王洪國，蘇紀(jì)壯，張 民，汲 平，王鑫洋，劉 健，3

(1.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250001；2.山東高速工程檢測(cè)有限公司，濟(jì)南 250002；3.山東高速工程咨詢集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250002)

0 引 言

鐵尾礦是鐵礦場(chǎng)在開采分選礦石后排放的固體廢棄物，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵尾礦排放量逐年增加，如不能進(jìn)行合理利用將占用大量土地、造成環(huán)境污染，還易產(chǎn)生安全隱患[1]。而公路工程建設(shè)過程中需要大量的筑路材料，若能將鐵尾礦砂用作筑路材料，既可以降低公路工程造價(jià)，也可減少其對(duì)環(huán)境的污染。因此，研究鐵尾礦砂對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的路用性能的影響，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、降低施工成本具有重要經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

國內(nèi)外研究者對(duì)鐵尾礦應(yīng)用于瀝青路面半剛性基層進(jìn)行了一定研究。楊青[2]對(duì)鐵尾礦砂顆粒級(jí)配、礦物組成、水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性、干縮性能等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦砂的性能，能夠滿足低等級(jí)公路基層的要求。王琰[3]對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定鐵尾礦砂的疲勞及抗凍性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，石灰穩(wěn)定鐵尾礦砂的疲勞特性和抗凍融特性優(yōu)于水泥穩(wěn)定土。劉云霄等[4]研究了鐵尾礦與水泥基材料的界面黏附機(jī)理，結(jié)果表明，鐵尾礦砂灌漿料的界面過渡區(qū)較石英砂更為密實(shí)。張海濤等[5]研究了粉煤灰對(duì)振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，粉煤灰對(duì)兩種拌和技術(shù)的水泥穩(wěn)定碎石最大干密度和無限抗壓強(qiáng)度均有一定的影響。趙軍利等[6]研究了振動(dòng)攪拌參數(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明,在振動(dòng)攪拌條件下，攪拌時(shí)間對(duì)混合料抗壓強(qiáng)度的影響最大，振動(dòng)頻率和攪拌速度次之，濕拌時(shí)間的影響最小。穆煒罡[7]對(duì)水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)攪拌進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與普通攪拌方式相比,混合料7 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，抗沖刷能力顯著增強(qiáng)。Che等[8]對(duì)鐵尾礦混凝土(iron tailings concrete,ITC)力學(xué)性能及耐久性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，鐵尾礦砂混凝土各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足農(nóng)村公路需求。Djellali等[9]對(duì)經(jīng)水泥處理后的鐵尾礦砂的密實(shí)度，抗壓強(qiáng)度及加州承載比(Califomia bearer ratio,CBR)進(jìn)行了測(cè)試。Oliveira等[10]使用水泥對(duì)兩種鐵尾礦砂的物理力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)水泥用量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，混合料的力學(xué)性能夠滿足巴西規(guī)范(Base de solo-cimento:materiais para base de solo-cimento.Requisitos:NBR 11798.)中路基技術(shù)指標(biāo)要求。目前已有研究?jī)H對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的路用性能和振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能的影響進(jìn)行了分別研究，未涉及鐵尾礦砂和振動(dòng)攪拌技術(shù)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料路用性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響。

基于此，本文通過振動(dòng)攪拌、傳統(tǒng)連續(xù)式攪拌對(duì)不同鐵尾礦砂摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行宏觀和微觀試驗(yàn)研究，以便進(jìn)一步認(rèn)識(shí)振動(dòng)攪拌技術(shù)及鐵尾礦砂作用機(jī)制，準(zhǔn)確地表征其混合料性能，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

研究采用山東棗莊某石料有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r集料，主要分為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm三檔，細(xì)集料為0～4.75 mm機(jī)制砂，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F20—2015)中相關(guān)要求。水泥采用山水水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)緩凝水泥。試驗(yàn)用水為濟(jì)南地區(qū)自來水。選用山東臨沂蒼山縣某礦廠生產(chǎn)的鐵尾礦砂，鐵尾礦砂各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)、和礦物組成如表1和表2所示。

表1 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)表Table 1 Technical index of fine aggregate

表2 礦物成分組成表Table 2 Content of aggregate

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，研究前對(duì)原材料進(jìn)行篩分，配合比設(shè)計(jì)時(shí)逐檔回配。水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂混合料級(jí)配如圖1所示，其中鐵尾礦用量分別為礦料質(zhì)量的0%～25%(下文摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，通過重型擊實(shí)試驗(yàn)確定混合料最佳用水量為5.3%，水泥用量為4.2%。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配圖Fig.1 Grading curves cement stabilized macadam mixture

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)各鐵尾礦砂摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料通過連續(xù)攪拌和振動(dòng)攪拌方式拌和試樣，采用德通振動(dòng)有限公司生產(chǎn)的DT60ZBW系列振動(dòng)攪拌機(jī)，振動(dòng)攪拌頻率為50 Hz，振動(dòng)拌和時(shí)間為40 s[11-14]；連續(xù)攪拌速率為45 r/min，拌和時(shí)間為45 s。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strenght，UCS)、間接拉伸強(qiáng)度(indirect tensile strength，ITS)和水穩(wěn)定性試樣采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法養(yǎng)生7 d，抗凍性試驗(yàn)及間接拉伸疲勞試驗(yàn)試樣采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d。水穩(wěn)定性試驗(yàn)采用20 ℃下保水48 h后測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；抗凍性試樣采用5次凍融循環(huán)(-18 ℃凍結(jié)16 h，取出試件量高、稱質(zhì)量，然后立即放入20 ℃的水槽中進(jìn)行融化，融化時(shí)間8 h，融化完畢，取出試件擦干后量高、稱質(zhì)量為一次凍融循環(huán))，后測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；疲勞試驗(yàn)采用Havesine波，加載頻率為10 Hz，應(yīng)力控制方式，應(yīng)力比選為0.5～0.8，試驗(yàn)溫度定為15 ℃[11]。并采用X射線衍射(XRD)儀和掃描電鏡(SEM)對(duì)連續(xù)攪拌和振動(dòng)攪拌制備的試樣進(jìn)行微觀機(jī)理分析，其中，XRD掃描范圍為10°～90°，SEM放大倍數(shù)為2 000倍和10 000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)度分析

不同攪拌方式及不同鐵尾礦摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Mechanical strength results

由圖2中試驗(yàn)結(jié)果可以看出：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及間接拉伸強(qiáng)度隨鐵尾礦砂量的增加呈現(xiàn)先增大后間減小的趨勢(shì)，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度達(dá)到峰值，其原因?yàn)殍F尾礦砂較石屑更細(xì)，使得粗集料表面裹覆更多水泥膠砂，能夠均勻填充集料間空隙，但當(dāng)用量達(dá)到一定限值后，混合料的骨架結(jié)構(gòu)被破壞，使得各集料間的水泥膠砂增加，水泥膠砂強(qiáng)度低于碎石強(qiáng)度，更易發(fā)生破壞。振動(dòng)攪拌方式成型混合料強(qiáng)度明顯大于連續(xù)攪拌方法制備的試件，究其原因，振動(dòng)攪拌過程中產(chǎn)生的振動(dòng)波能夠使混合料中的水泥團(tuán)分散開，水泥水化更加完全，水化產(chǎn)物增多，同時(shí)生成更多的水泥漿體，加速了集料顆粒移動(dòng)，提高了混合料在微觀層面上的均勻性。

2.2 水穩(wěn)定性分析

本研究通過水穩(wěn)性系數(shù)(R)評(píng)價(jià)摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3中試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：養(yǎng)生28 d試樣水穩(wěn)定性明顯高于養(yǎng)生7 d試樣，主要原因是養(yǎng)生28 d的試樣水泥水化程度更高，表現(xiàn)為混合料強(qiáng)度的增加；混合料水穩(wěn)定性隨鐵尾礦砂摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度達(dá)到峰值；振動(dòng)攪拌方式制備試樣水穩(wěn)定性較連續(xù)攪拌方式試樣效果更好，主要原因是,在振動(dòng)波作用下顆粒發(fā)生移動(dòng)，集料表面能夠裹復(fù)更多水泥膠砂，這使得混合料內(nèi)部更加密實(shí)，水穩(wěn)定性效果更好。

圖3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Water stability test results

2.3 抗凍性分析

本研究采用凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)摻鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石抗凍性進(jìn)行研究，測(cè)定經(jīng)5次凍融循環(huán)后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(RDC-5)，并與未進(jìn)行凍融試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(RC)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算混合料的抗凍性指標(biāo)(BDR)，抗凍性試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 抗凍性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of freezing resistance

由表3試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：摻加鐵尾礦砂后水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗凍性明顯提升，但到達(dá)某一峰值后不再增長(zhǎng)，主要原因是,鐵尾礦砂中小于0.075 mm顆粒含量明顯高于石屑，經(jīng)拌和后形成的水泥膠砂量增加，混合料內(nèi)部空隙填充更加充分，即試樣內(nèi)部更加密實(shí)，從而表現(xiàn)出試樣抗凍性的提升；振動(dòng)攪拌較連續(xù)攪拌制備試樣的抗凍性更好，主要原因是,在振動(dòng)波作用下顆粒發(fā)生移動(dòng)，集料表面能夠裹復(fù)更多水泥膠砂，且水泥水化更充分。

2.4 抗疲勞性能分析

本文采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)對(duì)未摻加鐵尾礦砂和不同鐵尾礦砂摻量水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行抗疲勞性能研究，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命隨鐵尾礦砂的摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，但其規(guī)律與強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果有所不同，當(dāng)鐵尾礦砂用量為5%時(shí)疲勞壽命達(dá)到最大值，主要原因是鐵尾礦砂用量低時(shí)混合料內(nèi)部變異性更大，內(nèi)部空隙更多成為反復(fù)交通荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)，更易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但隨著用量的繼續(xù)增加，混合料內(nèi)部中的細(xì)集料不能被水化的水泥完全裹復(fù)，使其在混合料內(nèi)部結(jié)團(tuán)，沒有形成足夠強(qiáng)度，在失水時(shí)，體積迅速收縮，在混合料內(nèi)部形成微裂紋，導(dǎo)致重復(fù)荷載作用下應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯，表現(xiàn)出疲勞壽命要低于不摻加鐵尾礦砂的混合料。振動(dòng)攪拌制備試樣較連續(xù)攪拌方式疲勞壽命高，其原因?yàn)?，振?dòng)攪拌方式使粗集料裹復(fù)水泥膠砂更加均勻，混合料內(nèi)部水泥分散更加均勻，內(nèi)部微裂紋和未攪拌均勻的細(xì)集料更少，降低了混合料內(nèi)部的各向異性。

表4 間接拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Indirect tensile fatigue test results

對(duì)表4中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如表5所示。

表5 疲勞回歸方程表Table 5 Fatigue regression equation

由表5擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，疲勞壽命擬合方程的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，說明疲勞壽命與應(yīng)力比具有良好的相關(guān)性。其中，疲勞回歸方程中的截距反映了混合料的疲勞壽命，截距越大疲勞壽命越長(zhǎng)。不同鐵尾礦砂摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料疲勞回歸方程的截距大小依次為：摻加5%鐵尾礦砂>摻加10%鐵尾礦砂>無鐵尾礦砂>摻加15%鐵尾礦砂>摻加20%鐵尾礦砂>摻加25%鐵尾礦砂，說明混合料中適當(dāng)添加一定量的鐵尾礦砂能夠提高反復(fù)交通荷載作用下水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命。

2.5 XRD分析

在力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇不添加鐵尾礦砂和鐵尾礦砂用量為10%的水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 水泥穩(wěn)定碎石混合料的XRD譜Fig.4 XRD patterns of cement stabilized macadam mixture

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：(1)無論采用哪種攪拌方式，是否添加鐵尾礦砂，混合料中主要物質(zhì)均為CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、C2S和C3S，其中CaO和SiO2的峰值比較明顯，主要原因是，在XRD試樣的制備過程中，將粗集料表面黏附的細(xì)集料刮下，經(jīng)室內(nèi)磨細(xì)后使用0.075 mm方孔篩篩分備用，這使得XRD試樣中含有大量的集料粉末，因此CaO和SiO2的峰值較其他礦物更明顯；(2)水泥穩(wěn)定碎石混合料在添加10%的鐵尾礦砂后，試樣的Fe2O3峰值更明顯，主要原因是鐵尾礦砂中含有較多的含鐵礦物；(3)在相同養(yǎng)生條件、齡期及水泥用量下，采用振動(dòng)攪拌方式制備的水泥穩(wěn)定碎石混合料中出現(xiàn)了明顯的硅酸三鈣(C3S)和硅酸三鈣(C2S)峰值，主要原因是振動(dòng)作用加速了水泥在集料中的分散，使水泥在混合料內(nèi)部分散更均勻。

2.6 SEM分析

對(duì)不添加鐵尾礦砂和鐵尾礦砂用量為10%的水泥穩(wěn)定碎石混合料進(jìn)行SEM測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 連續(xù)攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of cement stabilized macadam mixture with static mixing

由圖5看出，不添加鐵尾礦砂的水泥穩(wěn)定碎石混合料內(nèi)部多為球形顆粒，各集料顆粒間存在較多水泥膠漿，混合料內(nèi)部集料未形成密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)，添加10%鐵尾礦砂后混合料內(nèi)部存在較多“扁平”顆粒，且顆粒間水泥膠漿層更薄，集料顆粒連接緊密，該現(xiàn)象與強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一致。

對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)：采用連續(xù)攪拌時(shí)混合料內(nèi)部“針刺狀”或“針棒狀”的鈣釩石較少，采用振動(dòng)攪拌時(shí)混合料內(nèi)部鈣釩石更明顯，且分布更加均勻，主要原因是，振動(dòng)攪拌過程中的振動(dòng)作用使水泥在混合料中分布更加均勻，且水泥水化更加充分；采用兩種攪拌方式制備的混合料內(nèi)部均有明顯的通透的塊狀Ca(OH)2和團(tuán)粒狀的CaCO3，但采用振動(dòng)攪拌制備試樣內(nèi)部塊狀Ca(OH)2和團(tuán)粒狀的CaCO3數(shù)量更多，分布更加均勻，且搭接、穿插更為致密，整體性更好；采用振動(dòng)攪拌時(shí)試樣內(nèi)部C-S-H凝膠數(shù)量更多且發(fā)育更加完整，試樣孔洞和縫隙均能被有效填充，這使得混合料的強(qiáng)度更高。

圖6 振動(dòng)攪拌水泥穩(wěn)定碎石混合料的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of cement stabilized macadam mixture with vibratory mixing

3 結(jié) 論

(1)水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及抗凍性隨鐵尾礦砂量的增加先增大后減小，當(dāng)鐵尾礦砂用量為10%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料物理力學(xué)性能達(dá)到峰值。

(2)鐵尾礦砂的加入對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命有一定影響，當(dāng)鐵尾礦用量為5%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石混合料的疲勞壽命達(dá)到峰值。

(3)振動(dòng)攪拌方式與連續(xù)攪拌方式相比，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接拉伸強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、抗凍性、抗疲勞性能更好。

(4)添加鐵尾礦砂后混合料中出現(xiàn)了明顯的Fe2O3峰，且振動(dòng)攪拌方式制備的水泥穩(wěn)定碎石混合料中出現(xiàn)了明顯的硅酸三鈣(C3S)和硅酸三鈣(C2S)峰。

(5)振動(dòng)攪拌方式較連續(xù)攪拌方式制備的試樣內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物分布更為均勻，且體積和數(shù)量明顯大于連續(xù)攪拌方式制備的試樣。