掺铁尾矿水泥稳定碎石路用性能探究

2022-02-27郭永军程艳王召

中国公路 2022年23期

郭永军程艳王召

（1.山西路桥建设集团有限公司，山西太原 030006；2.江苏张家港市航港事业发展中心，江苏张家港 215617；3.长安大学，陕西西安 710064）

数据表明，我国约有200亿吨铁矿储量，作为铁矿分选废弃物的铁尾矿累计堆存量已达到50亿吨，并且仍以每年约5亿吨的速度递增，目前铁尾矿的综合利用率尚达不到总量的5%[1,2]。铁尾矿的大量堆积不仅破坏了当地的生态环境，且尾矿库的维护也需要耗费大量的资金[3,4]。目前，国内外对铁尾矿砂的工程应用开展了较多的研究，但是对铁尾矿碎石的性能及工程应用研究并不充分[5]。本文选用山西省忻州市铁尾矿碎石，对其物理力学性能开展试验，研究不同掺量的铁尾矿水泥稳定碎石的力学特性，优选出该尾矿应用于工程的适宜掺量，以期解决铁尾矿碎石污染当地环境的问题。

一、试验材料

（一）常规材料

本文试验选用42.5号普通硅酸盐水泥，相关技术指标如表1所示，可知其各项指标均满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）的要求[6]。

表1 水泥技术性质指标

试验中用到的石料取自陕西西安公路管理局料场的石灰岩，碎石的粒径≤31.5m,根据规范[7]检测所用粗集料及细集料物理指标，各项常规的物理指标如表2所示。

表2 石灰岩的试验结果

（二）铁尾矿碎石

本文采用山西省忻州市繁峙县东山底村的铁尾矿碎石，其XRD分析谱图如图1所示。铁尾矿碎石的矿物组成主要有石英、镁铁闪石、铁石棉、方解石[10]。镁铁闪石颜色为深绿色，且随着Fe2+含量增多，颜色越深，质地较硬[11]。铁石棉属于角闪石类,具有良好的耐酸耐碱性能及化学稳定性[12]。

图1 铁尾矿XRD谱图

根据《公路工程集料试验规程》（JET E42-2005）[6]，测定铁尾矿碎石物理性能，结果见表3。

表3 铁尾矿的试验结果

二、水泥稳定铁尾矿碎石性能研究

（一）水泥稳定铁尾矿碎石级配合成

本文选定4种铁尾矿碎石掺量（0%、25%、50%、75%）的掺配方式，由于铁尾矿碎石的最大粒径为26.5mm，无法满足骨架密实最大粒径的要求，故掺量最高定于75%。不同铁尾矿碎石掺量的集料的合成级配如表4和图2所示。

表4 水泥稳定铁尾矿碎石基层集料合成级配

图2 不同掺量水泥稳定铁尾矿碎石合成级配

（二）击实试验

依照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[13]的要求，用3.5%、4%、4.5%、5%和5.5%的水泥剂量分别稳定四种级配铁尾矿碎石混合料，通过击实试验确定各不同配合比的混合料的最佳含水量及最大干密度，试验结果如图3所示。

图3 铁尾矿掺量与干密度关系曲线

从图3中可以看出，在水泥掺量一定的情况下，随着铁尾矿碎石掺量的增加，水泥稳定铁尾矿碎石的最大干密度逐渐减小。

（三）无侧限抗压强度试验

本文选取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%5个水泥剂量，0%、25%、50%、75%4种铁尾矿碎石掺量，根据《公路路面基层施工技术规范》[13](JTGD-2017)完成无侧限抗压强度试验，养生龄期分别为7d、28d、60d、90d。试验结果如图5、6、7所示。

如图4所示，在养生龄期7d到28d过程中，随着铁尾矿碎石掺量增加，水泥稳定铁尾矿碎石基层的抗压强度增长率不断增大，原因是铁尾矿中含有活性物质，在水泥水化过程中，铁尾矿中的这些活性物质促进了水泥的水化反应，因而随着铁尾矿碎石掺量的增加，水泥稳定铁尾矿碎石混合料的抗压强度增长越快。

图4 抗压强度随养生龄期变化曲线

如图5所示，水泥稳定铁尾矿碎石混合料的抗压强度，随着水泥剂量的增加呈现近似线性增加的规律。水泥剂量从5.0%增加到5.5%的过程中，水泥稳定铁尾矿碎石混合料的抗压强度增长率最小。水泥稳定铁尾矿碎石水泥剂量从3.5%增加到5.0%时，其抗压强度的增长率大于水泥剂量从5.0%增大到5.5%时抗压强度的增长率。