鐵尾礦路用數學模型級配合成和力學性能試驗研究

摘 要：通過對鐵尾礦顆粒粗細程度分析，按照高速路和一級路路面基層集料的技術要求構建數學模型合成鐵尾礦碎石級配，并進行無機結合料穩定碎石鐵尾礦的重型擊實試驗和7d齡期無側限抗壓強度試驗。試驗結果表明：鐵尾礦的細度模數為1.3，以26.5mm、4.75mm、0.075mm篩孔的通過率為控制點，建立對數函數模型進行構建碎石和鐵尾礦粒徑各檔級配合成值，合成級配能夠滿足高速路和一級路路面基層集料的級配要求;當水泥：粉煤灰：碎石：鐵尾礦=5∶10∶55∶30時，混合料取得最大干密度2.396g/cm3、最佳含水量5.1%、7d無側限抗壓強度設計值為5.0MPa，強度指標滿足在極重、特重交通條件下高速路和一級路路面基層的強度要求。

關鍵詞：鐵尾礦;數學模型;級配合成;力學性能

中圖分類號：U414? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0118-05

Experimental Study on Mathematical Model Grading and Mechanical Properties of Iron Tailings for Road Use

Wang Xuwang

（School of Urban， Rural Planning and Architectural Engineering， Shangluo University， Shangluo 726000， China ）

Abstract：Based on the analysis of the granularity of iron tailings particles， a mathematical model was constructed to synthesize the crushed stone grading of iron tailings according to the technical requirements of highway and first-level road pavement aggregates， and the heavy compaction test and 7-day age unconfined compressive strength test of crushed stone iron tailings stabilized by inorganic binder were carried out. The test results show that the fineness modulus of iron tailings is 1.3， and taking the pass rate of 26.5mm， 4.75mm and 0.075mm mesh as the control point， the logarithmic function model is established to construct the matching value of each grade of particle size of gravel and iron tailings， and the synthetic gradation can meet the requirements of aggregate gradation of highway and first grade pavement base. When cement： fly ash： crushed stone： iron tailings =5∶10∶55∶30， the maximum dry density of the mixture is 2.396g/cm3， the optimal water content is 5.1%， and the design value of 7d unconfined compressive strength is 5.0MPa. The strength index can meet the strength requirements of highway and first grade road base under extremely heavy and extra heavy traffic conditions.

Key words：iron tailings;mathematical model;graded composition;mechanical property

0 引言

礦山選礦加工過程中無法進一步篩選的尾礦固體廢棄物，這些尾礦大量的堆積，占用土地、污染環境、易潰壩產生公共安全隱患[1-2]。根據國家生態環境部《2020年全國大中城市固體廢物污染環境防治年報》中顯示，2019年我國重點發表調查工業企業尾礦產生量為10.3億噸，綜合利用量為2.8億噸（其中利用往年貯存量1777.5萬噸），綜合利用率為27.0%，冶金行業“綠色礦山建設”應對露天剝離的表土、生產過程中產生的尾礦等固體廢棄物進行資源化利用，安全處置率應達到100%，礦山廢石及尾礦的資源化利用是綠色礦山建設可持續發展的必然要求[3]。將鐵尾礦作為道路基層材料，技術性能參數常受到各種因素影響而波動，鐵尾礦的不均勻性將影響路面基層混合料性能，為使鐵尾礦質量均勻性能穩定，目前大多采用骨料級配方法進行優化，張磊等[4]采用泰波（Talbol）法對礦山粗粒級充填骨料的級配進行分析和優化，并對金川礦區破碎廢石集料和戈壁粗砂的級配進行了分析;馬峰等[5]采用均勻設計法和正交設計法分別確定粗細集料關鍵粒徑的篩孔通過率，對試驗數據進行回歸分析，通過綜合粗細集料級配優化結果確定混合料集料總體最優級配;尹健等[6]通過對大量的試驗數據擬合與方差分析，建立了透水混凝土有效孔隙率、單位體積骨料顆粒數量、骨料比表面積、不同齡期抗壓強度與骨料級配的關系式;邱存元等[7]借助試驗研究優化混凝土配合比，利用正交試驗方法探索了自密實混凝土的塑性開裂面積與28d抗壓強度的影響因素與影響規律;以上成果對骨料應用進行級配優化后強度的提升起到了積極作用。用于高速路和一級路路面基層，在極重或特重交通條件下的7d無側限抗壓強度標準值Rd在配比材料時不宜單純通過增加水泥劑量來提高混合材料的強度，宜采取控制原材料技術指標和優化級配設計等措施，當前大多研究缺少對鐵尾礦顆粒粗細程度對應級配合成范圍值的確定，以及確定級配合成范圍值的理論計算。本文借助數學函數建立鐵尾礦路用級配合成模型，明確鐵尾礦與碎石合成級配的范圍值從而優化碎石鐵尾礦級配，并通過試驗分析其力學強度指標的路用適用性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）鐵尾礦：商洛小嶺鎮木梓溝鐵尾礦，化學成分如表1所示;粒度分布如表2所示。

（2）水泥：商洛堯柏水泥P.O42.5，技術指標如表3所示。

（3）粉煤灰：商洛電廠的粉煤灰F類Ⅱ級，技術指標如表4所示。

1.2 試驗方案

將鐵尾礦碎石按照函數模型進行級配合成，然后按照合成級配用碎石優化鐵尾礦，采用水泥粉煤灰進行穩定鐵尾礦碎石合成骨料進行重型擊實試驗，根據擊實試驗結果，按照最大干密度和最佳含水率制成標準試件，進行7d無側限抗壓強度試驗。

為了有效控制碎石、鐵尾礦級配合成的質量，減少超粒徑含量，參照文獻[8]中高速和一級公路基層的CF-A-1S級配26.5mm的通過率應為100%，4.75mm的通過率上下限為40%、30%，0.075mm的通過率上下限為5%、2%作為控制點。通過計算分析鐵尾礦細度模數μf，若3.1≤μf≤3.7時，尾礦顆粒較粗宜采用指數函數構造級配曲線;若2.3≤μf≤3.0時，尾礦顆粒粗細適中宜采用冪函數構造級配曲線;若1.6≤μf≤2.2或時0.7≤μf≤1.5，尾礦顆粒較細宜采用對數函數構造鐵尾礦級配曲線[9]，為保碎石和鐵尾礦級配合成的連續性，碎石也采用與鐵尾礦同一函數進行構造碎石級配曲線。

1.3 試驗方法

擊實試驗和無側限抗壓強度試驗方法根據JTJ E21-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（后述簡稱《規程》）相關要求[10]進行。

擊實試驗：按《規程》中無機結合料穩定材料擊實試驗方法的“丙法”進行試驗，以干密度為縱坐標、含水量為橫坐標，繪制含水量-干密度曲線，將試驗各點采用二次曲線方法擬合，曲線的峰值點對應的含水量及干密度即為最佳含水量和最大干密度。

無側限抗壓強度試驗：按《規程》中的無機結合料穩定材料無側限抗壓強度試驗方法進行試驗，試驗過程中保持加載速率為1mm/min，記錄試件破壞時的最大壓力P，并從試件內部取有代表性的樣品（經過打破），測定其含水量ω。

2 級配模型構建和試驗分析

2.1 函數模型構建級配曲線

根據表2中的數據，按公式（1）計算[11]鐵尾礦的細度模數μf：

式中：A0.15，A0.15，A0.15…A4.75分別為各篩上的累計篩余百分率（%）。

經計算，鐵尾礦砂的細度模數為μf =1.3，級配構造函數宜采用對數函數模型。為保碎石和鐵尾礦級配合成的連續性，構建碎石、鐵尾礦的級配曲線均采用對數函數模型，鐵尾礦碎石合成級配曲線函數模型為：

式中：y為通過率（%）;x為集料粒徑（mm）;a、b均為回歸系數。

以26.5mm篩孔的通過率上限100%、4.75mm篩孔的通過率上限40%、0.075mm篩孔的通過率上限5%為控制點，按照公式（2）建立碎石級配曲線上限的對數函數方程組：

解得a1=34.904、b1=-14.384，由此可以計算出碎石粒徑為19mm、16mm、13.2mm、9.5mm的上限通過率，列于表5中。

同理，按照公式（2）建立鐵尾礦級配曲線上限的對數函數方程組：

解得a2=8.437、b2=26.854由此可以計算出粒徑為2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15的上限通過率，列于表5中。

以26.5mm篩孔的通過率下限100%、4.75mm篩孔的通過率下限30%、0.075mm篩孔的通過率下限2%為控制點，按照公式（2）建立碎石級配曲線下限的對數函數方程組：

解得a3=40.721、b3=-33.447，由此可以計算出碎石粒徑為19mm、16mm、13.2mm、9.5mm的下限通過率，列于表5中。

同理，按照公式（2）建立鐵尾礦級配曲線上限的對數函數方程組：

解得a4=6.750、b4=19.485由此可以計算出粒徑為2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15的下限通過率，列于表5中。

由表5可知，粒徑在4.75～26.5mm之間的碎石含量為60%～70%，粒徑在0.075～4.75mm之間的鐵尾礦含量為30%～40%，碎石和鐵尾礦的級配曲線上下限是進行級配合成的范圍，作為碎石優化鐵尾礦用于路面基層。

2.2 碎石鐵尾礦合成級配

根據表5的級配，鐵尾礦的粒度分布（表2）在0.075～4.75mm之間不滿足表5級配值的采用建筑砂進行摻補，試驗所用摻配碎石后的鐵尾礦級配值見表6所示，級配曲線如圖1所示。

文獻[8]中明確水泥粉煤灰穩定材料用于高速路和一級路路面基層，在極重、特重交通條件下的7d無側限抗壓強度標準值Rd應滿足4.0MPa≤Rd≤5.0MPa，用于高速公路路面基層的水泥穩定粒料強度摻入水泥劑量不宜超過6%，在配比材料時不宜單純通過增加水泥劑量來提高混合材料的強度，宜采取控制原材料技術指標和優化級配設計等措施。

2.3 擊實試驗結果與分析

擊實試驗中各材料比例為：水泥劑量5%的條件下，粉煤灰摻加10%，碎石鐵尾礦集料按照表6合成級配占85%。水泥粉煤灰穩定碎石鐵尾礦混合料的最佳含水率和最大干密度如表7所示。

從表7可知，水泥粉煤灰穩定合成級配的碎石鐵尾礦擊實試驗的最大干密度為2.396g/cm3，對應的最佳含水量為5.1%，以干密度為縱坐標、含水量為橫坐標，繪制含水量—干密度曲線圖，如圖2所示。

本次試驗中材料用量比例為水泥粉煤灰：鐵尾礦碎石集料=15∶85，根據表6中合成級配中碎石：鐵尾礦=65∶35，說明混合料中粗集料占比達到65%時，水泥粉煤灰穩定鐵尾礦碎石混合料的擊實效果最好，取得最大干密度為2.396g/cm3，對應最佳含水量5.1%。

2.4 無側限抗壓強度試驗結果與分析

根據表7，按照最佳含水量5.1%成型圓柱形標準試件（直徑和高均為150mm），標準養護7d測定其無側限抗壓強度，試驗結果如表8所示。

從表8試驗結果可知，水泥∶粉煤灰∶碎石∶鐵尾礦=5∶10∶55∶30時，水泥粉煤灰穩定鐵尾礦碎石的7d無側限抗壓強度設計值為5.0MPa，強度滿足JTG/TF 20-2015《公路路面基層施工技術細則》表4.2.7中高速路和一級路路面基層，在極重、特重交通條件下的7d無側限抗壓強度標準值Rd∈[4.0，5.0]的要求。

3 結論

通過對鐵尾礦顆粒粗細程度分析，按照用于高速路和一級路路面基層集料的技術要求構建數學模型合成鐵尾礦碎石級配，進行水泥粉煤灰穩定的擊實試驗和7d無側限抗壓強度試驗，根據試驗結果得出以下結論：

（1）鐵尾礦的細度模數μf為1.3，屬于特細集料，采用對數函數模型構造鐵尾礦和碎石的合成級配。

（2）以26.5mm、4.75mm、0.075mm篩孔的通過率為對數函數模型控制點，建立對數函數模型構建碎石和鐵尾礦粒徑各檔級配合成值，級配合成范圍限制碎石含量為60%～70%，鐵尾礦含量為30%～40%，能夠滿足高速路和一級路路面基層集料的級配要求。

（3）在水泥劑量5%和粉煤灰10%的條件下，當碎石∶鐵尾礦=65∶35時，水泥粉煤灰穩定鐵尾礦碎石混合料的擊實效果最好，取得最大干密度為2.396g/cm3，對應最佳含水量5.1%。

（4）當水泥∶粉煤灰∶碎石∶鐵尾礦=5∶10∶55∶30時，水泥粉煤灰穩定鐵尾礦碎石的7d無側限抗壓強度設計值為5.0MPa，強度滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》表4.2.7中高速路和一級路路面基層，在極重、特重交通條件下的7d無側限抗壓強度標準值Rd∈[4.0，5.0]的要求。

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