水泥穩定鐵尾礦碎石的路用性能研究

張 亮

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，公路基礎設施建設取得了長足的發展，截至2009年年底，全國公路總里程達386.08萬km，比上年末增加13.07萬km［1］。如此巨大的公路里程建設，需要消耗大量的建筑材料。為此，各地紛紛開山劈石，以滿足公路建設的需要，這不僅大量消耗資源，造成環境問題，也使得公路工程建設造價居高不下。鐵尾礦是鐵礦場在開采分選礦石之后排放的固體或粉狀廢棄物，包括鐵尾礦碎石(低品位鐵礦石)和鐵尾礦砂。鋼鐵工業的快速發展，使得鐵尾礦的排放量越來越大。據中國冶金礦山企業協會2005年統計，我國鐵尾礦年產量約4億t［2］。若能將鐵尾礦用作道路建筑材料，既可以解決鐵尾礦的合理利用問題，還可以降低公路工程造價，具有重要的經濟效益和社會效益。

1 原材料性質

1.1 水泥

本次試驗中采用石家莊新生水泥廠生產的P.O32.5普通硅酸鹽水泥，其技術指標見表1。

表1 水泥的主要技術指標

1.2 鐵尾礦碎石

不同地區的鐵尾礦碎石無論在顆粒組成還是力學性質上都有很大的差別，本文采用河北省淶源地區的鐵尾礦碎石，其壓碎值為26.5%，粉碎大粒徑(＞37.5mm)后鐵尾礦碎石顆粒組成見表2。

表2 鐵尾礦碎石的顆粒組成

從鐵尾礦碎石的壓碎值和顆粒組成可知，粉碎大粒徑(＞40mm)后的鐵尾礦碎石自身具有較好的級配組成，壓碎值也滿足JTJ 034-2000公路路面基層施工技術規范的相關要求［3］。

鐵尾礦碎石是鐵含量很低的鐵礦碎石，就化學成分而言，其主要成分是二氧化硅、三氧化二鐵和三氧化二鋁，鐵尾礦碎石的主要化學成分如表3所示。

表3 鐵尾礦碎石的主要化學成分

2 水泥穩定鐵尾礦碎石的物理力學性能試驗

2.1 水泥穩定鐵尾礦碎石的無側限抗壓強度試驗

根據JTG E51-2009公路無機結合料穩定材料試驗規程的相關方法［4］，對不同水泥含量的水泥穩定鐵尾礦碎石混合料進行試件制備、養生，測得其各齡期浸水無側限抗壓強度，試驗結果見表4。

表4 水泥穩定鐵尾礦碎石的無側限抗壓強度

從表4可以看出，水泥穩定鐵尾礦碎石的抗壓強度隨水泥含量的增加而增大，試驗配比的水泥穩定鐵尾礦碎石的7 d齡期無側限抗壓強度均大于1.5 MPa。根據《公路瀝青路面設計規范》［5］對水泥穩定類基層、底基層材料的強度要求，單就抗壓強度而言，本文試驗配合比的水泥穩定鐵尾礦碎石的強度均滿足輕交通底基層材料的強度要求，可作為輕交通瀝青路面的底基層材料。水泥含量在5.5%以上的水泥穩定鐵尾礦碎石的7 d抗壓強度均大于2.5 MPa，可以作為輕交通瀝青路面的基層材料，以及特重、重、中交通瀝青路面的底基層材料。只有當水泥含量達到6%以上時，水泥穩定鐵尾礦碎石的7 d抗壓強度才大于3.0 MPa，滿足重、中交通瀝青路面的基層材料的需求，但《公路瀝青路面設計規范》［5］要求水泥穩定集料的水泥劑量一般不應超過6%，因此，水泥穩定鐵尾礦碎石不宜用作特重、重、中交通瀝青路面的基層材料。

類似于其他半剛性基層材料，水泥穩定鐵尾礦碎石的強度隨齡期而增長，根據表4中數據作出齡期與混合料無側限抗壓強度的關系曲線如圖1所示。

除了齡期以外，水泥穩定鐵尾礦碎石的抗壓強度受壓實度的影響顯著，壓實度每增加1%，混合料7 d齡期抗壓強度將增大5.5%左右。

2.2 水泥穩定鐵尾礦碎石的劈裂強度與抗壓回彈模量試驗

分別將不同配比的水泥穩定鐵尾礦碎石混合料成型試件，經標準養生后90 d，測試其劈裂強度(間接抗拉強度)與抗壓回彈模量值，試驗結果見表5。

圖1 水泥穩定鐵尾礦碎石抗壓強度與齡期的關系曲線

表5 水泥穩定鐵尾礦碎石的劈裂強度

由表5可見，水泥穩定鐵尾礦碎石的劈裂強度值較高，水泥含量為5.0%～6.0%時，其劈裂強度值大于二灰土，與水泥穩定碎石相當?？箟夯貜椖Ａ恐德源笥谑宜槭?，稍小于二灰砂礫，剛度也較大。

2.3 水泥穩定鐵尾礦碎石的抗凍性能

根據JTG E51-2009公路無機結合料穩定材料試驗規程的相關方法，制備試件，養生至28 d齡期，進行凍融試驗。以經過5次凍融循環后的浸水無側限抗壓強度與凍前浸水無側限抗壓強度之比來評價混合料的抗凍性能。試驗結果見表6。

表6 水泥穩定鐵尾礦碎石的抗凍性能試驗結果

從表6的試驗數據可知，5次凍融循環后，水泥穩定鐵尾礦碎石的殘余強度在75%以上，可見，水泥穩定鐵尾礦碎石具有較高的抗凍性能，可以用作冰凍地區的公路基層或底基層材料。

2.4 水泥穩定鐵尾礦碎石的水穩定性

制作兩組水泥穩定鐵尾礦碎石試件，一組標準養生28 d(包括浸水24 h)，另一組標準養生6 d，之后浸水24 h再在自然條件下風干24 h，干濕循環10次后測定其無側限抗壓強度值，并與標準養生試件的抗壓強度值進行對比。以兩者之間的比值(干濕循環后/標準養生)來表征混合料的水穩定性，水泥穩定鐵尾礦碎石的水穩定性試驗結果如表7所示。

表7 水泥穩定鐵尾礦碎石的水穩定性

從干濕循環試驗結果可知，試驗范圍內水泥穩定鐵尾礦碎石的水穩定系數均在0.9以上，其具有良好的水穩定性。

3 結語

本文通過系統的試驗研究，得出了水泥穩定鐵尾礦碎石的強度、剛度、抗凍性能、水穩定性等路用性能指標，并通過了實際工程驗證，主要結論如下:

1)水泥穩定鐵尾礦碎石具有較高的強度、剛度。

2)水泥穩定鐵尾礦碎石的水穩定性和抗凍性能良好。

3)水泥含量在5.5%以上的水泥穩定鐵尾礦碎石的7 d抗壓強度均大于2.5 MPa，可以作為輕交通瀝青路面的基層材料，以及特重、重、中交通瀝青路面的底基層材料。本文其他配合比的水泥穩定鐵尾礦碎石均可作為輕交通瀝青路面的底基層材料。

4)應用鐵尾礦碎石修筑道路不僅可以節約建材、降低工程造價，還可以減少鐵尾礦堆放所需占用的土地，并有利于環保，具有顯著的經濟效益和社會效益。

［1］ 交通運輸部.2009年公路水路交通運輸行業發展統計公報［R］.2010:4.

［2］ 王益民.我國鐵尾礦資源化利用研究進展［A］.2008年全國金屬礦山難選礦及低品位礦選礦新技術研討與技術成果交流暨設備展示會論文集［C］.2008.

［3］ JTJ 034-2000，公路路面基層施工技術規范［S］.

［4］ JTG E51-2009，公路無機結合料穩定材料試驗規程［S］.

［5］ JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規范［S］.