水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的路用性能研究

張 亮

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了長足的發(fā)展，截至2009年年底，全國公路總里程達(dá)386.08萬km，比上年末增加13.07萬km［1］。如此巨大的公路里程建設(shè)，需要消耗大量的建筑材料。為此，各地紛紛開山劈石，以滿足公路建設(shè)的需要，這不僅大量消耗資源，造成環(huán)境問題，也使得公路工程建設(shè)造價(jià)居高不下。鐵尾礦是鐵礦場(chǎng)在開采分選礦石之后排放的固體或粉狀廢棄物，包括鐵尾礦碎石(低品位鐵礦石)和鐵尾礦砂。鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，使得鐵尾礦的排放量越來越大。據(jù)中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會(huì)2005年統(tǒng)計(jì)，我國鐵尾礦年產(chǎn)量約4億t［2］。若能將鐵尾礦用作道路建筑材料，既可以解決鐵尾礦的合理利用問題，還可以降低公路工程造價(jià)，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 原材料性質(zhì)

1.1 水泥

本次試驗(yàn)中采用石家莊新生水泥廠生產(chǎn)的P.O32.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 鐵尾礦碎石

不同地區(qū)的鐵尾礦碎石無論在顆粒組成還是力學(xué)性質(zhì)上都有很大的差別，本文采用河北省淶源地區(qū)的鐵尾礦碎石，其壓碎值為26.5%，粉碎大粒徑(＞37.5mm)后鐵尾礦碎石顆粒組成見表2。

表2 鐵尾礦碎石的顆粒組成

從鐵尾礦碎石的壓碎值和顆粒組成可知，粉碎大粒徑(＞40mm)后的鐵尾礦碎石自身具有較好的級(jí)配組成，壓碎值也滿足JTJ 034-2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求［3］。

鐵尾礦碎石是鐵含量很低的鐵礦碎石，就化學(xué)成分而言，其主要成分是二氧化硅、三氧化二鐵和三氧化二鋁，鐵尾礦碎石的主要化學(xué)成分如表3所示。

表3 鐵尾礦碎石的主要化學(xué)成分

2 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的物理力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)JTG E51-2009公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程的相關(guān)方法［4］，對(duì)不同水泥含量的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料進(jìn)行試件制備、養(yǎng)生，測(cè)得其各齡期浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從表4可以看出，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的抗壓強(qiáng)度隨水泥含量的增加而增大，試驗(yàn)配比的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于1.5 MPa。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］對(duì)水泥穩(wěn)定類基層、底基層材料的強(qiáng)度要求，單就抗壓強(qiáng)度而言，本文試驗(yàn)配合比的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的強(qiáng)度均滿足輕交通底基層材料的強(qiáng)度要求，可作為輕交通瀝青路面的底基層材料。水泥含量在5.5%以上的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的7 d抗壓強(qiáng)度均大于2.5 MPa，可以作為輕交通瀝青路面的基層材料，以及特重、重、中交通瀝青路面的底基層材料。只有當(dāng)水泥含量達(dá)到6%以上時(shí)，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的7 d抗壓強(qiáng)度才大于3.0 MPa，滿足重、中交通瀝青路面的基層材料的需求，但《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］要求水泥穩(wěn)定集料的水泥劑量一般不應(yīng)超過6%，因此，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石不宜用作特重、重、中交通瀝青路面的基層材料。

類似于其他半剛性基層材料，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的強(qiáng)度隨齡期而增長，根據(jù)表4中數(shù)據(jù)作出齡期與混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖1所示。

除了齡期以外，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的抗壓強(qiáng)度受壓實(shí)度的影響顯著，壓實(shí)度每增加1%，混合料7 d齡期抗壓強(qiáng)度將增大5.5%左右。

2.2 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的劈裂強(qiáng)度與抗壓回彈模量試驗(yàn)

分別將不同配比的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料成型試件，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后90 d，測(cè)試其劈裂強(qiáng)度(間接抗拉強(qiáng)度)與抗壓回彈模量值，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖1 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線

表5 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的劈裂強(qiáng)度

由表5可見，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的劈裂強(qiáng)度值較高，水泥含量為5.0%～6.0%時(shí)，其劈裂強(qiáng)度值大于二灰土，與水泥穩(wěn)定碎石相當(dāng)。抗壓回彈模量值略大于石灰碎石土，稍小于二灰砂礫，剛度也較大。

2.3 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的抗凍性能

根據(jù)JTG E51-2009公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程的相關(guān)方法，制備試件，養(yǎng)生至28 d齡期，進(jìn)行凍融試驗(yàn)。以經(jīng)過5次凍融循環(huán)后的浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍前浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比來評(píng)價(jià)混合料的抗凍性能。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

從表6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，5次凍融循環(huán)后，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的殘余強(qiáng)度在75%以上，可見，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石具有較高的抗凍性能，可以用作冰凍地區(qū)的公路基層或底基層材料。

2.4 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的水穩(wěn)定性

制作兩組水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石試件，一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d(包括浸水24 h)，另一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生6 d，之后浸水24 h再在自然條件下風(fēng)干24 h，干濕循環(huán)10次后測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，并與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件的抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比。以兩者之間的比值(干濕循環(huán)后/標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生)來表征混合料的水穩(wěn)定性，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的水穩(wěn)定性

從干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)范圍內(nèi)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的水穩(wěn)定系數(shù)均在0.9以上，其具有良好的水穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文通過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，得出了水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的強(qiáng)度、剛度、抗凍性能、水穩(wěn)定性等路用性能指標(biāo)，并通過了實(shí)際工程驗(yàn)證，主要結(jié)論如下:

1)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石具有較高的強(qiáng)度、剛度。

2)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的水穩(wěn)定性和抗凍性能良好。

3)水泥含量在5.5%以上的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的7 d抗壓強(qiáng)度均大于2.5 MPa，可以作為輕交通瀝青路面的基層材料，以及特重、重、中交通瀝青路面的底基層材料。本文其他配合比的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石均可作為輕交通瀝青路面的底基層材料。

4)應(yīng)用鐵尾礦碎石修筑道路不僅可以節(jié)約建材、降低工程造價(jià)，還可以減少鐵尾礦堆放所需占用的土地，并有利于環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 交通運(yùn)輸部.2009年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［R］.2010:4.

［2］ 王益民.我國鐵尾礦資源化利用研究進(jìn)展［A］.2008年全國金屬礦山難選礦及低品位礦選礦新技術(shù)研討與技術(shù)成果交流暨設(shè)備展示會(huì)論文集［C］.2008.

［3］ JTJ 034-2000，公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ JTG E51-2009，公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］ JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.