張家口赤城地區(qū)尾礦料在高速公路工程中的應(yīng)用

王宗璞

(邢臺道橋建設(shè)工程有限公司 邢臺市 054001)

0 引言

礦產(chǎn)資源是不可再生的一次性資源。我國目前90%以上的能源和80%左右的工業(yè)原料取自礦產(chǎn)資源[1]，而隨之而來的原材料污染問題也愈發(fā)的凸顯。尾礦料的處理問題就是目前國內(nèi)外學(xué)者著重研究的一個重要方向。尾礦料不僅污染周圍環(huán)境，危害人民生命財產(chǎn)的安全，而且占用大量土地、消耗資金、浪費(fèi)資源、影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[1]。

盡管近些年我國在鐵尾礦料的綜合利用方面取得了很大進(jìn)展，但我國尾礦綜合利用率僅為7%左右，相比于國外60%的利用率，差距還很大[2]。目前我國對鐵尾礦料的重復(fù)利用主要在配制混凝土、作為墻體材料、冶煉水泥、建筑玻璃和建筑陶瓷、制作肥料改良土壤等[2]方面，同時也進(jìn)行了鐵尾礦料在公路行業(yè)的利用嘗試：鶴大高速公路利用尾礦料進(jìn)行了路基填筑[3]，河北省平青樂線改建工程、野興公路、遼寧省老寬線將鐵尾礦料進(jìn)行了基層施工[4]，劉炳華[5]等人對鐵礦砂在平原地區(qū)路基填筑工程開展了相關(guān)研究。相關(guān)研究成果表明，鐵尾礦料在公路工程中的應(yīng)用前景廣闊。

1 環(huán)境背景

河北張家口地區(qū)礦產(chǎn)較為豐富，其中赤城縣是礦業(yè)大縣,傳統(tǒng)鐵礦產(chǎn)業(yè)一度是全縣的支柱產(chǎn)業(yè),全縣現(xiàn)存尾礦料2億多噸[6]。張家口地區(qū)也根據(jù)本地情況對尾礦料進(jìn)行了一系列處理工作，主要應(yīng)用于開發(fā)新型建材產(chǎn)品、生產(chǎn)混凝土等，取得了較為顯著的成果，但在公路路基、路面工程對尾礦料的使用率較低。

隨著張家口地區(qū)高速公路的不斷上馬，將尾礦料應(yīng)用于高速公路項目的呼聲愈發(fā)明顯，若將尾礦料應(yīng)用于高速公路路基、路面工程不僅可以大幅度降低尾礦料對環(huán)境的污染，同時對公路行業(yè)原材料問題的解決將起到重要的推進(jìn)作用。筆者對張家口赤城縣某尾礦料場進(jìn)行了取樣，并對其開展了一系列路基、路面材料性能研究。

2 尾礦料路基路面應(yīng)用性能試驗檢測

筆者對尾礦料巖性、酸堿性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，該地區(qū)尾礦料巖性為輝石巖，具有鐵磁性，并具有弱堿性，同時為研究其在路基、路面工程中的應(yīng)用前景，又開展了相應(yīng)的試驗檢測工作。

2.1 路基工程

對尾礦料進(jìn)行了加州承載比(CBR)及塑性指數(shù)檢測，其中承載比最大144.0%，平均值為92%,高于規(guī)范要求的不小于8%的技術(shù)要求；塑性指數(shù)最低2%，平均值2.5%，低于規(guī)范要求的不大于26%的技術(shù)要求。從承載比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)尾礦料膨脹性較小，對于路基填筑過程中出現(xiàn)的諸如沉降量過大等問題可以起到良好的改善作用；同時尾礦料又有較小的塑性指數(shù)，反映了其對用水量有較強(qiáng)的敏感性，對施工過程中的用水量要求較為嚴(yán)格。此外，結(jié)合尾礦料材料特點(diǎn)，要將尾礦料應(yīng)用于路基工程，需要提高壓實(shí)功來實(shí)現(xiàn)。

2.2 路面工程

2.2.1路面基層原材料試驗

對尾礦料進(jìn)行了壓碎值、針片狀顆粒含量、0.075mm粉塵含量及軟石含量檢測，并將檢測數(shù)據(jù)與《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中基層粗集料的技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行對比，交通等級為高速公路和一級公路重、中、輕交通Ⅰ類。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 尾礦料試驗數(shù)據(jù)與規(guī)范對比

從試驗數(shù)據(jù)中可以得知，張家口赤城地區(qū)尾礦料石料壓碎值、針片狀顆粒含量、0.075mm粉塵含量及軟石含量等相關(guān)指標(biāo)除10～30mm碎石針片狀顆粒含量超過規(guī)范要求外，其余指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求。分析其原因主要為張家口地區(qū)碎石壓碎值偏低，碎石母巖抗壓強(qiáng)度較高、脆性較大，在碎石破碎加工過程中容易造成針片狀顆粒含量較高的情況，若將尾礦料應(yīng)用于路面基層施工，控制10～30mm碎石針片狀顆粒含量將是一項重要工作。

同時，對尾礦料用于水泥穩(wěn)定碎石基層相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了檢測，主要包括最大干密度、最佳含水量等指標(biāo)，并與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對比，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 尾礦料水泥穩(wěn)定碎石試驗數(shù)據(jù)與規(guī)范對比

從試驗數(shù)據(jù)可知，由于尾礦料碎石母巖密度較大，水穩(wěn)碎石最大干密度較石灰?guī)r水穩(wěn)碎石密度大。同時結(jié)合尾礦料水穩(wěn)碎石7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值及代表值與高速公路水穩(wěn)碎石強(qiáng)度要求值對比可知，將尾礦料用于高速公路底基層尚可，但強(qiáng)度偏低；將尾礦料用于高速公路基層，需要增加水泥劑量以提高其強(qiáng)度。

2.2.2路面面層原材料試驗

對尾礦料用于高速公路路面工程相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了檢測，主要包括洛杉機(jī)磨耗損失、表觀相對密度、吸水率、堅固性及粘附性等，并與《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對比，交通等級為高速公路和一級公路重、中、輕交通Ⅰ類，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 尾礦料路面工程試驗數(shù)據(jù)與規(guī)范對比

從試驗對比數(shù)據(jù)中可以看到，尾礦料各項指標(biāo)均適用于高速、一級公路中下面層及其他等級公路中。

為此，選用該區(qū)域不同粒徑碎石采用GTM法對AC-20型、ATB-25型瀝青混合料成型試件，并對其最佳油石比以及相應(yīng)的毛體積密度進(jìn)行檢測。其中AC-20型瀝青混合料最佳油石比4.2%，GTM法成型試件毛體積密度2.493g/cm3，馬歇爾法成型試件毛體積密度2.462g/cm3，相關(guān)性系數(shù)1.013；ATB-25型瀝青混合料最佳油石比3.4%，GTM法成型試件毛體積密度2.753g/cm3；馬歇爾法成型試件毛體積密度2.719g/cm3，相關(guān)性系數(shù)1.013。其他性能指標(biāo)與《旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切實(shí)驗法(GTM)瀝青混合料設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》要求對比見表4。

表4 不同類型混合料性能

從混合料數(shù)據(jù)中可知，將尾礦料應(yīng)用于高速公路中下面層后，其高溫抗車轍、低溫抗開裂和水穩(wěn)定性能均符合相關(guān)規(guī)范要求，說明該地區(qū)尾礦料適用于高速公路中下面層。

3 結(jié)論

(1)尾礦料具有低收縮性，將其應(yīng)用于路基工程可以一定程度改善路基沉降問題，應(yīng)用于路基工程需要提高壓實(shí)功；同時尾礦料塑性指數(shù)較低，對水有較大敏感性。

(2)由于尾礦料強(qiáng)度較高、壓碎值偏低，在加工過程中容易造成針片狀顆粒含量偏高的問題，應(yīng)用于高速公路路基、路面工程需要嚴(yán)格控制其針片狀顆粒含量。

(3)將尾礦料用于高速公路底基層尚可，但強(qiáng)度偏低；將尾礦料用于高速公路基層，需要增加水泥劑量以提高其強(qiáng)度；將尾礦料應(yīng)用于瀝青路面中下面層符合相關(guān)規(guī)范要求，同時具有較好的高溫抗車轍、低溫抗開裂和水穩(wěn)定性能。