凍融循環(huán)條件下水泥粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦強度研究

【摘要】鉬尾礦是全球開采鉬礦過程中產(chǎn)生的固體廢棄物之一。將鉬尾礦用于路基建設，不僅可以解決環(huán)境污染問題，還可以緩解天然砂資源短缺的現(xiàn)狀，是一種經(jīng)濟且環(huán)保的資源回收方式。文中以黑龍江伊春地區(qū)的鉬尾礦為研究對象，在凍融循環(huán)條件下，加入不同摻量的水泥和粉煤灰對鉬尾礦砂進行穩(wěn)定處理。通過無側限抗壓試驗，得到不同摻量條件下穩(wěn)定鉬尾礦砂的強度。文中的研究成果為鉬尾礦的再利用提供了參考。

【關鍵詞】鉬尾礦；水泥粉煤灰穩(wěn)定；無側限抗壓強度

【中圖分類號】TU51 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）07-0110-05

0 引言

鉬尾礦是指鉬礦開采、磨細、浮選后剩余的碎屑狀巖土廢料?，F(xiàn)代基礎設施建設依賴鉬，特別是在建筑用鋼的生產(chǎn)中，添加鉬可提高鋼的淬透性和耐腐蝕性。隨著城市的快速發(fā)展，道路建設量逐年增加，砂石作為路基填料的需求量巨大[1]。雖然鉬尾礦在路基路面工程中的實際應用十分少見，但在其他尾礦作為路基填料的利用方面已有相關研究，并取得了一定成果[2]。

東北地區(qū)冬季漫長且氣溫較低，地表溫差大[3]。水泥和粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦在實際應用中會受到凍融循環(huán)的影響。冬季土體凍結后體積增大，隨著天氣變暖，土體融化后體積減小，凍結和融化的過程反復循環(huán)，容易導致土體開裂，從而影響其耐久性。因此，研究鉬尾礦復合材料的耐久性非常必要。此研究將模擬季節(jié)性凍土區(qū)土體的凍結和融化過程，進行水泥和粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦的凍融循環(huán)試驗。通過無側限抗壓強度作為主要指標，研究在不同摻量的水泥和粉煤灰條件下，凍融循環(huán)對穩(wěn)定鉬尾礦耐久性能的影響，為類似工程提供技術參考。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

鉬尾礦砂。試驗用土取自黑龍江伊春某礦業(yè)鉬尾礦壩的鉬尾礦砂。為了測定鉬尾礦砂的粒徑和級配，采用篩分法和密度計法聯(lián)合測定。根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》[4]，鉬尾礦的不均勻系數(shù)Cu=3.33；曲率系數(shù)Cc=1.33。計算結果表明，約83.42%的顆粒集中在0.075～0.5 mm范圍內(nèi)，因此粒度成分為極細顆粒級配。這表明鉬尾礦砂為級配不良土，應命名為含細粒土砂，級配曲線見圖1[5]。

通過試驗測得鉬尾礦的基本物理性質(zhì)，結果見表1。通過X射線熒光光譜（XRF）分析，測定了鉬尾礦砂和水泥的化學成分，結果如表2所示。

水泥。試驗使用的無機結合料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其化學成分見表3。

粉煤灰。試驗使用的粉煤灰為河津市某粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的F類I級粉煤灰，主要技術指標見表4。

1.2 試驗儀器

試驗使用的分散裝置為砂漿攪拌機，模具為50 mm×50 mm的圓柱形鋼模具。加載設備為WDW-100E型萬能試驗機，加載速率為1 mm/min，如圖2所示。脫模設備為YT-20型液壓電動脫模儀器。試驗所用低溫試驗箱為STDW-40型，如圖3所示。

1.3 試驗方案

1.3.1 配合比及凍融循環(huán)試驗方案

選取水泥摻量、粉煤灰摻量和凍融循環(huán)次數(shù)作為試驗變量。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范JTGT F20—2015《公路路面基層施工技術細則》[6]，建議水泥與粉煤灰的比例為1：3～1：5，水泥粉煤灰與細粒材料的比例為3：7～1：9。此次試驗選取的水泥摻量為3%、5%、7%，粉煤灰摻量為9%、15%、21%。試驗設計配合比見表5。試件的壓實系數(shù)定為0.95。

在進行凍融循環(huán)試驗之前，穩(wěn)定鉬尾礦需要經(jīng)過一段時間的前期養(yǎng)護。有研究采用28天的養(yǎng)護期，而有的則采用90天。根據(jù)Yao B C[7]的研究，水泥穩(wěn)定材料在90天養(yǎng)護期的強度約為28天時的1.1倍，強度提升不大，但養(yǎng)護時間更長。因此，試驗選擇28天作為凍融循環(huán)試驗的前期養(yǎng)護時間。

研究發(fā)現(xiàn)，尾礦砂在經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后，抗壓強度顯著下降，而在5次循環(huán)后強度趨于穩(wěn)定。據(jù)此，試驗設計了一個前密后疏的凍融循環(huán)方案，設置了0、1、3、5、7、10次凍融循環(huán)共6個因素水平。試驗共54組，每組試樣制備數(shù)量為6。凍融循環(huán)試驗流程見圖4。

1.3.2 無側限抗壓試驗方法

根據(jù)JTG 3441—2024《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[8]，采用位移控制加載，加載速率設定為1 mm/min，并記錄試件破壞時的最大壓力，按式（1）計算無側限抗壓強度。通過此試驗，可以評估無機結合料穩(wěn)定材料的抗壓性能，為公路工程材料的選用和質(zhì)量控制提供科學依據(jù)。

（1）

式中：為無側限抗壓強度（MPa）；為破壞時的最大壓力（N）；為試件截面積（mm2）。

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞特征

不同凍融循環(huán)次數(shù)下穩(wěn)定鉬尾礦的外觀特征如圖5所示，N為凍融循環(huán)次數(shù)。圖5（a）顯示未經(jīng)凍融的試件，試件表面完整光滑；圖5（b）和圖5（c）分別顯示第1次和第3次凍融循環(huán)后的外觀圖，試件的完整性幾乎沒有受到凍融循環(huán)的影響，表面較為完整，沒有出現(xiàn)明顯破損。但第3次凍融循環(huán)后的試件表面變得更為粗糙，這是由于前幾次凍融造成了試件表面的部分顆粒脫落，脫落后留下的縫隙為水分進入試件內(nèi)部創(chuàng)造了條件。

如圖5（d）所示，當凍融循環(huán)次數(shù)為5次時，試件開始出現(xiàn)部分表面剝落。當凍融次數(shù)達到7次時，試件的表面顆粒出現(xiàn)更大面積的剝落，剝落區(qū)域向內(nèi)部擴展，使得較大的顆粒暴露于表面，如圖5（e）所示。當凍融次數(shù)為10次時，試件的剝落區(qū)域及深度進一步加劇，表面裂縫繼續(xù)發(fā)展并連通，外觀劣化嚴重，完整性喪失，見圖5（f）。

2.2 凍融循環(huán)對模量、抗壓強度和質(zhì)量的影響

強度損失率和質(zhì)量損失率按照式（2）、式（3）計算：

（2）

（3）

式中：為強度損失百分率；為第n次凍融循環(huán)后抗壓強度（MPa）；為質(zhì)量損失百分率；為第n次凍融循環(huán)后質(zhì)量（g）。

無側限抗壓強度，試驗結果見表6。

表7顯示了不同水泥摻量和粉煤灰摻量下無機結合料穩(wěn)定尾礦砂在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的強度損失速率。從表7可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各組試樣的強度損失速率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。以A5組為例，此組試樣在第1次凍融循環(huán)后的強度損失率為18.77%，在第5次凍融循環(huán)后達到最大值36.79%，之后基本保持不變。這說明此組試樣在前期養(yǎng)護期間已經(jīng)形成了較為穩(wěn)定的結構，能夠有效抵抗凍融作用。其余組的變化規(guī)律相似。

2.3 單因素評估模型

2.3.1 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

圖6顯示在不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦的抗壓強度變化。無側限抗壓強度在第1次凍融循環(huán)后降低的程度最大，而在2～5次循環(huán)中，強度的下降速率逐步變緩。超過5次循環(huán)后，抗壓強度的變化曲線變得更加平坦，表明強度趨向穩(wěn)定。

無側限抗壓強度的變化采用指數(shù)函數(shù)擬合，函數(shù)表達式見式（4），擬合結果見圖6。

（4）

式中：為無側限抗壓強度；為凍融循環(huán)次數(shù)。

2.3.2 水泥摻量和粉煤灰摻量的影響

圖7和圖8顯示，當試件的水泥摻量保持不變時，增加粉煤灰可以提升試件強度；反之，固定粉煤灰用量、提高水泥摻量也能增強試樣強度。這表明水泥和粉煤灰在提高材料強度方面起著互補的作用，并且它們的摻入比例對最終的強度結果有直接影響。

一般來說，水泥摻量越高，抗壓強度越高，這是因為水泥與混合料中的水發(fā)生反應后形成了膠結物質(zhì)，增強了土體顆粒間的黏合力，從而提升了材料的整體結構強度。這一反應過程對于提高土體的承載能力和穩(wěn)定性非常關鍵。然而，并不是水泥摻量越高越好。當水泥摻量達到一定程度后，繼續(xù)增加水泥摻量對抗壓強度的提升作用會減弱，甚至出現(xiàn)下降現(xiàn)象。因此，在實際工程中應根據(jù)具體情況合理選擇水泥摻量，以達到經(jīng)濟、合理和高效的目的。

3 結語

文中通過對水泥粉煤灰穩(wěn)定鉬尾礦的抗壓試驗研究，得出以下結論：

1）凍融后試樣的質(zhì)量、抗壓強度和彈性模量均減小?？箟簭姸群蛷椥阅Ａ吭诘谝淮蝺鋈谘h(huán)后降低幅度最大，在經(jīng)歷5次凍融循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定。

2）無機結合料穩(wěn)定鉬尾礦的抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)大致呈指數(shù)函數(shù)關系，降低程度服從指數(shù)衰減模型。水泥對抗壓強度的提升主要在5%摻量之前，超過5%后增長速度逐漸減小。經(jīng)過測試，水泥摻量為5%、粉煤灰摻量為15%的鉬尾礦在各方面表現(xiàn)出良好的效果。

參考文獻

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[作者簡介]魯?shù)ぃ?983—），女，湖北隨州人，本科，工程師，研究方向：工程項目管理。

[通信作者]徐欽（2000—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向：土木工程災害監(jiān)測與控制。

[基金項目] 物聯(lián)網(wǎng)智慧供熱節(jié)能管理系統(tǒng)-基于室溫預測模型的二級網(wǎng)智能調(diào)節(jié)技術（GZ20230013）；快速城市軌道交通引起的周邊環(huán)境振動研究，2023年度黑龍江省生態(tài)環(huán)境保護科研項目（HST2023JC010）