贵州地区铁尾矿路用性能试验研究

罗翱　文远松　杨昌盛

摘要：目的：为了保护环境，充分将铁尾矿资源变废为宝。方法：本文通过对铁尾矿作为路面基层材料路用性能进行了研究，试验包括无侧限抗压强度、回弹模量、抗冲刷性能、干缩性能、疲劳性能，对试验数据统计分析并进行数据拟合。结果：通过试验数据结果及拟合可以看出强度与回弹模量、干缩性能、疲劳性能呈现良好线性关系，与抗冲刷系数之间存在一个指数函数关系。结论：铁尾矿在贵州地区应用能够体现出较好的经济、社会效益。

关键词：无侧限抗压强度；回弹模量；抗冲刷性能；干缩性能；疲劳性能

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）30-0112-03

0引言

铁尾矿是选矿厂将铁矿石磨细、提取有用成分后所排放的废弃物，是一种复合矿物原料，铁尾矿除了含有少量其他金属成分外主要矿物成分为脉石矿物，化学成分以铁、硅、镁、钙、铝氧化物为主并伴有少量磷、硫等。随着矿产资源不断开发产生了大量尾矿粉，存储尾矿粉不仅占用大量土地、覆盖大量植被、长期堆放尾矿逐渐成为具有威胁力的地质灾害源。另外，在干旱季节，贵州是沙尘暴的多发地，其周边的生态环境时时刻刻遭受着威胁，使得商业旅游效益受到影Ⅱ向。因此本文通过对铁尾矿作为路面基层材料路用性能进行了研究，对尾矿粉作为路面基层材料设计与施工提供一定参考。

1原材料分析及配合比设计

1.1水泥

本试验采用水泥为425普通硅酸盐水泥。

1.2铁尾矿

铁尾矿取自于贵州省某铁矿，通过对尾矿粉进行化学试验，成分见表1所示。

1.3碎石

碎石材料是路面基层的“骨架”。为了确保基层强度达标，施工时必须保证碎石材料级配优良。表2为碎石级配组成。

1.4基层材料配合比

为了分析尾矿粉在混合料中所占比例大小对路用性能影响，以常规无机结合料施工中水泥剂量占5%计，拟定配合比如表2所示。分析尾矿粉剂量与混合料强度、抗压回弹模量、抗冲刷性能、干缩性能试验、抗疲劳性能之间关系，表3给出了具体的配合比。

2路用性能参数试验分析

2.1无侧限抗压强度试验

强度是路面结构层设计验算重要参数，路面基层材料强度直接决定道路的使用性能，为了分析龄期及不同配合比对混合料强度性能的影响，本文对养生龄期7d、28d、90d铁尾矿混合料成型试件进行无侧限抗压强度试验并对试验所得数据进行分析。数据统计见图1所示。

从图1可以看出在水泥剂量不变情况下，混合料强度随着龄期逐步增长：在相同龄期内混合料强度随着矿粉剂量增加碎石减少呈现降低趋势，水泥剂量不变、28d龄期前水泥矿粉碎石强度要比水泥碎石强度偏低，28d龄期后水泥矿粉碎石强度比水泥碎石强度偏高，水泥矿粉碎石强度形成呈现平稳状态。

水泥剂量不变、龄期相同情况下水泥矿粉碎石强度略低于水泥矿粉粉煤灰碎石强度。

2.2抗压强度与抗压回弹模量试验

通过抗压回弹模量试验对养生龄期满90d的试件进行抗压强度检测，将所得试验数据和抗压强度数据拟合后得到一个粉（矿粉+粉煤灰）剂量、强度与模量关系曲线（详见图2）。

图2中R²为确定性系数，表示矿粉（矿粉+粉煤灰）剂量、无侧限抗压强度对回弹模量影响程度。R²值越大表明拟合曲线中矿粉（矿粉+粉煤灰）剂量、无侧限抗压强度对回弹模量影响能力越强。随着矿粉（矿粉+粉煤灰）剂量的增多，回弹模量不断增大，相同的状态下水泥矿粉粉煤灰碎石混合料比水泥矿粉碎石混合料的回弹模量大，矿粉（矿粉+粉煤灰）剂量与回弹模量之间呈现良好正向线性关系，无侧限抗压强度与回弹模量之间呈现良好反向线性关系。

2.3抗压强度与抗冲刷性能试验

道路结构层的安全性能主要取决于路面基层材料的抗冲刷特性。下文将通过抗冲刷率（试件冲刷掉质量与试件总质量比值）对混合料抗冲刷性能进行综合评定。

通过对试验数据进行整理统计分析，对矿粉（矿粉+粉煤灰）剂量、无侧限抗压强度与抗冲刷率进行曲线拟合，见图3所不。

图3中R²为确定性系数，取值越接近1表明曲线中矿粉（矿粉+粉煤灰）剂量、无侧限抗压强度对抗冲刷影响能力越强。抗冲刷率随矿粉（矿粉+粉煤灰）剂量增加而增加，呈现良好线性变化规律，强度与抗冲刷率之间存在一种指数关系曲线，虽然试验数据有些离散，但强度与抗冲刷率之间确实有所相关，指数函数可以较好描述两者关系。同等条件下水泥矿粉粉煤灰碎石混合料抗冲刷性能大于水泥矿粉碎石混合料，说明混合料中粉煤灰存在增加了混合料抗冲刷性能。

2.4混合料抗压强度与干缩性能试验

本文采用干缩系数（累计干缩变形/失水量）作为评价混合料干缩性能指标。测试不同配合比混合料中梁试件90d干缩变形，根据累积干缩变形计算干缩系数，90d干缩系数与时间关系曲线见图4所示。

如图4所示，初期由于试件表面与空气接触，水分大量散失，使得试件出现了比较明显的变形，比如在试验初期干缩系数大幅度变动，后期因为水量散失少，干缩系数逐渐变平缓。由此可见，加强混合料初期养生至关重要。笔者建议施工一周内必须保湿养生，再生层表面不宜过干但是也不能太湿，这样能使再生层的强度达到要求。

2.5混合料抗压强度与疲劳性能试验

对试件循环加载最小荷载与最大载荷之比为应力比，通过疲劳试验测试混合料的抗疲劳特性，针对疲劳试验作用次数对数值与应力比进行拟合分析，得到一个应力比和疲劳寿命之间的关系曲线。疲劳试验作用次数对数值与应力比呈线性关系，图5是在应力比为0.75的条件下对混合料抗压强度与疲劳试验作用次数对数值进行拟合所得到的曲线图。

由图5可以看出应力比与疲劳寿命在同一对数坐标上表现为较好线性关系，对数据进行直线拟合，拟合方程为：

在上式中，系数a值表示“拟合直线的斜率”，通过它可以了解混合料疲劳寿命对施加应力敏感程度，它的数值越大，曲線就越陡，疲劳寿命对应力比敏感程度就越大。b值为拟合直线在Y轴截距，代表了疲劳曲线位置，b值越大曲线越靠向上方，表明材料抗疲劳性能越好；混合料无侧限抗压强度与疲劳试验作用次数对数值拟合曲线y=-2.6x+5.914、y=-2.28x+5.354可以看出，随着混合料强度的增长疲劳试验作用次数对数值逐步减小，说明混合料强度、疲劳性能与矿粉（矿粉+粉煤灰）剂量呈反方向变化。

3结论

本文通过对铁尾矿作为路面基层材料路用性能进行了研究，混合料无侧限抗压强度、抗压回弹模量、抗冲刷性能、干缩性能、疲劳性能表现出良好路用性能。将试验所得数据进行拟合分析后得知无侧限抗压强度与抗压回弹模量、干缩性能、疲劳性能呈线性关系，与抗冲刷性能呈现指数关系曲线。即y=213.01e^-0.7626x，说明随着强度增加混合料表现出非线性抗冲刷性能。endprint