无机结合料稳定铁尾矿砂配合比设计研究

郭蓉 张衡

摘 要：文章根据铁尾矿砂的特性进行水泥稳定、石灰稳定和水泥、石灰综合稳定配合比设计；通过对混合料进行击实试验，无侧限抗压强度试验，得出满足规范要求强度的结合料掺量。结果表明：8%水泥稳定铁尾矿砂，14%石灰稳定铁尾矿砂，石灰水泥综合稳定铁尾矿砂（石灰掺量4%，水泥掺量2%）能够满足低等级公路基层强度要求。

关键词：铁尾矿砂；水泥稳定；石灰稳定；石灰水泥综合稳定；配合比设计

随着我国钢铁工业快速发展，尾矿在工业固体废弃物中所占的比例越来越大。尾矿的存放严重污染环境、占用大量土地，且处理维护费用高，风险大，因而尾矿的综合利用已经引起人们的高度重视。在我国常用的半刚性基层沥青路面或水泥混凝土路面中，基层和底基层主要承担承载交通荷载的作用，所以基层和底基层的强度、刚度和稳定性决定了路面的使用性能和寿命。到目前为止，使用最多的是半刚性结构，如果能把铁尾矿用作筑路材料使用到基层和底基层中，不仅可以有效利用工业废渣，大量消耗铁尾矿，还可以降低工程造价，减少环境污染，有效地保护土地资源。

文章主要以鐵尾矿砂为研究对象，将其应用于道路建筑材料中，替代部分砂石，通过试验数据分析其可行性，为铁尾矿砂的应用提供了理论依据。

1 原材料技术指标

1.1 铁尾矿砂

文章试验选用的铁尾矿砂来自南京市江宁区吉山铁尾矿库尾矿砂。

（1）铁尾矿砂的颗粒组成分析。筛分结果如图1所示，可计算其细度模数为0.94，属于特细砂。

图1 铁尾矿砂筛分曲线

（2）铁尾矿砂的化学成分分析。通过对铁尾矿砂化学成分进行分析，可见铁尾矿砂的主要化学成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3和CaO。根据试验结果SiO2的含量可初步判断，铁尾矿砂来源于碱性集料。

1.2 水泥

文章选用的水泥来自南京中联水泥有限公司，是强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。

1.3 石灰

文章选用的石灰为钙质消石灰，CaO和MgO含量为78.0%，符合规范Ⅰ级灰的标准。

2 试验方案

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）相关试验要求，通过击实试验确定水泥稳定类、石灰稳定类和石灰（或水泥）粉煤灰稳定类材料的最佳含水量和最大干密度。并在最佳含水量和最大干密度条件下成型规定尺寸的试件，在温度为20℃±2℃，湿度为95%以上的标准养护室里养护至相应龄期的前一天，浸水24h。测试其无侧限抗压强度。确定满足规范要求7天强度的结合料用量。材料组合方案为：水泥+铁尾矿砂、石灰+铁尾矿砂、水泥+石灰+铁尾矿砂。

3 结果及分析

3.1 水泥稳定铁尾矿砂

3.1.1 击实试验。分别选取 4%、6%、7%、8%、9%、10%、12%的水泥掺量进行击实试验。根据击实试验结果得出，铁尾矿砂掺加水泥最佳含水量在9.8%～10.1%之间，含水量并无明显差异，最大干密度在2.204g/m3～2.282g/m3之间；随着含水量的变化其干密度变化较大。

3.1.2 无侧限抗压强度试验。文章中按掺加水泥剂量4%、6%、7%、8%、9%、10%、12%分别制作试件并进行了7天无侧限抗压强度试验。具体试验结果如图2所示。

图2 水泥稳定铁尾矿砂无侧限抗压强度

由图2可知，水泥稳定铁尾矿砂的7天无侧限抗压强度随水泥掺量的增大而增大，且呈线性增长；当水泥掺量达到8%时，无侧限抗压强度才能满足规范要求的强度值（2.5MPa），水泥用量偏大，一方面不经济，另一方面，也是最重要的一方面，当水泥掺量过大时，将会引起干缩、温缩裂缝等问题。

3.2 石灰稳定铁尾矿砂

3.2.1 击实试验。分别选取10%、12%、14%、15%、16%、18%、20%、25%、30%的石灰掺量进行击实试验，根据试验所得的最大干密度及最佳含水率结果可以得出：随着石灰掺量的增加，最佳含水率逐渐增加，而最大干密度逐渐降低。由于石灰的比重小于铁尾矿砂的比重，混合后灰剂量越大，其干密度自然越小。随着含水量的变化其干密度变化不大，说明其对水的敏感性不高，在施工过程中含水量比较便于控制，有利于现场施工控制。

3.2.2 无侧限抗压强度试验。文章中按掺加石灰掺量10%、12%、14%、15%、16%、18%、20%、25%、30%分别制作试件并进行了7天无侧限抗压强度试验。具体试验结果如图3所示。

由图3可知，水泥稳定铁尾矿砂的7天无侧限抗压强度随石灰掺量的增大而增大，在石灰掺量小于20%时，强度增长速率较快，当石灰掺量大于20%时，强度增长放缓。总体上呈线性增长趋势。另外，当石灰掺量达到14%时，强度基本达到规范要求的强度值（0.8MPa）。

3.3 石灰水泥综合稳定铁尾矿砂

3.3.1 击实试验。分别按石灰：水泥：铁尾矿砂比例为4：2：100、6：2：100、8：2：100、10：2：100、12：2：100的掺量进行击实试验，根据试验所得的最大干密度及最佳含水率结果可以得出：最大干密度随石灰掺量的增大而增大；当石灰和水泥的掺量比例逐渐增大时，最大干密度曲线变化趋势也越来越明显。

3.3.2 无侧限抗压强度试验。文章中分别按石灰：水泥：铁尾矿砂比例为4：2：100、6：2：100、8：2：100、10：2：100、12：2：100的掺量分别制作试件并进行了无侧限抗压强度试验。具体试验结果如图4所示。

图4 石灰（2%水泥）综合稳定尾矿无侧限抗压强度

由图4可知，7天无侧限抗压强度随石灰掺量的增加而呈现显著线形增长趋势；且适量加入少许水泥可以大幅度降低石灰剂量。当石灰掺量采用4%、水泥掺量采用2%时，混合料强度即能满足规范要求的强度值（0.8MPa）。

4 结束语

文章通过在铁尾矿砂中加入水泥、石灰等无机结合料，进行水泥稳定、石灰稳定和综合稳定，通过调整不同掺量进行击实、强度试验，得出以下结论：

（1）通过对铁尾矿砂进行无机结合料稳定或综合稳定，均能满足二级及其以下等级的公路基层强度要求。

（2）通过三种稳定方式的铁尾矿砂混合料的击实试验及强度试验，得出满足二级及其以下公路基层强度要求的配合比方案：水泥稳定铁尾矿砂（水泥掺量为8%）；石灰稳定铁尾矿砂（石灰掺量为14%）；石灰水泥综合稳定铁尾矿砂（石灰掺量4%，水泥掺量2%）。

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