铁尾矿渣用作半刚性路面基层材料的抗冲刷性分析

摘  要：为综合利用铁尾矿废渣和工业粉煤灰，通过掺加不同剂量的水泥和粉煤灰处治铁尾矿渣用作半刚性路面基层，对5个级配的混合料进行抗冲刷性预测分析。结果表明：铁尾矿砂属于细集料，为了提高混合料的密实性，应掺入粉煤灰，随着水泥剂量由3%逐步提高至7%，冲刷量下降很明显，当水泥掺加计量为7%时满足抗冲刷要求。

关键词：铁尾矿渣;半刚性路面基层;抗冲刷性

Abstract： In order to comprehensively utilize iron tailing waste slag and industrial fly ash， the iron tailings slag was treated as a semi-rigid pavement base by adding different doses of cement and fly ash to predict and analyze the erosion resistance of the five graded mixtures. The results show： iron tailings slag is a fine aggregate. In order to improve the compactness of the mixture， fly ash should be added. As the cement dosage gradually increases from 3% to 7%， the erosion amount decreases significantly; when the cement dosage is at 7%， it meets the anti-scour requirements.

由生态环境部公示的 《2019年全国大、中城市固体废弃物污染环境防治年报》中显示：2018年重点发表调查工业企业尾矿产生量为8.8亿吨，占重点发表调查工业企业一般固体废物产生量的27.4%，综合利用量为2.4亿吨（其中利用往年贮存量1151.6万吨），综合利用率为27.1%。尾矿产生量最大的两个行业是有色金属矿采选业和黑色金属矿采选业，其产生量分别为4.0亿吨和3.7亿吨，综合利用率分别为23.4%和26.8%;2018年重点发表调查工业企业的粉煤灰产生量5.3亿吨，占比16.6%，综合利用量为4.0亿吨（其中利用往年贮存量为320.5万吨），综合利用率为74.9%，粉煤灰产生量最大的行业是电力、热力生产和供应业，其产生量为4.5亿吨，综合利用率为75.7%;其次是化學原料和化学制品制造业，有色金属冶炼和压延加工业，石油、煤炭及其他燃料加工业， 造纸和纸制品业，其产生量分别为2565.3万吨、1560.9万吨、887.8万吨和656.0万吨，综合利用率分别为61.8%、62.1%、68.8%和78.2%。根据以上的数据可见开展矿山尾矿和工业粉煤灰的资源化利用是矿山企业可持续发展的必然要求，也是改善生态环境质量的客观要求。我国常用的道路半刚性基层材料主要是以水泥、石灰和粉煤灰等为主的无机结合料类稳定材料，但半刚性基层材料特别是无机结合料稳定细粒土类半刚性基层材料抗冲刷能力差，在被水冲刷后极易引起道路水损害[1]。国内外很多对道路半刚性基层材料的抗冲刷性能研究，主要围绕半刚性基层材料的混合料结构类型[2]、水泥胶结料含量[3]、含水量及压实度[4]等进行，都是单因素分析，没有把诸多因素综合分析，在利用无机结合料处治铁尾矿渣用作半刚性路面基层时，应考虑其具有足够的水稳定性。根据长安大学盛燕萍的“基于灰色理论的水泥稳定碎石冲刷量模型”[5]可以较为准确地预测半刚性基层材料28d冲刷量值。

1 道路半刚性基层材料

1.1 铁尾矿废渣

在柞水木梓沟铁尾矿库取样大致等量的铁尾矿12份，每份5kg±0.1kg。测定其化学组成，结果见表1所示。

称量500g铁尾矿，进行筛分析法[6]试验，结果见表2所示。

由表2可知：铁尾矿颗粒粒径在0.15mm～1.18mm之间的比例高达65.36%，铁尾矿颗粒较细。按照公式（1）计算细度模数[7]，根据细度模数？滋f评定该铁尾矿颗粒的粗细程度。

1.2 水泥

采用P.C32.5R水泥，经检测其化学成分见表3所示。

1.3 粉煤灰

2 不同铁尾矿级配的抗冲刷性分析

2.1 冲刷量预测模型

无机结合料处治铁尾矿用作半刚性路面基层材料，无机结合料为水泥内掺入一定剂量的粉煤灰，按照文献[5]的冲刷量预测模型分析其抗冲刷性。骨架密实型结构水泥稳定碎石冲刷量的预测模型简化式为：

2.2 铁尾矿级配

铁尾矿砂细度模数为2.19，属于细砂，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的高速公路和一级公路的碎石CF-A-2S级配技术要求[9]，将铁尾矿废渣大量进行利用在半刚性路面基层，应按照表5的筛孔通过率对铁尾矿进行改良。骨架密实型集料分形维数D的计算的级配表，见表6所示。

碎石按照表5的高速和一级公路的CF-A-2S级配通过率要求和铁尾矿进行组合配比，其中铁尾矿位于0.075mm～4.75mm粒径范围不能满足的用机制砂或河砂进行补配，粒径通过率超过表5中要求的应筛出，从而保证集料级配的用量按照高速和一级公路的CF-A-2S级配通过率要求。

水泥剂量按照3%、5%、7%的比例掺加，测定各配合比下所用的含水量，根据表5数据，按照公式（4）进行计算级配1～5的集料粒径分维数D，公式（2）计算冲刷量L，计算结果见表6所示。

从表5可知，随着水泥剂量由3%逐步提高至7%，按照预测模型计算的冲刷量下降很明显，从44.2483g降低到18.4535g，降低率58.3%，足以说明水泥稳定铁尾矿碎石抗冲刷性的使用剂量很重要，为满足半刚性路面基层混合料的抗冲刷要求，水泥使用比例不少于7%。为了更好地满足抗冲刷性，应根据公路等级进行合理优化水泥剂量和铁尾矿碎石的级配，为了提高混合料的密实性，水泥处治碎石和铁尾矿的混合料中应掺入粉煤灰，添加粉煤灰的比例宜为20%～40%，进行进一步试验确定[10]，混合料中粉煤灰的光滑微珠起到了一种类似“滚珠”的促进细小颗粒密实的“形态效应”[11]。

3 结论

通过对铁尾矿用作半刚性路面基层的抗冲刷性进行的分析，得出结论：

（1）铁尾矿砂属于细集料，为了提高混合料的密实性，混合料中应掺入粉煤灰。

（2）随着水泥剂量由3%逐步提高至7%，预测的冲刷量下降很明显，为满足半刚性路面基层混合料的抗冲刷要求，水泥使用比例不少于7%。

（3）用水泥粉煤灰稳定铁尾矿用于道路的路面基层材料，将极大提高粉煤灰和铁尾矿的固废资源化利用，具有显著的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]张景君.半刚性基层材料水损害试验研究[D].大连理工大学，2014.

[2]孙兆辉.水泥稳定碎石基层材料的集料级配优化[J].建筑材料学报，2006，9（6）：675-680.

[3]Scullion T，Sebesta S，Harris J P.A Balanced Approach to Selecting the Optimal Cement Content for Soil-cement Bases[R].Austin：Texas A&M University，2000.

[4]林毅，丁青，桑明丽，等.基于正交试验的水泥稳定基层强度影响分析[J]中国水运，2007，5（9）：51-52.

[5]盛燕萍，李海滨，陈栓发，等.基于灰色理论的水泥稳定碎石冲刷量模型[J].长安大学学报（自然科学版），2012，32（2）：22-28.

[6]王绪旺.商洛市丹江河砂碱活性研究[J].商洛学院学报，2015，29（06）：45-48.

[7]范文昭，宋岩丽.建筑材料（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[8]李波，韩森，刘亚敏，等.骨架密实型沥青混合料矿料的分形特征[J].建筑材料學报，2009，12（1）：67-70.

[9]中华人民共和国交通部.公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ E21-2009）[S].北京：人民交通出版社，2009.

[10]中华人民共和国交通运输部.公路路面基层施工技术细则（JTG/T F20-2015）[S].北京：人民交通出版社，2009.

[11]沈卫国，余秀峰，周明凯.水泥粉煤灰路面基层材料的试验研究[J].西部交通科技，2006（06）：16-19.