鐵尾礦用于水泥混凝土路面的性能研究

趙 鵬

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

0 引 言

目前，礦山開采中的鐵尾礦等廢棄物越來越多，隨著鐵尾礦產量的逐漸增加，鐵尾礦的維護成本和潛在危害也隨之逐步增加。因此，在各種行業中都出現了回收再利用鐵尾礦的研究。相關研究表明，鐵尾礦具有相對穩定的組成和細度指標，可以用來代替水泥混凝土中的天然砂。而天然砂作為水泥混凝土路面中的重要組成部分，正面臨著供應不足、價格居高不下的困擾。因此本文通過調整鐵尾礦的添加比例和粒徑分布，并采用抗壓強度試驗、抗彎強度試驗以及數值模擬技術，來分析使用鐵尾礦代替部分天然砂制備水泥混凝土并用于道路工程的可行性。

1 試驗原材料

1.1 鐵尾礦

試驗中的鐵尾礦來自礦產豐富的鞍山地區，其化學組成以SiO2為主，占比73.3%；Fe2O3占比11.6%；Al2O3占比4.07%；MgO占比4.22%；殘留鐵渣2.18%；CaO占比3.04%；K2O占比0.95%；Na2O占比0.41%；SO3占比0.25%；P2O5占比0.19%；TiO2占比0.16%；MnO占比0.14%。

1.2 其他材料

試驗用水泥為32.5礦渣硅酸鹽水泥；試驗用水為飲用水；粗集料采用質地堅硬、耐磨、潔凈的軋制碎石，其針片狀顆粒含量為11.02%，壓碎值為19.89%；天然砂的細度模數為2.8，上述材料質量均符合《公路水泥混凝土路面施工技術細則》的要求。

2 試驗過程

2.1 試驗內容

為了研究用鐵尾礦取代部分天然砂的水泥混凝土路面的性能，本次研究將采用抗壓強度試驗、抗彎強度試驗、坍落度試驗及數值模擬的方法來檢測試件的物理學指標，以分析鐵尾礦對水泥混凝土路面性能的影響。

2.2 試驗方法

由于不同粒度的鐵尾礦對水泥混凝土路面的影響是不同的。因此，試驗將采用兩種不同粒徑范圍(0.15～0.3 mm和0.3～0.6 mm)的鐵尾礦進行研究，且鐵尾礦代替天然砂的比例分別設定為10%、20%、25%、35%、50%和60%。

標準試驗程序采用：初步配合比→參考配合比→設計配合比→施工配合比的流程。并用混凝土攪拌機拌制混合料，然后制成(10×10×10)cm3的立方體試件。每種配合比制備三組試件，每組試件的養護時間分為3 d，7 d，18 d和28 d四類，并在試件達到規定的期齡后，開始進行抗壓強度、抗彎強度試驗。

2.3 試驗配合比

采用上述方法確定的標準試件的配合比為：水2.05 kg，水泥5.12 kg，砂5.22 kg，碎石12.16 kg，水灰比0.4，砂率30%。粒徑范圍為0.15～0.3 mm的鐵尾礦試件、粒徑范圍為0.3～0.6 mm的鐵尾礦試件的試驗配合比如表1、表2所示，代替率為鐵尾礦代替天然砂的比例。

表1 粒徑范圍為0.15～0.3 mm的鐵尾礦試件的配合比

表2 粒徑范圍為0.3～0.6 mm的鐵尾礦試件的配合比

3 試驗結果分析

3.1 坍落度試驗

各組試件的試驗結果均為三次平行試驗數據的平均值，通過對比分析發現，各組試件的坍落度隨著鐵尾礦含量的增加而逐漸減小。鐵尾礦代替天然砂的比例為10%時，混凝土的坍落度最大為38 mm，鐵尾礦代替天然砂的比例為60%時，混凝土的坍落度最小為32 mm，各組試件間的坍落度差值并不大，由此可知，鐵尾礦的含量對混凝土坍落度結果的影響較小。

3.2 抗壓強度試驗

對于水泥混凝土路面而言，混凝土的抗壓強度和抗彎強度是路用性能的兩項重要指標。因此本次研究就通過試件的抗壓強度、抗彎強度試驗結果來研究不同摻量、不同粒徑的鐵尾礦對水泥混凝土路用性能的影響。各組試件的抗壓強度試驗結果如表3、表4所示，表中單位均為MPa。

表3 粒徑范圍為0.15～0.3 mm的鐵尾礦試件抗壓強度值

表4 粒徑范圍為0.3～0.6 mm的鐵尾礦試件抗壓強度值

從表3、表4的試驗結果可以看出，鐵尾礦粒徑為0.15～0.3 mm的試件的抗壓強度優于鐵尾礦粒徑為0.3～0.6 mm的試件。各組試件的抗壓強度均在期齡28 d達到峰值，且在鐵尾礦的摻量為25%、粒徑為0.15～0.3 mm時的混凝土抗壓強度最大，峰值為49.4 MPa，高于標準試件的抗壓強度值。

從整體試驗結果來看，摻加了鐵尾礦的水泥混凝土也遵循普通水泥混凝土的強度增長定律，鐵尾礦的加入對水泥混凝土的抗壓強度結果影響不大，但在適宜的添加比例下，鐵尾礦的加入會使水泥混凝土的抗壓強度有所提高。這是因為當鐵尾礦的含量不斷增加時，天然砂的含量減少，細集料的粒徑分布變得極不均勻，混合料的級配變差，試件的抗壓強度勢必降低。因此，鐵尾礦的含量對于水泥混凝土路面抗壓強度來說存在最大值。而鐵尾礦中的部分活性化學成分與水泥發生化學反應，從而導致了試件抗壓強度值的提高。

3.3 抗彎強度試驗

抗彎強度試驗采用期齡28 d的試件進行試驗檢測，各組試件的抗彎強度試驗結果如表5所示，表中單位均為MPa。

表5 試件抗彎強度值

從表5的試驗結果可以看出，鐵尾礦的抗彎強度受鐵尾礦的粒徑大小和含量因素的影響有所變化。總體來看，鐵尾礦試件的抗彎強度值低于標準試件，但下降幅度不大，且鐵尾礦的粒徑大小對水泥混凝土的抗彎強度值影響不大。

由于鐵尾礦的強度比砂低，且受顆粒表面粗糙度的影響，鐵尾礦和砂粒之間的連接也比砂更弱，這是摻鐵尾礦的水泥混凝土的抗彎強度比普通混凝土的抗彎強度值低的主要原因之一，但兩者的抗彎強度值差值并不大，且摻鐵尾礦的水泥混凝土的抗彎性能仍能滿足道路工程的相關標準。

3.4 數值模擬

水泥混凝土路面材料的組成對其受力性能有很大影響。特別是在用鐵尾礦代替部分砂時，應力分析不盡相同。因此，為了研究車輪荷載對路面實際狀況的影響，本文利用ANSYS軟件對受力情況進行了模擬。從模擬結果來看，隨著鐵尾礦粒徑的變化，彎沉值變化不大。然而，隨著鐵尾礦含量的變化，路面彎沉值呈下降趨勢，在鐵尾礦的摻量為25%～35%時，路面的彎沉值最小為28.1～28.3，這一結果與物理試驗的結果良好吻合。

4 結 論

本文對摻鐵尾礦的水泥混凝土進行了物理力學試驗和模擬計算，討論了鐵尾礦含量和粒度對混凝土抗壓強度、抗彎強度和彎沉度的影響，得到以下幾個重要的結論。

鐵尾礦對水泥混凝土路面的基本力學性能有一定的影響，但影響效果不大，摻加了鐵尾礦的水泥混凝土的性能滿足道路工程相關規范的要求。因此，生產中可以找到鐵尾礦的最佳摻量和粒徑來代替天然砂制備水泥混凝土。

鐵尾礦的粒徑對水泥混凝土的抗壓強度、抗彎強度影響不大，影響水泥混凝土物力性質的主要因素為鐵尾礦代替天然砂的比例。

通過對含鐵尾礦的水泥混凝土路面抗壓強度和抗彎性能的分析，得到了鐵尾礦含量的最佳值。就本文的鐵尾礦水泥混凝土路面而言，鐵尾礦代替25%天然砂的水泥混凝土路面綜合性能最優。