案和水穩(wěn)定系數(shù)計算方法，得出不同養(yǎng)護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，這是由于在水泥和鐵尾礦砂在進行水化反應(yīng)時，物質(zhì)內(nèi)部的水即促進水化反應(yīng)的進行，使得鐵尾礦砂松散顆?？梢阅Y(jié)在一起，又對凝結(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)初期時水的促進水化反應(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，當(dāng)養(yǎng)護使得材料內(nèi)部空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定時，水分解顆粒的作用逐漸下降，進而水穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)了上升趨勢。同時，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)實驗

5.1 凍融循環(huán)實驗方案和步驟

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料實驗規(guī)程》中T 0804.2009和《公路工程集料實驗規(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，對試樣的基本尺寸和質(zhì)量進行測定后，用保鮮膜將其完全包住后放入養(yǎng)護箱內(nèi)進行養(yǎng)護（養(yǎng)護天數(shù)定為28 d和90 d、固化劑用量為9%、壓實度為90%、93%和96%），在養(yǎng)護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度損失率M來評價，其計算方法為

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

5.2 凍融循環(huán)實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述實驗方案和強度損失率計算方法得出不同壓實度作用下改良后鐵尾礦砂的強度損失率變化規(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，隨著壓實度的增大，改良后鐵尾礦砂的強度損失率逐漸減小，這主要是由于當(dāng)改良后鐵尾礦砂壓實度越大時，在水泥固化劑作用下鐵尾礦砂凝結(jié)作用越強，使得空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定，進而使得改良后鐵尾礦砂抗凍能力增強。但是隨著養(yǎng)護周期時間的增大，在同一壓實度作用下，改良后鐵尾礦砂的強度損失率越小，這主要是由于鐵尾礦砂試樣養(yǎng)護時間越長時，其空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定且抗壓強度也基本穩(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)護周期不斷增長，改良后鐵尾礦砂的無側(cè)限抗壓強度逐漸非線性增大，但是在養(yǎng)護初期時材料的強度增長幅度較大，隨著養(yǎng)護時間的增大強度增長速率有所減緩。

（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)護時間越長，其空間網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定且抗壓強度也基本穩(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。