摻鐵尾礦砂水泥穩定碎石混合料性能的影響研究

褚 鋒 蘇紀壯 王瑞冰 汲 平 王鑫洋 劉 健

(山東高速集團有限公司建設管理公司1) 濟南 250000) (山東高速工程檢測有限公司2) 濟南 250002)

0 引 言

鐵尾礦砂是鐵礦場在開采分選礦石之后排放的固體廢棄物，隨著國民經濟的快速發展，鐵尾礦砂排放量逐年增加，如不能進行合理利用將占用大量土地、污染環境，還易產生安全隱患[1].公路工程建設過程中需要大量的筑路材料，若能采用適當的技術，將鐵尾礦砂用作筑路材料，既可以降低公路工程造價，也可減少其對環境的污染.

國內外研究者對鐵尾礦砂應用于瀝青路面半剛性基層進行了一定研究.楊青[2]對鐵尾礦砂顆粒級配、礦物組成、水泥穩定鐵尾礦砂的力學性能、水穩定性、干縮性能等進行了研究.王琰[3]對無機結合料穩定鐵尾礦砂的疲勞及凍融循環特性的進行了研究.李洪斌等[4-5]對水泥穩定鐵尾礦砂的動態模量、靜態模量、抗壓強度和劈裂強度、水穩定性、抗凍融循環性能、抗疲勞性能進行了試驗研究，結果表明：水泥穩定鐵尾礦砂可用于瀝青路面基層.趙飛[6]通過SEM試驗研究了水泥鐵尾礦砂固化機理.王緒旺等[7]對鐵尾礦半剛性路面基層的抗沖刷性能進行了預估分析，結果表明：水泥劑量為5%時能夠取得良好的抗沖刷性能和經濟性.Che等[8]對鐵尾礦混凝土(ITC)力學性能及耐久性進行研究，結果表明，鐵尾礦砂混凝土各項指標能夠滿足農村公路需求.Djellali等[9]對經水泥處理后的鐵尾礦砂的密實度，抗壓強度及加州承載比(CBR)進行了測試.Oliveira等[10]使用水泥對兩種鐵尾礦砂的物理力學性能進行了研究，結果表明，當水泥用量為5%時，混合料的力學性能夠滿足巴西規范中路基技術指標要求.

綜上所述，以往研究僅對水泥穩定鐵尾礦砂的路用性能進行了研究，研究過程中未涉及振動擊實技術對其混合料路用性能的影響.因此，本文通過振動擊實成型、靜壓成型兩種方式制備試樣，并對不同鐵尾礦砂摻量、不同級配類型的混合料進行試驗研究，便進一步認識振動擊實及鐵尾礦砂作用機理，準確地表征其混合料性能，從而指導工程實踐.

1 試驗概況

1.1 原材料

1) 粗集料 粗集料最大粒徑31.5 mm，分為4.75～9.5、9.5～19、19～31.5 mm三檔，壓碎值為21.7%，表觀相對密度均大于2.730，其他技術指標均滿足JTG F20—2015《公路路面基層施工技術細則》中相關要求.

2) 細集料 細集料為0～4.75 mm機制砂，表觀相對密度為2.656，塑性指數10.

3) 水泥 采用山東山水水泥集團有限公司生產P·O 42.5級緩凝水泥.

4) 鐵尾礦砂 選用山東棗莊某礦廠生產的鐵尾礦砂，塑性指數12，砂當量71%，內照射指數0.100，外照射指數0.165，浸出毒性滿足國家規范相關要求，其主要礦物成分見表1.

5) 水 試驗用水為濟南地區自來水.

表1 鐵尾礦砂成分組成表

1.2 配合比設計

為保證試驗結果的可靠性，對原材料進行篩分，配合比設計時逐檔回配.水泥穩定鐵尾礦砂混合料級配見圖1，通過重型擊實試驗確定混合料最佳用水量為5%，水泥用量為4.0%.

圖1 水泥穩定碎石混合料級配圖

1.3 試驗方法

對各鐵尾礦砂摻量的水泥穩定碎石混合料通過靜壓成型和振動成型方式制備試樣，其中混合料最大干密度為2.378 g/cm3，試樣制備過程中控制壓實度為98%.其中，無側限抗壓強度、間接拉伸強度和水穩定性試樣采用標準養生方法養生7 d，抗凍性試驗及間接拉伸疲勞試驗試樣采用標準養生28 d.水穩定性試驗采用20 ℃下保水48 h后測定無側限抗壓強度；抗凍性試樣采用5次凍融循環(-18 ℃凍結16 h，取出試件量高、稱質量，然后立即放入20 ℃的水槽中進行融化，融化時間8 h，融化完畢，取出試件擦干后量高、稱質量為一次凍融循環)，后測定無側限抗壓強度；疲勞試驗采用Havesine波，加載頻率為10 Hz，應力控制方式，應力比選為0.5～0.8，試驗溫度定為15 ℃.使用TENSORⅡ型傅里葉變換紅外光譜儀和X射線衍射儀，對摻鐵尾礦砂水泥穩定碎石材料進行紅外光譜分析和X衍射分析.紅外光譜屬于分子振動光譜，是由于化合物分子中的基團吸收特定波長的電磁波引起分子內部的某種振動，通過討論分子振動類型，確定各種振動吸收峰的歸屬，最終反映化合物結構的變化，是分子鑒定和結構分析的常用手法.一般水泥中A礦和B礦的Si—O鍵的伸縮振動在926 cm-1附近，一旦遇水聚合為凝膠，變為Si—O—Si鍵，遷移至970 cm-1附近振動.

2 試驗結果分析

2.1 強度試驗結果分析

不同成型方式及不同鐵尾礦摻量水泥穩定碎石混合料7 d無側限抗壓強度及間接拉伸強度試驗結果見圖2.

圖2 強度試驗結果

由圖2可知：無側限抗壓強度及間接拉伸強度隨鐵尾礦砂量的增加呈現先增大后間減小的趨勢，當鐵尾礦砂用量為10%時，水泥穩定碎石混合料的強度達到峰值，其原因為鐵尾礦砂較石屑更細，更易在粗集料表面形成水泥膠漿能夠均勻的填充混合料間空隙，但當用量達到一定限值后，水泥膠漿在混合料體系中所占比例增加，由于膠漿強度低于碎石強度，因此更易發生破壞；振動成型制備試樣強度明顯大于靜壓成型方法制備的試件，究其原因為，振動擊實過程中產生的振動波能夠使混合料中的集料顆粒產生移動，移動產生的空隙被水泥膠漿填充密實，相較于靜壓成型振動擊實成型試件密實度更高，內部微裂紋更少，因此表現出強度更高.

2.2 水穩定性試驗結果分析

通過水穩性系數(K)評價摻鐵尾礦砂水泥穩定碎石混合料的水穩定性，試驗結果見圖3.

圖3 水穩定性試驗結果

由圖3中試驗結果可以得出如下結論：養生28 d試樣水穩定性明顯高于養生7 d試樣，其主要原因是養生28 d的試樣水泥水化程度更加完全，混合料因此表現為混合料強度的增加；混合料水穩定性隨鐵尾礦砂摻量的增加呈現先增加后減小的趨勢，當鐵尾礦砂用量為10%時，水泥穩定碎石混合料的強度達到峰值；振動成型方式制備試樣水穩定性較靜壓成型方式成型試樣效果更佳，其主要原因是振動波作用下，顆粒發生移動，移動產生的空隙被水泥膠漿填充密實，力學性能上表現為強度的增加.

2.3 抗凍性試驗結果分析

本研究采用凍融循環試驗對摻鐵尾礦砂水泥穩定碎石抗凍性進行研究，試驗結果見圖4.

圖4 抗凍性試驗結果

由圖4可知：摻加鐵尾礦砂后水泥穩定碎石混合料的抗凍性明顯提升，但到達某一峰值后不再增長，其主要原因是鐵尾礦砂中小于0.075 mm顆粒含量明顯高于石屑，添加水泥拌和后形成的膠漿含量增加，更易填充混合料內部空隙，使得試樣更加密實，從而表現出試樣抗凍性的提升；振動成型較靜壓成型制備試樣的抗凍性更加優異.

2.4 抗疲勞性能試驗研究

本研究采用間接拉伸疲勞試驗對未摻加鐵尾礦砂和不同鐵尾礦砂摻量水泥穩定碎石混合料進行抗疲勞性能研究.結果見圖5.

圖5 疲勞回歸方程圖

由圖5可知：疲勞壽命擬合方程的相關系數均在0.85以上，疲勞回歸方程斜率大小依次為：疲勞回歸方程截距大小依次為：摻加5%鐵尾礦砂>無鐵尾礦砂>摻加10%鐵尾礦砂>摻加15%鐵尾礦砂>摻加20%鐵尾礦砂>摻加25%鐵尾礦砂，說明混合料中適當添加一定量的鐵尾礦砂能夠提高反復的交通荷載作用下水泥穩定碎石混合料的疲勞壽命，主要原因是混合料中細集料含量過低，混合料強度變異性增加，抗疲勞性能下降.

2.5 紅外光譜測試結果及分析

圖6為FTIR圖.由圖6a)可知：水泥、石灰巖和鐵尾礦的結構存在較大差異，水泥中Si-O鍵的彎曲振動和伸縮振動吸收峰分別位于400～600 cm-1和900～1 000 cm-1處，因此水泥中523 cm-1和990 cm-1處是水泥礦物A和礦物B的Si—O鍵彎曲振動和伸縮振動產生的峰.石灰巖和鐵尾礦在710 cm-1處的小尖峰是由于其中的非晶相SiO2的Si-O鍵伸縮振動產生的峰.鐵尾礦在550 cm-1處的小尖峰是由于其內部含鐵礦物彎曲振動產生的峰.

圖6 FTIR圖

圖中標記了Si-O鍵伸縮振動、水分子羥基的伸縮振動和水化產物Ca(OH)2羥基伸縮振動、3CaO·SiO2·nH2O的彎曲振動、3CaO·3Al2O3·3CaSO4·32nH2O彎曲振動，峰位置分別在900～1 000、3 468、730和837、3 449 cm-1左右，對比水泥石、鐵尾礦砂和水泥、石灰巖和水泥拌和后的水化產物可以發現，3 449 cm-1左右的鈣釩石吸收峰消失，其主要原因是拌和后的混合料中水泥用量較少，相較于水泥石，混合料內部的集料較多，雖經過粉碎，但試樣中仍含有大量的集料，因此3 449 cm-1左右的鈣釩石吸收峰消失.對比靜壓成型和振動成型兩種成型方式制備試樣的吸收峰位置幾乎相同，但峰強度存在明顯差異，其主要原因是振動成型過程中的振動波帶動了混合料中膠漿的移動，使得在混合料內部分散更加均勻，進而水化反應更加充分，因此其吸收峰處振動更加明顯.

2.6 XRD測試結果及分析

圖7為XRD試驗結果，由圖7可知：①無論采用哪種成型方式，是否添加鐵尾礦砂，混合料中的CaO和SiO2的峰值都比較明顯，其主要原因是XRD試樣的制備過程中，將粗集料表面黏附的細集料刮下后，經室內磨細，后使用0.075 mm方孔篩篩分后使用，這使得XRD試樣中含有大量的集料粉末，因此CaO和SiO2的峰值較其他礦物更明顯；②水泥穩定碎石混合料在添加10%的鐵尾礦砂后，XRD試樣的Fe2O3峰值更明顯，其主要原因是鐵尾礦砂中含有較多的含鐵礦物，因此Fe2O3處出現了明顯的強峰；③在同等養護條件、同齡期及相同水泥用量下，采用振動成型方式制備的水泥穩定碎石混合料中出現了明顯的硅酸三鈣(C3S)和硅酸二鈣(C2S)峰值，其主要原因是振動作用加速了水泥在集料中的分散，使水泥在混合料內部分散更均勻，因此C3S和C2S處的峰值更明顯.

圖7 XRD試驗結果

3 結 論

1) 水泥穩定碎石混合料無側限抗壓強度、間接拉伸強度、水穩定性及抗凍性隨鐵尾礦砂量的增加呈現先增大后間減小的趨勢，當鐵尾礦砂用量為10%時，水泥穩定碎石混合料的強度達到峰值.

2) 鐵尾礦砂的加入使得水泥穩定碎石的疲勞壽命呈現先增大后減小的趨勢，當鐵尾礦用量為5%時水泥穩定碎石混合料的疲勞壽命達到峰值，隨著鐵尾礦砂用量的繼續增加，疲勞壽命逐漸降低.

3) 振動成型方式制備試樣較靜壓成型方式制備試樣的無側限抗壓強度、間接拉伸強度、水穩定性、抗凍性更高，但耐疲勞性能降低，這與振動成型方式制備試樣的密實度更高有關.

4) 水泥穩定碎石混合料中添加一定量的鐵尾礦砂后，振動峰和吸收峰的位置幾乎相同，且采用振動成型時，峰強度較靜壓成型更明顯.