铁尾矿砂—水泥稳定碎石基层在繁大高速公路的应用

王 国 安

(山西省交通科学研究院，山西 太原 030006)

铁尾矿砂是铁矿石经过破碎磁选后剩余的固体废弃物，随着我国钢铁工业的迅速发展，铁尾矿砂堆存量已达几十亿吨，且以每年1.2亿t～1.3亿t的速度增长。废弃的尾矿随意排放、堆存，不仅占据大量土地、堵塞江河，而且也给人类生产、生活带来了严重的污染和危害。随着我国基础设计建设的深入发展，筑路材料紧缺的问题日益显现出来，寻找一种实用、价格低廉的替代材料就成为所有公路建设者的共同目标。铁尾矿砂主要成分为二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝、氧化钙等，化学性质稳定，是一种人工硅酸盐矿物材料，具有粒度细、数量大、成本低、可利用性强的特点。项目依托繁峙至大营高速公路建设工程，将铁尾矿砂作为筑路材料用于高速公路建设具有重要的现实意义。

1 工程概况

繁峙至大营高速公路是《山西省高速公路网调整规划》中“3纵12横12环”高速公路网主骨架第3横(灵丘至河曲)的重要组成部分，项目起点设于忻州市繁峙县繁城镇楼岗村南，接王庄堡至繁峙高速公路，项目终点位于原平市大营镇麻地沟村东，设大运枢纽与大运高速公路相接，路线全长58.09 km。项目按双向四车道高速公路标准建设，设计速度100 km/h，路基宽度26 m。

繁大高速公路主线路面结构为4 cm AC-13细粒式沥青混凝土上面层+6 cm AC-20中粒式沥青混凝土下面层+12 cm ATB-30密级配沥青稳定碎石+40 cm水泥稳定碎石基层+20 cm水泥稳定砂砾底基层。

2 原材料性能

2.1 铁尾矿砂

铁尾矿砂颗粒组成主要分布在0.6 mm～0.075 mm之间，0.15 mm～0.3 mm以及0.075 mm～0.15 mm两档料所占比例较大，达到了50%左右，经计算铁尾矿砂的细度模数0.5～1.2，不均匀系数为2.6～4.5左右，级配不良。GB/T 14684—2011建筑用砂采用细度模数将砂分为粗、中、细三种规格，其细度模数分别为：粗砂3.7～3.1；中砂3.0～2.3；细砂2.2～1.6，去除了特细砂品种与产品等级的划分。《特细砂水泥混凝土和砂浆应用技术》指出特细砂是指细度模数在0.7～1.5之间的砂。铁尾矿砂细度模数多小于1.5，属于级配不良的特细砂。

2.2 水泥

水泥采用山西省太原市生产的金圆P.S.A32.5矿渣硅酸盐水泥，水泥主要技术指标见表1。

表1 水泥主要性能试验结果

2.3 碎石

碎石采用山西省忻州市繁峙县石灰岩碎石，根据JTG E42—2005公路工程集料试验规程的要求对碎石主要性能进行了试验检测，试验结果见表2。

表2 碎石主要性能试验结果

3 配合比设计

JTG D50—2017公路沥青路面设计规范推荐了两种沥青路面下水泥稳定碎石基层悬浮密实结构和骨架密实结构级配的上下限，我省对历年高速公路铺筑的水泥稳定碎石基层进行了调研分析，在规范推荐级配的基础上提出了一种适用于我省高速公路沥青路面的水泥稳定碎石基层级配。该级配仍属悬浮密实结构，级配范围介于规范推荐的骨架密实型与悬浮密实型之间。采用该级配施工，提高了基层整体强度和质量均匀性，基本消除了沥青路面的坑槽和网裂等早期病害。本文采用该级配进行铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料性能研究。

3.1 矿料级配设计

由于铁尾矿砂颗粒较细，多集中于0.3 mm～0.075 mm，属于特细砂。铁尾矿砂比表面积较大，包裹这些铁尾矿砂颗粒需要更多的水泥胶浆，造成相同设计强度下铁尾矿砂水泥稳定碎石水泥剂量偏高，经济性、混合料抗裂性均较差。因此，可采用铁尾矿砂与石屑共同使用配制水泥稳定碎石，根据级配曲线综合考虑铁尾矿砂与石屑在混合料中的掺量。首先对碎石、石屑及铁尾矿砂进行筛分试验，试验结果见表3。

根据表3中确定的级配范围进行铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料配合比设计，为研究铁尾矿砂掺量对水泥稳定碎石混合料性能的影响，保持铁尾矿砂与石屑总量占混合料的比例不变，依次将铁尾矿砂的掺量变为0%,10%,20%,30%，水泥稳定碎石合成级配曲线见图1。

表3 水泥稳定碎石各档材料筛分结果

3.2 重型击实

根据JTG E51—2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程中的试验方法进行不同铁尾矿砂掺量不同水泥剂量混合料的击实试验，试验结果见表4。

表4 铁尾矿砂—水泥稳定碎石混合料击实试验结果

随着铁尾矿砂掺量增加，水泥稳定碎石混合料的最佳含水率逐渐增大，30%掺量的水泥稳定碎石混合料的最佳含水率比不掺铁尾矿砂的水泥稳定碎石混合料增加0.9%。这是因为铁尾矿砂细度模数小、颗粒较细、比表面积较大、颗粒表面粗糙，需要加入更多的水分才能在颗粒之间起到润滑作用。

相比最佳含水率的变化规律，最大干密度则随着铁尾矿砂掺量的增加呈先增大后降低的趋势。掺量为10%～12%时混合料的最大干密度最大，因为掺加适量铁尾矿砂后，铁尾矿砂很好的填充了碎石和石屑留下的空隙，使混合料达到最紧密堆积状态，混合料干密度达到最大。掺量为30%时混合料的最大干密度降低的原因主要是混合料中细集料用量过多，粗集料大部分处于悬浮状态，混合料中的细集料主要是铁尾矿砂，铁尾矿砂颗粒单一，无法相互嵌挤形成密实结构，导致混合料干密度降低。

3.3 无侧限抗压

根据表4确定的最佳含水率与最大干密度成型无侧限抗压强度试件，每组成型13个试件。试件采用静压法成型，按97%压实度制件，静压时间2 min。试件脱模后装入塑料袋内，将袋内的空气排除干净，并将袋口扎紧，将包好的试件放入养护室养护6 d，保水24 h。

表5 铁尾矿砂水泥稳定碎石基层无侧限抗压强度试验结果

从表5可知，铁尾矿砂掺量为10%～20%的水泥稳定碎石混合料7 d无侧限抗压强度略大于没有掺加铁尾矿砂的水泥稳定碎石混合料的强度。这是因为掺加适量铁尾矿砂后，铁尾矿砂很好的填充了碎石和石屑留下的空隙，使混合料达到最紧密堆积状态，水泥水化物填充了集料空隙形成较高的强度。

当铁尾矿砂掺量达到30%时，水泥稳定碎石混合料的强度急剧降低，主要是混合料中细集料用量过多，粗集料大部分处于悬浮状态，混合料比表面积增大，水泥水化后的胶结料无法完全包裹，导致混合料内部产生了软弱夹层，在受到外力作用时容易在软弱面处发生破坏。

3.4 确定水泥剂量

对于水泥稳定类混合料，水泥的用量越高，混合料的强度越高。但张登良和郑南翔研究表明，对于水泥稳定类基层，当水泥含量为5%～6%时，抗温缩、干缩的性能都最好；当水泥含量为7%时，抗裂性能反而降低；当水泥含量为3%时，其抗温缩性能则急剧下降。从表5可知，铁尾矿砂不同掺量时水泥稳定碎石混合料的7 d无侧限抗压强度代表值基本都达到3 MPa以上，只有掺量为30%，水泥剂量为4%时，试件的7 d无侧限抗压强度小于3 MPa。当水泥剂量为5%时，除了铁尾矿砂掺量为30%的混合料，其余混合料的强度代表值均满足要求。为控制水泥剂量，当抗压强度满足要求时，尽量降低水泥用量，同时结合我省高速公路水泥稳定碎石基层混合料常用水泥剂量，确定室内试验的水泥剂量为5%。

4 施工工艺及控制要点

4.1 混合料施工配合比

根据室内试验结果，铁尾矿砂掺量为10%～20%时，水泥稳定材料的干缩应变较小，有利于减少干缩裂缝，因此试验路段水泥稳定碎石混合料中铁尾矿砂掺量为10%和20%，水泥剂量为5%。由室内设计的铁尾矿砂掺量为10%和20%的两个级配，再根据现场集料筛分结果，确定铁尾矿砂水泥稳定碎石混合的现场配合比，现场10 mm～30 mm的碎石粒径偏细，在现场施工配合比设计时，适当加大了10 mm～30 mm碎石的用量，现场施工配合比见表6。

表6 铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料现场配合比

4.2 机械组合

铁尾矿砂水泥稳定碎石基层混合料采用2台ABG423并行摊铺，挂线控制标高。试验路压实机械主要有CA30振动压路机2台，YL30胶轮压路机1台。压实组合为CA30振动压路机不开振动碾压1遍，碾压速度为1.5 km/h～1.7 km/h；CA30振动压路机振动碾压2遍，碾压速度为1.8 km/h～2.2 km/h；YL30胶轮压路机碾压2遍，碾压速度为1.8 km/h～2.2 km/h。

4.3 施工工艺及机械组合

1)原材料进场后，不同规格的集料要分堆堆放，并保证排水量好，必要时需覆盖；水泥注意防潮，宜在1个月内使用，最长不超过3个月；各种原材料按照规定的检测频率和试验规程进行检验，如果材料性质不符合规定，要采取相应的补救措施或报废。

2)摊铺前，基底要清扫干净，保证下承层平整、密实，无松散层。

3)严格控制水泥稳定碎石混合料的含水率，混合料拌和用水量为最佳含水量+(1%～2%)。

4)碾压必须在水泥初凝时间内完成，初压后禁止薄层找补，严重不平整时，应刨松5 cm～10 cm后，用新料找补。

5)基层碾压完成后，应立即洒布改性乳化沥青透层油进行养生。

5 结语

铁尾矿砂已逐渐成为我国仅次于煤矸石、粉煤灰之后的第三类固体废弃物，其堆存量已达到金属矿山尾矿堆存总量的1/3以上，给人类生产、生活带来了严重污染和危害。繁大高速公路建设过程中，铁尾矿砂在水稳基层中的成果应用，寻找到了一条绿色、环保、大量消纳铁尾矿砂的有效途径，可有效降低铁尾矿库库存，减小尾矿坝溃坝风险、减少生命损失，具有巨大的社会效益和环境效益。