振動攪拌對摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合料的影響研究

王洪國，蘇紀(jì)壯，張 民，汲 平，王鑫洋，劉 健，3

(1.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250001；2.山東高速工程檢測有限公司，濟(jì)南 250002；3.山東高速工程咨詢集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250002)

0 引 言

鐵尾礦是鐵礦場在開采分選礦石后排放的固體廢棄物，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵尾礦排放量逐年增加，如不能進(jìn)行合理利用將占用大量土地、造成環(huán)境污染，還易產(chǎn)生安全隱患[1]。而公路工程建設(shè)過程中需要大量的筑路材料，若能將鐵尾礦砂用作筑路材料，既可以降低公路工程造價，也可減少其對環(huán)境的污染。因此，研究鐵尾礦砂對水泥穩(wěn)定碎石的路用性能的影響，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低施工成本具有重要經(jīng)濟(jì)及社會效益。

國內(nèi)外研究者對鐵尾礦應(yīng)用于瀝青路面半剛性基層進(jìn)行了一定研究。楊青[2]對鐵尾礦砂顆粒級配、礦物組成、水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性、干縮性能等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦砂的性能，能夠滿足低等級公路基層的要求。王琰[3]對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦砂的疲勞及抗凍性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，石灰穩(wěn)定鐵尾礦砂的疲勞特性和抗凍融特性優(yōu)于水泥穩(wěn)定土。劉云霄等[4]研究了鐵尾礦與水泥基材料的界面黏附機(jī)理，結(jié)果表明，鐵尾礦砂灌漿料的界面過渡區(qū)較石英砂更為密實(shí)。張海濤等[5]研究了粉煤灰對振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，粉煤灰對兩種拌和技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石最大干密度和無限抗壓強(qiáng)度均有一定的影響。趙軍利等[6]研究了振動攪拌參數(shù)對水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明,在振動攪拌條件下，攪拌時間對混合料抗壓強(qiáng)度的影響最大，振動頻率和攪拌速度次之，濕拌時間的影響最小。穆煒罡[7]對水泥穩(wěn)定碎石振動攪拌進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明，與普通攪拌方式相比,混合料7 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，抗沖刷能力顯著增強(qiáng)。Che等[8]對鐵尾礦混凝土(iron tailings concrete,ITC)力學(xué)性能及耐久性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，鐵尾礦砂混凝土各項指標(biāo)能夠滿足農(nóng)村公路需求。Djellali等[9]對經(jīng)水泥處理后的鐵尾礦砂的密實(shí)度，抗壓強(qiáng)度及加州承載比(Califomia bearer ratio,CBR)進(jìn)行了測試。Oliveira等[10]使用水泥對兩種鐵尾礦砂的物理力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)水泥用量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，混合料的力學(xué)性能夠滿足巴西規(guī)范(Base de solo-cimento:materiais para base de solo-cimento.Requisitos:NBR 11798.)中路基技術(shù)指標(biāo)要求。目前已有研究僅對水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的路用性能和振動攪拌技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石性能的影響進(jìn)行了分別研究，未涉及鐵尾礦砂和振動攪拌技術(shù)對水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響。

基于此，本文通過振動攪拌、傳統(tǒng)連續(xù)式攪拌對不同鐵尾礦砂摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行宏觀和微觀試驗研究，以便進(jìn)一步認(rèn)識振動攪拌技術(shù)及鐵尾礦砂作用機(jī)制，準(zhǔn)確地表征其混合料性能，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 實(shí) 驗

1.1 原材料

研究采用山東棗莊某石料有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r集料，主要分為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm三檔，細(xì)集料為0～4.75 mm機(jī)制砂，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20—2015)中相關(guān)要求。水泥采用山水水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級緩凝水泥。試驗用水為濟(jì)南地區(qū)自來水。選用山東臨沂蒼山縣某礦廠生產(chǎn)的鐵尾礦砂，鐵尾礦砂各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)、和礦物組成如表1和表2所示。

表1 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)表Table 1 Technical index of fine aggregate

表2 礦物成分組成表Table 2 Content of aggregate

1.2 配合比設(shè)計

為保證試驗結(jié)果的可靠性，研究前對原材料進(jìn)行篩分，配合比設(shè)計時逐檔回配。水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂混合料級配如圖1所示，其中鐵尾礦用量分別為礦料質(zhì)量的0%～25%(下文摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，通過重型擊實(shí)試驗確定混合料最佳用水量為5.3%，水泥用量為4.2%。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石混合料級配圖Fig.1 Grading curves cement stabilized macadam mixture

1.3 試驗方法

對各鐵尾礦砂摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料通過連續(xù)攪拌和振動攪拌方式拌和試樣，采用德通振動有限公司生產(chǎn)的DT60ZBW系列振動攪拌機(jī)，振動攪拌頻率為50 Hz，振動拌和時間為40 s[11-14]；連續(xù)攪拌速率為45 r/min，拌和時間為45 s。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strenght，UCS)、間接拉伸強(qiáng)度(indirect tensile strength，ITS)和水穩(wěn)定性試樣采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法養(yǎng)生7 d，抗凍性試驗及間接拉伸疲勞試驗試樣采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d。水穩(wěn)定性試驗采用20 ℃下保水48 h后測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；抗凍性試樣采用5次凍融循環(huán)(-18 ℃凍結(jié)16 h，取出試件量高、稱質(zhì)量，然后立即放入20 ℃的水槽中進(jìn)行融化，融化時間8 h，融化完畢，取出試件擦干后量高、稱質(zhì)量為一次凍融循環(huán))，后測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；疲勞試驗采用Havesine波，加載頻率為10 Hz，應(yīng)力控制方式，應(yīng)力比選為0.5～0.8，試驗溫度定為15 ℃[11]。并采用X射線衍射(XRD)儀和掃描電鏡(SEM)對連續(xù)攪拌和振動攪拌制備的試樣進(jìn)行微觀機(jī)理分析，其中，XRD掃描范圍為10°～90°，SEM放大倍數(shù)為2 000倍和10 000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)度分析

不同攪拌方式及不同鐵尾礦摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及間接拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果見圖2。

圖2 強(qiáng)度試驗結(jié)果Fig.2 Mechanical strength results

由圖2中試驗結(jié)果可以看出：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及間接拉伸強(qiáng)度隨鐵尾礦砂量的增加呈現(xiàn)先增大后間減小的趨勢，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度達(dá)到峰值，其原因為鐵尾礦砂較石屑更細(xì)，使得粗集料表面裹覆更多水泥膠砂，能夠均勻填充集料間空隙，但當(dāng)用量達(dá)到一定限值后，混合料的骨架結(jié)構(gòu)被破壞，使得各集料間的水泥膠砂增加，水泥膠砂強(qiáng)度低于碎石強(qiáng)度，更易發(fā)生破壞。振動攪拌方式成型混合料強(qiáng)度明顯大于連續(xù)攪拌方法制備的試件，究其原因，振動攪拌過程中產(chǎn)生的振動波能夠使混合料中的水泥團(tuán)分散開，水泥水化更加完全，水化產(chǎn)物增多，同時生成更多的水泥漿體，加速了集料顆粒移動，提高了混合料在微觀層面上的均勻性。

2.2 水穩(wěn)定性分析

本研究通過水穩(wěn)性系數(shù)(R)評價摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合料的水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3中試驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論：養(yǎng)生28 d試樣水穩(wěn)定性明顯高于養(yǎng)生7 d試樣，主要原因是養(yǎng)生28 d的試樣水泥水化程度更高，表現(xiàn)為混合料強(qiáng)度的增加；混合料水穩(wěn)定性隨鐵尾礦砂摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度達(dá)到峰值；振動攪拌方式制備試樣水穩(wěn)定性較連續(xù)攪拌方式試樣效果更好，主要原因是,在振動波作用下顆粒發(fā)生移動，集料表面能夠裹復(fù)更多水泥膠砂，這使得混合料內(nèi)部更加密實(shí)，水穩(wěn)定性效果更好。

圖3 水穩(wěn)定性試驗結(jié)果Fig.3 Water stability test results

2.3 抗凍性分析

本研究采用凍融循環(huán)試驗對摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石抗凍性進(jìn)行研究，測定經(jīng)5次凍融循環(huán)后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(RDC-5)，并與未進(jìn)行凍融試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(RC)進(jìn)行對比，計算混合料的抗凍性指標(biāo)(BDR)，抗凍性試驗結(jié)果見表3。

表3 抗凍性試驗結(jié)果Table 3 Test results of freezing resistance

由表3試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：摻加鐵尾礦砂后水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗凍性明顯提升，但到達(dá)某一峰值后不再增長，主要原因是,鐵尾礦砂中小于0.075 mm顆粒含量明顯高于石屑，經(jīng)拌和后形成的水泥膠砂量增加，混合料內(nèi)部空隙填充更加充分，即試樣內(nèi)部更加密實(shí)，從而表現(xiàn)出試樣抗凍性的提升；振動攪拌較連續(xù)攪拌制備試樣的抗凍性更好，主要原因是,在振動波作用下顆粒發(fā)生移動，集料表面能夠裹復(fù)更多水泥膠砂，且水泥水化更充分。

2.4 抗疲勞性能分析

本文采用間接拉伸疲勞試驗對未摻加鐵尾礦砂和不同鐵尾礦砂摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行抗疲勞性能研究，試驗結(jié)果如表4所示。

由表4試驗結(jié)果可以看出，水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命隨鐵尾礦砂的摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，但其規(guī)律與強(qiáng)度試驗結(jié)果有所不同，當(dāng)鐵尾礦砂用量為5%時疲勞壽命達(dá)到最大值，主要原因是鐵尾礦砂用量低時混合料內(nèi)部變異性更大，內(nèi)部空隙更多成為反復(fù)交通荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)，更易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但隨著用量的繼續(xù)增加，混合料內(nèi)部中的細(xì)集料不能被水化的水泥完全裹復(fù)，使其在混合料內(nèi)部結(jié)團(tuán)，沒有形成足夠強(qiáng)度，在失水時，體積迅速收縮，在混合料內(nèi)部形成微裂紋，導(dǎo)致重復(fù)荷載作用下應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯，表現(xiàn)出疲勞壽命要低于不摻加鐵尾礦砂的混合料。振動攪拌制備試樣較連續(xù)攪拌方式疲勞壽命高，其原因為，振動攪拌方式使粗集料裹復(fù)水泥膠砂更加均勻，混合料內(nèi)部水泥分散更加均勻，內(nèi)部微裂紋和未攪拌均勻的細(xì)集料更少，降低了混合料內(nèi)部的各向異性。

表4 間接拉伸疲勞試驗結(jié)果Table 4 Indirect tensile fatigue test results

對表4中試驗結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如表5所示。

表5 疲勞回歸方程表Table 5 Fatigue regression equation

由表5擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，疲勞壽命擬合方程的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，說明疲勞壽命與應(yīng)力比具有良好的相關(guān)性。其中，疲勞回歸方程中的截距反映了混合料的疲勞壽命，截距越大疲勞壽命越長。不同鐵尾礦砂摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞回歸方程的截距大小依次為：摻加5%鐵尾礦砂>摻加10%鐵尾礦砂>無鐵尾礦砂>摻加15%鐵尾礦砂>摻加20%鐵尾礦砂>摻加25%鐵尾礦砂，說明混合料中適當(dāng)添加一定量的鐵尾礦砂能夠提高反復(fù)交通荷載作用下水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命。

2.5 XRD分析

在力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，選擇不添加鐵尾礦砂和鐵尾礦砂用量為10%的水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行XRD測試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 水泥穩(wěn)定碎石混合料的XRD譜Fig.4 XRD patterns of cement stabilized macadam mixture

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：(1)無論采用哪種攪拌方式，是否添加鐵尾礦砂，混合料中主要物質(zhì)均為CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、C2S和C3S，其中CaO和SiO2的峰值比較明顯，主要原因是，在XRD試樣的制備過程中，將粗集料表面黏附的細(xì)集料刮下，經(jīng)室內(nèi)磨細(xì)后使用0.075 mm方孔篩篩分備用，這使得XRD試樣中含有大量的集料粉末，因此CaO和SiO2的峰值較其他礦物更明顯；(2)水泥穩(wěn)定碎石混合料在添加10%的鐵尾礦砂后，試樣的Fe2O3峰值更明顯，主要原因是鐵尾礦砂中含有較多的含鐵礦物；(3)在相同養(yǎng)生條件、齡期及水泥用量下，采用振動攪拌方式制備的水泥穩(wěn)定碎石混合料中出現(xiàn)了明顯的硅酸三鈣(C3S)和硅酸三鈣(C2S)峰值，主要原因是振動作用加速了水泥在集料中的分散，使水泥在混合料內(nèi)部分散更均勻。

2.6 SEM分析

對不添加鐵尾礦砂和鐵尾礦砂用量為10%的水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行SEM測試，試驗結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 連續(xù)攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of cement stabilized macadam mixture with static mixing

由圖5看出，不添加鐵尾礦砂的水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)部多為球形顆粒，各集料顆粒間存在較多水泥膠漿，混合料內(nèi)部集料未形成密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)，添加10%鐵尾礦砂后混合料內(nèi)部存在較多“扁平”顆粒，且顆粒間水泥膠漿層更薄，集料顆粒連接緊密，該現(xiàn)象與強(qiáng)度試驗結(jié)果一致。

對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)：采用連續(xù)攪拌時混合料內(nèi)部“針刺狀”或“針棒狀”的鈣釩石較少，采用振動攪拌時混合料內(nèi)部鈣釩石更明顯，且分布更加均勻，主要原因是，振動攪拌過程中的振動作用使水泥在混合料中分布更加均勻，且水泥水化更加充分；采用兩種攪拌方式制備的混合料內(nèi)部均有明顯的通透的塊狀Ca(OH)2和團(tuán)粒狀的CaCO3，但采用振動攪拌制備試樣內(nèi)部塊狀Ca(OH)2和團(tuán)粒狀的CaCO3數(shù)量更多，分布更加均勻，且搭接、穿插更為致密，整體性更好；采用振動攪拌時試樣內(nèi)部C-S-H凝膠數(shù)量更多且發(fā)育更加完整，試樣孔洞和縫隙均能被有效填充，這使得混合料的強(qiáng)度更高。

圖6 振動攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of cement stabilized macadam mixture with vibratory mixing

3 結(jié) 論

(1)水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及抗凍性隨鐵尾礦砂量的增加先增大后減小，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料物理力學(xué)性能達(dá)到峰值。

(2)鐵尾礦砂的加入對水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命有一定影響，當(dāng)鐵尾礦用量為5%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命達(dá)到峰值。

(3)振動攪拌方式與連續(xù)攪拌方式相比，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、抗凍性、抗疲勞性能更好。

(4)添加鐵尾礦砂后混合料中出現(xiàn)了明顯的Fe2O3峰，且振動攪拌方式制備的水泥穩(wěn)定碎石混合料中出現(xiàn)了明顯的硅酸三鈣(C3S)和硅酸三鈣(C2S)峰。

(5)振動攪拌方式較連續(xù)攪拌方式制備的試樣內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物分布更為均勻，且體積和數(shù)量明顯大于連續(xù)攪拌方式制備的試樣。