重晶石矿渣在水泥稳定碎石基层中的应用研究

杨维荣，叶 伟，杨 波

(1.黔东南州交通工程质量监督处， 贵州 天柱 556000； 2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 400060)

重晶石矿渣在水泥稳定碎石基层中的应用研究

杨维荣1，叶 伟2，杨 波2

(1.黔东南州交通工程质量监督处， 贵州 天柱 556000； 2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 400060)

通过对重晶石矿渣水泥稳定碎石基层级配和路用性能的研究，成功将重晶石矿渣作为细集料应用于水泥稳定碎石混合料中。重晶石矿渣水泥稳定碎石混合料的抗压性能、抗拉性能及抗干缩性能均与常规水泥稳定碎石混合料基本相当，从而为贵州省重晶石矿渣的废物利用寻找到一条新的出路。

重晶石矿渣；水泥稳定碎石；配合比；路用性能

重晶石指主要成分为钡(Ba)的硫酸盐矿物，是化工产业的重要原料。重晶石经煅烧后产生的矿渣，除钡类化合物含量最高外，铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、铜(Cu)、汞(Hg)等重金属化合物含量也较高[1]。如果重晶石矿渣处理不当，就可能对周边土壤和水源造成污染。贵州省重晶石矿储量丰富，占全国总储量的60%，然而，如何利用重晶石矿渣则一直缺乏有效途径，造成贵州省天柱县等重晶石产区矿渣堆积，不仅占用了土地，而且还污染了周边环境。为此，有必要对重晶石矿渣作为细集料的水泥稳定碎石混合料配合比[2]及路用性能进行试验研究，使重晶石矿渣水泥稳定碎石混合料的技术性能和环保性能满足相关规范要求。其目的一方面是解决重晶石矿渣的无害化处理问题；另一方面，希望能够变废为宝，为重晶石矿渣的废物利用寻找到一条新的出路。

1 原材料

1.1 重晶石矿渣

1.1.1 筛分结果

重晶石矿渣的表观为一种灰白色细小颗粒，如图1所示。为了判定重晶石矿渣遇水后是否会发生水解，从而改变矿渣强度和级配，笔者将重晶石矿渣分别浸水1、3、7 d，干燥处理后分别对其进行了筛分试验，试验结果如表1所示。

图1 重晶石矿渣表观

孔径/mm平均通过率/%干筛浸水1d后干筛浸水3d后干筛浸水7d后干筛9.5100.0100.0100.0100.04.7599.498.699.699.22.3688.288.389.989.11.1867.367.668.467.40.654.355.756.555.50.326.829.028.627.60.1526.126.828.328.20.07520.923.222.120.5

试验结果表明，浸水后重晶石矿渣级配未发生明显变化，各筛孔通过率平均差值在2%左右，说明重晶石矿渣遇水干燥后级配相对稳定。

1.1.2 物理性质

根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》的规定，将重晶石矿渣作为细集料进行相应的物理性能检测，检测结果如表2所示。

表2 重晶石矿渣物理性能指标

检测结果表明，重晶石矿渣物理性能基本满足使用要求。

1.1.3 环保性能

重晶石矿渣属于工业废料。经检测，重晶石矿渣除了含有较高钡类化合物外，还含有其他有毒重金属元素化合物[3]。本文参照SY/T 6240—1996《重晶石化学成分分析方法》对重晶石矿渣原样的浸出毒性进行分析，检测结果如表3所示。

表3 重晶石矿渣中重金属浓度 mg/L

注：浓度限值为GB 5085.3—2007《鉴别危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》规定的限值。

由表3可以看出，重晶石矿渣浸出液中重金属离子析出浓度除锌(Zn)、铜(Cu)在规定的限制范围之内外，其余重金属离子析出浓度均超标。因此，重晶石矿渣大量不合理堆放可能会对当地生态环境造成不容忽视的污染。

1.2 粗细集料及水泥

选用石灰岩碎石作为集料[4]，水泥选用P.O 32.5普通硅酸盐水泥。石灰岩碎石物理指标如表4所示。

表4 碎石物理指标

2 配合比设计

2.1 级配设计

本文研究的重晶石矿渣水泥稳定碎石基层的目标应用范围主要为贵州省2级及2级以下等级公路。因此，根据JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》中对水泥稳定碎石级配范围的规定，本文采用C-C-1悬浮密实型级配[5]作为重晶石矿渣水泥稳定碎石基层的级配控制范围，如表5所示。试验时，将重晶石矿渣作为细集料参与水泥稳定碎石的级配合成，并以级配控制范围中值为目标级配，分别进行矿渣掺量为0%、10%、20%、30%(占集料重质量的百分比)的级配合成试验。不同矿渣掺量下水泥稳定碎石级配合成曲线如图2所示。

图2 不同矿渣掺量下水泥稳定碎石级配合成曲线

2.2 最佳含水量确定

试验采用32.5号普通硅酸盐水泥，掺量为4%[6]。按照合成级配，分别对重晶石矿渣掺量为0%、10%、20%、30%的混合料以不同含水量进行重型击实试验，以测定重晶石矿渣水泥稳定碎石混合料在不同矿渣掺量下的最大干密度和最佳含水量。不同重晶石矿渣掺量的水泥稳定碎石干密度与含水量关系曲线如图3所示，最大干密度如表5所示。图3中，x为含水量；y为干密度。

图3 不同重晶石矿渣掺量的水泥稳定碎石混合料干密度与含水量关系曲线

重晶石矿渣掺量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水量/%02.2294.7102.2857.5202.2709.8302.26412.3

由表5可知，随着重晶石矿渣掺量增加，混合料最大干密度减小，最佳含水量增大。其主要原因为重晶石矿渣粒径小，比表面积大，吸水率高所致。

2.3 矿渣掺量确定

本文采用3.5 MPa作为重晶石矿渣水泥稳定碎石基层7 d无侧限抗压强度标准[7]。同时，根据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的相关规定，按照不同重晶石矿渣掺量所对应的最佳含水量成型重晶石矿渣水泥稳定碎石无侧限抗压强度圆柱形试件，每组矿渣掺量各成型7个试件，完成7 d标准养生后进行无侧限抗压强度试验，试验结果如表6所示。

表6 不同重晶石矿渣掺量水泥稳定碎石试件7 d无侧限抗压强度试验结果

由表6可知，随着重晶石矿渣的掺入，水泥稳定碎石试件7 d无侧限抗压强度呈现下降趋势，当矿渣掺量为30%时，其强度达不到3.5 MPa的技术要求。同时，10%和20%重晶石矿渣掺量的水泥稳定碎石试件其7 d无侧限抗压强度相差不大，且均能达到3.5 MPa的技术要求。因此，为提高重晶石矿渣的利用率，本文在保证强度达标的前提下采用了较高的矿渣掺量，将20%作为重晶石矿渣掺量上限，并以此进行路用性能研究。

3 路用性能检测试验

3.1 抗拉性能

一般而言，水泥稳定碎石材料的抗拉性能相对抗压性能要弱一些，如果抗拉强度不足则可能造成水泥稳定碎石基层开裂，从而影响路面使用寿命。为此，本文对20%重晶石矿渣掺量的水泥稳定碎石以及未掺重晶石矿渣的水泥稳定碎石进行7 d和28 d标准养生条件下的对比劈裂强度试验，试验结果如表7所示。

从表7可以看出，重晶石矿渣掺量为20%的水泥稳定碎石与未掺重晶石矿渣的水泥稳定碎石相比较，其7 d和28 d劈裂强度基本相同，无明显变化，表明20%重晶石矿渣掺量的水泥稳定碎石混合料能够满足2级及以下公路对基层抗拉性能的要求。

3.2 干缩性能

由于重晶石矿渣总体偏细，比表面积大，从而导致重晶石矿渣水泥稳定碎石混合料的最佳含水量明显增加，并可能由此增加基层出现干缩裂缝[8]的风险。为此，本文按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料试验规程》规定的试验方法，对20%重晶石矿渣掺量的水泥稳定碎石和未掺重晶石矿渣的水泥稳定碎石进行干缩性能对比试验，试验结果如图4所示。

表7 重晶石矿渣水泥稳定碎石劈裂强度试验结果

图4 不同重晶石矿渣掺量的水泥稳定碎石干缩性能对比试验结果

由图4可以看出，掺20%重晶石矿渣的水泥稳定碎石其干缩曲线与未掺重晶石矿渣的常规水泥稳定碎石的干缩曲线形状类似，均为前15 d干缩速率较快，15 d后逐渐趋于稳定。对2种水泥稳定碎石混合料干缩变形的绝对值进行了比较，发现掺20%重晶石矿渣的水泥稳定碎石在变形稳定后其累计干缩变形仅高出未掺重晶石矿渣的水泥稳定碎石6.7%。由此可见，虽然掺20%重晶石矿渣的水泥稳定碎石干缩变形略大，但两者差异并不显著，可以通过适当调整施工工艺加以控制。

3.3 环保性能

由表3可知，重晶石矿渣原样浸出液中锌(Zn)、铜(Cu)浓度值满足环保要求，其他4种重金属离子超标。因此，本文重点对重晶石矿渣水泥稳定碎石混合料(重晶石矿渣掺量为20%)中的铅(Pb)、镉(Cd)、钡(Ba)、汞(Hg)4种重金属离子的浸出浓度进行检测分析，检测结果如表8所示。

表8 重晶石矿渣水泥稳定碎石(矿渣掺量20%)浸出毒性检测结果

由表8可知，重晶石矿渣中的重金属离子经过水泥固化稳定以后，重晶石矿渣水泥稳定碎石浸出物的重金属含量已满足环保要求。因此，在道路建设中采用重晶石矿渣水泥稳定碎石基层可以有效避免重晶石矿渣对环境的污染。

4 结论

本文以重晶石矿渣水泥稳定碎石为研究对象，对其配合比和路用性能进行了重点研究，并得到如下结论：

1) 重晶石矿渣浸水前后干筛级配比较稳定，且物理性能指标满足技术规范要求，可作为水泥稳定碎石细集料使用。

2) 在保证抗压强度的前提下，可将20%(相对集料总质量)作为重晶石矿渣在水泥稳定碎石混合料中的掺量上限。

3) 采用20%重晶石矿渣掺量的水泥稳定碎石混合料其抗拉性能与常规水泥稳定碎石基本相当，干缩变形仅增加6.7%，表明矿渣对水泥稳定碎石混合料的力学性能没有影响，干缩性能总体可控。

4) 重晶石矿渣浸出物中的重金属离子含量明显超过国家环保要求，但经水泥固化稳定后，重晶石矿渣水泥稳定混合料浸出物中重金属离子含量大幅减少，不仅满足国家环保规范要求，而且还有效解决了重晶石矿渣的污染问题。

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Application of Barite Slag in Cement Stabilized Macadam Base

YANG Weirong1,YE Wei2,YANG Bo2

In this paper,barite slag,as a fine aggregate,was successfully applied to the cement stabilized gravel mixture by studying the gradation and road performance of the barite stabilized macadam base. The barite slag cement stabilized macadam mixture has similar compressive property,tensile properties and anti-shrinkage properties of common cement-stabilized gravel mixture,which found a new way for the utilization of barite slag in Guizhou Province.

barite slag; cement stabilized gravel; mixing ratio; road performance

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.002

贵州省交通运输厅科技项目(2015-121-048)

2016-09-06

杨维荣(1965-)，男， 贵州省凯里市人，大专，高工。

1009-6477(2016)06-0005-05

U416.21

A