露天礦山沙石骨料制備地聚合物路面硬化材料力學性質(zhì)研究

田培忠，楊雨清，楊澤軒

（1.國能準能集團有限責任公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

單斗-卡車開采工藝運輸成本約占總生產(chǎn)成本的60%，高質(zhì)量的運輸?shù)缆肥堑V用卡車高效率、低成本、低故障、低事故運行的基礎。平整且耐久的運輸?shù)缆纺軌蚪档涂ㄜ囆旭傔^程中振動和荷載，延長輪胎、車架等零部件的使用壽命，提高卡車行駛速度，降低油耗[1]。此外，良好的道況可降低無人駕駛對車輛智能避障與自主尋跡駕駛技術限制，因此成為高質(zhì)量的露天礦山未來發(fā)展的必然要求。

目前，礦山管理人員普遍認為良好施工和維護的道路與安全、高效的采礦作業(yè)之間存在著必然聯(lián)系。然而，在露天礦山生產(chǎn)管理中礦山道路通常被認為是開采過程中的“非核心”組成部分，并且現(xiàn)有的露天采礦作業(yè)中并沒有針對性地考慮合適的道路設計標準、施工、運營和維護管理等問題。這導致露天礦山礦山道路質(zhì)量得不到重視，路況差，需要頻繁維護，運輸成本居高不下。

地聚合物材料作為黏結(jié)劑硬化露天礦山運輸?shù)缆?，能夠保障道路強度與通車速度使用要求，并且相對修筑成本更低，是未來有望規(guī)模性應用的環(huán)保、高效、經(jīng)濟的礦山筑路材料[2]。以粉煤灰、礦渣、赤泥和偏高嶺土等硅固體廢棄物為基礎制備的地聚合物材料具有和普通水泥相當?shù)牧W性能[3-5]，具有強度高、凝固速度快、強度可調(diào)的特點，目前在路面[6-8]、路基[9-12]和道路修補材料[13]中都有涉及。

MARATHE 等[6]研究表明相同力學性能下粉煤灰-礦渣聚合物混凝土相比普通水泥混凝土具有更好的耐磨性能；TEERAWATTANASUK 等[14]、PHUMMIPHAN 等[15]發(fā)現(xiàn)粉煤灰-礦渣基地聚合物作為路基穩(wěn)定材料不僅提高了黏土強度，而且減少了碳排放；芮雅峰等[16]與BADKUL 等[7]的研究表明：地聚合物原材料中摩爾比n（SiO2）/n（Al2O3）對強度有顯著的影響，粉煤灰-礦渣地聚合物中繼續(xù)添加硅元素，能顯著提高粉煤灰-礦渣地聚合物材料的力學性能；根據(jù)堿活化天然地質(zhì)聚合物混凝土的實驗結(jié)果，DUXSON 等[17]認為堿活化天然地質(zhì)聚合物混凝土的彈性模量與強度無關，至少在結(jié)構(gòu)混凝土的正?？箟簭姸确秶鷥?nèi)；LEE 等[18]提出了堿活化粉煤灰與礦渣粉混合物彈性模量的關系；SOFI 等[19]發(fā)現(xiàn)無機聚合物混凝土的泊松比在0.24～0.26 范圍內(nèi)；此外，活化粉煤灰和GGBFS 混凝土的彈性模量在30～40 GPa 范圍內(nèi)[20-22]，這與波特蘭水泥混凝土的預期范圍相同。

基于此，以露天煤礦2 種沙石材料為骨料，礦渣為膠結(jié)材料，研究了不同配合比下露天礦山地聚合物筑路材料強度變化規(guī)律；為地聚合物-冷再生快速筑路工藝提供了材料基礎。

2 地聚合物-冷再生筑路工藝

基于地聚合物-冷再生快速筑路工藝以地聚合物材料作為筑路材料，冷再生機為施工設備能夠為露天礦山快速修筑高質(zhì)量的剛性路面。施工原理是將原路面材料有效破碎，重新拌和（必要時加入一些新集料），并在常溫下與穩(wěn)定劑精確拌和后形成新的均勻混合料，成為路面結(jié)構(gòu)。地聚合物-冷再生快速筑路工藝流程如圖1。

圖1 地聚合物-冷再生快速筑路工藝流程

地聚合物-冷再生筑路工藝特點：①修筑的路面屬于永久性的剛性路面，路面質(zhì)量高不會發(fā)生大面積結(jié)構(gòu)破壞，不需要頻繁維護；②運輸?shù)缆凡辉佼a(chǎn)生新的粉塵顆粒，抑塵效果好；③施工高效：日作業(yè)面積可達8 000 m2以上；④造價低：規(guī)模時應用成本可以控制在30 元/m3，相同強度的水泥混凝土造價為300 元/m3，此外，普通碎石土路5 年服務年限內(nèi)修筑和維護成本為144元/m2。

3 試驗方案

3.1 原材料

1）路面原始材料。路面原始材料為哈爾烏素露天煤礦1025 南、1055 北、1100 南端幫3 個取樣點，取路面下方20～25 cm 深度的原始路面材料。路面材料粒徑分布圖如圖2。

圖2 路面材料粒徑分布圖

2）礦渣。選用的礦渣符合GB/T 203 礦渣標準，礦渣的化學組成為：①SiO2含量：34.35%；②CaO 含量：32.74%；③Al2O3含量：16.53%；④MgO 含量：8.79%；⑤Fe2O3含量：0.77%；⑥TiO2含量：0.67%；⑦MnO 含量：0.52%；⑧Loss 含量：0.80%。

3）水玻璃。模數(shù)為3.0，波美度為38°，含水率為63%。水玻璃的化學組成成分為：①SiO2含量：67.38%；②Na2O 含量：22.46%；③Al2O3含量：0.71%；④Fe2O3含量：0.19%；⑤K2O 含量：0.15%；⑥CaO 含量：0.14%；⑦TiO2含量：0.04%；⑧MnO 含量：0.03%；⑨Loss 含量：0.54%。

4）氫氧化鈉。固體，由耗材公司提供，用于調(diào)節(jié)水玻璃模數(shù)，純度99%。

3.2 試樣和試驗配合比

將粉煤灰、礦渣等材料按照一定比例用電子天平進行稱重，首先將礦渣與粉煤灰混合后倒入水泥膠砂攪拌機中，待漿體均勻后加入骨料持續(xù)攪拌3 min。待以上材料充分混合后，裝入?50 mm×100 mm模具并進行振動處理，膠凝材料凝固后進行脫模。脫模后的試樣放入養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護，溫度為25 ℃，相對濕度設置為95%。

共設置了8 組對照試驗，分別對激發(fā)劑模數(shù)、礦渣占比、激發(fā)劑含量和含水率進行調(diào)整，研究不同配合比不同對照試驗3 d 單軸強度的影響。試驗配合比設計見表1。

表1 試驗配合比設計

4 試驗結(jié)果

4.1 試樣破壞模式

試樣破壞模式如圖3。

圖3 試樣破壞模式

由圖3 可以看出：試樣內(nèi)部存在褐色泥巖顆粒，并且存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)；原始路面材料存在大量的泥巖顆粒，攪拌的過程中泥巖顆粒不能被完全破碎，在礦渣膠結(jié)碎石的過程中，泥巖顆粒成為地聚合物材料中的弱結(jié)構(gòu)面，導致原始路面材料地聚合物材料相對于標準骨料強度有降低的趨勢。此外，基體內(nèi)部存在大量的泥巖微顆粒，使得材料正在攪拌過程中黏度增加流動度下降，使得地聚合物漿體在振動過程中內(nèi)部空氣不易被排出，因此在地聚合物材料完全固化后存在大量孔隙結(jié)構(gòu)。

4.2 配合比對材料強度影響規(guī)律

配合比對材料強度影響規(guī)律如圖4。

圖4 配合比對材料強度影響規(guī)律

由圖4（a）礦渣與路面原始材料占比對地聚合物3d 抗壓強度影響的結(jié)果可知：隨著地聚合物試樣中礦渣含量的增加，試樣強度有明顯上升，在礦渣產(chǎn)量為60%時試樣強度達到了11.5 MPa，這種現(xiàn)象與標準骨料試樣的試驗結(jié)果是一致的。由于材料內(nèi)部存在由泥巖顆粒組成的弱結(jié)構(gòu)，導致原始路面地聚合物材料強度下降。礦渣在堿性環(huán)境下不僅有膠結(jié)強度，自身也構(gòu)成由硅、鋁氧四面體聚合的具有非晶態(tài)和準晶態(tài)特征的網(wǎng)絡狀凝膠體。礦渣含量的增加，試樣內(nèi)部形成了由地聚合物形成的宏觀結(jié)構(gòu)，使得泥巖顆粒弱結(jié)構(gòu)不再主導試樣強度。

由圖4（b）激發(fā)劑摻量對地聚合物3 d 抗壓強度的影響可知：隨著激發(fā)劑含量增加試樣強度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。激發(fā)劑含量增加為地聚合物材料的水解過程提供了更多的反應原料，因此激發(fā)劑含量的增加總伴隨著試樣強度的上升。然而，隨著激發(fā)劑含量的繼續(xù)升高增加了地聚合物漿體流動度，地聚合物漿體內(nèi)部存在更多的水分，從而降低了材料3 d 抗壓強度。

由圖4（c）水玻璃模數(shù)對地聚合物材料3 d 抗壓強度的影響可知：隨著水玻璃模數(shù)的增加，試樣強度呈現(xiàn)下降趨勢；水玻璃模數(shù)減少，漿體內(nèi)部堿濃度提高，礦渣堿激發(fā)活性提高，從而試樣的獲得更高的力學強度。

4.3 試樣強度發(fā)展過程

選擇表1 中2 種骨料的5、6 號配合比，位于1025 北端幫8 m2的區(qū)域進行了現(xiàn)場測試，利用混凝土回彈儀測試材料強度。現(xiàn)場試驗強度測試結(jié)果如圖5，現(xiàn)場試驗強度測試結(jié)果如圖6。

圖5 現(xiàn)場試驗強度測試結(jié)果

圖6 試樣強度發(fā)展曲線

由圖5 測試結(jié)果可以看出：整體回彈值在25～35 mm，最大回彈值40 mm，路面強度在20～30 MPa。由于白天陽光照射，材料表面溫度高，促進了材料的聚合過程，使得現(xiàn)場拌合的材料強度明顯高于實驗室。

由圖6 可知：地聚合物材料1 d 內(nèi)強度發(fā)展速度最快，能夠達到3 d 強度的70%以上，24 h 后強度發(fā)展速度放緩。地聚合物材料24 h 達到通車強度，72 h 強度達到15 MPa。

5 結(jié)語

1）磨耗層砂石骨料相對露天礦山路面原始材料制備地聚合物材料具有更高的力學強度。由于在礦渣膠結(jié)骨料的過程中，泥巖顆粒成為地聚合物材料中的弱結(jié)構(gòu)面，此外在攪拌過程中泥巖是的基體內(nèi)粘度增加流動度下降，地聚合物漿體內(nèi)部空氣不易被排出，因此在地聚合物材料完全固化后存在大量孔隙結(jié)構(gòu)。

2）露天煤礦現(xiàn)場沙石材料為骨料制備地聚合物沒有改變材料的基本性質(zhì)，試樣力學強度隨著礦渣含量的增加和激發(fā)劑模數(shù)的減少而增加。隨著激發(fā)劑含量增加試樣強度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，砂巖磨耗層骨料地聚合物激發(fā)劑含量峰值為15%，路面原始材料地聚合物激發(fā)劑含量峰值為30%。

3）試樣強度發(fā)展試驗結(jié)果表明：以露天礦山現(xiàn)場材料制備的地聚合物材料0～24 h 內(nèi)強度發(fā)展速度最快，能夠達到3 d 強度的70%以上，24 h 后強度發(fā)展放緩。以地聚合物材料硬化露天礦山道路，材料3 d 強度能夠達到通車要求。