固化劑改良鐵尾礦基層強(qiáng)度影響因素敏感性分析

劉晶磊，王一峰，房建宏，于川情，仉健

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000; 2.河北建筑工程學(xué)院; 3.青海省交通科學(xué)研究院)

1 引言

鐵尾礦是鐵礦石選礦過程中產(chǎn)生的固體廢物，由于技術(shù)水平的限制很難再對鐵尾礦中的金屬元素進(jìn)行回收利用，因此各大礦山企業(yè)采用尾礦壩的形式將鐵尾礦集中堆積，鐵尾礦的大量堆積不僅占用耕地還會對周圍環(huán)境、水源造成污染，且尾礦壩連年增高也對周圍居民的安全構(gòu)成威脅。另一方面，道路工程的建設(shè)嚴(yán)重依賴石料資源，石料資源的開采、運輸、環(huán)境成本居高不下。因此，若能在道路工程中大規(guī)模應(yīng)用鐵尾礦，不僅可以解決鐵尾礦堆積問題，又能節(jié)省企業(yè)成本，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

國外將鐵尾礦應(yīng)用于道路工程的研究起步較早且技術(shù)較成熟，其中，應(yīng)用最早、技術(shù)最成熟的是美國，20世紀(jì)70年代，鐵尾礦被應(yīng)用在從雙子星城到梅薩比地區(qū)的瀝青罩面層中，并且直到現(xiàn)在，這些道路性能依然良好。2003年應(yīng)用鐵尾礦碎石修建了布雷納德國際汽車?yán)惖馁惖馈Ｅc國外相比，中國在公路工程中使用鐵尾礦時間相對較晚。1991東北大學(xué)與馬鞍山礦山研究院合作項目鐵尾礦做路面材料的研究通過了冶金部鑒定，該研究在一級公路慢車道路面使用了鐵尾礦與石、黏土、固化劑、粉煤灰、河砂等配料混合的材料，養(yǎng)護(hù)后可達(dá)到國家規(guī)范要求；楊青以遼寧朝陽地區(qū)鐵尾礦為研究對象，通過在鐵尾礦中加入石灰、水泥等固化劑對鐵尾礦進(jìn)行改良試驗研究，結(jié)果表明石灰、水泥改良的鐵尾礦強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范要求；時彥寧通過比較不同的瀝青混合料的設(shè)計方法，提出了一種新的鐵尾礦砂瀝青混合料的組成設(shè)計，并以此方法為基礎(chǔ)進(jìn)行了試驗路段的鋪筑，實踐結(jié)果表明鐵尾礦砂瀝青混合料性能良好，適宜在低等級道路路面工程中使用；王興義通過試驗比較了砂混凝土和摻入減水劑的鐵尾礦砂混凝土的抗彎拉彈性模量、耐磨性、抗凍性、干縮系數(shù)等指標(biāo)，研究表明將鐵尾礦砂應(yīng)用于水泥混凝土路面具有很高的可行性；楊永浩等以光學(xué)顯微技術(shù)和圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，對鐵、金、錫、銅4種尾礦的顆粒形狀進(jìn)行系統(tǒng)量化分析，探究建筑用砂與鐵尾礦的力學(xué)性能差異，為金屬尾礦的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

上述研究成果對鐵尾礦作為添加材料應(yīng)用于路基、路面中起到了良好的推動作用，而對于以鐵尾礦為主要材料的研究相對較少，考慮到鐵尾礦存量巨大，僅作為添加材料使用很難解決實際問題。因此，該文以張家口地區(qū)鐵尾礦為主要材料，以水泥和土凝巖為固化劑，探究改良鐵尾礦路用性能。通過采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，建立固化劑改良鐵尾礦的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度敏感參數(shù)量化分析模型，深入探討影響固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素，為固化劑改良鐵尾礦基層的大規(guī)模工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用鐵尾礦砂取自張家口宣化區(qū)，主要礦物成分為石英、角閃石、輝石和黏土，化學(xué)成分分析表明：主要化合物SiO2、CaO、TFe、Al2O3、MgO占百分比分別為63.32%、3.21%、11.21%、15.02%、4.25%。

現(xiàn)場取用的鐵尾礦有較多大顆粒物質(zhì)，為便于研究，試驗前將鐵尾礦過2.5 mm篩。鐵尾礦顆粒組成見表1。由表1可知：試驗用鐵尾礦細(xì)度模數(shù)為1.36，屬特細(xì)砂。

表1 鐵尾礦顆粒組成

試驗所用水泥為普通復(fù)合硅酸鹽水泥,SO3、MgO含量分別為3.24%、2.20%，初、終凝時間分別為180、600 min，抗壓強(qiáng)度為32.5 MPa，抗折強(qiáng)度為7.0 MPa。試驗用土凝巖是一種利用赤泥、粉煤灰和煤矸石等工業(yè)廢棄物研制而成的新型綠色材料，為粉末狀固體，密度為2.80～3.20 g/cm3；初、終凝時間分別為480、720 min，抗壓強(qiáng)度為34.5 MPa，抗折強(qiáng)度為9.4 MPa。在山東地區(qū)，土凝巖被廣泛應(yīng)用于公路工程和水利工程，相關(guān)學(xué)者對土凝巖改良土的工程特性也有深入研究。

實際工程中路面基層材料含水率均以最優(yōu)含水率為準(zhǔn)，為此，參考文獻(xiàn)[14]對各摻量下固化劑改良鐵尾礦進(jìn)行重型擊實試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 擊實試驗結(jié)果

2.2 試驗方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗參考文獻(xiàn)[14]，用壓力機(jī)制作50 mm(直徑)×50 mm(高度)試件，脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中[溫度(20±2)℃，濕度≥95%]進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗前將試件放入水中[溫度(20±2)℃]飽和24 h，取出試件后將水擦干，用壓力機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測試。養(yǎng)護(hù)齡期參考文獻(xiàn)[15]中對公路路面基層、底基層7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)制性要求，選擇齡期為7 d；試件含水率以各摻量的最優(yōu)含水率為準(zhǔn)；壓實度參考文獻(xiàn)[15]中對公路路面基層、底基層壓實標(biāo)準(zhǔn)取93%～97%；固化劑摻量參考土凝巖廠家意見取8%～12%。

2.3 分析方法

常規(guī)分析對試驗數(shù)據(jù)的處理較為簡單，無法深入挖掘試驗數(shù)據(jù)所包含的信息。因此，該文采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計進(jìn)行試驗方案的安排，并通過SPSS軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行處理。

回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計是一種將回歸分析與正交試驗相結(jié)合的試驗方法，它以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，通過在預(yù)定試驗因素中選取特定的水平進(jìn)行試驗，應(yīng)用這種試驗設(shè)計方法既可以減小試驗量，又不影響回歸方程的準(zhǔn)確性。

SPSS是一款統(tǒng)計軟件，該文主要應(yīng)用它的回歸分析和數(shù)學(xué)建模功能。回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計中默認(rèn)了一種非線性回歸模型，通過SPSS不僅可以將模型求解，而且可以對其進(jìn)行優(yōu)化，并以逐個將變量引入模型的方式明確不同變量對模型影響的權(quán)重。

根據(jù)二次回歸正交設(shè)計原理，2因素回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗應(yīng)進(jìn)行16組試驗，試驗因素水平見表3。

表3 試驗因素水平

3 固化劑改良鐵尾礦簡化預(yù)報模型

3.1 試驗結(jié)果分析

圖1為正交試驗結(jié)果。文獻(xiàn)[15]中對二級及二級以下公路路面基層材料的壓實度要求控制在95%以上，且對用于不同交通等級的基層材料有不同的強(qiáng)度要求。該文第6組試驗條件為固化劑摻量8%，壓實度95%時水泥改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.48 MPa，土凝巖改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.13 MPa，符合文獻(xiàn)[15]中對二級及二級以下公路，交通等級為中、輕交通的基層材料強(qiáng)度要求。

圖1 正交試驗結(jié)果

比較兩種固化劑改良鐵尾礦可知，水泥改良鐵尾礦強(qiáng)度更高，因此其更適用于交通等級較高的公路路面基層；比較同種固化劑的第7組和第8組試驗可知，摻量相同的條件下壓實度越高強(qiáng)度越高。原因為，混合料壓實度越大，改良鐵尾礦顆粒間距越短，顆粒間距離越短凝膠骨架越穩(wěn)定，其強(qiáng)度也越大；比較同種固化劑的第5組和第6組試驗得，壓實度相同的條件下水泥摻量越大7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，分析原因，鐵尾礦顆粒間距離相同條件下水泥摻量越大其水化產(chǎn)生凝膠數(shù)量越多，隨著凝膠數(shù)量的增加凝膠骨架結(jié)構(gòu)越來越穩(wěn)定，其強(qiáng)度也越來越大。

3.2 預(yù)報模型及敏感因素分析

由表4可得固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的中心化回歸方程[式(1)]：

(1)

式中：y1、y2分別為水泥、土凝巖改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測值；R2為判定系數(shù)。

表4 二次回歸旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計計算

為使該文所建立的模型更具有工程應(yīng)用價值，對式(1)進(jìn)行簡化，具體方法為將式(1)中未達(dá)到顯著性水平(F0.05(1，10)=4.96)的因素剔除。以水泥改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度中心化回歸模型為例，表5中x1′、x2′的回歸系數(shù)分別為0.244和3.665，均小于F0.05(1，10)=4.96，因此將這兩個因素剔除后重新進(jìn)行回歸計算，同理也可將土凝巖改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度中心化回歸模型簡化。

表5 方差分析結(jié)果

簡化后的固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度中心化回歸方程見式(2)，根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計原理，由簡化修正后的方程(2)可得固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實際值方程，見式(3)：式中：z1、z2分別為水泥、土凝巖實際摻量(%)；z1z2為因素實際水泥用量和實際壓實度的交互作用。

(2)

(3)

固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實際值與方程(3)所得計算值的比較如圖2所示。

從圖2中可得出計算值與實測值契合度較高，水泥改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大誤差值約為±11.27%，土凝巖改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大誤差值約為±9.10%，可以看出該文所建立的簡化預(yù)報模型非常穩(wěn)定。

通過SPSS軟件對影響固化劑改良鐵尾礦敏感因素進(jìn)行逐步回歸分析，構(gòu)建所有可能的顯著性模型，分析各敏感因素的影響權(quán)重，模型匯總見表6、7。

由表6可知：由水泥摻量x1與常量共同建立的顯著模型a，R2=0.535，調(diào)整后的R2=0.501，則水泥摻量為影響固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素，同時，由R2更改量數(shù)值大小可知影響固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素按其權(quán)重大小排序為：水泥摻量x1>壓實度x2>水泥摻量和壓實度交互作用x1x2。

圖2 固化劑改良鐵尾礦實測值與計算值比較

由表7可知：由土凝巖摻量x1與常量共同建立的顯著模型a，R2=0.476，調(diào)整后的R2=0.439，則土凝巖摻量為影響固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素，同時，由R2更改量數(shù)值大小可知各影響因素權(quán)重大小依次為：土凝巖摻量x1>壓實度x2。

表6 水泥改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度敏感因素模型匯總

注：a模型預(yù)報變量：水泥摻量x1。b模型預(yù)報變量：水泥摻量x1；壓實度x2。c模型預(yù)報變量：水泥摻量x1；壓實度x2。

表7 土凝巖改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度敏感因素模型匯總

注：a模型預(yù)報變量：土凝巖摻量x1。b模型預(yù)報變量：土凝巖摻量x1；壓實度x2。

從權(quán)重分析結(jié)果可知：以壓實度相比，固化劑摻量對固化劑改良鐵尾礦強(qiáng)度影響更顯著。對于水泥改良鐵尾礦，水泥摻量對強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓實度，因此在施工中應(yīng)保證足夠的水泥摻量；模型1中雖然包含了水泥摻量和壓實度交互作用，但與水泥摻量和壓實度相比數(shù)值過小，可忽略不計。對于土凝巖改良鐵尾礦，土凝巖摻量和壓實度對強(qiáng)度的影響相差不大，因此在施工中除了要保證足夠的土凝巖摻量，還應(yīng)保證足夠的壓實度以保證工程質(zhì)量。

4 結(jié)論

基于正交試驗結(jié)果建立了簡化的固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)報模型，分析了各敏感因素權(quán)重，為固化劑改良鐵尾礦的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，得出以下主要結(jié)論：

(1)摻量為8%的固化劑改良鐵尾礦符合JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中對二級及二級以下公路路面基層材料的強(qiáng)度要求，適宜用作路面基層材料。

(2)固化劑改良鐵尾礦摻量相同的條件下壓實度越大7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大；壓實度相同的條件下水泥摻量越大固化劑改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。

(3)影響水泥改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素按其權(quán)重大小排序為：水泥摻量(0.535)、壓實度(0.238)、水泥摻量和壓實度交互作用(0.067)；影響土凝巖改良鐵尾礦7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素按其權(quán)重大小排序為：土凝巖摻量(0.476)、壓實度(0.238)。

(4)固化劑摻量對固化劑改良鐵尾礦強(qiáng)度的影響比壓實度更顯著；對于水泥改良鐵尾礦，水泥摻量對強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于壓實度；對于土凝巖改良鐵尾礦，土凝巖摻量對強(qiáng)度的影響與壓實度相近。施工時應(yīng)針對固化劑種類的不同嚴(yán)格把控施工條件，保證工程質(zhì)量。