铁尾矿路面基层材料力学性能与耐久性能研究

易龙生 万 磊 汪 洲 袁多伟

(中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083)

铁尾矿路面基层材料力学性能与耐久性能研究

易龙生 万 磊 汪 洲 袁多伟

(中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083)

为了探讨铁尾矿大规模资源化利用的新途径，以无侧限抗压试验结果(试件中水泥、碎石、铁尾矿和改性生物酶的质量比为5∶30∶68∶2)为基础，研究了聚丙烯纤维掺量对路面基层材料的力学性能和耐久性能的影响。结果表明，在聚丙烯纤维掺量为1.5 kg/m3的情况下，试件的劈裂抗拉强度达到0.396 MPa，抗弯拉强度达1.641 MPa，抗弯拉强度与无侧限抗压强度之比为0.27，冻融循环和干湿循环情况下的无侧限抗压强度均大于5 MPa，抗冻系数大于0.80，水稳系数大于0.88，试件冲刷率为0.139 g/min，质量损失比为1.92%，各项力学性能、耐久性能均满足高速公路和一级公路的要求，说明铁尾矿作为高速公路路面基层材料的主要成分是可行的。

铁尾矿 路面基层材料 力学性能 耐久性能

我国既是钢铁消费大国，又是钢铁生产大国，年产粗钢超过7亿t，居世界第一。与之对应的是每年约需处理10亿t铁矿石、产出约7亿t铁尾矿，铁尾矿综合利用率不足当年产出量的20%，以致于全国已累计堆存铁尾矿超过60亿t[1-6]。这些大量堆存的铁尾矿不仅占用宝贵的土地资源，而且成为堆存地周边安全与污染的严重隐患。为了开辟铁尾矿大规模资源化利用的新领域，本试验对铁尾矿用作高速公路路面基层材料的可行性进行了研究。

高速公路路面基层为承上启下的路面结构层，其主要作用是承受由面层传下来的行车荷载，并将其均匀扩散至基层和土基，因此，基层需要有足够的强度和刚度。表征路面材料力学强度的常见参数有抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯拉强度等[7]。一般来说，组成路面结构层的材料抗压强度往往较高、劈裂抗拉强度与抗弯拉强度往往较低。因而，在现实中，路面材料纯粹因受压而破坏的情况往往较少，而由剪应力或弯拉应力过大引起的路面材料发生断裂破坏的情况则往往较多。也就是说，劈裂抗拉强度和抗弯拉强度是路面基层材料常见力学性能中的短板，为使铁尾矿路面基层材料全面满足力学强度要求，本试验将着重对铁尾矿路面基层材料的劈裂抗拉强度和抗弯拉强度的提升进行研究。

1 试验原料

1.1 铁尾矿

试验用铁尾矿取自武钢(集团)矿业公司金山店铁选厂尾矿库，主要化学成分分析结果见表1。

表1 铁尾矿主要化学成分分析结果Table 1 Main chemical composition analysis of iron tailings %

由表1可以看出，该铁尾矿中的活性成分氧化钙、氧化铝含量较高，分别达14.35%、9.07%；硅、铝含量与传统建材较接近,这有利于将金山店铁尾矿开发为路面基层材料[8-9]。

1.2 碎 石

铁尾矿路面基层材料是指用铁尾矿部分替代传统的级配碎石与河砂而得到的路面基层材料。由于铁尾矿级配的缺陷，试验用粒径为13.2～0 mm的碎石作为试件的骨料，以改善原料级配。

1.3 水 泥

试验用水泥为湖南坪塘南方水泥有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表2。

表2 水泥主要性能指标Table 2 Main property indexes of cement

1.4 改性生物酶

近年来，有机类路用土壤固化剂在我国一些地区的道路施工中得以推广利用。与传统的石灰、粉煤灰等无机土壤固化剂相比，改性生物酶用作路面基层材料的固化剂，具有无毒、无腐蚀等优点。

改性生物酶本身具有生物活性，遇适量水会发生凝聚、离子交换、催化和活化、水解水化等一系列生化反应，产生强烈的“胶结”反应，使加水后压实的集料形成一个密集、坚固的整体。改性生物酶的加入改变了集料原有颗粒的表面活性、极性和吸附性，使集料原本对水的亲和性变为排斥性，从而增加集料抗水性与抗渗性，进而提高集料的强度[10]。

试验用改性生物酶为市售品。

1.5 聚丙烯纤维

试验用聚丙烯纤维为长沙博赛特公司生产，主要性能参数见表3。

表3 聚丙烯纤维主要物理性能Table 3 Main physical properties of polypropylene fibers

2 试件的制作

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T0843—2009、T0844—2009要求分别制作φ50 mm×50 mm圆柱形试件(无侧限抗压强度试验试件)和160 mm×40 mm×40 mm梁式试件(劈裂抗拉强度和抗弯拉强度试验试件)，在恒温(20 ℃)恒湿(95%)条件下进行养生(养生期根据所进行试验项目而定)，养生期的最后1 d改为在水中浸泡24 h，取出后用毛巾吸干试件表面的水分，然后进行相应的性能测定。

3 试验结果与讨论

3.1 路面基层材料配比的确定

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中JTG E51—2009要求，通过试件7 d的无侧限抗压强度试验，对路面基层材料中水泥、碎石、铁尾矿和改性生物酶的最佳质量配比进行了研究[11-12]，试验结果见表4。

表4 路面基层材料配合比试验结果Table 4 The result of materials for pavement base at different mixing ratio

从表4可以看出，水泥、碎石、铁尾矿和改性生物酶的质量配比为5∶30∶68∶2时，对应试件的7 d无侧限抗压强度最大，为4.90 MPa，满足《JTJ 034—2000公路路面基层施工技术规范》中规定的无侧限抗压强度要求。由于纤维的适量掺入往往有利于提高试件的无侧限抗压强度，因此，后续仅对路面基层材料试件的常见力学性能短板——劈裂抗拉强度和抗弯拉强度进行强化试验，试验固定水泥、碎石、铁尾矿和改性生物酶的质量比为5∶30∶68∶2。

3.2 聚丙烯纤维掺量对路面基层材料力学性能的影响

聚丙烯纤维掺量对路面基层材料力学性能影响试验的试件养护时间为60 d，试验结果见表5。

由表5可以看出：①聚丙烯纤维的掺量增加至1.5 kg/m3前，试件的劈裂抗拉强度提高；继续增加聚丙烯纤维的掺量，试件的劈裂抗拉强度下降。②聚丙烯纤维的掺量增加至0.9 kg/m3前，试件的抗弯拉强度显著提高；继续增加聚丙烯纤维的掺量，试件的抗弯拉强度下降。③聚丙烯纤维的掺量在0.9～1.5 kg/m3范围内，试件的无侧限抗压强度较高。④适量掺加聚丙烯纤维可显著提高试件的抗弯拉强度与无侧限抗压强度之比，但聚丙烯纤维掺量过高也会引起抗弯拉强度与无侧限抗压强度比值的下降。⑤聚丙烯纤维掺量为0.6～1.5 kg/m3时，各项力学性能指标均满足《JTJ 034—2000 公路路面基层施工技术规范》要求。

表5 试件的力学性能指标Table 5 Mechanical properties of specimens

3.3 聚丙烯纤维掺量对路面基层材料耐久性能的影响

3.3.1 聚丙烯纤维掺量对冻融循环的影响

冻融循环试验采用φ50 mm×50 mm的圆柱形试件，养护28 d后分为2组，冻融循环试验组试件浸入水中饱水24 h后取出，在-18 ℃下冰冻16 h，然后在20 ℃的水槽内融化8 h，如此循环5次；而对照组则继续恒温恒湿养护，最后1 d改为浸水24 h,分别测定2组试件的无侧限抗压强度，并计算抗冻系数，即冻融循环组与对照组无侧限抗压强度的比值，结果见表6。

表6 不同聚丙烯纤维掺量下试件的冻融循环试验结果Table 6 The result of freeze-thawing cycle test at different dosage of polypropylene fibers

由表6可以看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，冻融循环组和对照组试件的无侧限抗压强度均先显著上升后升幅趋缓，抗冻系数则呈先上升后下降趋势，但所有聚丙烯纤维掺量下的抗冻系数均在0.80以上，变化不大。当聚丙烯纤维的掺量为1.5 kg/m3时，冻循环试验指标达到国内领先水平。

3.3.2 聚丙烯纤维掺量对干湿循环的影响

干湿循环试验采用φ50 mm×50 mm的圆柱形试件，恒温养护28 d后分为2组，干湿循环试验组试件浸入水中饱水24 h后取出风干24 h，如此循环5次，而对照组则继续恒温恒湿养护，最后1 d改为浸水24 h,分别测定2组试件的无侧限抗压强度，并计算水稳系数，即干湿循环组与对照组无侧限抗压强度的比值，结果见表7。

表7 不同聚丙烯纤维掺量下试件的干湿循环试验结果Table 7 Wet and dry cycle test results at different dosage of polypropylene fibers

由表7可以看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，干湿循环和对照组试件的无侧限抗压强度均先显著上升后显著下降，高点在聚丙烯纤维的掺量为1.5 kg/m3时，而水稳系数则变化不大，均在0.88～0.92之间。当聚丙烯纤维的掺量为1.5 kg/m3时，干湿循环试验指标达到国内领先水平。

3.3.3 聚丙烯纤维掺量对抗冲刷的影响

抗冲刷试验采用φ50 mm×50 mm的圆柱形试件，称量养护28 d后试件的质量，将试件放入容器中并固定好，加入约55 mm深的水将试件漫过，将容器固定在振动台上，振动频率为10 Hz、振动时间为30 min，取出冲刷后的试件，将容器内的混浊水沉淀12 h，倒掉上清水，称取沉淀物的质量，以冲刷率(即沉淀物质量与振动时间的比值)和质量损失比(即沉淀物质量与原试件质量的比值)为评价指标[13]，结果见图1。

由图1可知，试件的质量损失比曲线与冲刷率曲线的变化趋势基本一致，随着聚丙烯纤维掺量的增加，冲刷率与质量损失比先下降后上升，低点在聚丙烯纤维掺量为1.5 kg/m3时，对应的试件冲刷率为0.139 g/min,质量损失比为1.92%，满足《路基路面工程》[7]要求。

图1 不同聚丙烯纤维掺量下试件的抗冲刷试验结果Fig.1 Anti flushing tests at different dosage of polypropylene fibers

4 结 论

(1)武钢金山店铁尾矿在水泥、碎石、铁尾矿和改性生物酶的质量比为5∶30∶68∶2，聚丙烯纤维掺量为1.5 kg/m3情况下，恒温恒湿养护60 d的劈裂抗拉强度达到0.396 MPa、抗弯拉强度达1.641 MPa、抗弯拉强度与无侧限抗压强度之比为0.27，满足《路基路面工程》规定的高速公路和一级公路力学性能要求。

(2)在试验确定的配料比情况下，冻融循环试件和干湿循环试件的无侧限抗压强度均大于5 MPa，抗冻系数大于0.80、水稳系数大于0.88，表明该试件具有良好的抗冻性和水稳性；抗冲刷试验表明，试件冲刷率为0.139 g/min,质量损失比为1.92%，表明该试件具有良好的耐冲刷性，这些指标均满足高速公路和一级公路及一级公路路面基层材料的耐久性能要求。

(3)武钢金山店铁尾矿在水泥、碎石、铁尾矿和改性生物酶的质量比为5∶30∶68∶2，聚丙烯纤维掺量为1.5 kg/m3情况下，可以作为高速公路及一级公路路面基层材料的主要成分使用。

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(责任编辑 罗主平)

The Mechanical Properties and Durability of Materials for Pavement Base with Iron Tailings

Yi Longsheng Wan Lei Wang Zhou Yuan Duowei

(SchoolofMineralsProcessingandBioengineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China)

In order to explore new ways for large-scale utilization of iron tailings resource，the mechanical property and durability of materials for pavement base at different dosage of polypropylene fibers was studied based on the mass ratio of cement，gravel，iron ore tailings and modified enzyme was 5∶30∶68∶2 by unconfined compression tests.The results showed that，with the polypropylene fiber dosage of 1.5 kg/m3，tensile strength and flexural strength of the sample reached 0.396 MPa and 1.641 MPa respectively，the ratio of flexural strength to unconfined compressive strength is 0.27，the unconfined compressive strength at both freeze-thaw and dry wet cycle will higher than 5 MPa，the frost resistance coefficient is greater than 0.88，the water stability is more than 0.88，the anti flushing ratio is 0.139 g/min，the mass loss ratio of the sample is 1.92%.Various mechanical properties and durability properties can meet the requirements of expressway and first-class highway.Iron ore tailings using as main raw materials for pavement base of expressway is feasible.

Iron tailings，Materials for pavement base，Mechanical property，Durability

2013-12-02

易龙生(1964—)，男，教授，博士，硕士研究生导师。

TD926.4

A

1001-1250(2014)-03-177-04