王文杰

（山西路橋市政工程有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

近年來(lái)，隨著礦產(chǎn)資源的大量開(kāi)發(fā)和利用，相繼產(chǎn)生了大量的固體廢棄物，鐵尾礦作為工業(yè)棄渣，綜合利用率不足7%，占據(jù)大量農(nóng)田和土地，給礦山附近當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)巨大困擾。其次，各省相繼推出四好農(nóng)村路和旅游公路的建設(shè)，在道路工程中對(duì)石料的需求量不斷增加，導(dǎo)致筑路成本逐年增加。鐵尾礦作為二次能源，若能將其應(yīng)用于道路領(lǐng)域，不僅可以有效的解決砂石料的短缺問(wèn)題，同時(shí)也可以避免因鐵礦石堆存量大造成的一系列問(wèn)題，大大降低筑路成本，減少資源消耗量［1］。王宇杰研究表明將鐵尾礦磨成鐵尾礦微粉用于水泥混凝土，可以顯著提高混凝土和易性［2］。王宏將鐵尾礦替代石英砂制備的活性粉末混凝土，發(fā)現(xiàn)其具有良好的力學(xué)性能［3］。李壯研究表明，鐵尾礦砂可以用于密實(shí)混凝土、加氣混凝土、ECC、超高性能混凝土［4］。大部分研究是將鐵尾礦磨成砂或者微粉，雖然取得一定效果，但是鐵尾礦磨成粉無(wú)疑增加筑路成本，同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看并不經(jīng)濟(jì)［5］。目前，我國(guó)將鐵尾礦碎石作為集料直接應(yīng)用于道路基層的研究相對(duì)較少。本文將不同摻量鐵尾礦碎石摻入混合料，并對(duì)成型后的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干縮性能和凍融劈裂性能進(jìn)行研究，從強(qiáng)度規(guī)律和耐久性?xún)蓚€(gè)方面對(duì)鐵尾礦作為基層材料適應(yīng)性進(jìn)行研究。

2 不同鐵尾礦摻量的水穩(wěn)碎石強(qiáng)度規(guī)律研究

2.1 原材料及試驗(yàn)配合比

1）鐵尾礦。

粗骨料的密度及吸水率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 粗骨料的密度及吸水率試驗(yàn)結(jié)果

表2 鐵尾礦碎石的試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，鐵尾礦碎石表現(xiàn)較好的物理性能，與石灰?guī)r、花崗巖相差不大。鐵尾礦碎石在針片狀含量、0.075以下粉塵含量性能方面都滿(mǎn)足規(guī)范要求。鐵尾礦碎石的壓碎值和磨耗值略大于石灰?guī)r，滿(mǎn)足公路施工技術(shù)規(guī)范的要求。

2）配合比設(shè)計(jì)。

為了研究水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的影響、考慮利用水泥的經(jīng)濟(jì)性及作用后的效果，本文設(shè)計(jì)兩種方案，要求混凝土水泥摻量為4%和5%。選定四種鐵尾礦碎石摻量（0%，25%，50%，75%）的摻配方式，由于鐵尾礦碎石的最大粒徑為26.5 mm，無(wú)法滿(mǎn)足骨架密實(shí)最大粒徑的要求，故摻量最高定于75%。分為6檔備料，其中石灰?guī)r分為5檔料，鐵尾礦碎石作為一檔料。不同鐵尾礦碎石摻量的集料的合成級(jí)配如圖1所示。

2.2 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

為研究水泥摻量、鐵尾礦碎石摻量以及養(yǎng)生齡期對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石基層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。按照?qǐng)D1中配合比設(shè)計(jì)方案，預(yù)制不同鐵尾礦摻配試塊，并對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)生齡期為7 d，28 d，60 d，90 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖1 不同鐵尾礦摻量水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石基層合成級(jí)配

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

兩種水泥劑量對(duì)四種鐵尾礦摻量混合料進(jìn)行了7 d，28 d，60 d，90 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 抗壓強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律

從圖2（a）和圖2（b）中可以看出，對(duì)于同一齡期同一水泥劑量的混合料，普通水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度高于摻有鐵尾礦的水泥穩(wěn)定碎石。重載交通混凝土基層要求7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于5 MPa，當(dāng)鐵尾礦摻量為50%和75%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度低于5 MPa，說(shuō)明當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石鐵尾礦摻配為50%和75%時(shí)，初期強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足重載交通要求。當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石鐵尾礦摻量為25%時(shí)，可以用于重載交通基層。

對(duì)于不同養(yǎng)生齡期的混合料，在相同的水泥劑量的情況下，抗壓強(qiáng)度隨著鐵尾礦碎石摻量的增大而不斷減小，鐵尾礦碎石摻量越大，抗壓強(qiáng)度減少的越明顯。從圖2（a）和圖2（b）中可知，鐵尾礦碎石摻量對(duì)混合料的抗壓強(qiáng)度影響較大，以4%水泥摻配為例，鐵尾礦摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降8.6%，鐵尾礦摻量為75%的水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降61.59%。分析其原因，鐵尾礦碎石的壓碎值及磨耗值較普通石料大，當(dāng)鐵尾礦碎石摻量增加到一定的值時(shí)，雖然水泥增大了對(duì)骨料膠結(jié)能力，骨架自身存在著多裂隙、雜質(zhì)較多的缺點(diǎn)，致使骨料的抗壓強(qiáng)度降低，對(duì)混合料抗壓強(qiáng)度起到減弱的影響，所以導(dǎo)致鐵尾礦碎石摻量較大時(shí)，抗壓能力較弱。單從抗壓強(qiáng)度這一指標(biāo)來(lái)看，鐵尾礦摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石，可以滿(mǎn)足重載交通初期強(qiáng)度要求。

由圖1可知，加入酵母菌及甜酒曲的效果均沒(méi)有原有納豆的評(píng)分高。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，酵母菌及糖化菌與納豆菌形成的混合菌種對(duì)納豆的風(fēng)味沒(méi)有起到改善作用。

2.3 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)研究

水泥穩(wěn)定碎石在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生層底拉應(yīng)力，如果層底拉應(yīng)力過(guò)低，基層將會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象［7］。為研究水泥摻量、鐵尾礦碎石摻量以及養(yǎng)生齡期對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石基層的劈裂強(qiáng)度的影響。按照2.1中配合比設(shè)計(jì)方案，預(yù)制不同鐵尾礦摻配試塊進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從圖3（a）和圖3（b）中可以看出，在相同的養(yǎng)生齡期下，水泥劑量一定時(shí)，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的劈裂強(qiáng)度隨著鐵尾礦碎石摻量的增加不斷減小。劈裂強(qiáng)度目前規(guī)范中無(wú)明確推薦值，長(zhǎng)安大學(xué)譚學(xué)政［8］給出重載交通7 d劈裂強(qiáng)度推薦值要求大于0.5 MPa，本節(jié)以此作為參考值。當(dāng)鐵尾礦摻量從25%增加到75%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度始終高于0.5 MPa，單從7 d劈裂強(qiáng)度來(lái)看，摻量為25%～75%的鐵尾礦摻入水泥穩(wěn)定碎石均可用于重載交通。

從圖3（a）和圖3（b）中可以看出，鐵尾礦摻量從0%增大到75%的過(guò)程中，不同水泥劑量下的劈裂強(qiáng)度減小率隨著養(yǎng)生齡期的增加逐漸降低。以變化幅度較大的5%水泥摻配為例，鐵尾礦摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石7 d劈裂強(qiáng)度下降6.4%，鐵尾礦摻量為75%的水泥穩(wěn)定碎石7 d劈裂強(qiáng)度下降21.8%?？傮w來(lái)看，鐵尾礦碎石摻量對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石抗壓強(qiáng)度的影響要大于對(duì)其劈裂強(qiáng)度的影響。

圖3 劈裂強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律

綜合對(duì)比不同摻量鐵尾礦混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值和劈裂強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石在使用過(guò)程中應(yīng)保證足夠的養(yǎng)生齡期，尤其在鐵尾礦摻量較高的情況下，足夠的養(yǎng)生齡期可以降低水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石基層抗壓強(qiáng)度與一般水泥穩(wěn)定碎石基層之間劈裂強(qiáng)度的差距。

3 不同鐵尾礦摻量的水穩(wěn)碎石耐久特性研究

3.1 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石干縮性能試驗(yàn)研究

水泥穩(wěn)定基層材料的干縮量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致基層裂縫增多，從而對(duì)道路的使用壽命產(chǎn)生影響［9］。為研究水泥摻量、鐵尾礦碎石摻量以及養(yǎng)生齡期對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石干縮性能的影響。按照2.1中配合比設(shè)計(jì)方案，預(yù)制不同鐵尾礦摻配試塊，進(jìn)行干縮試驗(yàn)，對(duì)試件進(jìn)行觀(guān)察及記錄數(shù)據(jù)60 d，數(shù)據(jù)計(jì)算處理后，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的干縮應(yīng)變隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加而不斷增加，呈現(xiàn)非線(xiàn)性生長(zhǎng)的規(guī)律；相同水泥摻量下，鐵尾礦碎石摻量越大，干縮應(yīng)變?cè)酱?。不同鐵尾礦碎石摻量的混合料試驗(yàn)開(kāi)始的1 d～10 d的干縮應(yīng)變的增長(zhǎng)較大，10 d～30 d干縮應(yīng)變的增長(zhǎng)趨于平緩，30 d之后干縮應(yīng)變基本沒(méi)有變化。對(duì)比圖4（a）和圖4（b）還可以看出，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的干縮應(yīng)變隨著水泥劑量的增多而增大，因?yàn)楫?dāng)使用較多的水泥時(shí)，水泥水化產(chǎn)生的水化產(chǎn)物也較多，與細(xì)集料形成膠結(jié)料裹敷在粗集料表面，使得混合料中的大孔隙增多，從而導(dǎo)致干縮應(yīng)變的增大，因此在使用水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的過(guò)程中應(yīng)控制水泥的摻入劑量。干縮系數(shù)隨齡期變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖4 干縮應(yīng)變隨齡期變化規(guī)律

圖5 干縮系數(shù)隨齡期變化規(guī)律

從圖5可以看出，不同鐵尾礦碎石摻量的混合料隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加，干縮系數(shù)在試驗(yàn)開(kāi)始的1 d～10 d的干縮系數(shù)的增長(zhǎng)較快，10 d之后，干縮系數(shù)的變化趨于平緩并略有減小。從圖5可知，當(dāng)水泥摻量為4%時(shí)，鐵尾礦碎石摻量0%～75%的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石最大干縮系數(shù)為30.13，28.85，30.71，34.13，摻量25%的混合料的最大干縮系數(shù)最小。當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，鐵尾礦碎石摻量0%～75%的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石最大干縮系數(shù)為35.07，34.17，36.47，37.98，摻量25%的混合料的最大干縮系數(shù)最小。綜合對(duì)比圖5（a）和圖5（b）可知，鐵尾礦摻量為25%的混合料表現(xiàn)出較好的抗干縮性能［10］。

3.2 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石凍融性能試驗(yàn)研究

為研究鐵尾礦碎石的摻量、凍融循環(huán)次數(shù)和水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料抗凍性能的影響，按照2.1中配合比設(shè)計(jì)方案，預(yù)制不同鐵尾礦摻配試塊，進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)，得出混合料凍融后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，根據(jù)結(jié)果分析出該材料的抗凍性能。

以鐵尾礦摻量為75%、水泥劑量5%為例，對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦混合料在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的形狀外觀(guān)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件出現(xiàn)脫落，掉渣越來(lái)越嚴(yán)重的現(xiàn)象。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為1次時(shí)，試件只是頂部邊緣混合料有些許脫落；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為3次時(shí)，混合料中部及底部已有明顯脫落趨勢(shì)；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為5次時(shí)，試件底部已經(jīng)出現(xiàn)大面積脫落，相較凍融循環(huán)次數(shù)3次時(shí)混合料脫落嚴(yán)重。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖6 N次凍融循環(huán)后試件形態(tài)

表5 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

凍融殘留強(qiáng)度比隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖7。

圖7 凍融殘留強(qiáng)度比隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

從圖7中可以看出，在同一水泥劑量下，鐵尾礦碎石摻量一定時(shí)，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的凍融殘留強(qiáng)度比隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，但是在不同的鐵尾礦碎石摻量下，鐵尾礦碎石摻量越大，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，凍融殘留強(qiáng)度比變小的速率越大。從圖7可以看出，無(wú)側(cè)限強(qiáng)度變化率隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加不斷增大，增大幅度越來(lái)越大，說(shuō)明凍融次數(shù)的增多對(duì)試件承受抗壓能力破壞越大。

不同鐵尾礦碎石摻量混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的具體變化率結(jié)果見(jiàn)表6，表7。

表6 凍融循環(huán)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響分析（4%水泥摻量）

表7 凍融循環(huán)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響分析（5%水泥摻量）

從表6，表7還可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，隨著鐵尾礦碎石摻量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化率逐漸增加，當(dāng)水泥摻量為4%，鐵尾礦碎石摻量分別為0%，25%，50%，75%，經(jīng)受5次凍融循環(huán)后其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化率分別為15.03%，26.2%，35.75%，55.14%。當(dāng)水泥摻量為5%，相同條件下的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度變化率分別為12.97%，20.94%，32.72%，51.32%，表明鐵尾礦碎石摻量越高，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石受凍融循環(huán)的影響越顯著。

綜合對(duì)比表5～表7可知，經(jīng)受5次凍融循環(huán)后，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石強(qiáng)度損失明顯，當(dāng)鐵尾礦摻量達(dá)到75%時(shí)，經(jīng)受5次凍融循環(huán)后其BDR小于50%。說(shuō)明較高摻量的鐵尾礦會(huì)對(duì)水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的抗凍性能產(chǎn)生不利的影響。根據(jù)文獻(xiàn)《公路工程抗凍設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》中對(duì)于中、重凍地區(qū)，路面半剛性基層混合料的抗凍性能應(yīng)滿(mǎn)足養(yǎng)生28 d后，經(jīng)受5次凍融循環(huán)其殘留強(qiáng)度比不小于50%的要求，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石中鐵尾礦摻量達(dá)到75%時(shí)，其抗凍性能不能滿(mǎn)足中、重凍地區(qū)的使用需求。

4 結(jié)論

1）對(duì)于不同養(yǎng)生齡期的混合料，在相同的水泥劑量的情況下，抗壓強(qiáng)度隨著鐵尾礦碎石摻量的增大而不斷減小。鐵尾礦摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降8.6%，鐵尾礦摻量為75%的水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降61.59%。單從抗壓強(qiáng)度這一指標(biāo)來(lái)看，鐵尾礦摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度，可以滿(mǎn)足重載交通初期強(qiáng)度要求。

2）在相同的養(yǎng)生齡期下，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的劈裂強(qiáng)度隨著鐵尾礦碎石摻量的增加不斷減小。鐵尾礦摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石7 d劈裂強(qiáng)度下降6.4%，鐵尾礦摻量為75%的水泥穩(wěn)定碎石7 d劈裂強(qiáng)度下降21.8%。單從抗壓強(qiáng)度這一指標(biāo)來(lái)看，鐵尾礦摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石，可以滿(mǎn)足重載交通初期強(qiáng)度要求。

3）從干縮性性能試驗(yàn)來(lái)看，相同水泥摻量下，鐵尾礦碎石摻量越大，干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)越大。鐵尾礦摻量越高，1 d～10 d的干縮系數(shù)的增長(zhǎng)越快，10 d之后，干縮系數(shù)的變化趨于平緩并略有減小。結(jié)果表明，鐵尾礦摻量為25%的混合料表現(xiàn)出較好的抗干縮性能。從抗凍性能來(lái)看，當(dāng)水泥劑量及凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的凍融殘留強(qiáng)度比隨著鐵尾礦碎石摻量的增加而不斷減小，當(dāng)鐵尾礦碎石摻量為75%，凍融循環(huán)5次時(shí)，混合料凍融殘留強(qiáng)度比小于50%，其抗凍性能不能滿(mǎn)足中、重凍地區(qū)的使用需求。

4）綜合對(duì)比鐵尾礦摻量為0%，25%，50%，75%水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、干縮性能、凍融殘留強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，鐵尾礦石廢棄物可以替代部分礦石作為路面基層材料，結(jié)果表明鐵尾礦摻量為25%的水泥穩(wěn)定碎石，可以用于重載交通基層。