高聚物穩定鐵尾礦在公路基層中的應用研究

王宏捷,仇小東,李 鋒,陳晶照

(1.南通市公路事業發展中心,江蘇 南通 226001;2.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 211112)

1 原材料性質分析

1.1 鐵尾礦組成分析

選取南鋼礦業公司尾礦庫的鐵尾礦作為原材料開展相關研究。選用X-射線熒光光譜儀對鐵尾礦進行組分分析,分析結果如表1所示。可以看出,鐵尾礦中質量占比最高的組分為SiO2,占30.97%,CaO、MgO、Fe2O3次之,占比均在13%～16%之間,同時含有6.65%的Al2O3,以上幾部分占鐵尾礦總質量比的80%以上,為鐵尾礦的主要組成部分。同時鐵尾礦中還存在著Cu、Ni等重金屬,相關規范如《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》對土壤中的重金屬含量做了相關的規定。計算結果如表2所示,可以看出各重金屬的含量均小于《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》中列出的重金屬含量管制值。

表2 重金屬含量

1.2 基本物理性質分析

參照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020),對鐵尾礦開展了基本物理性質分析,包括顆粒組成、界限含水率、有機質含量、易溶鹽含量等,結果如表3、表4所示。

表3 鐵尾礦顆粒組成分析

表4 鐵尾礦基本物性分析結果

可以看出,鐵尾礦粒徑較細;鐵尾礦的塑性指數小于17,無需摻加石灰進行穩定;另外,土的易溶鹽含量指標包括了氯化鹽類、易溶的硫酸鹽類和碳酸鹽類,還包括了水溶性有機質等,而《公路路面基層施工技術細則》(JTG T/F20-2015)只對硫酸鹽含量做出了相應的規范要求為≤0.25%,所測試的鐵尾礦易溶鹽含量僅0.1%,故滿足硫酸鹽≤0.25%的規范要求。

考慮到鐵尾礦的粒徑較小,水泥用量過多將造成混合料的收縮變形較大,故選用水泥、粉煤灰以及高聚物對鐵尾礦進行綜合穩定。水泥、粉煤灰滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)的相關技術要求,固化劑的相關性質如表5所示。

表5 固化劑檢測結果

2 配比設計

固定高聚物摻量為300 ml/m3,選擇水泥摻量為3%、4.5%、6%,粉煤灰摻量為0%、10%、20%,開展土工擊實試驗,擊實試驗結果如圖1所示。并在最佳含水率條件下開展7 d無側限抗壓強度試驗,確定最佳配比,結果如表6所示。

圖1 擊實試驗結果

表6 7 d無側限抗壓強度試驗結果

可以看出,高聚物穩定鐵尾礦的無側限抗壓強度隨水泥用量的增加而增加,在4.5%水泥、10%粉煤灰、300 ml/m3高聚物摻量條件下,其可用于公路底基層以及重載交通下二級及以下基層的鋪筑[9]。在20%粉煤灰摻量下,水泥摻量由3%增至6%時,高聚物穩定鐵尾礦的抗壓強度增加了88.3%,而不摻加粉煤灰時,其抗壓強度隨水泥用量的增長僅為28.8%。這主要是因為在4.5%、6%水泥摻量條件下,高聚物穩定鐵尾礦的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而增加,而在3%水泥摻量下,高聚物穩定鐵尾礦的抗壓強度隨粉煤灰摻量先增加后減小。

在一定的水泥摻量下,粉煤灰的摻入有助于提高穩定材料的抗壓強度,這主要是因為粉煤灰中的氧化硅、氧化鋁與水泥水化生成的氫氧化鈣發生火山灰反應,生成水化硅酸鈣與鋁酸鈣凝膠,增加土顆粒之間的固化凝聚力,促進了混合料強度的增長。而從上述的試驗結果可以看出,在3%水泥摻量、20%粉煤灰摻量條件下,高聚物穩定鐵尾礦的強度有所降低,這是因為當粉煤灰的摻量過多時,水泥水化產生的氫氧化鈣不足以與粉煤灰中的氧化硅、氧化鋁充分反應,為參加反應的粉煤灰則分散在穩定材料中,使得材料內部缺陷增加,反而降低了材料的強度。

3 干縮性能

為分析高聚物穩定鐵尾礦的干縮性能,根據上述的配比設計結果,選擇4.5%水泥摻量,10%粉煤灰摻量,固化劑摻量為300 ml/m3的配比,測試了高聚物穩定鐵尾礦的干縮系數,并與相同水泥、粉煤灰摻量下,不摻加高聚物的水泥粉煤灰穩定鐵尾礦進行了對比。結果如圖2(a)、(b)、(c)所示。

圖2

從試驗結果可以看出,高聚物穩定鐵尾礦的累計干縮量及失水率均隨著時間的增長逐漸增大,且增長速率隨時間增長逐漸變緩;平均干縮量則先隨時間快速增大,在第3 d左右達到最大值,之后隨著時間的變化逐漸減小,至最后趨于穩定。水泥粉煤灰穩定鐵尾礦的干縮量、失水率及平均干縮系數變化規律與高聚物穩定鐵尾礦相似,但其值略大于高聚物穩定鐵尾礦:在15 d處,水泥粉煤灰穩定鐵尾礦的累計干縮量高于高聚物穩定鐵尾礦約13.6%;平均干縮系數則高于高聚物穩定鐵尾礦約10.2%,可以看出高聚物穩定鐵尾礦的收縮性能優于水泥粉煤灰穩定鐵尾礦。這主要是由于高聚物中的水性聚合物在鐵尾礦的混合攪拌過程中均勻的分散在混合料中,經固化形成均勻的分子網絡結構,兩者生成的膠結物質相互搭接,填充孔隙,限制了毛細水的遷移,故高聚物的摻入可提高鐵尾礦混合料的干縮性能。

為了評價鐵尾礦混合料的收縮性能,分別選取了水泥穩定碎石(水泥摻量3.5%)、水泥穩定砂礫(水泥摻量5%)[10]進行對比,對比結果如圖3所示。從圖中可以看出,水泥穩定碎石、水泥穩定砂礫的平均收縮系數均低于鐵尾礦混合料,其中水泥穩定碎石的平均收縮系數較高聚物穩定鐵尾礦低42.7%,水泥穩定砂礫的平均收縮系數較高聚物穩定鐵尾礦低3.8%。

圖3 不同材料平均干縮系數對比

這主要是因為鐵尾礦的粒徑較細,成型后試件內部的空隙結構與水穩碎石相比更為豐富,為試件內部毛細水的遷移提供了條件,故其試件的干縮系數明顯大于水穩碎石。類似的,水泥穩定砂礫由于其級配優于鐵尾礦,故其試件內部毛細水的遷移程度小于鐵尾礦混合料,但由于高聚物穩定鐵尾礦中摻入了一定量的粉煤灰與高聚物,一方面粉煤灰玻璃微珠和富鐵微珠提高了混合料的密實度,另一方面高聚物中的水性聚合物形成的均勻分子網絡結構,兩者均對毛細水有一定的限制作用,故水泥穩定砂礫與高聚物穩定鐵尾礦的平均干縮系數無明顯差別。

4 結 論

(1)在一定水泥摻量下,粉煤灰的摻入提高了高聚物穩定鐵尾礦的無側限抗壓強度,但當粉煤灰摻量過高時,過量的粉煤灰分散在鐵尾礦混合料中不參與反應,降低了材料強度;在4.5%水泥、10%粉煤灰、300 ml/m3高聚物摻量條件下,高聚物穩定鐵尾礦的強度可以滿足各等級公路的底基層的技術要求,也可滿足重載交通下二級及二級以下公路的基層要求。

(2)在相同水泥、粉煤灰摻量條件下,高聚物的摻入在一定程度上提高了鐵尾礦混合料的干縮性能,這主要是由于高聚物中的水性聚合物均勻分布形成的分子網絡結構限制了毛細水的遷移。

(3)與水泥穩定碎石、水泥穩定砂礫相比,水泥穩定碎石的干縮性能明顯優于高聚物穩定鐵尾礦,水泥穩定土則與高聚物穩定鐵尾礦無明顯差別,故可考慮選擇高聚物穩定鐵尾礦以替代水泥穩定土在工程中的應用。