铁尾矿路用数学模型级配合成和力学性能试验研究

摘 要：通过对铁尾矿颗粒粗细程度分析，按照高速路和一级路路面基层集料的技术要求构建数学模型合成铁尾矿碎石级配，并进行无机结合料稳定碎石铁尾矿的重型击实试验和7d龄期无侧限抗压强度试验。试验结果表明：铁尾矿的细度模数为1.3，以26.5mm、4.75mm、0.075mm筛孔的通过率为控制点，建立对数函数模型进行构建碎石和铁尾矿粒径各档级配合成值，合成级配能够满足高速路和一级路路面基层集料的级配要求;当水泥：粉煤灰：碎石：铁尾矿=5∶10∶55∶30时，混合料取得最大干密度2.396g/cm3、最佳含水量5.1%、7d无侧限抗压强度设计值为5.0MPa，强度指标满足在极重、特重交通条件下高速路和一级路路面基层的强度要求。

关键词：铁尾矿;数学模型;级配合成;力学性能

中图分类号：U414  文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）10-0118-05

Experimental Study on Mathematical Model Grading and Mechanical Properties of Iron Tailings for Road Use

Wang Xuwang

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

Abstract：Based on the analysis of the granularity of iron tailings particles， a mathematical model was constructed to synthesize the crushed stone grading of iron tailings according to the technical requirements of highway and first-level road pavement aggregates， and the heavy compaction test and 7-day age unconfined compressive strength test of crushed stone iron tailings stabilized by inorganic binder were carried out. The test results show that the fineness modulus of iron tailings is 1.3， and taking the pass rate of 26.5mm， 4.75mm and 0.075mm mesh as the control point， the logarithmic function model is established to construct the matching value of each grade of particle size of gravel and iron tailings， and the synthetic gradation can meet the requirements of aggregate gradation of highway and first grade pavement base. When cement： fly ash： crushed stone： iron tailings =5∶10∶55∶30， the maximum dry density of the mixture is 2.396g/cm3， the optimal water content is 5.1%， and the design value of 7d unconfined compressive strength is 5.0MPa. The strength index can meet the strength requirements of highway and first grade road base under extremely heavy and extra heavy traffic conditions.

Key words：iron tailings;mathematical model;graded composition;mechanical property

0 引言

礦山选矿加工过程中无法进一步筛选的尾矿固体废弃物，这些尾矿大量的堆积，占用土地、污染环境、易溃坝产生公共安全隐患[1-2]。根据国家生态环境部《2020年全国大中城市固体废物污染环境防治年报》中显示，2019年我国重点发表调查工业企业尾矿产生量为10.3亿吨，综合利用量为2.8亿吨（其中利用往年贮存量1777.5万吨），综合利用率为27.0%，冶金行业“绿色矿山建设”应对露天剥离的表土、生产过程中产生的尾矿等固体废弃物进行资源化利用，安全处置率应达到100%，矿山废石及尾矿的资源化利用是绿色矿山建设可持续发展的必然要求[3]。将铁尾矿作为道路基层材料，技术性能参数常受到各种因素影响而波动，铁尾矿的不均匀性将影响路面基层混合料性能，为使铁尾矿质量均匀性能稳定，目前大多采用骨料级配方法进行优化，张磊等[4]采用泰波（Talbol）法对矿山粗粒级充填骨料的级配进行分析和优化，并对金川矿区破碎废石集料和戈壁粗砂的级配进行了分析;马峰等[5]采用均匀设计法和正交设计法分别确定粗细集料关键粒径的筛孔通过率，对试验数据进行回归分析，通过综合粗细集料级配优化结果确定混合料集料总体最优级配;尹健等[6]通过对大量的试验数据拟合与方差分析，建立了透水混凝土有效孔隙率、单位体积骨料颗粒数量、骨料比表面积、不同龄期抗压强度与骨料级配的关系式;邱存元等[7]借助试验研究优化混凝土配合比，利用正交试验方法探索了自密实混凝土的塑性开裂面积与28d抗压强度的影响因素与影响规律;以上成果对骨料应用进行级配优化后强度的提升起到了积极作用。用于高速路和一级路路面基层，在极重或特重交通条件下的7d无侧限抗压强度标准值Rd在配比材料时不宜单纯通过增加水泥剂量来提高混合材料的强度，宜采取控制原材料技术指标和优化级配设计等措施，当前大多研究缺少对铁尾矿颗粒粗细程度对应级配合成范围值的确定，以及确定级配合成范围值的理论计算。本文借助数学函数建立铁尾矿路用级配合成模型，明确铁尾矿与碎石合成级配的范围值从而优化碎石铁尾矿级配，并通过试验分析其力学强度指标的路用适用性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1）铁尾矿：商洛小岭镇木梓沟铁尾矿，化学成分如表1所示;粒度分布如表2所示。

（2）水泥：商洛尧柏水泥P.O42.5，技术指标如表3所示。

（3）粉煤灰：商洛电厂的粉煤灰F类Ⅱ级，技术指标如表4所示。

1.2 试验方案

将铁尾矿碎石按照函数模型进行级配合成，然后按照合成级配用碎石优化铁尾矿，采用水泥粉煤灰进行稳定铁尾矿碎石合成骨料进行重型擊实试验，根据击实试验结果，按照最大干密度和最佳含水率制成标准试件，进行7d无侧限抗压强度试验。

为了有效控制碎石、铁尾矿级配合成的质量，减少超粒径含量，参照文献[8]中高速和一级公路基层的CF-A-1S级配26.5mm的通过率应为100%，4.75mm的通过率上下限为40%、30%，0.075mm的通过率上下限为5%、2%作为控制点。通过计算分析铁尾矿细度模数μf，若3.1≤μf≤3.7时，尾矿颗粒较粗宜采用指数函数构造级配曲线;若2.3≤μf≤3.0时，尾矿颗粒粗细适中宜采用幂函数构造级配曲线;若1.6≤μf≤2.2或时0.7≤μf≤1.5，尾矿颗粒较细宜采用对数函数构造铁尾矿级配曲线[9]，为保碎石和铁尾矿级配合成的连续性，碎石也采用与铁尾矿同一函数进行构造碎石级配曲线。

1.3 试验方法

击实试验和无侧限抗压强度试验方法根据JTJ E21-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（后述简称《规程》）相关要求[10]进行。

击实试验：按《规程》中无机结合料稳定材料击实试验方法的“丙法”进行试验，以干密度为纵坐标、含水量为横坐标，绘制含水量-干密度曲线，将试验各点采用二次曲线方法拟合，曲线的峰值点对应的含水量及干密度即为最佳含水量和最大干密度。

无侧限抗压强度试验：按《规程》中的无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法进行试验，试验过程中保持加载速率为1mm/min，记录试件破坏时的最大压力P，并从试件内部取有代表性的样品（经过打破），测定其含水量ω。

2 级配模型构建和试验分析

2.1 函数模型构建级配曲线

根据表2中的数据，按公式（1）计算[11]铁尾矿的细度模数μf：

式中：A0.15，A0.15，A0.15…A4.75分别为各筛上的累计筛余百分率（%）。

经计算，铁尾矿砂的细度模数为μf =1.3，级配构造函数宜采用对数函数模型。为保碎石和铁尾矿级配合成的连续性，构建碎石、铁尾矿的级配曲线均采用对数函数模型，铁尾矿碎石合成级配曲线函数模型为：

式中：y为通过率（%）;x为集料粒径（mm）;a、b均为回归系数。

以26.5mm筛孔的通过率上限100%、4.75mm筛孔的通过率上限40%、0.075mm筛孔的通过率上限5%为控制点，按照公式（2）建立碎石级配曲线上限的对数函数方程组：

解得a1=34.904、b1=-14.384，由此可以计算出碎石粒径为19mm、16mm、13.2mm、9.5mm的上限通过率，列于表5中。

同理，按照公式（2）建立铁尾矿级配曲线上限的对数函数方程组：

解得a2=8.437、b2=26.854由此可以计算出粒径为2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15的上限通过率，列于表5中。

以26.5mm筛孔的通过率下限100%、4.75mm筛孔的通过率下限30%、0.075mm筛孔的通过率下限2%为控制点，按照公式（2）建立碎石级配曲线下限的对数函数方程组：

解得a3=40.721、b3=-33.447，由此可以计算出碎石粒径为19mm、16mm、13.2mm、9.5mm的下限通过率，列于表5中。

同理，按照公式（2）建立铁尾矿级配曲线上限的对数函数方程组：

解得a4=6.750、b4=19.485由此可以计算出粒径为2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15的下限通过率，列于表5中。

由表5可知，粒径在4.75～26.5mm之间的碎石含量为60%～70%，粒径在0.075～4.75mm之间的铁尾矿含量为30%～40%，碎石和铁尾矿的级配曲线上下限是进行级配合成的范围，作为碎石优化铁尾矿用于路面基层。

2.2 碎石铁尾矿合成级配

根据表5的级配，铁尾矿的粒度分布（表2）在0.075～4.75mm之间不满足表5级配值的采用建筑砂进行掺补，试验所用掺配碎石后的铁尾矿级配值见表6所示，级配曲线如图1所示。

文献[8]中明确水泥粉煤灰稳定材料用于高速路和一级路路面基层，在极重、特重交通条件下的7d无侧限抗压强度标准值Rd应满足4.0MPa≤Rd≤5.0MPa，用于高速公路路面基层的水泥稳定粒料强度掺入水泥剂量不宜超过6%，在配比材料时不宜单纯通过增加水泥剂量来提高混合材料的强度，宜采取控制原材料技术指标和优化级配设计等措施。

2.3 击实试验结果与分析

击实试验中各材料比例为：水泥剂量5%的条件下，粉煤灰掺加10%，碎石铁尾矿集料按照表6合成级配占85%。水泥粉煤灰稳定碎石铁尾矿混合料的最佳含水率和最大干密度如表7所示。

从表7可知，水泥粉煤灰稳定合成级配的碎石铁尾矿击实试验的最大干密度为2.396g/cm3，对应的最佳含水量为5.1%，以干密度为纵坐标、含水量为横坐标，绘制含水量—干密度曲线图，如图2所示。

本次试验中材料用量比例为水泥粉煤灰：铁尾矿碎石集料=15∶85，根据表6中合成级配中碎石：铁尾矿=65∶35，说明混合料中粗集料占比达到65%时，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料的击实效果最好，取得最大干密度为2.396g/cm3，对应最佳含水量5.1%。

2.4 无侧限抗压强度试验结果与分析

根据表7，按照最佳含水量5.1%成型圆柱形标准试件（直径和高均为150mm），标准养护7d测定其无侧限抗压强度，试验结果如表8所示。

从表8试验结果可知，水泥∶粉煤灰∶碎石∶铁尾矿=5∶10∶55∶30时，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石的7d无侧限抗压强度设计值为5.0MPa，强度满足JTG/TF 20-2015《公路路面基层施工技术细则》表4.2.7中高速路和一级路路面基层，在极重、特重交通条件下的7d无侧限抗压强度标准值Rd∈[4.0，5.0]的要求。

3 结论

通过对铁尾矿颗粒粗细程度分析，按照用于高速路和一级路路面基层集料的技术要求构建数学模型合成铁尾矿碎石级配，进行水泥粉煤灰稳定的击实试验和7d无侧限抗压强度试验，根据试验结果得出以下结论：

（1）铁尾矿的细度模数μf为1.3，属于特细集料，采用对数函数模型构造铁尾矿和碎石的合成级配。

（2）以26.5mm、4.75mm、0.075mm筛孔的通过率为对数函数模型控制点，建立对数函数模型构建碎石和铁尾矿粒径各档级配合成值，级配合成范围限制碎石含量为60%～70%，铁尾矿含量为30%～40%，能够满足高速路和一级路路面基层集料的级配要求。

（3）在水泥剂量5%和粉煤灰10%的条件下，当碎石∶铁尾矿=65∶35时，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料的击实效果最好，取得最大干密度为2.396g/cm3，对应最佳含水量5.1%。

（4）当水泥∶粉煤灰∶碎石∶铁尾矿=5∶10∶55∶30时，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石的7d无侧限抗压强度设计值为5.0MPa，强度满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》表4.2.7中高速路和一级路路面基层，在极重、特重交通条件下的7d无侧限抗压强度标准值Rd∈[4.0，5.0]的要求。

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