無機結合料穩定鐵尾礦砂配合比設計研究

郭蓉 張衡

摘 要：文章根據鐵尾礦砂的特性進行水泥穩定、石灰穩定和水泥、石灰綜合穩定配合比設計；通過對混合料進行擊實試驗，無側限抗壓強度試驗，得出滿足規范要求強度的結合料摻量。結果表明：8%水泥穩定鐵尾礦砂，14%石灰穩定鐵尾礦砂，石灰水泥綜合穩定鐵尾礦砂（石灰摻量4%，水泥摻量2%）能夠滿足低等級公路基層強度要求。

關鍵詞：鐵尾礦砂；水泥穩定；石灰穩定；石灰水泥綜合穩定；配合比設計

隨著我國鋼鐵工業快速發展，尾礦在工業固體廢棄物中所占的比例越來越大。尾礦的存放嚴重污染環境、占用大量土地，且處理維護費用高，風險大，因而尾礦的綜合利用已經引起人們的高度重視。在我國常用的半剛性基層瀝青路面或水泥混凝土路面中，基層和底基層主要承擔承載交通荷載的作用，所以基層和底基層的強度、剛度和穩定性決定了路面的使用性能和壽命。到目前為止，使用最多的是半剛性結構，如果能把鐵尾礦用作筑路材料使用到基層和底基層中，不僅可以有效利用工業廢渣，大量消耗鐵尾礦，還可以降低工程造價，減少環境污染，有效地保護土地資源。

文章主要以鐵尾礦砂為研究對象，將其應用于道路建筑材料中，替代部分砂石，通過試驗數據分析其可行性，為鐵尾礦砂的應用提供了理論依據。

1 原材料技術指標

1.1 鐵尾礦砂

文章試驗選用的鐵尾礦砂來自南京市江寧區吉山鐵尾礦庫尾礦砂。

（1）鐵尾礦砂的顆粒組成分析。篩分結果如圖1所示，可計算其細度模數為0.94，屬于特細砂。

圖1 鐵尾礦砂篩分曲線

（2）鐵尾礦砂的化學成分分析。通過對鐵尾礦砂化學成分進行分析，可見鐵尾礦砂的主要化學成分為SiO2、Fe2O3、Al2O3和CaO。根據試驗結果SiO2的含量可初步判斷，鐵尾礦砂來源于堿性集料。

1.2 水泥

文章選用的水泥來自南京中聯水泥有限公司，是強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥。

1.3 石灰

文章選用的石灰為鈣質消石灰，CaO和MgO含量為78.0%，符合規范Ⅰ級灰的標準。

2 試驗方案

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）相關試驗要求，通過擊實試驗確定水泥穩定類、石灰穩定類和石灰（或水泥）粉煤灰穩定類材料的最佳含水量和最大干密度。并在最佳含水量和最大干密度條件下成型規定尺寸的試件，在溫度為20℃±2℃，濕度為95%以上的標準養護室里養護至相應齡期的前一天，浸水24h。測試其無側限抗壓強度。確定滿足規范要求7天強度的結合料用量。材料組合方案為：水泥+鐵尾礦砂、石灰+鐵尾礦砂、水泥+石灰+鐵尾礦砂。

3 結果及分析

3.1 水泥穩定鐵尾礦砂

3.1.1 擊實試驗。分別選取 4%、6%、7%、8%、9%、10%、12%的水泥摻量進行擊實試驗。根據擊實試驗結果得出，鐵尾礦砂摻加水泥最佳含水量在9.8%～10.1%之間，含水量并無明顯差異，最大干密度在2.204g/m3～2.282g/m3之間；隨著含水量的變化其干密度變化較大。

3.1.2 無側限抗壓強度試驗。文章中按摻加水泥劑量4%、6%、7%、8%、9%、10%、12%分別制作試件并進行了7天無側限抗壓強度試驗。具體試驗結果如圖2所示。

圖2 水泥穩定鐵尾礦砂無側限抗壓強度

由圖2可知，水泥穩定鐵尾礦砂的7天無側限抗壓強度隨水泥摻量的增大而增大，且呈線性增長；當水泥摻量達到8%時，無側限抗壓強度才能滿足規范要求的強度值（2.5MPa），水泥用量偏大，一方面不經濟，另一方面，也是最重要的一方面，當水泥摻量過大時，將會引起干縮、溫縮裂縫等問題。

3.2 石灰穩定鐵尾礦砂

3.2.1 擊實試驗。分別選取10%、12%、14%、15%、16%、18%、20%、25%、30%的石灰摻量進行擊實試驗，根據試驗所得的最大干密度及最佳含水率結果可以得出：隨著石灰摻量的增加，最佳含水率逐漸增加，而最大干密度逐漸降低。由于石灰的比重小于鐵尾礦砂的比重，混合后灰劑量越大，其干密度自然越小。隨著含水量的變化其干密度變化不大，說明其對水的敏感性不高，在施工過程中含水量比較便于控制，有利于現場施工控制。

3.2.2 無側限抗壓強度試驗。文章中按摻加石灰摻量10%、12%、14%、15%、16%、18%、20%、25%、30%分別制作試件并進行了7天無側限抗壓強度試驗。具體試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，水泥穩定鐵尾礦砂的7天無側限抗壓強度隨石灰摻量的增大而增大，在石灰摻量小于20%時，強度增長速率較快，當石灰摻量大于20%時，強度增長放緩。總體上呈線性增長趨勢。另外，當石灰摻量達到14%時，強度基本達到規范要求的強度值（0.8MPa）。

3.3 石灰水泥綜合穩定鐵尾礦砂

3.3.1 擊實試驗。分別按石灰：水泥：鐵尾礦砂比例為4：2：100、6：2：100、8：2：100、10：2：100、12：2：100的摻量進行擊實試驗，根據試驗所得的最大干密度及最佳含水率結果可以得出：最大干密度隨石灰摻量的增大而增大；當石灰和水泥的摻量比例逐漸增大時，最大干密度曲線變化趨勢也越來越明顯。

3.3.2 無側限抗壓強度試驗。文章中分別按石灰：水泥：鐵尾礦砂比例為4：2：100、6：2：100、8：2：100、10：2：100、12：2：100的摻量分別制作試件并進行了無側限抗壓強度試驗。具體試驗結果如圖4所示。

圖4 石灰（2%水泥）綜合穩定尾礦無側限抗壓強度

由圖4可知，7天無側限抗壓強度隨石灰摻量的增加而呈現顯著線形增長趨勢；且適量加入少許水泥可以大幅度降低石灰劑量。當石灰摻量采用4%、水泥摻量采用2%時，混合料強度即能滿足規范要求的強度值（0.8MPa）。

4 結束語

文章通過在鐵尾礦砂中加入水泥、石灰等無機結合料，進行水泥穩定、石灰穩定和綜合穩定，通過調整不同摻量進行擊實、強度試驗，得出以下結論：

（1）通過對鐵尾礦砂進行無機結合料穩定或綜合穩定，均能滿足二級及其以下等級的公路基層強度要求。

（2）通過三種穩定方式的鐵尾礦砂混合料的擊實試驗及強度試驗，得出滿足二級及其以下公路基層強度要求的配合比方案：水泥穩定鐵尾礦砂（水泥摻量為8%）；石灰穩定鐵尾礦砂（石灰摻量為14%）；石灰水泥綜合穩定鐵尾礦砂（石灰摻量4%，水泥摻量2%）。

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