DHT土凝岩改良铁尾矿路用性能正交试验研究

王一峰 刘晶磊 王奥运 于川情 赵 倩

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

铁尾矿是铁矿精炼后排出的工业固体废料，近年来，随着我国经济发展加块，铁矿石的消耗量急剧增加，导致大量铁尾矿堆积，铁尾矿作为一种常见的工业固体废料占用大量耕地，排出的有毒有害的重金属物质严重污染周边环境，因此铁尾矿的综合利用已经引起国家有关部门的高度重视[1-3].我国公路工程中公路基层材料通常使用碎石，对山石等生产用原材料的过度开采，会造成水土的大量流失和植被的破坏，生态平衡和自然环境会进一步恶化，因此将铁尾矿应用于道路工程中不仅可以保护生态环境，又能消耗大量堆存的铁尾矿，其应用前景广阔[4].20世纪50年代美国明尼苏达州已经开始将铁尾矿应用于道路工程的研究，从市政道路工程开始到高速公路的建设，明尼苏达州广泛地将铁尾矿应用于各类不同的道路工程中，通过明尼苏达州相关实践表明，使用铁尾矿作为路基材料修建的公路具有耐久性好、强度高的优点[5].与国外相比，我国对铁尾矿的路用性能研究起步较晚，20世纪90年代东北大学与马鞍山矿山研究院合作研究将铁尾矿与碎石等材料混合搭配铺设于公路上，经过一定龄期的养护达到了国家公路路面基层材料标准[6-7].河北野兴公路为二级公路，在此公路的建设中设置了采用石灰、粉煤灰稳定铁尾矿的工程试验路段，经过几年的检验和现场勘查，试验段路面整体状况良好，符合使用要求[8].苏更[9]在二级旅游公路路面基层中使用了首钢矿业公司迁安市的铁尾矿料，通过现场试验，结果表明，各项结果均满足规范要求.孙吉书[10]等以石灰粉煤灰为稳定材料研究其稳定铁尾矿碎石的路用性能，结果表明石灰粉煤灰稳定铁尾矿路用性能良好.

本文通过击实试验确定不同掺量的DHT土凝岩改良铁尾矿最优含水量和最大干密度，用正交试验的方法，通过无侧限抗压强度试验，研究DHT土凝岩掺量、养护龄期、压实度对DHT土凝岩改良铁尾矿无侧限抗压强度的影响，并对试验结果进行方差分析，为将铁尾矿应用于公路工程提供试验依据.

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用铁尾矿为河北张家口地区宣化铁矿的铁尾矿，宣化铁矿矿石为赤铁矿，主要矿物成分为石英，其次为角闪石、辉石、粘土，铁尾矿化学成分分析结果和铁尾矿颗粒组成见表1和表2，由于原状铁尾矿中有粒径较大的颗粒物，因此在制作试件之前先将原状铁尾矿过2.5 mm筛.试验所用DHT土凝岩主要成分是赤泥、粉煤灰和煤矸石等工业废弃物，其性状为粉末状无机材料，密度2.80 g/cm3-3.20 g/cm3；初凝时间480 min，终凝时间720 min，抗压强度54 MPa，抗折强度9.4 MPa.将土凝岩应用在道路工程中有利于工业废渣的综合利用，有利于转变经济发展方式和发展循环经济.

表1 铁尾矿化学成分分析结果

表2 铁尾矿颗粒组成

1.2 试验内容

首先根据JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[11]对铁尾矿和不同掺量的DHT土凝岩改良铁尾矿进行重型击实试验以确定其最优含水率和最大干密度，首先将铁尾矿过20 mm筛，将过筛的铁尾矿取出称取5 kg，喷入相应质量的水搅拌均匀后闷料5 h，再分别按照相应掺量与DHT土凝岩混合，搅拌均匀后将材料分5次装入击实土中，每层击实27下.试验在将DHT土凝岩与铁尾矿搅拌后1 h内完成.本文共进行8%、10%、12%三个DHT土凝岩掺量的试验，每个掺量做6个依次相差1%含水率的试件.击实试验结果见表3.

表3 击实试验结果

以各掺量的最优含水率和最优含水率为基础进行无侧限抗压强度试验，试验参考JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，具体操作如下所述：按试验所需称取一定质量的土，倒入相应质量的水，搅拌均匀后闷料5 h，倒入相应质量的DHT土凝岩，搅拌均匀后称取每个试件所需的质量倒入试件模具中后放在压模机上压制成型，静置2 min后脱模取出，称取质量、测量高度并记录，将脱模后的试件用密闭塑料袋密封好，放入标准养护室进行养护.等试件达到养护要求后，用路面材料强度试验仪进行无侧限抗压强度测试，并进行记录.

无侧限抗压强度是公路路基填料的主要控制指标，其中改良剂掺量、养护龄期、压实度等条件对路基土无侧限抗压强度影响较大，而DHT土凝岩改良铁尾矿作为一种新型路基填料，必须明确各种因素对其无侧限抗压强度的影响.为了降低试验周期，减少试验费用，本文通过正交试验方法探究DHT土凝岩掺量、养护龄期、压实度对DHT土凝岩改良铁尾矿无侧限抗压强度的影响.正交试验设计因素水平见表4，由于本试验选取了3因素3水平，因此选用L9(34)正交表，试验共9个工况，每个工况做6个试件，正交试验各个工况见表5.

表4 正交试验设计因素水平表

表5 全工况概览

1.3 试验分析方法

正交试验结果分析方法有极差分析法和方差分析法.极差分析法以其简单形象、直观易懂的优点为研究人员所使用，但由于极差分析对数据的处理比较简单，对于某些数据波动不能很好地展现出来.方差分析法用于多个样本均值差异的显著性检验.由于各种因素导致试验数据往往呈波动状态，而数据波动的原因有不受控制的随机因素和受到控制的试验变量.方差分析以数据的方差为标准，研究对试验结果的变化起显著性作用的变量，因此，本文选用方差分析法处理试验数据数据.

2 试验结果及分析

表6 正交试验结果与数值计算

表6中工况4的无侧限抗压强度为2.65 MPa，即当土凝岩掺量为10%，压实度为95%时，其7 d无侧限抗压强度为2.65 MPa，而JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》[12]中对二级及二级以下公路使用水泥稳定材料做基层的7 d无侧限抗压强度不小于2 MPa，因此，10%掺量的DHT土凝岩无侧限抗压强度符合规范要求.

表7 正交试验方差分析表

由表7中可看出，因子A、因子B、因子C的作用都比较显著，其影响的效果大小排序为因子B>因子A>因子C，即在本试验条件下，DHT土凝岩掺量、养护龄期、压实度对DHT土凝岩改良铁尾矿强度影响显著，且养护龄期的变化对其无侧限抗压强度的影响最显著，其次是DHT土凝岩掺量变化，最后是压实度的变化.

表8 各因素平均强度

由表8可以看出A3>A2>A1，B3>B2>B1，C3>C2>C1.即DHT土凝岩掺量越大，改良铁尾矿无侧限抗压强度越大，分析其原因DHT土凝岩初期与水发生水化反应生成凝胶，当反应进一步进行后凝胶数量越来越多，联结的土颗粒也越来越多，就会形成空间网状的骨架结构，DHT土凝岩掺量越大，产生的凝胶越多，骨架也更稳定；养护龄期越大，改良铁尾矿无侧限抗压强度越大，分析其原因随着时间的增加，胶凝产物越来越多，空间骨架结构越来越稳定；压实度越大，改良铁尾矿无侧限抗压强度越大，分析其原因压实度越大土粒间距离越短，在凝胶量相同的情况下距离较短的土粒间骨架结构更稳定.

3 试验结论

本文通过击实试验确定不同掺量的DHT土凝岩改良铁尾矿最优含水量和最大干密度，用正交试验的方法，通过无侧限抗压强度试验，研究DHT土凝岩掺量、养护龄期、压实度对DHT土凝岩改良铁尾矿无侧限抗压强度的影响，并对试验结果进行方差分析，限于本文试验条件，得出了以下结论：

(1)DHT土凝岩掺量为10%，压实度为95%时，其7 d无侧限抗压强度为2.65 MPa，满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》中对二级及二级以下公路使用水泥稳定材料做基层强度要求.

(2)DHT土凝岩掺量、养护龄期、压实度对DHT土凝岩改良铁尾矿强度影响较大，且养护龄期的变化对其无侧限抗压强度的影响最显著，其次是DHT土凝岩掺量变化，最后是压实度变化.

(3)DHT土凝岩掺量越大，改良铁尾矿无侧限抗压强度越大；养护龄期越长，改良铁尾矿无侧限抗压强度越大；压实度越大，改良铁尾矿无侧限抗压强度越大.

[1]黄勇刚.我国铁尾矿资源的利用现状及展望[J].资源与产业,2013,(3):40～44

[2]白润山,闫彭亮,张会芳,蔡焕琴.铁尾矿在混凝土中的应用研究进展[J].河北建筑工程学院学报,2015,(4):1～4

[3]陈虎,沈卫国,单来,熊春兵,苏永青,刘冰,饶吉磊.国内外铁尾矿排放及综合利用状况探讨[J].混凝土,2012,(2):88～92

[4]包致东.尾矿料在公路施工中的应用[J].交通世界(建养.机械),2010,(9):179～180

[5]王晶.铁尾矿在国内外道路工程中的应用[J].环境与发展,2014,(7):51-55+100

[6]李荣海,汪建,周志华,刘腾季.铁尾矿在公路工程中的应用[J].矿业工程,2007,(5):52～54

[7]杨青.无机结合料稳定铁尾矿砂的路用性能研究[D].大连理工大学,2008

[8]郭晓华.尾矿砂在道路工程中的应用前景[J].公路交通科技(应用技术版),2011,(5):99～101

[9]苏更.铁矿尾矿料在公路工程中的应用[J].内蒙古公路与运输,2007,(1):29～32

[10]孙吉书,陈朝霞,肖田,靳灿章.石灰粉煤灰稳定铁尾矿碎石的路用性能研究[J].武汉理工大学学报,2012,(3):59～62

[11]中华人民共和国交通部.JTG E51-2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京:人民交通出版社,2009

[12]中华人民共和国交通运输部.JTG/T F20-2015公路路面基层施工技术细则[S].北京:人民交通出版社,2015