王一峰 劉晶磊 王奧運 于川情 趙 倩

(河北建筑工程學院土木工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

鐵尾礦是鐵礦精煉后排出的工業(yè)固體廢料，近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展加塊，鐵礦石的消耗量急劇增加，導致大量鐵尾礦堆積，鐵尾礦作為一種常見的工業(yè)固體廢料占用大量耕地，排出的有毒有害的重金屬物質(zhì)嚴重污染周邊環(huán)境，因此鐵尾礦的綜合利用已經(jīng)引起國家有關部門的高度重視[1-3].我國公路工程中公路基層材料通常使用碎石，對山石等生產(chǎn)用原材料的過度開采，會造成水土的大量流失和植被的破壞，生態(tài)平衡和自然環(huán)境會進一步惡化，因此將鐵尾礦應用于道路工程中不僅可以保護生態(tài)環(huán)境，又能消耗大量堆存的鐵尾礦，其應用前景廣闊[4].20世紀50年代美國明尼蘇達州已經(jīng)開始將鐵尾礦應用于道路工程的研究，從市政道路工程開始到高速公路的建設，明尼蘇達州廣泛地將鐵尾礦應用于各類不同的道路工程中，通過明尼蘇達州相關實踐表明，使用鐵尾礦作為路基材料修建的公路具有耐久性好、強度高的優(yōu)點[5].與國外相比，我國對鐵尾礦的路用性能研究起步較晚，20世紀90年代東北大學與馬鞍山礦山研究院合作研究將鐵尾礦與碎石等材料混合搭配鋪設于公路上，經(jīng)過一定齡期的養(yǎng)護達到了國家公路路面基層材料標準[6-7].河北野興公路為二級公路，在此公路的建設中設置了采用石灰、粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦的工程試驗路段，經(jīng)過幾年的檢驗和現(xiàn)場勘查，試驗段路面整體狀況良好，符合使用要求[8].蘇更[9]在二級旅游公路路面基層中使用了首鋼礦業(yè)公司遷安市的鐵尾礦料，通過現(xiàn)場試驗，結果表明，各項結果均滿足規(guī)范要求.孫吉書[10]等以石灰粉煤灰為穩(wěn)定材料研究其穩(wěn)定鐵尾礦碎石的路用性能，結果表明石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦路用性能良好.

本文通過擊實試驗確定不同摻量的DHT土凝巖改良鐵尾礦最優(yōu)含水量和最大干密度，用正交試驗的方法，通過無側限抗壓強度試驗，研究DHT土凝巖摻量、養(yǎng)護齡期、壓實度對DHT土凝巖改良鐵尾礦無側限抗壓強度的影響，并對試驗結果進行方差分析，為將鐵尾礦應用于公路工程提供試驗依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗所用鐵尾礦為河北張家口地區(qū)宣化鐵礦的鐵尾礦，宣化鐵礦礦石為赤鐵礦，主要礦物成分為石英，其次為角閃石、輝石、粘土，鐵尾礦化學成分分析結果和鐵尾礦顆粒組成見表1和表2，由于原狀鐵尾礦中有粒徑較大的顆粒物，因此在制作試件之前先將原狀鐵尾礦過2.5 mm篩.試驗所用DHT土凝巖主要成分是赤泥、粉煤灰和煤矸石等工業(yè)廢棄物，其性狀為粉末狀無機材料，密度2.80 g/cm3-3.20 g/cm3；初凝時間480 min，終凝時間720 min，抗壓強度54 MPa，抗折強度9.4 MPa.將土凝巖應用在道路工程中有利于工業(yè)廢渣的綜合利用，有利于轉變經(jīng)濟發(fā)展方式和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟.

表1 鐵尾礦化學成分分析結果

表2 鐵尾礦顆粒組成

1.2 試驗內(nèi)容

首先根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[11]對鐵尾礦和不同摻量的DHT土凝巖改良鐵尾礦進行重型擊實試驗以確定其最優(yōu)含水率和最大干密度，首先將鐵尾礦過20 mm篩，將過篩的鐵尾礦取出稱取5 kg，噴入相應質(zhì)量的水攪拌均勻后悶料5 h，再分別按照相應摻量與DHT土凝巖混合，攪拌均勻后將材料分5次裝入擊實土中，每層擊實27下.試驗在將DHT土凝巖與鐵尾礦攪拌后1 h內(nèi)完成.本文共進行8%、10%、12%三個DHT土凝巖摻量的試驗，每個摻量做6個依次相差1%含水率的試件.擊實試驗結果見表3.

表3 擊實試驗結果

以各摻量的最優(yōu)含水率和最優(yōu)含水率為基礎進行無側限抗壓強度試驗，試驗參考JTG E51-2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，具體操作如下所述：按試驗所需稱取一定質(zhì)量的土，倒入相應質(zhì)量的水，攪拌均勻后悶料5 h，倒入相應質(zhì)量的DHT土凝巖，攪拌均勻后稱取每個試件所需的質(zhì)量倒入試件模具中后放在壓模機上壓制成型，靜置2 min后脫模取出，稱取質(zhì)量、測量高度并記錄，將脫模后的試件用密閉塑料袋密封好，放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護.等試件達到養(yǎng)護要求后，用路面材料強度試驗儀進行無側限抗壓強度測試，并進行記錄.

無側限抗壓強度是公路路基填料的主要控制指標，其中改良劑摻量、養(yǎng)護齡期、壓實度等條件對路基土無側限抗壓強度影響較大，而DHT土凝巖改良鐵尾礦作為一種新型路基填料，必須明確各種因素對其無側限抗壓強度的影響.為了降低試驗周期，減少試驗費用，本文通過正交試驗方法探究DHT土凝巖摻量、養(yǎng)護齡期、壓實度對DHT土凝巖改良鐵尾礦無側限抗壓強度的影響.正交試驗設計因素水平見表4，由于本試驗選取了3因素3水平，因此選用L9(34)正交表，試驗共9個工況，每個工況做6個試件，正交試驗各個工況見表5.

表4 正交試驗設計因素水平表

表5 全工況概覽

1.3 試驗分析方法

正交試驗結果分析方法有極差分析法和方差分析法.極差分析法以其簡單形象、直觀易懂的優(yōu)點為研究人員所使用，但由于極差分析對數(shù)據(jù)的處理比較簡單，對于某些數(shù)據(jù)波動不能很好地展現(xiàn)出來.方差分析法用于多個樣本均值差異的顯著性檢驗.由于各種因素導致試驗數(shù)據(jù)往往呈波動狀態(tài)，而數(shù)據(jù)波動的原因有不受控制的隨機因素和受到控制的試驗變量.方差分析以數(shù)據(jù)的方差為標準，研究對試驗結果的變化起顯著性作用的變量，因此，本文選用方差分析法處理試驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù).

2 試驗結果及分析

表6 正交試驗結果與數(shù)值計算

表6中工況4的無側限抗壓強度為2.65 MPa，即當土凝巖摻量為10%，壓實度為95%時，其7 d無側限抗壓強度為2.65 MPa，而JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》[12]中對二級及二級以下公路使用水泥穩(wěn)定材料做基層的7 d無側限抗壓強度不小于2 MPa，因此，10%摻量的DHT土凝巖無側限抗壓強度符合規(guī)范要求.

表7 正交試驗方差分析表

由表7中可看出，因子A、因子B、因子C的作用都比較顯著，其影響的效果大小排序為因子B>因子A>因子C，即在本試驗條件下，DHT土凝巖摻量、養(yǎng)護齡期、壓實度對DHT土凝巖改良鐵尾礦強度影響顯著，且養(yǎng)護齡期的變化對其無側限抗壓強度的影響最顯著，其次是DHT土凝巖摻量變化，最后是壓實度的變化.

表8 各因素平均強度

由表8可以看出A3>A2>A1，B3>B2>B1，C3>C2>C1.即DHT土凝巖摻量越大，改良鐵尾礦無側限抗壓強度越大，分析其原因DHT土凝巖初期與水發(fā)生水化反應生成凝膠，當反應進一步進行后凝膠數(shù)量越來越多，聯(lián)結的土顆粒也越來越多，就會形成空間網(wǎng)狀的骨架結構，DHT土凝巖摻量越大，產(chǎn)生的凝膠越多，骨架也更穩(wěn)定；養(yǎng)護齡期越大，改良鐵尾礦無側限抗壓強度越大，分析其原因隨著時間的增加，膠凝產(chǎn)物越來越多，空間骨架結構越來越穩(wěn)定；壓實度越大，改良鐵尾礦無側限抗壓強度越大，分析其原因壓實度越大土粒間距離越短，在凝膠量相同的情況下距離較短的土粒間骨架結構更穩(wěn)定.

3 試驗結論

本文通過擊實試驗確定不同摻量的DHT土凝巖改良鐵尾礦最優(yōu)含水量和最大干密度，用正交試驗的方法，通過無側限抗壓強度試驗，研究DHT土凝巖摻量、養(yǎng)護齡期、壓實度對DHT土凝巖改良鐵尾礦無側限抗壓強度的影響，并對試驗結果進行方差分析，限于本文試驗條件，得出了以下結論：

(1)DHT土凝巖摻量為10%，壓實度為95%時，其7 d無側限抗壓強度為2.65 MPa，滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》中對二級及二級以下公路使用水泥穩(wěn)定材料做基層強度要求.

(2)DHT土凝巖摻量、養(yǎng)護齡期、壓實度對DHT土凝巖改良鐵尾礦強度影響較大，且養(yǎng)護齡期的變化對其無側限抗壓強度的影響最顯著，其次是DHT土凝巖摻量變化，最后是壓實度變化.

(3)DHT土凝巖摻量越大，改良鐵尾礦無側限抗壓強度越大；養(yǎng)護齡期越長，改良鐵尾礦無側限抗壓強度越大；壓實度越大，改良鐵尾礦無側限抗壓強度越大.

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