固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂力學(xué)性能試驗研究

樂旭東，范衛(wèi)琴，田爾布，王逢朝

(三明學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004)

0 引言

河南省舞鋼市轄區(qū)內(nèi)堆積著大量鐵尾礦砂，不僅占用土地、污染環(huán)境，而且尾礦庫的維護費用高、風(fēng)險大，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳钤斐闪撕艽蟮牟槐恪Ｈ绻軐⑽桎摰貐^(qū)的鐵尾礦砂利用于高速公路建設(shè)，不僅可節(jié)省每年用于尾礦庫維護及污染治理的費用，而且可降低工程費用，具有重大的經(jīng)濟效益、社會效益及環(huán)境效益。

土壤固化劑是一種能改善和提高土壤工程技術(shù)性能的復(fù)合材料，可顯著改變土壤的物理力學(xué)性能，已在水利、公路和機場等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面得到成功應(yīng)用。［1］課題組采用水泥與土壤固化劑對鐵尾礦砂進行加固，對固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂進行了力學(xué)性能試驗研究，分析了結(jié)合料摻量、養(yǎng)生齡期等因素對鐵尾礦砂的強度影響，并探討其作為高速公路底基層材料的可行性。

1 試驗原材料

①水泥:“天瑞”牌42.5級普通硅酸鹽水泥，各項技術(shù)指標符合國家標準。②土壤固化劑:洛陽路世豐土壤固化劑有限公司生產(chǎn)的“路豐”牌粉狀土壤固化劑。③鐵尾礦砂:取自河南省舞鋼市，按照砂的分類屬于細砂，級配良好，無塑性指數(shù)。

2 混合料配合比設(shè)計

從技術(shù)、經(jīng)濟角度考慮，擬定一系列固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的配合比，進行標準擊實試驗及7 d無側(cè)限抗壓強度試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，分析水泥及固化劑摻量對混合料最大干密度、最佳含水量和7 d抗壓強度的影響，并選擇若干滿足強度要求的配合比進行進一步的力學(xué)性能研究。

2.1 擊實試驗結(jié)果及分析

本次擊實試驗按照規(guī)范［2］規(guī)定，選用甲類擊實方法，997 cm3擊實筒，5層擊實，每層27次。試驗結(jié)果如表1。

表1 標準擊實試驗結(jié)果

通過分析可知，隨著結(jié)合料摻量的增加，混合料的最佳含水量和最大干密度均有所增大。當(dāng)固化劑含量一定時，混合料的最佳含水量和最大干密度受水泥含量的影響較小，其變化幅度不大;當(dāng)水泥含量一定時，混合料的最佳含水量和最大干密度隨固化劑含量的增大而增大。由此表明，摻加固化劑有利于提高混合料的密實程度。

2.2 7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果及分析

根據(jù)表2的配合比制備的圓柱體試件(直徑×高=50 mm×50 mm)，按照97%壓實度靜壓成型，試件數(shù)量按照規(guī)范規(guī)定為每組6個。在(20±2)℃恒溫室內(nèi)進行保溫保濕養(yǎng)護6 d，再浸水1 d。試驗過程中保持試件形變等速增加，速率為1 mm/min。［3］混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度的試驗結(jié)果如圖1及表2。

圖1 不同水泥摻量下混合料7 d抗壓強度與固化劑摻量的關(guān)系

通過對7 d抗壓強度試驗結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論:

1)隨著結(jié)合料摻量的增加，固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的7 d抗壓強度明顯增大，相互之間存在正相關(guān)關(guān)系。通過對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)合料摻量一定的情況下，摻入固化劑的配合比強度要高于未摻固化劑的配合比強度，說明該固化劑的摻入對混合料的前期反應(yīng)起到一定的激發(fā)作用［4］，能夠有效提高混合料的前期強度，可縮短養(yǎng)生時間，加快施工進度。

2)由圖1可以看出，在水泥摻量一定的情況下，固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的7 d抗壓強度隨著固化劑摻量的增加大致呈現(xiàn)出線性的增長趨勢，說明通過調(diào)整固化劑的摻量，可以有效地調(diào)節(jié)固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的前期強度，有利于施工控制。

表2 7 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

3)由表3可知，有6個配合比的強度滿足設(shè)計強度要求［5］(Rc，7d，0.95＞ Rd=2.5 MPa)，綜合考慮具體技術(shù)與經(jīng)濟要求等因素，決定選取以下配合比進行進一步試驗研究:

配合比1m(C)∶m(SA)∶m(SF)=4∶6∶90

配合比2m(C)∶m(SA)∶m(SF)=4∶8∶88

配合比3m(C)∶m(SA)∶m(SF)=6∶4∶90

配合比4m(C)∶m(SA)∶m(SF)=6∶6∶88

3 力學(xué)性能試驗研究

3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果及分析

對優(yōu)選出的4個配合比進行不同養(yǎng)生齡期的無側(cè)限抗壓強度試驗，研究齡期對混合料抗壓強度的影響，并分析水泥與固化劑對混合料不同齡期抗壓強度的影響程度。無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，混合料的抗壓強度隨著養(yǎng)生齡期的增長而增大。28 d以前強度增長趨勢明顯，28 d后混合料強度依然有小幅增長，強度逐漸趨于穩(wěn)定。通過對抗壓強度試驗結(jié)果進行二元回歸分析，得出了各配合比不同齡期抗壓強度的回歸方程:

圖2 不同配合比的抗壓強度與齡期的關(guān)系

其中，w(C)與w(SA)分別代表混合料當(dāng)中水泥與固化劑的摻量。

可以看出，水泥摻量對混合料的早期強度影響較大，但隨著養(yǎng)護齡期的增長，水泥摻量對混合料強度的影響逐漸減小，固化劑摻量對混合料抗壓強度的影響逐漸增大，說明固化劑的摻入對混合料后期強度增長起主要作用。

3.2 劈裂試驗結(jié)果及分析

固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂作為新型基層材料，為了滿足使用性能的要求，適應(yīng)重型車及交通量與日俱增的需要，不僅要具有較高的抗壓強度，而且必須具有較高的抗彎拉能力，劈裂強度就是目前用來衡量抗拉強度的一個基本指標。對上述4個優(yōu)選配合比進行不同齡期的劈裂試驗，探討固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂劈裂強度隨齡期的增長情況，并分析水泥和固化劑摻量對混合料劈裂強度的影響。

圖3 不同配合比的劈裂強度與齡期的關(guān)系

從圖3可以看出，各配合比的28 d劈裂強度均滿足設(shè)計劈裂強度(≥0.4 MPa)的要求，并且隨著齡期的增長仍有一定幅度的增長。通過計算可知，各配合比的28 d劈裂強度達到了90 d劈裂強度的60% ～70%，說明固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的劈裂強度在前期增長較快，養(yǎng)護28 d后強度已基本形成，后期強度增長逐漸變緩。經(jīng)過對試驗結(jié)果進行二元回歸分析，得出了各配合比不同齡期劈裂強度的回歸方程:

通過回歸方程可以發(fā)現(xiàn)，水泥摻量是影響固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂28 d劈裂強度的主要因素，但隨著養(yǎng)護齡期的增長，固化劑摻量對混合料劈裂強度的影響逐漸增大，成為影響混合料后期強度增長的主要因素，這與無側(cè)限抗壓強度試驗的分析結(jié)果基本一致，進一步說明了摻入固化劑有利于混合料后期強度的增長。

3.3 抗壓回彈模量試驗結(jié)果及分析

抗壓回彈模量是基層及底基層材料的主要剛度指標，也是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要參數(shù)，它能反映路面結(jié)構(gòu)層的強度，表征材料在外力作用下抵抗變形的能力。本試驗按照JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行，每種配合比制備13個圓柱體(直徑×高=100 mm×100 mm)試件，養(yǎng)護齡期為90 d，采用頂面法測試試件的抗壓回彈模量。試驗結(jié)果見表3。

表3 抗壓回彈模量試驗結(jié)果

從表3可以看出，各配合比的抗壓回彈模量在1 000～1 300 MPa之間，滿足規(guī)范對高速公路底基層材料的剛度要求。［6］隨著結(jié)合料摻量的增加，混合料的抗壓回彈模量有明顯的增大;在結(jié)合料摻量一定的情況下，水泥摻量高的混合料抗壓回彈模量略大一些，說明水泥摻量是影響混合料抗壓回彈模量的主要因素。

4 結(jié)論

通過對固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂進行一系列力學(xué)性能測試與分析，得出如下結(jié)論:

1)固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的最大干密度和強度與結(jié)合料摻量呈正相關(guān)關(guān)系，水泥與固化劑的摻量越大，固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的最大干密度和強度也越大;在水泥摻量一定的情況下，固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的7 d抗壓強度基本與固化劑的摻量增加呈現(xiàn)出線性增長趨勢，在施工中能夠有效地控制材料的前期強度。

2)水泥對固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂前期強度生成起主要作用，而固化劑是影響混合料后期強度的主要因素;當(dāng)水泥與固化劑達到一定摻量時，固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的強度及剛度均能滿足規(guī)范要求，可作為高速公路底基層材料。

3)在結(jié)合料摻量相同的情況下，摻加固化劑能夠激發(fā)固化劑穩(wěn)定鐵尾礦砂的前期反應(yīng)，提高混合料的早期強度，可以縮短養(yǎng)生時間，有利于加快施工進度。

［1］王小偉，王瑞山.土壤固化劑穩(wěn)定砂土性能試驗研究［J］.河南科學(xué)，2011，29(5):583-585.

［2］中華人民共和國交通運輸部.JTG E51—2009公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］徐平，樂金朝，馬清文，等.土壤固化劑穩(wěn)定粉質(zhì)黏土性能的試驗研究［J］.建筑材料學(xué)報，2010，13(1):57-61.

［4］王加龍，田曉燕.固化劑穩(wěn)定粉土路面基層材料的路用性能研究［J］.北方交通，2008(12):4-8.

［5］中華人民共和國交通部.JTJ 034—2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［6］中華人民共和國交通部.JTG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.