貴州地區鐵尾礦路用性能試驗研究

羅翱　文遠松　楊昌盛

摘要：目的：為了保護環境，充分將鐵尾礦資源變廢為寶。方法：本文通過對鐵尾礦作為路面基層材料路用性能進行了研究，試驗包括無側限抗壓強度、回彈模量、抗沖刷性能、干縮性能、疲勞性能，對試驗數據統計分析并進行數據擬合。結果：通過試驗數據結果及擬合可以看出強度與回彈模量、干縮性能、疲勞性能呈現良好線性關系，與抗沖刷系數之間存在一個指數函數關系。結論：鐵尾礦在貴州地區應用能夠體現出較好的經濟、社會效益。

關鍵詞：無側限抗壓強度；回彈模量；抗沖刷性能；干縮性能；疲勞性能

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）30-0112-03

0引言

鐵尾礦是選礦廠將鐵礦石磨細、提取有用成分后所排放的廢棄物，是一種復合礦物原料，鐵尾礦除了含有少量其他金屬成分外主要礦物成分為脈石礦物，化學成分以鐵、硅、鎂、鈣、鋁氧化物為主并伴有少量磷、硫等。隨著礦產資源不斷開發產生了大量尾礦粉，存儲尾礦粉不僅占用大量土地、覆蓋大量植被、長期堆放尾礦逐漸成為具有威脅力的地質災害源。另外，在干旱季節，貴州是沙塵暴的多發地，其周邊的生態環境時時刻刻遭受著威脅，使得商業旅游效益受到影Ⅱ向。因此本文通過對鐵尾礦作為路面基層材料路用性能進行了研究，對尾礦粉作為路面基層材料設計與施工提供一定參考。

1原材料分析及配合比設計

1.1水泥

本試驗采用水泥為425普通硅酸鹽水泥。

1.2鐵尾礦

鐵尾礦取自于貴州省某鐵礦，通過對尾礦粉進行化學試驗，成分見表1所示。

1.3碎石

碎石材料是路面基層的“骨架”。為了確保基層強度達標，施工時必須保證碎石材料級配優良。表2為碎石級配組成。

1.4基層材料配合比

為了分析尾礦粉在混合料中所占比例大小對路用性能影響，以常規無機結合料施工中水泥劑量占5%計，擬定配合比如表2所示。分析尾礦粉劑量與混合料強度、抗壓回彈模量、抗沖刷性能、干縮性能試驗、抗疲勞性能之間關系，表3給出了具體的配合比。

2路用性能參數試驗分析

2.1無側限抗壓強度試驗

強度是路面結構層設計驗算重要參數，路面基層材料強度直接決定道路的使用性能，為了分析齡期及不同配合比對混合料強度性能的影響，本文對養生齡期7d、28d、90d鐵尾礦混合料成型試件進行無側限抗壓強度試驗并對試驗所得數據進行分析。數據統計見圖1所示。

從圖1可以看出在水泥劑量不變情況下，混合料強度隨著齡期逐步增長：在相同齡期內混合料強度隨著礦粉劑量增加碎石減少呈現降低趨勢，水泥劑量不變、28d齡期前水泥礦粉碎石強度要比水泥碎石強度偏低，28d齡期后水泥礦粉碎石強度比水泥碎石強度偏高，水泥礦粉碎石強度形成呈現平穩狀態。

水泥劑量不變、齡期相同情況下水泥礦粉碎石強度略低于水泥礦粉粉煤灰碎石強度。

2.2抗壓強度與抗壓回彈模量試驗

通過抗壓回彈模量試驗對養生齡期滿90d的試件進行抗壓強度檢測，將所得試驗數據和抗壓強度數據擬合后得到一個粉（礦粉+粉煤灰）劑量、強度與模量關系曲線（詳見圖2）。

圖2中R²為確定性系數，表示礦粉（礦粉+粉煤灰）劑量、無側限抗壓強度對回彈模量影響程度。R²值越大表明擬合曲線中礦粉（礦粉+粉煤灰）劑量、無側限抗壓強度對回彈模量影響能力越強。隨著礦粉（礦粉+粉煤灰）劑量的增多，回彈模量不斷增大，相同的狀態下水泥礦粉粉煤灰碎石混合料比水泥礦粉碎石混合料的回彈模量大，礦粉（礦粉+粉煤灰）劑量與回彈模量之間呈現良好正向線性關系，無側限抗壓強度與回彈模量之間呈現良好反向線性關系。

2.3抗壓強度與抗沖刷性能試驗

道路結構層的安全性能主要取決于路面基層材料的抗沖刷特性。下文將通過抗沖刷率（試件沖刷掉質量與試件總質量比值）對混合料抗沖刷性能進行綜合評定。

通過對試驗數據進行整理統計分析，對礦粉（礦粉+粉煤灰）劑量、無側限抗壓強度與抗沖刷率進行曲線擬合，見圖3所不。

圖3中R²為確定性系數，取值越接近1表明曲線中礦粉（礦粉+粉煤灰）劑量、無側限抗壓強度對抗沖刷影響能力越強。抗沖刷率隨礦粉（礦粉+粉煤灰）劑量增加而增加，呈現良好線性變化規律，強度與抗沖刷率之間存在一種指數關系曲線，雖然試驗數據有些離散，但強度與抗沖刷率之間確實有所相關，指數函數可以較好描述兩者關系。同等條件下水泥礦粉粉煤灰碎石混合料抗沖刷性能大于水泥礦粉碎石混合料，說明混合料中粉煤灰存在增加了混合料抗沖刷性能。

2.4混合料抗壓強度與干縮性能試驗

本文采用干縮系數（累計干縮變形/失水量）作為評價混合料干縮性能指標。測試不同配合比混合料中梁試件90d干縮變形，根據累積干縮變形計算干縮系數，90d干縮系數與時間關系曲線見圖4所示。

如圖4所示，初期由于試件表面與空氣接觸，水分大量散失，使得試件出現了比較明顯的變形，比如在試驗初期干縮系數大幅度變動，后期因為水量散失少，干縮系數逐漸變平緩。由此可見，加強混合料初期養生至關重要。筆者建議施工一周內必須保濕養生，再生層表面不宜過干但是也不能太濕，這樣能使再生層的強度達到要求。

2.5混合料抗壓強度與疲勞性能試驗

對試件循環加載最小荷載與最大載荷之比為應力比，通過疲勞試驗測試混合料的抗疲勞特性，針對疲勞試驗作用次數對數值與應力比進行擬合分析，得到一個應力比和疲勞壽命之間的關系曲線。疲勞試驗作用次數對數值與應力比呈線性關系，圖5是在應力比為0.75的條件下對混合料抗壓強度與疲勞試驗作用次數對數值進行擬合所得到的曲線圖。

由圖5可以看出應力比與疲勞壽命在同一對數坐標上表現為較好線性關系，對數據進行直線擬合，擬合方程為：

在上式中，系數a值表示“擬合直線的斜率”，通過它可以了解混合料疲勞壽命對施加應力敏感程度，它的數值越大，曲線就越陡，疲勞壽命對應力比敏感程度就越大。b值為擬合直線在Y軸截距，代表了疲勞曲線位置，b值越大曲線越靠向上方，表明材料抗疲勞性能越好；混合料無側限抗壓強度與疲勞試驗作用次數對數值擬合曲線y=-2.6x+5.914、y=-2.28x+5.354可以看出，隨著混合料強度的增長疲勞試驗作用次數對數值逐步減小，說明混合料強度、疲勞性能與礦粉（礦粉+粉煤灰）劑量呈反方向變化。

3結論

本文通過對鐵尾礦作為路面基層材料路用性能進行了研究，混合料無側限抗壓強度、抗壓回彈模量、抗沖刷性能、干縮性能、疲勞性能表現出良好路用性能。將試驗所得數據進行擬合分析后得知無側限抗壓強度與抗壓回彈模量、干縮性能、疲勞性能呈線性關系，與抗沖刷性能呈現指數關系曲線。即y=213.01e^-0.7626x，說明隨著強度增加混合料表現出非線性抗沖刷性能。endprint