水泥改良鐵尾礦砂的力學分析

丁 峰

(龍巖東環(huán)高速公路有限責任公司 福建龍巖 364031)

0 引言

在冶煉鐵礦過程中，除了選出用于煉鐵等工業(yè)生產(chǎn)所需要的各種成分之后，留下大量的廢棄物鐵尾礦。堆積起來的尾礦庫，不僅破外了周邊生態(tài)同時占用了不少土地資源，并且還要投入極大數(shù)額的處理和維護費用。因此，解決鐵尾礦堆存問題已經(jīng)刻不容緩。

關(guān)于鐵尾礦砂應(yīng)用的研究有很多，但用于高速公路路基填筑的案例不多，而且關(guān)于水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的無機結(jié)合料路用性能研究也不夠全面。1980年，馬鞍山礦山研究院和東大將鐵尾礦砂做路面材料做課題研究，結(jié)果表明，從鐵尾礦砂的物理力學特性來看，它作為路用材料前景廣闊，是較為理想的環(huán)保型建筑材料。蘇更[1]通過試驗研究分析了尾礦砂應(yīng)用在高速公路建設(shè)中成效，并提出了鐵尾礦砂作為路基填料的配合比設(shè)計方案，以及應(yīng)用在公路基層中的力學特性和路用性能。由試驗結(jié)果可知，只要顆粒級配滿足要求，就可以滿足路用要求[2-3]。王琰[4]通過對石灰、水泥等無機結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦砂的力學強度測試。以及路用、耐久性能研究，試驗數(shù)據(jù)顯示，改良后的鐵尾礦砂都接近于半剛性的特性，可用做道路材料。

以福建龍巖地區(qū)開采出的鐵尾礦砂為例，通過室內(nèi)試驗測試了鐵尾礦砂的最佳含水量和最大干密度、顆粒級配、含水率等基本物理力學指標[5]。結(jié)果表明：該地區(qū)天然鐵尾礦砂的成分主要為尾粉砂和尾粉土的混合物，經(jīng)試驗測得其孔隙比為0.82，比重為2.67 g/cm3，容重為1360 kg/m3，采用水泥改良后，得混合料容重與之相比有所增加，7%的水泥改良時混合料容重達到1500～1700 kg/m3，滿足建筑用砂的標準。該地區(qū)鐵尾礦砂抵抗變形的能力不強，顆粒相對比較松散、試件成型相對比較困難，并且27.6%的含水率嚴重超過其施工控制含水率，需采用水泥等耗水材料進行改良。鐵尾礦砂顆粒較為均勻，經(jīng)過碾壓機械的施工后密實度可以進一步提高。經(jīng)水泥改良后，發(fā)揮水泥的膠凝性，可以有效提升鐵尾礦砂的強度和剛度，以滿足公路各結(jié)構(gòu)層的強度要求。該研究成果可以為高效利用鐵尾礦砂提供參考，成為進一步研究的借鑒，具有很大的技術(shù)經(jīng)濟合理性和應(yīng)用前景。目前，現(xiàn)有的關(guān)于改良尾礦砂應(yīng)用于路基填料的研究，大多只針對試件的無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度、回彈模量等指標進行測試。國家相關(guān)規(guī)范中，未對高速公路路基填料的C、φ值等參數(shù)指標提出標準要求，故該文僅針對鐵尾礦砂經(jīng)水泥改良前后的力學強度變化進行試驗研究。

1 鐵尾礦砂的物理力學特性

1.1 化學成分分析

試驗所選用的鐵尾礦砂來自龍巖市廈蓉高速東環(huán)聯(lián)絡(luò)線附近的尾礦庫，采用XRD衍射技術(shù)分析，得到的尾礦砂成分結(jié)果：SiO2的含量大約占70%，F(xiàn)e2O3和Al2O3的含量大約占20%。該地區(qū)鐵尾礦砂中的各種成分含量如表1所示，試驗所采用的水泥基本性能指標如表2所示。

表1 鐵尾礦砂的化學成分含量(%)

表2 水泥的基本性能指標

1.2 顆粒級配、密度及液塑限

(1)界限含水率試驗按照國家規(guī)范標準《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)[6]的要求進行。結(jié)果如表3所示，通過以下數(shù)據(jù)可以看出，天然尾礦砂的塑性指數(shù)較低，其抵抗荷載的能力很小。摻加水泥后的鐵尾礦砂具備膠凝性，發(fā)生水化反應(yīng)，有效改善尾礦砂承壓性能不穩(wěn)定的缺陷。

表3 鐵尾礦砂的液塑限指數(shù)(%)

(2)通過試驗測的尾礦砂在23°C時的表觀密度，試驗按照國家規(guī)范標準《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42-2005)[7]中的要求進行，結(jié)果表明尾礦砂的表觀密度為2.974g/cm3。

(3)鐵尾礦砂的篩分結(jié)果如圖1所示。

圖1 鐵尾礦砂顆粒級配篩分平行試驗結(jié)果

由圖1中顆粒級配曲線對比可知，第I組與第Ⅱ組的顆粒級配曲線趨勢相比要差，第Ⅱ組試樣的顆粒分配比較均勻，屬于砂類土；經(jīng)篩分后，Ⅱ組試樣的Cu=5.16，Cc=1.13，為良好級配砂。其中粒徑小于2mm的顆粒含量達到70%以上，屬于粉土質(zhì)砂。

1.3 天然含水率、固結(jié)快剪與三軸試驗

(1)由試驗得知，該地區(qū)尾礦砂的天然含水率很高，大約為27.6%，不宜直接作為高速公路路基填料，超出施工控制含水率的范圍，需晾曬或摻加水泥等耗水改良劑，使其滿足要求。

(2)按規(guī)定壓實度制備4個固結(jié)快剪試驗試件。對4個試件分別施加100、200、300、400 kPa 4種不同的垂直荷載，加載至試件固結(jié)穩(wěn)定，再以較快的速度施加剪應(yīng)力。圖2為不同荷載作用下，剪應(yīng)力與壓應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。圖3為不同的垂直荷載與土的孔隙比之間的關(guān)系曲線。

圖2 鐵尾礦砂直剪試驗結(jié)果

圖3 鐵尾礦砂固結(jié)試驗結(jié)果

由圖2和圖3可知，鐵尾礦砂直剪試驗的結(jié)果為：黏聚力c=32.4 kPa，內(nèi)摩擦角φ=17.52°；由圖4和表4中三軸試驗(固結(jié)不排水剪CU)的指標可知：總應(yīng)力c為20.4 kPa，內(nèi)摩擦角φ=25.5°、有效應(yīng)力c為26.8 kPa，內(nèi)摩擦角φ=33.9°。

圖4 鐵尾礦砂三軸試驗結(jié)果

表4 鐵尾礦砂三軸試驗應(yīng)力值(kPa)

2 水泥改良鐵尾礦砂的力學性能

2.1 配合比設(shè)計

依據(jù)前面鐵尾礦砂的成分分析可知，該尾礦砂中SiO2的含量大約占70%，F(xiàn)e2O3和Al2O3的含量大約占20%左右。由于水泥與水之間的水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2和水泥中游離的Ca2+與活性物質(zhì)SiO2和3CaO·Al2O3作用生成水合硅酸鈣(CaSiO3)和鋁酸鈣(3CaO·Al2O3)等膠凝性物質(zhì)，致使壓實后混合料的強度和穩(wěn)定性得到大幅度的提升[8]。在碾壓密實的過程中，砂樣的顆粒級配不斷重新排序，互相靠攏、充填、密實，排出孔隙中的氣體，顆粒之間相互嵌鎖，承壓面慢慢增大，這使得顆粒之間的內(nèi)摩擦阻力增大，由此在一定程度上提高了穩(wěn)定性和耐久性。

該試驗主要采用水泥作為改良劑來穩(wěn)定鐵尾礦砂。與石灰、粘性土等材料的改良效果相比，水泥能夠充分發(fā)揮其膠凝性，增加尾礦砂顆粒之間的黏結(jié)力，試件強度也比其他改良劑的改良效果更優(yōu)。楊青[9]通過試驗驗證了水泥等無機結(jié)合料改良尾礦砂用于路面基層的強度、回彈模量等方面的指標，結(jié)果表明，改良效果：水泥>水泥+石灰>石灰。為了研究不同最佳摻灰量，需要確定出能夠滿足國家規(guī)范標準《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610-2019)[10]中要求的7 d強度的結(jié)合料摻量，故設(shè)計5組摻灰劑量分別為3%、5%、7%、9%、11%的試件，并制備一組素尾礦砂與改良后的試件擊實結(jié)果進行對比，為后續(xù)試驗提供資料參考。

2.2 改良前后鐵尾礦砂的擊實性能

由圖5和表5可以看出，通過素尾礦砂和改良尾礦砂的試件最大干密度對比可知，摻加水泥改良對鐵尾礦砂的性能改善起到很大作用。隨著設(shè)計配合水量的增加，試件的干密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。此外伴隨水泥的摻量增加，改良后的鐵尾礦砂的最大干密度曲線呈現(xiàn)出先增大后趨穩(wěn)定的規(guī)律。在水泥摻量為3%、5%時，隨含水量的變化，擊實曲線相對平緩，說明鐵尾礦砂結(jié)合水的性能不高，在施工中含水量較易控制，但試件強度仍不滿足要求。當改良劑摻量達到7%時，擊實曲線仍然很陡，說明隨著水泥摻量的增加，水泥發(fā)生水化反應(yīng)，增加了混合料的結(jié)合水的能力，能有效改善該地區(qū)的天然尾礦砂含水率高的難題，也能從另一方面增加鐵尾礦砂的力學強度和剛度，以滿足高速公路路基填料要求。當摻量達到11%時，試件最大干密度出現(xiàn)突增，說明此時水泥在試件強度上發(fā)揮主要作用，且成本增加。故需通過7 d無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果確定最佳摻量。

圖5 水泥改良鐵尾礦砂的擊實曲線

表5 各水泥摻量下鐵尾礦砂的擊實試驗結(jié)果

2.3 7 d無側(cè)限抗壓強度

無側(cè)限抗壓試驗按照國家規(guī)范標準《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)[11]中規(guī)定，養(yǎng)護齡期為7 d時，將試件放在恒溫恒濕條件下養(yǎng)護6 d，再泡水養(yǎng)護1 d；養(yǎng)護齡期為28 d時，將試件放在保溫保濕的環(huán)境中養(yǎng)護27 d，再泡水1 d。之后采用壓力機進行破壞，記錄養(yǎng)護齡期不同的兩類試件所能承受的最大壓力P(N)，7 d和28 d無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 水泥改良鐵尾礦砂7d和28d無側(cè)限抗壓強度曲線

國家行業(yè)標準中規(guī)定，用于公路路基的泡沫輕質(zhì)土應(yīng)滿足：對于高速公路、一級公路路堤層填料要求28d無側(cè)限抗壓強度應(yīng)≥0.6 MPa。由圖6對比分析可知，天然尾礦砂的抗壓強度為0.131 MPa，難以滿足高等級公路路基填料強度要求。當采用水泥來改良鐵尾礦砂后，無機結(jié)合料的抗壓強度得到很大提升。當養(yǎng)護齡期為7 d，摻量為5%的試件強度為0.428 MPa，至少要達到7%(0.728 MPa)，才能滿足標準要求；齡期為28 d時，水泥摻量為5%和7%的試件強度分別為0.565 MPa、0.929 MPa，此時摻加5%劑量水泥改良的鐵尾礦砂的強度仍不滿足規(guī)范要求。因此可知，僅增加養(yǎng)護齡期，雖然試件強度會有一定程度增大，但并不能大幅度提高至滿足要求。由于同時要考慮經(jīng)濟成本的因素，故選定7%作為水泥改良鐵尾礦砂的最佳摻量。

3 改良尾礦砂的承載比(CBR)

根據(jù)標準規(guī)范中的試驗流程要求，進行CBR試驗，得到結(jié)果如圖7所示。

圖7 各水泥摻量下的CBR曲線

通過試驗分析圖7，可知天然尾礦砂的CBR值隨著擊實次數(shù)的增加，承載比變化趨勢緩慢，且不滿足路基填料的最小強度要求：高等級公路填方路基填料最小壓實度≥94%，最小強度值≥4%)[12]。摻入水泥改良之后，隨著摻量和擊實次數(shù)的增加，尾礦砂的CBR的值得到較大的提升。當水泥摻量達到7%時，方可滿足高速公路路基填料承載比要求。綜合考慮經(jīng)濟成本和7 d無側(cè)限抗壓強度等因素，確定水泥摻量為7%作為鐵尾礦砂改良劑的最佳摻量。

4 結(jié)論

通過以上分析可以得到以下結(jié)論：

(1)對比摻加水泥改良前后，鐵尾礦砂的最大干密度、抗剪強度等基本力學指標變化情況，結(jié)果表明：天然鐵尾礦砂的力學特性和抵抗荷載沖擊的能力較差，不滿足高等級路基填料強度要求；當采用水泥作為改良劑穩(wěn)定鐵尾礦砂時，不僅能夠有效控制施工含水率，亦可使鐵尾礦砂的強度和剛度得到較大提升。當摻量達到7%、9%時，隨摻量增加干密度曲線趨于穩(wěn)定，試件的最大干密度達到1.98 g/cm3，能夠滿足規(guī)范所要求的，采用改良砂作為高速公路、一級公路填方路基填料時的最小壓實度≥94%的要求。

(2)當養(yǎng)護齡期為7 d時，水泥摻量至少要達到7%時(試件的強度為0.728 MPa)，強度才能滿足規(guī)范要求(即≥0.54 MPa)；當養(yǎng)護齡期為28d時，水泥摻量為5%和7%的試件強度分別為0.565 MPa、0.929 MPa，此時摻量5%的試件強度仍不滿足規(guī)范要求。故選定7%作為水泥改良鐵尾礦砂的最佳摻量。

(3)隨著水泥摻量和擊實次數(shù)增加，鐵尾礦砂的CBR值也呈現(xiàn)出緩慢遞增的趨勢；當水泥摻量達到7%、9%時，混合料的CBR值基本都達到4%以上，滿足規(guī)范標準對高等級公路路基中上路堤層填料的最小強度要求。綜合經(jīng)濟成本和路基填料強度要求等因素，確定水泥改良鐵尾礦砂的最佳摻量7%。