鐵尾礦砂—水泥穩定碎石基層在繁大高速公路的應用

王 國 安

(山西省交通科學研究院，山西 太原 030006)

鐵尾礦砂是鐵礦石經過破碎磁選后剩余的固體廢棄物，隨著我國鋼鐵工業的迅速發展，鐵尾礦砂堆存量已達幾十億噸，且以每年1.2億t～1.3億t的速度增長。廢棄的尾礦隨意排放、堆存，不僅占據大量土地、堵塞江河，而且也給人類生產、生活帶來了嚴重的污染和危害。隨著我國基礎設計建設的深入發展，筑路材料緊缺的問題日益顯現出來，尋找一種實用、價格低廉的替代材料就成為所有公路建設者的共同目標。鐵尾礦砂主要成分為二氧化硅、三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鈣等，化學性質穩定，是一種人工硅酸鹽礦物材料，具有粒度細、數量大、成本低、可利用性強的特點。項目依托繁峙至大營高速公路建設工程，將鐵尾礦砂作為筑路材料用于高速公路建設具有重要的現實意義。

1 工程概況

繁峙至大營高速公路是《山西省高速公路網調整規劃》中“3縱12橫12環”高速公路網主骨架第3橫(靈丘至河曲)的重要組成部分，項目起點設于忻州市繁峙縣繁城鎮樓崗村南，接王莊堡至繁峙高速公路，項目終點位于原平市大營鎮麻地溝村東，設大運樞紐與大運高速公路相接，路線全長58.09 km。項目按雙向四車道高速公路標準建設，設計速度100 km/h，路基寬度26 m。

繁大高速公路主線路面結構為4 cm AC-13細粒式瀝青混凝土上面層+6 cm AC-20中粒式瀝青混凝土下面層+12 cm ATB-30密級配瀝青穩定碎石+40 cm水泥穩定碎石基層+20 cm水泥穩定砂礫底基層。

2 原材料性能

2.1 鐵尾礦砂

鐵尾礦砂顆粒組成主要分布在0.6 mm～0.075 mm之間，0.15 mm～0.3 mm以及0.075 mm～0.15 mm兩檔料所占比例較大，達到了50%左右，經計算鐵尾礦砂的細度模數0.5～1.2，不均勻系數為2.6～4.5左右，級配不良。GB/T 14684—2011建筑用砂采用細度模數將砂分為粗、中、細三種規格，其細度模數分別為：粗砂3.7～3.1；中砂3.0～2.3；細砂2.2～1.6，去除了特細砂品種與產品等級的劃分。《特細砂水泥混凝土和砂漿應用技術》指出特細砂是指細度模數在0.7～1.5之間的砂。鐵尾礦砂細度模數多小于1.5，屬于級配不良的特細砂。

2.2 水泥

水泥采用山西省太原市生產的金圓P.S.A32.5礦渣硅酸鹽水泥，水泥主要技術指標見表1。

表1 水泥主要性能試驗結果

2.3 碎石

碎石采用山西省忻州市繁峙縣石灰巖碎石，根據JTG E42—2005公路工程集料試驗規程的要求對碎石主要性能進行了試驗檢測，試驗結果見表2。

表2 碎石主要性能試驗結果

3 配合比設計

JTG D50—2017公路瀝青路面設計規范推薦了兩種瀝青路面下水泥穩定碎石基層懸浮密實結構和骨架密實結構級配的上下限，我省對歷年高速公路鋪筑的水泥穩定碎石基層進行了調研分析，在規范推薦級配的基礎上提出了一種適用于我省高速公路瀝青路面的水泥穩定碎石基層級配。該級配仍屬懸浮密實結構，級配范圍介于規范推薦的骨架密實型與懸浮密實型之間。采用該級配施工，提高了基層整體強度和質量均勻性，基本消除了瀝青路面的坑槽和網裂等早期病害。本文采用該級配進行鐵尾礦砂水泥穩定碎石混合料性能研究。

3.1 礦料級配設計

由于鐵尾礦砂顆粒較細，多集中于0.3 mm～0.075 mm，屬于特細砂。鐵尾礦砂比表面積較大，包裹這些鐵尾礦砂顆粒需要更多的水泥膠漿，造成相同設計強度下鐵尾礦砂水泥穩定碎石水泥劑量偏高，經濟性、混合料抗裂性均較差。因此，可采用鐵尾礦砂與石屑共同使用配制水泥穩定碎石，根據級配曲線綜合考慮鐵尾礦砂與石屑在混合料中的摻量。首先對碎石、石屑及鐵尾礦砂進行篩分試驗，試驗結果見表3。

根據表3中確定的級配范圍進行鐵尾礦砂水泥穩定碎石混合料配合比設計，為研究鐵尾礦砂摻量對水泥穩定碎石混合料性能的影響，保持鐵尾礦砂與石屑總量占混合料的比例不變，依次將鐵尾礦砂的摻量變為0%,10%,20%,30%，水泥穩定碎石合成級配曲線見圖1。

表3 水泥穩定碎石各檔材料篩分結果

3.2 重型擊實

根據JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程中的試驗方法進行不同鐵尾礦砂摻量不同水泥劑量混合料的擊實試驗，試驗結果見表4。

表4 鐵尾礦砂—水泥穩定碎石混合料擊實試驗結果

隨著鐵尾礦砂摻量增加，水泥穩定碎石混合料的最佳含水率逐漸增大，30%摻量的水泥穩定碎石混合料的最佳含水率比不摻鐵尾礦砂的水泥穩定碎石混合料增加0.9%。這是因為鐵尾礦砂細度模數小、顆粒較細、比表面積較大、顆粒表面粗糙，需要加入更多的水分才能在顆粒之間起到潤滑作用。

相比最佳含水率的變化規律，最大干密度則隨著鐵尾礦砂摻量的增加呈先增大后降低的趨勢。摻量為10%～12%時混合料的最大干密度最大，因為摻加適量鐵尾礦砂后，鐵尾礦砂很好的填充了碎石和石屑留下的空隙，使混合料達到最緊密堆積狀態，混合料干密度達到最大。摻量為30%時混合料的最大干密度降低的原因主要是混合料中細集料用量過多，粗集料大部分處于懸浮狀態，混合料中的細集料主要是鐵尾礦砂，鐵尾礦砂顆粒單一，無法相互嵌擠形成密實結構，導致混合料干密度降低。

3.3 無側限抗壓

根據表4確定的最佳含水率與最大干密度成型無側限抗壓強度試件，每組成型13個試件。試件采用靜壓法成型，按97%壓實度制件，靜壓時間2 min。試件脫模后裝入塑料袋內，將袋內的空氣排除干凈，并將袋口扎緊，將包好的試件放入養護室養護6 d，保水24 h。

表5 鐵尾礦砂水泥穩定碎石基層無側限抗壓強度試驗結果

從表5可知，鐵尾礦砂摻量為10%～20%的水泥穩定碎石混合料7 d無側限抗壓強度略大于沒有摻加鐵尾礦砂的水泥穩定碎石混合料的強度。這是因為摻加適量鐵尾礦砂后，鐵尾礦砂很好的填充了碎石和石屑留下的空隙，使混合料達到最緊密堆積狀態，水泥水化物填充了集料空隙形成較高的強度。

當鐵尾礦砂摻量達到30%時，水泥穩定碎石混合料的強度急劇降低，主要是混合料中細集料用量過多，粗集料大部分處于懸浮狀態，混合料比表面積增大，水泥水化后的膠結料無法完全包裹，導致混合料內部產生了軟弱夾層，在受到外力作用時容易在軟弱面處發生破壞。

3.4 確定水泥劑量

對于水泥穩定類混合料，水泥的用量越高，混合料的強度越高。但張登良和鄭南翔研究表明，對于水泥穩定類基層，當水泥含量為5%～6%時，抗溫縮、干縮的性能都最好；當水泥含量為7%時，抗裂性能反而降低；當水泥含量為3%時，其抗溫縮性能則急劇下降。從表5可知，鐵尾礦砂不同摻量時水泥穩定碎石混合料的7 d無側限抗壓強度代表值基本都達到3 MPa以上，只有摻量為30%，水泥劑量為4%時，試件的7 d無側限抗壓強度小于3 MPa。當水泥劑量為5%時，除了鐵尾礦砂摻量為30%的混合料，其余混合料的強度代表值均滿足要求。為控制水泥劑量，當抗壓強度滿足要求時，盡量降低水泥用量，同時結合我省高速公路水泥穩定碎石基層混合料常用水泥劑量，確定室內試驗的水泥劑量為5%。

4 施工工藝及控制要點

4.1 混合料施工配合比

根據室內試驗結果，鐵尾礦砂摻量為10%～20%時，水泥穩定材料的干縮應變較小，有利于減少干縮裂縫，因此試驗路段水泥穩定碎石混合料中鐵尾礦砂摻量為10%和20%，水泥劑量為5%。由室內設計的鐵尾礦砂摻量為10%和20%的兩個級配，再根據現場集料篩分結果，確定鐵尾礦砂水泥穩定碎石混合的現場配合比，現場10 mm～30 mm的碎石粒徑偏細，在現場施工配合比設計時，適當加大了10 mm～30 mm碎石的用量，現場施工配合比見表6。

表6 鐵尾礦砂水泥穩定碎石混合料現場配合比

4.2 機械組合

鐵尾礦砂水泥穩定碎石基層混合料采用2臺ABG423并行攤鋪，掛線控制標高。試驗路壓實機械主要有CA30振動壓路機2臺，YL30膠輪壓路機1臺。壓實組合為CA30振動壓路機不開振動碾壓1遍，碾壓速度為1.5 km/h～1.7 km/h；CA30振動壓路機振動碾壓2遍，碾壓速度為1.8 km/h～2.2 km/h；YL30膠輪壓路機碾壓2遍，碾壓速度為1.8 km/h～2.2 km/h。

4.3 施工工藝及機械組合

1)原材料進場后，不同規格的集料要分堆堆放，并保證排水量好，必要時需覆蓋；水泥注意防潮，宜在1個月內使用，最長不超過3個月；各種原材料按照規定的檢測頻率和試驗規程進行檢驗，如果材料性質不符合規定，要采取相應的補救措施或報廢。

2)攤鋪前，基底要清掃干凈，保證下承層平整、密實，無松散層。

3)嚴格控制水泥穩定碎石混合料的含水率，混合料拌和用水量為最佳含水量+(1%～2%)。

4)碾壓必須在水泥初凝時間內完成，初壓后禁止薄層找補，嚴重不平整時，應刨松5 cm～10 cm后，用新料找補。

5)基層碾壓完成后，應立即灑布改性乳化瀝青透層油進行養生。

5 結語

鐵尾礦砂已逐漸成為我國僅次于煤矸石、粉煤灰之后的第三類固體廢棄物，其堆存量已達到金屬礦山尾礦堆存總量的1/3以上，給人類生產、生活帶來了嚴重污染和危害。繁大高速公路建設過程中，鐵尾礦砂在水穩基層中的成果應用，尋找到了一條綠色、環保、大量消納鐵尾礦砂的有效途徑，可有效降低鐵尾礦庫庫存，減小尾礦壩潰壩風險、減少生命損失，具有巨大的社會效益和環境效益。