固化劑改良鐵尾礦無側(cè)限抗壓強度試驗研究

趙 飛 李桂英 張會芳 張沖沖 楊 爍 白啟敬

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督所，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鐵礦石尾礦在工業(yè)固體廢棄物中占的比例也越來越大.據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國發(fā)現(xiàn)的礦產(chǎn)有150多種，開發(fā)建立了8000多座礦山，累計生產(chǎn)尾礦59.7億噸，其中堆存的鐵尾礦量占全部尾礦堆存總量的近33%[1].鐵尾礦的總量如此之大，勢必會占用大量的土地資源，降低可用土地的利用率，如果在植被覆蓋率較少的地區(qū)容易形成沙塵暴，嚴(yán)重污染周圍環(huán)境.有效、合理的回收利用鐵尾礦已經(jīng)成為了急需解決的問題，目前，由于鐵尾礦的成分復(fù)雜，處理手段單一，并不能有效的解決此類問題.許多鐵尾礦被應(yīng)用到建筑[2]及道路建設(shè)中，鐵尾礦被美國的許多個州應(yīng)用在道路建設(shè)當(dāng)中[3-4]，而明尼蘇達(dá)州是將鐵尾礦應(yīng)用的最早技術(shù)最成熟的，明尼蘇達(dá)州在20世紀(jì)50年代開始在市政道路建設(shè)中使用鐵尾礦.在我國，上世紀(jì)90年代，東北大學(xué)將鐵尾礦作為路面材料進(jìn)行研究[5]，結(jié)果表明鐵尾礦摻加配料構(gòu)成的骨料能滿足我國路面基層材料使用標(biāo)準(zhǔn).王琰[6]對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦的疲勞特性及抗凍耐久性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：水泥穩(wěn)定鐵尾礦的疲勞特性及抗凍耐久性都比較好，經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后其強度基本穩(wěn)定.孫吉書等[7]將鐵尾礦碎石經(jīng)過石灰粉煤灰進(jìn)行穩(wěn)定處理形成了新的混合料，通過探究混合料的強度、彈性模量等路用性能認(rèn)為經(jīng)過石灰粉煤灰穩(wěn)定后的鐵尾礦碎石滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，可作為公路基層或底基層材料使用.劉晶磊等[8]通過擊實試驗和無側(cè)限抗壓強等研究了改良鐵尾礦的路用性能，研究表明水泥、土凝巖改良鐵尾礦均能滿足二級及以下級別公路路基強度要求.

考慮到無側(cè)限抗壓強度是路面材料的主要力學(xué)性能之一，本文通過擊實試驗成型試件并檢測其無側(cè)限抗壓強度探究張家口宣化地區(qū)土凝巖改良鐵尾礦的在道路基層中的應(yīng)用的可行性.

1 試驗原材料

1.1 土凝巖

土凝巖是一種復(fù)合材料，也是一種綠色材料，它是利用特定的工業(yè)固體廢棄物，如鋼渣、粉煤灰、煤矸石等制成的高性能低碳、環(huán)保材料，主要用于固結(jié)公路、鐵路、機(jī)場等設(shè)施建設(shè)所需的細(xì)粒土、碎石、以及各種工業(yè)尾礦.

本試驗所用土凝巖為灰色粉末、密度約為3.0g/cm3、初凝時間不小于480min,終凝時間不大于720min，其力學(xué)性能如表1和表2.

表1 土凝巖力學(xué)性能參數(shù)

表2 土凝巖物理性能參數(shù)

1.2 水泥

本試驗采用張家口宣化金隅水泥廠生產(chǎn)的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)見下表.

表3 P·O 42.5水泥技術(shù)指標(biāo)

1.3 鐵尾礦

本試驗采用鐵尾礦產(chǎn)地為張家口宣化區(qū)，鐵、硅、鎂、鈣、鋁的氧化物是其主要成分，并伴有少量的磷，硫，其中以含硅最多.鐵尾礦的化學(xué)成分及顆粒級配見下表.

表4 鐵尾礦化學(xué)成分分析結(jié)果

表5 鐵尾礦顆粒級配

2 試驗方法

本試驗土凝巖、水泥的摻量為8%、10%、12%，壓實度為93%.根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[9]的要求恒壓制成尺寸為50mm×50mm的圓柱形試件6組，脫模后用塑料膜包裹后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并于最后放入水中浸泡24小時，試驗前取出試件并將其表面擦干水分，去除細(xì)小顆粒等雜物，測量尺寸并稱取質(zhì)量后用電液壓力伺服測其抗壓強度.

3 試驗結(jié)果分析

通過試驗，測得不同壓實度下、不同土凝巖摻量、不同水泥摻量下無側(cè)限抗壓強度值數(shù)據(jù)如下所示.

表6 壓實度為93%時不同土凝巖摻量無側(cè)限抗壓強度數(shù)據(jù)

表7 壓實度為93%時不同水泥摻量無側(cè)限抗壓強度數(shù)據(jù)

由圖1可知，壓實度為93%，固化劑摻量為8%時，隨著齡期的增長，無側(cè)限抗壓強度均持續(xù)上升.除25d齡期以外，水泥改良的試件強度優(yōu)于土凝巖改良的試件強度.由圖2可知，壓實度為93%，固化劑摻量為10%時，隨著齡期的增長，無側(cè)限抗壓強度均持續(xù)上升.水泥改良試件強度增長呈先上升后平緩的態(tài)勢，而土凝巖改良試件強度雖然持續(xù)上升但依然低于前者.由圖3可知，壓實度為93%，固化劑摻量為12%時，隨著齡期的增長，無側(cè)限抗壓強度均持續(xù)上升.但是較固化劑8%、10%摻量時兩者的漲幅較為接近.

圖1 固化劑摻量為8%時的強度對比圖 圖2 固化劑摻量為10%時的強度對比圖

圖3 固化劑摻量為12%時的強度對比圖

4 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)試驗，以壓實度為93%時改良鐵尾礦為研究對象，通過不同摻量下水泥、土凝巖無側(cè)限抗壓強度的對比，得出如下結(jié)論：

(1)壓實度為93%時，隨著齡期的增長各種固化劑摻量改良鐵尾礦試件無側(cè)限抗壓強度值曲線均呈上升態(tài)勢，水泥改良鐵尾礦試件的強度總體上優(yōu)于土凝巖改良的試件強度，且都符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

(2)隨著摻量的增加，如摻量為12%時，土凝巖和水泥改良鐵尾礦無側(cè)限抗壓強度的差異越來越小，而土凝巖成本更低，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮適用性優(yōu)于水泥改良鐵尾礦.