無機結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦級配合成和力學(xué)性能試驗研究

摘 要：通過鐵尾礦砂的土工液限確定無機結(jié)合料類型，按照無機結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦的目標級配和碎石鐵尾礦各檔材料的篩分情況，當(dāng)集料級配波動上下限在x×（1±2Cv）范圍時，按照碎石鐵尾礦使用比例合成級配進行無機結(jié)合料穩(wěn)定碎石鐵尾礦混合料重型擊實試驗和7 d無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗結(jié)果表明：無機結(jié)合料穩(wěn)定類型為水泥粉煤灰;水泥∶粉煤灰∶碎石鐵尾礦=5∶10∶85的配合比中，碎石∶鐵尾礦=64∶36時，水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的最佳含水率最低為5.1%，對應(yīng)最大干密為2.396 g/cm3，7 d無側(cè)限抗壓強度代表值為6.5 MPa，強度滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）表4.2.7中高速公路和一級公路基層（極重、特種）的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：無機結(jié)合料;鐵尾礦;級配合成;性能試驗

中圖分類號：U414

文獻標志碼：A

國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2020年全國大、中城市固體廢棄物污染環(huán)境防治年報》中統(tǒng)計，2019年我國工業(yè)企業(yè)尾礦產(chǎn)生量為10.3億噸，綜合利用量為2.8億噸（其中利用往年貯存量1777.5萬噸），綜合利用率為27.0%，為加強礦山企業(yè)綠色礦山建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的尾礦等固體廢棄物應(yīng)考慮多領(lǐng)域大宗化利用，以解決鐵尾礦堆存帶來的占用大量土地、對周邊大氣河流及地下水等危害、尾礦壩體的安全隱患[1]等多方面的問題。道路建設(shè)中需要使用大量的砂石原材料，使得自然筑路資源日趨緊張，同時也對環(huán)境帶來了破壞。為了貫徹落實生態(tài)環(huán)境部“清廢行動”和“綠色礦山”持續(xù)建設(shè)，研究用鐵尾礦替代筑路集料用于公路建設(shè)，用鐵尾礦部分替代普通砂作為細骨料可以改善細骨料的顆粒級配，相較于普通砂作為細骨料制備的混凝土，鐵尾礦作為細骨料制得的混凝土具有更優(yōu)的工作性能，并且在抗壓強度和耐久性方面表現(xiàn)更佳[2]，大宗消耗鐵尾礦庫存，不僅降低對周圍環(huán)境污染和防潰壩安全的隱患，還可以減少對傳統(tǒng)砂石原材料的利用，提高尾礦資源的再利用效率。但礦山企業(yè)為了提高選礦效率，將鐵礦磨的越來越細，所產(chǎn)生的鐵尾礦顆粒粒徑較小，不符合《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）路用集料級配，為了更合理地利用鐵尾礦，需要對鐵尾礦的道路應(yīng)用性能進行集料級配和強度試驗，通過采用無機結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦試驗確定各材料用量比例，經(jīng)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行計算、分析、研究鐵尾礦的路用性能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1）粉煤灰：陜西商洛發(fā)電有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級，試樣樣品3 kg，經(jīng)檢測其技術(shù)指標見表1。

依據(jù)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）標準可知，表1中的含水量、需水量、燒失量、SO3質(zhì)量分數(shù)、 f-CaO質(zhì)量分數(shù)、（AL2O3+Fe2O3+SiO2）總質(zhì)量分數(shù)指標均符合要求;F類粉煤灰安定性指標規(guī)范未作明確要求，但為了保證其在路面基層使用的穩(wěn)定性，測定其安定性0.8 mm符合C類粉煤灰安定性上限制5.0 mm的要求，本次所用粉煤灰具有良好的安定性。

2）鐵尾礦砂：陜西商洛柞水小嶺鎮(zhèn)大西溝鐵尾礦，篩分析結(jié)果見表2。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，按公式（1）計算[3]鐵尾礦砂的細度模數(shù)μf：

μf=（A0.15+A0.30+A0.60+A1.18+A2.36）-5A4.75100-A4.75（1）

式中，A0.15、A0.30、A0.60、…、A4.75分別為各篩上的累計篩余百分率，%。

經(jīng)計算，鐵尾礦砂的細度模數(shù)為1.30， 屬于細集料。

按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）要求，采用液塑限聯(lián)合測定儀測定鐵尾礦砂的液限為19%，塑性指數(shù)為11，由《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTJ057—2005）要求，無機結(jié)合料類型為水泥類[4]。

3）碎石：商洛梁鋪生產(chǎn)的碎石，技術(shù)指標見表3。

按照《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）標準可知：表3碎石表觀密度2 710 kg/m3符合國標建設(shè)要求碎石表觀密度不小于2 600 kg/m3的要求，緊密空隙率、含泥量、針片狀顆粒含量、壓碎指標依次滿足國標建設(shè)用碎石的Ⅰ類標準上限值43%、0.5%、5%、10%的要求，該批碎石可以使用。

4）水泥：商洛堯柏龍橋水泥有限公司P.O42.5水泥的技術(shù)指標見表4。

按照《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）標準可知：表4中抗壓強度、抗折強度、比表面積等各項指標均符合普通硅酸鹽水泥的技術(shù)指標要求。

1.2 試驗方法

根據(jù)鐵尾礦砂的土工液限適宜采用的無機結(jié)合料類型為水泥類，因鐵尾礦為粒徑較均勻的細集料，宜添加適量比例的粉煤灰[5]，按照文獻[5]中推薦的結(jié)合料間比例為水泥粉煤灰∶被穩(wěn)定材料=20∶85～15∶85。為達到最佳密實效果，在5%水泥劑量的確定條件下，粉煤灰加入10%，形成配比為水泥∶粉煤灰∶集料=5∶10∶85，大于4.75 mm的粗集料比例占總質(zhì)量的百分率依次為：A組66%、B組54%、C組43%，集料按照表5鐵尾礦碎石的各檔礦料摻加比例進行重型擊實試驗，將制備好的擊實試驗鐵尾礦混合料試樣分5次逐層加入到擊實筒內(nèi)，每層的錘擊次數(shù)為59次，完成擊實試驗，測定水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦混合料的最大干密度和最佳含水量[6]。根據(jù)擊實試驗結(jié)果，取最大干密度值制成標準試件進行7 d無側(cè)限抗壓強度試驗。無側(cè)限抗壓強度試驗方法：將靜力壓實法制備的13個試件，在第7 d浸泡水中24 h后的試件從水中取出，用軟布吸去試件表面的水分，將試件放在路面材料強度壓力機上，無側(cè)限抗壓強度測定試驗過程中應(yīng)保持試驗加載速率為1 mm/min，記錄試件破壞時的最大壓力F，從試件內(nèi)部取有代表性的樣品（經(jīng)過打破），測定其含水量[7]。

1.3 試樣制備

擊實試驗試樣制備：按照文獻[7]，對取得最佳含水量和最大干密度的水泥粉煤灰碎石鐵尾礦混合料，先用19 mm的方孔篩對試料進行人工篩分，若存留在19 mm篩上的顆粒篩余百分率不超過10%，則換用26.5 mm的篩進行篩分，留作備用。將已篩分的試樣用四分法逐次分小，至最后取出約30 kg試料，再用四分法將已取出的試料分成5份，每份試料的干質(zhì)量為5.5 kg，預(yù)定5個不同含水量，依次相差0.5%～1.5%，按預(yù)定的含水量制備擊實試驗試樣。

無側(cè)限抗壓強度試驗試樣制備：不同碎石含量的混合料中摻加5%水泥進行擊實試驗，擊實試驗結(jié)果中取得最大干密度的混合料，按照文獻[7]用靜力壓實法制備13個試件，試件尺寸直徑×高為150 mm×100 mm，其壓實度不小于95%，將試件脫模并稱重后用塑料薄膜包覆，放入養(yǎng)護室內(nèi)在（20±2）℃溫度進行標準養(yǎng)護 6 d，第7 d浸泡水中24 h后進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

按照確定的目標級配水泥∶粉煤灰∶集料=5∶10∶85，根據(jù)表5中A、B、C三組集料的各檔材料的合成級配，再根據(jù)合成級配進行混合料重型擊實試驗和7 d齡期無側(cè)限抗壓強度試驗，驗證混合料的性能。

2.1 最佳含水率和最大干密度

在5%水泥劑量下進行平行的擊實試驗，不同碎石含量的水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的最佳含水率和最大干密度見表6，三組標準擊實試驗曲線圖，如圖1所示。

從表6可知，在三組集料級配擊實試驗的最大干密度和最佳含水率中，B組集料的最大干密度為2.396 g/cm3達到最大值，最佳含水率為5.1%處于最小值，大于4.75 mm的粗集料含量為54%;對于A組、C組大于4.75 mm的粗集料含量依次為66%、43%，結(jié)合表5混合集料中各檔比例組成分析，粗集料含量較高但顆粒級配不夠均勻，使得顆粒之間空隙沒有被足夠的填充，難以保證鐵尾礦碎石混合料的密實性，因此相比B組，鐵尾礦碎石混合料最大干密度有所下降和最佳含水率相對增加。

從圖1擊實曲線明顯看出，當(dāng)達到最大干密度時對應(yīng)的含水率達到最小值，但是隨著A組、B組、C組的鐵尾礦碎石混合料中粗集料的減少，鐵尾礦碎石混合料的最佳含水率和最大干密度也產(chǎn)生較大差別，三組的最大干密度大小排列順序為ρdBgt;ρdCgt;ρdA，從碎石、鐵尾礦構(gòu)成比例看，碎石鐵尾礦混合集料中碎石比例過大或者過少，均會影響混合料的密實性。本次試驗中材料用量比例為水泥粉煤灰∶鐵尾礦碎石集料=15∶85，混合集料中碎石∶鐵尾礦=64∶36，說明混合料中粗集料占比達到64%時，水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的最佳含水率5.1%最低，對應(yīng)取得最大干密度為2.396 g/cm3。

2.2 試件7 d無側(cè)限抗壓強度

根據(jù)表6的擊實試驗結(jié)果，水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料按照最佳含水量5.1%和最大干密度2.395 g/cm3的標準制成成型高度為150 mm、直徑為150 mm的圓柱形試件養(yǎng)護7 d，然后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表7所示。

根據(jù)表7中的數(shù)據(jù)計算在5.0%水泥劑量下，水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強度的最大值、最小值、平均值、代表值。7 d無側(cè)限抗壓強度值95%保證率的系數(shù)Za取1.645，則其具有95%保證率的7 d無側(cè)限抗壓強度值RC 0.95=RC-1.645S，標準差S按照公式（2）進行計算，計算評定7 d無側(cè)限抗壓強度指標值見表8所示。

S=∑ni=1（X-Xi）2n-1（2）

式中，S表示試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的標準差;Xi表示任意一次試驗結(jié)果數(shù)據(jù);n表示實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)量;X=X1+X2+X3+…+Xnn表示試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的均值。

從表7中數(shù)據(jù)可知，在5.0%水泥劑量下，水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強度最大值達到8.7 MPa、最小值6.6 MPa、代表值6.5 MPa，強度滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）表4.2.7中高速公路和一級公路基層（極重、特種）7 d無側(cè)限抗壓強度最高值5.0 MPa的要求。

2.3 試驗檢驗的統(tǒng)計分析計算

原材料鐵尾礦和碎石的不均勻性是影響水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料性能穩(wěn)定性的重要因素，為了更全面掌握各檔原材料的級配情況，需要從拌合場料堆中不同位置和每一批次進料中分別取料、篩分，然后分別統(tǒng)計鐵尾礦和碎石各檔料通過率的變異系數(shù)CV，變異系數(shù)CV按照公式（3）計算[8]，計算結(jié)果見表8。

CV=SX（3）

式中，S表示試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的標準差;X表示試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的均值。

表9是對原材料進行大量的篩分試驗得到的平均值x和變異系數(shù)Cv，以B組各檔材料比例進行級配合成說明。B組水泥粉煤灰∶鐵尾礦碎石集料=15∶85、混合集料中碎石∶鐵尾礦=64∶36，其中鐵尾礦（粒徑0～4.75 mm）的比例為36%，碎石（粒徑4.75～26.5 mm）的比例為64%，合成各檔集料的比例見表5。

按照文獻[5]把x×（1±2CV）作為集料級配波動的上下限，把各檔集料按照公式（4）進行數(shù)學(xué)擬合優(yōu)化。

Y→∑ni=1Yi=∑ni=1aiXi（4）

式中，Y→為理論目標級配;Yi為第i檔集料的通過率;Xi為第i檔集料的篩分級配;ai為第i檔礦料的比例。

因為使用的集料最大粒徑均小于31.5 mm，所以粒徑31.5 mm的集料通過率Y31.5為100%。由表9可知，粒徑26.5 mm的集料的篩分級配X26.5=100-94.3=5.7，由表5可知，粒徑19～26.5 mm的集料的摻加比例a19～26.5 mm=20%，則合成級配通過率Y26.5=100-5.7×20%=98.9，Y19=98.9-86.1×20%=81.68，其余粒徑按照此方法依次進行計算，計算結(jié)果見列于表10中。

實際工程中，由于原材料存在一定的變異性，篩孔的通過率有可能超出了既定級配的范圍，級配完全按照合成級配實施存在較大困難，故允許級配值在一定范圍內(nèi)波動。但波動不能影響混合集料穩(wěn)定性和均勻性，為嚴格控制原材料級配的穩(wěn)定性和均勻性，應(yīng)使集料級配波動在上下限x×（1±2CV）范圍以內(nèi)，若變異系數(shù)CV的集料級配波動在上下限x×（1±2CV）范圍以外時，應(yīng)重新分別進行擊實試驗和強度試驗的測定，以判斷力學(xué)強度指標是否仍然滿足設(shè)計交通負荷指標要求。

3 結(jié)論

水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石用作路面基層，按照鐵尾礦碎石的各檔粒徑的摻加比例進行數(shù)學(xué)擬合優(yōu)化合成級配，對級配合成混合料進行重型擊實試驗和7 d無側(cè)限抗壓強度試驗，為保證水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石鐵尾礦的力學(xué)強度滿足設(shè)計強度要求，統(tǒng)計各檔集料的波動性應(yīng)滿足x×（1±2Cv）范圍以內(nèi)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：

1）水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石，當(dāng)配合比為水泥∶粉煤灰∶碎石鐵尾礦=5∶10∶85、碎石∶鐵尾礦=64∶36時，水泥粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的最佳含水率最低為5.1%，對應(yīng)最大干密為2.396 g/cm3;

2）測定最大干密度對應(yīng)試件的7 d無側(cè)限抗壓強度代表值為6.5 MPa，強度滿足《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG/T F20—2015）表4.2.7中高速公路和一級公路基層（極重、特種）的技術(shù)要求。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Experimental Study on Stabilization of Iron Tailings Grade

Blending and Mechanical Properties with Inorganic Binder

WANG Xuwang*

（College of Urban，Rural Planning and Architectural Engineering， Shangluo University ，Shangluo 726000， China）

Abstract：

The type of inorganic binder is determined by the geo-liquid limit of iron tailings. According to the target gradation of stabilized iron tailings by inorganic binder and the screening of various materials of gravel iron tailings， when the upper and lower limits of aggregate gradation fluctuation are within the range of x× （1±2Cv）， heavy compaction test and 7days unconfined compressive strength test of inorganic binder stabilized gravel iron tailings mixture were carried out according to the synthetic grading of gravel iron tailings using proportion. The results show that the stable type of inorganic binder is cement fly ash. In the mixture ratio of cement∶fly ash∶crushed stone iron tailings=5∶10∶85， when crushed stone∶iron tailings=64∶36， the optimal water content of the crushed stone mixture of cement and fly ash stabilized iron tailings is the lowest 5.1%， the corresponding maximum dry density is 2.396 g/cm3， and the representative value of the 7 days unconfined compressive strength is 6.5 MPa. The strength meets the technical requirements of expressway and primary road base （extremely heavy and special） in Table 4.2.7 of 《Technical Specifications for Construction of Highway Pavement Base》（JTG/T F20—2015）.

Key words：

inorganic binder; iron tailings; grade blending; performance test