高聚物稳定铁尾矿在公路基层中的应用研究

王宏捷,仇小东,李 锋,陈晶照

(1.南通市公路事业发展中心,江苏 南通 226001;2.苏交科集团股份有限公司,江苏 南京 211112)

1 原材料性质分析

1.1 铁尾矿组成分析

选取南钢矿业公司尾矿库的铁尾矿作为原材料开展相关研究。选用X-射线荧光光谱仪对铁尾矿进行组分分析,分析结果如表1所示。可以看出,铁尾矿中质量占比最高的组分为SiO2,占30.97%,CaO、MgO、Fe2O3次之,占比均在13%～16%之间,同时含有6.65%的Al2O3,以上几部分占铁尾矿总质量比的80%以上,为铁尾矿的主要组成部分。同时铁尾矿中还存在着Cu、Ni等重金属,相关规范如《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》对土壤中的重金属含量做了相关的规定。计算结果如表2所示,可以看出各重金属的含量均小于《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》中列出的重金属含量管制值。

表2 重金属含量

1.2 基本物理性质分析

参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020),对铁尾矿开展了基本物理性质分析,包括颗粒组成、界限含水率、有机质含量、易溶盐含量等,结果如表3、表4所示。

表3 铁尾矿颗粒组成分析

表4 铁尾矿基本物性分析结果

可以看出,铁尾矿粒径较细;铁尾矿的塑性指数小于17,无需掺加石灰进行稳定;另外,土的易溶盐含量指标包括了氯化盐类、易溶的硫酸盐类和碳酸盐类,还包括了水溶性有机质等,而《公路路面基层施工技术细则》(JTG T/F20-2015)只对硫酸盐含量做出了相应的规范要求为≤0.25%,所测试的铁尾矿易溶盐含量仅0.1%,故满足硫酸盐≤0.25%的规范要求。

考虑到铁尾矿的粒径较小,水泥用量过多将造成混合料的收缩变形较大,故选用水泥、粉煤灰以及高聚物对铁尾矿进行综合稳定。水泥、粉煤灰满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)的相关技术要求,固化剂的相关性质如表5所示。

表5 固化剂检测结果

2 配比设计

固定高聚物掺量为300 ml/m3,选择水泥掺量为3%、4.5%、6%,粉煤灰掺量为0%、10%、20%,开展土工击实试验,击实试验结果如图1所示。并在最佳含水率条件下开展7 d无侧限抗压强度试验,确定最佳配比,结果如表6所示。

图1 击实试验结果

表6 7 d无侧限抗压强度试验结果

可以看出,高聚物稳定铁尾矿的无侧限抗压强度随水泥用量的增加而增加,在4.5%水泥、10%粉煤灰、300 ml/m3高聚物掺量条件下,其可用于公路底基层以及重载交通下二级及以下基层的铺筑[9]。在20%粉煤灰掺量下,水泥掺量由3%增至6%时,高聚物稳定铁尾矿的抗压强度增加了88.3%,而不掺加粉煤灰时,其抗压强度随水泥用量的增长仅为28.8%。这主要是因为在4.5%、6%水泥掺量条件下,高聚物稳定铁尾矿的抗压强度随粉煤灰掺量的增加而增加,而在3%水泥掺量下,高聚物稳定铁尾矿的抗压强度随粉煤灰掺量先增加后减小。

在一定的水泥掺量下,粉煤灰的掺入有助于提高稳定材料的抗压强度,这主要是因为粉煤灰中的氧化硅、氧化铝与水泥水化生成的氢氧化钙发生火山灰反应,生成水化硅酸钙与铝酸钙凝胶,增加土颗粒之间的固化凝聚力,促进了混合料强度的增长。而从上述的试验结果可以看出,在3%水泥掺量、20%粉煤灰掺量条件下,高聚物稳定铁尾矿的强度有所降低,这是因为当粉煤灰的掺量过多时,水泥水化产生的氢氧化钙不足以与粉煤灰中的氧化硅、氧化铝充分反应,为参加反应的粉煤灰则分散在稳定材料中,使得材料内部缺陷增加,反而降低了材料的强度。

3 干缩性能

为分析高聚物稳定铁尾矿的干缩性能,根据上述的配比设计结果,选择4.5%水泥掺量,10%粉煤灰掺量,固化剂掺量为300 ml/m3的配比,测试了高聚物稳定铁尾矿的干缩系数,并与相同水泥、粉煤灰掺量下,不掺加高聚物的水泥粉煤灰稳定铁尾矿进行了对比。结果如图2(a)、(b)、(c)所示。

图2

从试验结果可以看出,高聚物稳定铁尾矿的累计干缩量及失水率均随着时间的增长逐渐增大,且增长速率随时间增长逐渐变缓;平均干缩量则先随时间快速增大,在第3 d左右达到最大值,之后随着时间的变化逐渐减小,至最后趋于稳定。水泥粉煤灰稳定铁尾矿的干缩量、失水率及平均干缩系数变化规律与高聚物稳定铁尾矿相似,但其值略大于高聚物稳定铁尾矿:在15 d处,水泥粉煤灰稳定铁尾矿的累计干缩量高于高聚物稳定铁尾矿约13.6%;平均干缩系数则高于高聚物稳定铁尾矿约10.2%,可以看出高聚物稳定铁尾矿的收缩性能优于水泥粉煤灰稳定铁尾矿。这主要是由于高聚物中的水性聚合物在铁尾矿的混合搅拌过程中均匀的分散在混合料中,经固化形成均匀的分子网络结构,两者生成的胶结物质相互搭接,填充孔隙,限制了毛细水的迁移,故高聚物的掺入可提高铁尾矿混合料的干缩性能。

为了评价铁尾矿混合料的收缩性能,分别选取了水泥稳定碎石(水泥掺量3.5%)、水泥稳定砂砾(水泥掺量5%)[10]进行对比,对比结果如图3所示。从图中可以看出,水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾的平均收缩系数均低于铁尾矿混合料,其中水泥稳定碎石的平均收缩系数较高聚物稳定铁尾矿低42.7%,水泥稳定砂砾的平均收缩系数较高聚物稳定铁尾矿低3.8%。

图3 不同材料平均干缩系数对比

这主要是因为铁尾矿的粒径较细,成型后试件内部的空隙结构与水稳碎石相比更为丰富,为试件内部毛细水的迁移提供了条件,故其试件的干缩系数明显大于水稳碎石。类似的,水泥稳定砂砾由于其级配优于铁尾矿,故其试件内部毛细水的迁移程度小于铁尾矿混合料,但由于高聚物稳定铁尾矿中掺入了一定量的粉煤灰与高聚物,一方面粉煤灰玻璃微珠和富铁微珠提高了混合料的密实度,另一方面高聚物中的水性聚合物形成的均匀分子网络结构,两者均对毛细水有一定的限制作用,故水泥稳定砂砾与高聚物稳定铁尾矿的平均干缩系数无明显差别。

4 结 论

(1)在一定水泥掺量下,粉煤灰的掺入提高了高聚物稳定铁尾矿的无侧限抗压强度,但当粉煤灰掺量过高时,过量的粉煤灰分散在铁尾矿混合料中不参与反应,降低了材料强度;在4.5%水泥、10%粉煤灰、300 ml/m3高聚物掺量条件下,高聚物稳定铁尾矿的强度可以满足各等级公路的底基层的技术要求,也可满足重载交通下二级及二级以下公路的基层要求。

(2)在相同水泥、粉煤灰掺量条件下,高聚物的掺入在一定程度上提高了铁尾矿混合料的干缩性能,这主要是由于高聚物中的水性聚合物均匀分布形成的分子网络结构限制了毛细水的迁移。

(3)与水泥稳定碎石、水泥稳定砂砾相比,水泥稳定碎石的干缩性能明显优于高聚物稳定铁尾矿,水泥稳定土则与高聚物稳定铁尾矿无明显差别,故可考虑选择高聚物稳定铁尾矿以替代水泥稳定土在工程中的应用。