铁尾矿作为路面基层材料的适应性研究

王文杰

（山西路桥市政工程有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

近年来，随着矿产资源的大量开发和利用，相继产生了大量的固体废弃物，铁尾矿作为工业弃渣，综合利用率不足7%，占据大量农田和土地，给矿山附近当地居民带来巨大困扰。其次，各省相继推出四好农村路和旅游公路的建设，在道路工程中对石料的需求量不断增加，导致筑路成本逐年增加。铁尾矿作为二次能源，若能将其应用于道路领域，不仅可以有效的解决砂石料的短缺问题，同时也可以避免因铁矿石堆存量大造成的一系列问题，大大降低筑路成本，减少资源消耗量［1］。王宇杰研究表明将铁尾矿磨成铁尾矿微粉用于水泥混凝土，可以显著提高混凝土和易性［2］。王宏将铁尾矿替代石英砂制备的活性粉末混凝土，发现其具有良好的力学性能［3］。李壮研究表明，铁尾矿砂可以用于密实混凝土、加气混凝土、ECC、超高性能混凝土［4］。大部分研究是将铁尾矿磨成砂或者微粉，虽然取得一定效果，但是铁尾矿磨成粉无疑增加筑路成本，同时也会对环境造成污染，从长远来看并不经济［5］。目前，我国将铁尾矿碎石作为集料直接应用于道路基层的研究相对较少。本文将不同掺量铁尾矿碎石掺入混合料，并对成型后的水泥稳定铁尾矿碎石混合料的抗压强度、劈裂强度、干缩性能和冻融劈裂性能进行研究，从强度规律和耐久性两个方面对铁尾矿作为基层材料适应性进行研究。

2 不同铁尾矿掺量的水稳碎石强度规律研究

2.1 原材料及试验配合比

1）铁尾矿。

粗骨料的密度及吸水率试验结果见表1。

表1 粗骨料的密度及吸水率试验结果

表2 铁尾矿碎石的试验结果

由表2可知，铁尾矿碎石表现较好的物理性能，与石灰岩、花岗岩相差不大。铁尾矿碎石在针片状含量、0.075以下粉尘含量性能方面都满足规范要求。铁尾矿碎石的压碎值和磨耗值略大于石灰岩，满足公路施工技术规范的要求。

2）配合比设计。

为了研究水泥剂量对水泥稳定铁尾矿碎石的影响、考虑利用水泥的经济性及作用后的效果，本文设计两种方案，要求混凝土水泥掺量为4%和5%。选定四种铁尾矿碎石掺量（0%，25%，50%，75%）的掺配方式，由于铁尾矿碎石的最大粒径为26.5 mm，无法满足骨架密实最大粒径的要求，故掺量最高定于75%。分为6档备料，其中石灰岩分为5档料，铁尾矿碎石作为一档料。不同铁尾矿碎石掺量的集料的合成级配如图1所示。

2.2 水泥稳定铁尾矿碎石无侧限抗压强度试验研究

为研究水泥掺量、铁尾矿碎石掺量以及养生龄期对水泥稳定铁尾矿碎石基层的无侧限抗压强度的影响。按照图1中配合比设计方案，预制不同铁尾矿掺配试块，并对其进行养生龄期为7 d，28 d，60 d，90 d的无侧限抗压强度试验。

图1 不同铁尾矿掺量水泥稳定铁尾矿碎石基层合成级配

抗压强度试验结果如表3所示。

表3 无侧限抗压强度试验结果

两种水泥剂量对四种铁尾矿掺量混合料进行了7 d，28 d，60 d，90 d的无侧限抗压强度试验，其变化规律如图2所示。

图2 抗压强度随龄期变化规律

从图2（a）和图2（b）中可以看出，对于同一龄期同一水泥剂量的混合料，普通水泥稳定碎石的抗压强度高于掺有铁尾矿的水泥稳定碎石。重载交通混凝土基层要求7 d无侧限抗压强度不低于5 MPa，当铁尾矿掺量为50%和75%时，水泥稳定碎石的抗压强度低于5 MPa，说明当水泥稳定碎石铁尾矿掺配为50%和75%时，初期强度无法满足重载交通要求。当水泥稳定碎石铁尾矿掺量为25%时，可以用于重载交通基层。

对于不同养生龄期的混合料，在相同的水泥剂量的情况下，抗压强度随着铁尾矿碎石掺量的增大而不断减小，铁尾矿碎石掺量越大，抗压强度减少的越明显。从图2（a）和图2（b）中可知，铁尾矿碎石掺量对混合料的抗压强度影响较大，以4%水泥掺配为例，铁尾矿掺量为25%的水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度下降8.6%，铁尾矿掺量为75%的水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度下降61.59%。分析其原因，铁尾矿碎石的压碎值及磨耗值较普通石料大，当铁尾矿碎石掺量增加到一定的值时，虽然水泥增大了对骨料胶结能力，骨架自身存在着多裂隙、杂质较多的缺点，致使骨料的抗压强度降低，对混合料抗压强度起到减弱的影响，所以导致铁尾矿碎石掺量较大时，抗压能力较弱。单从抗压强度这一指标来看，铁尾矿掺量为25%的水泥稳定碎石，可以满足重载交通初期强度要求。

由图1可知，加入酵母菌及甜酒曲的效果均没有原有纳豆的评分高。实验证实，酵母菌及糖化菌与纳豆菌形成的混合菌种对纳豆的风味没有起到改善作用。

2.3 水泥稳定铁尾矿碎石劈裂强度试验研究

水泥稳定碎石在荷载作用下会产生层底拉应力，如果层底拉应力过低，基层将会发生开裂现象［7］。为研究水泥掺量、铁尾矿碎石掺量以及养生龄期对水泥稳定铁尾矿碎石基层的劈裂强度的影响。按照2.1中配合比设计方案，预制不同铁尾矿掺配试块进行劈裂试验。劈裂强度试验结果如表4所示。

表4 劈裂强度试验结果

从图3（a）和图3（b）中可以看出，在相同的养生龄期下，水泥剂量一定时，水泥稳定铁尾矿碎石的劈裂强度随着铁尾矿碎石掺量的增加不断减小。劈裂强度目前规范中无明确推荐值，长安大学谭学政［8］给出重载交通7 d劈裂强度推荐值要求大于0.5 MPa，本节以此作为参考值。当铁尾矿掺量从25%增加到75%时，水泥稳定碎石的劈裂强度始终高于0.5 MPa，单从7 d劈裂强度来看，掺量为25%～75%的铁尾矿掺入水泥稳定碎石均可用于重载交通。

从图3（a）和图3（b）中可以看出，铁尾矿掺量从0%增大到75%的过程中，不同水泥剂量下的劈裂强度减小率随着养生龄期的增加逐渐降低。以变化幅度较大的5%水泥掺配为例，铁尾矿掺量为25%的水泥稳定碎石7 d劈裂强度下降6.4%，铁尾矿掺量为75%的水泥稳定碎石7 d劈裂强度下降21.8%。总体来看，铁尾矿碎石掺量对水泥稳定铁尾矿碎石抗压强度的影响要大于对其劈裂强度的影响。

图3 劈裂强度随龄期变化规律

综合对比不同掺量铁尾矿混凝土无侧限抗压强度值和劈裂强度值发现，水泥稳定铁尾矿碎石在使用过程中应保证足够的养生龄期，尤其在铁尾矿掺量较高的情况下，足够的养生龄期可以降低水泥稳定铁尾矿碎石基层抗压强度与一般水泥稳定碎石基层之间劈裂强度的差距。

3 不同铁尾矿掺量的水稳碎石耐久特性研究

3.1 水泥稳定铁尾矿碎石干缩性能试验研究

水泥稳定基层材料的干缩量过大，会导致基层裂缝增多，从而对道路的使用寿命产生影响［9］。为研究水泥掺量、铁尾矿碎石掺量以及养生龄期对水泥稳定铁尾矿碎石干缩性能的影响。按照2.1中配合比设计方案，预制不同铁尾矿掺配试块，进行干缩试验，对试件进行观察及记录数据60 d，数据计算处理后，结果如图4所示。

从图4中可以看出，水泥稳定铁尾矿碎石的干缩应变随着试验天数的增加而不断增加，呈现非线性生长的规律；相同水泥掺量下，铁尾矿碎石掺量越大，干缩应变越大。不同铁尾矿碎石掺量的混合料试验开始的1 d～10 d的干缩应变的增长较大，10 d～30 d干缩应变的增长趋于平缓，30 d之后干缩应变基本没有变化。对比图4（a）和图4（b）还可以看出，水泥稳定铁尾矿碎石混合料的干缩应变随着水泥剂量的增多而增大，因为当使用较多的水泥时，水泥水化产生的水化产物也较多，与细集料形成胶结料裹敷在粗集料表面，使得混合料中的大孔隙增多，从而导致干缩应变的增大，因此在使用水泥稳定铁尾矿碎石的过程中应控制水泥的掺入剂量。干缩系数随龄期变化规律见图5。

图4 干缩应变随龄期变化规律

图5 干缩系数随龄期变化规律

从图5可以看出，不同铁尾矿碎石掺量的混合料随着试验天数的增加，干缩系数在试验开始的1 d～10 d的干缩系数的增长较快，10 d之后，干缩系数的变化趋于平缓并略有减小。从图5可知，当水泥掺量为4%时，铁尾矿碎石掺量0%～75%的水泥稳定铁尾矿碎石最大干缩系数为30.13，28.85，30.71，34.13，掺量25%的混合料的最大干缩系数最小。当水泥掺量为5%时，铁尾矿碎石掺量0%～75%的水泥稳定铁尾矿碎石最大干缩系数为35.07，34.17，36.47，37.98，掺量25%的混合料的最大干缩系数最小。综合对比图5（a）和图5（b）可知，铁尾矿掺量为25%的混合料表现出较好的抗干缩性能［10］。

3.2 水泥稳定铁尾矿碎石冻融性能试验研究

为研究铁尾矿碎石的掺量、冻融循环次数和水泥剂量对水泥稳定铁尾矿碎石混合料抗冻性能的影响，按照2.1中配合比设计方案，预制不同铁尾矿掺配试块，进行抗冻性试验，得出混合料冻融后的无侧限抗压强度，根据结果分析出该材料的抗冻性能。

以铁尾矿掺量为75%、水泥剂量5%为例，对水泥稳定铁尾矿混合料在不同冻融循环次数下的形状外观进行对比分析，如图6所示。

由图6可以看出，随着冻融循环次数的增加，试件出现脱落，掉渣越来越严重的现象。当冻融循环次数为1次时，试件只是顶部边缘混合料有些许脱落；当冻融循环次数为3次时，混合料中部及底部已有明显脱落趋势；当冻融循环次数为5次时，试件底部已经出现大面积脱落，相较冻融循环次数3次时混合料脱落严重。具体试验结果见表5。

图6 N次冻融循环后试件形态

表5 冻融循环试验结果

冻融残留强度比随冻融循环次数变化规律见图7。

图7 冻融残留强度比随冻融循环次数变化规律

从图7中可以看出，在同一水泥剂量下，铁尾矿碎石掺量一定时，水泥稳定铁尾矿碎石的冻融残留强度比随着冻融循环次数的增加而不断减小，但是在不同的铁尾矿碎石掺量下，铁尾矿碎石掺量越大，水泥稳定铁尾矿碎石随着冻融循环次数的增大，冻融残留强度比变小的速率越大。从图7可以看出，无侧限强度变化率随着冻融循环次数增加不断增大，增大幅度越来越大，说明冻融次数的增多对试件承受抗压能力破坏越大。

不同铁尾矿碎石掺量混合料的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的具体变化率结果见表6，表7。

表6 冻融循环对无侧限抗压强度影响分析（4%水泥掺量）

表7 冻融循环对无侧限抗压强度影响分析（5%水泥掺量）

从表6，表7还可以看出，冻融循环次数一定时，随着铁尾矿碎石掺量的增加，无侧限抗压强度的变化率逐渐增加，当水泥掺量为4%，铁尾矿碎石掺量分别为0%，25%，50%，75%，经受5次冻融循环后其无侧限抗压强度变化率分别为15.03%，26.2%，35.75%，55.14%。当水泥掺量为5%，相同条件下的无侧限强度变化率分别为12.97%，20.94%，32.72%，51.32%，表明铁尾矿碎石掺量越高，水泥稳定铁尾矿碎石受冻融循环的影响越显著。

综合对比表5～表7可知，经受5次冻融循环后，水泥稳定铁尾矿碎石强度损失明显，当铁尾矿掺量达到75%时，经受5次冻融循环后其BDR小于50%。说明较高掺量的铁尾矿会对水泥稳定铁尾矿碎石的抗冻性能产生不利的影响。根据文献《公路工程抗冻设计与施工技术指南》中对于中、重冻地区，路面半刚性基层混合料的抗冻性能应满足养生28 d后，经受5次冻融循环其残留强度比不小于50%的要求，水泥稳定铁尾矿碎石中铁尾矿掺量达到75%时，其抗冻性能不能满足中、重冻地区的使用需求。

4 结论

1）对于不同养生龄期的混合料，在相同的水泥剂量的情况下，抗压强度随着铁尾矿碎石掺量的增大而不断减小。铁尾矿掺量为25%的水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度下降8.6%，铁尾矿掺量为75%的水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度下降61.59%。单从抗压强度这一指标来看，铁尾矿掺量为25%的水泥稳定碎石抗压强度，可以满足重载交通初期强度要求。

2）在相同的养生龄期下，水泥稳定铁尾矿碎石的劈裂强度随着铁尾矿碎石掺量的增加不断减小。铁尾矿掺量为25%的水泥稳定碎石7 d劈裂强度下降6.4%，铁尾矿掺量为75%的水泥稳定碎石7 d劈裂强度下降21.8%。单从抗压强度这一指标来看，铁尾矿掺量为25%的水泥稳定碎石，可以满足重载交通初期强度要求。

3）从干缩性性能试验来看，相同水泥掺量下，铁尾矿碎石掺量越大，干缩应变和干缩系数越大。铁尾矿掺量越高，1 d～10 d的干缩系数的增长越快，10 d之后，干缩系数的变化趋于平缓并略有减小。结果表明，铁尾矿掺量为25%的混合料表现出较好的抗干缩性能。从抗冻性能来看，当水泥剂量及冻融循环次数一定时，水泥稳定铁尾矿碎石的冻融残留强度比随着铁尾矿碎石掺量的增加而不断减小，当铁尾矿碎石掺量为75%，冻融循环5次时，混合料冻融残留强度比小于50%，其抗冻性能不能满足中、重冻地区的使用需求。

4）综合对比铁尾矿掺量为0%，25%，50%，75%水泥稳定碎石无侧限抗压强度、劈裂强度、干缩性能、冻融残留强度发现，铁尾矿石废弃物可以替代部分矿石作为路面基层材料，结果表明铁尾矿掺量为25%的水泥稳定碎石，可以用于重载交通基层。