固化剂改良铁尾矿无侧限抗压强度试验研究

赵 飞 李桂英 张会芳 张冲冲 杨 烁 白启敬

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市产品质量监督所，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着钢铁工业的迅速发展，铁矿石尾矿在工业固体废弃物中占的比例也越来越大.据不完全统计，目前我国发现的矿产有150多种，开发建立了8000多座矿山，累计生产尾矿59.7亿吨，其中堆存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近33%[1].铁尾矿的总量如此之大，势必会占用大量的土地资源，降低可用土地的利用率，如果在植被覆盖率较少的地区容易形成沙尘暴，严重污染周围环境.有效、合理的回收利用铁尾矿已经成为了急需解决的问题，目前，由于铁尾矿的成分复杂，处理手段单一，并不能有效的解决此类问题.许多铁尾矿被应用到建筑[2]及道路建设中，铁尾矿被美国的许多个州应用在道路建设当中[3-4]，而明尼苏达州是将铁尾矿应用的最早技术最成熟的，明尼苏达州在20世纪50年代开始在市政道路建设中使用铁尾矿.在我国，上世纪90年代，东北大学将铁尾矿作为路面材料进行研究[5]，结果表明铁尾矿掺加配料构成的骨料能满足我国路面基层材料使用标准.王琰[6]对无机结合料稳定铁尾矿的疲劳特性及抗冻耐久性进行了研究，结果表明：水泥稳定铁尾矿的疲劳特性及抗冻耐久性都比较好，经历5次冻融循环后其强度基本稳定.孙吉书等[7]将铁尾矿碎石经过石灰粉煤灰进行稳定处理形成了新的混合料，通过探究混合料的强度、弹性模量等路用性能认为经过石灰粉煤灰稳定后的铁尾矿碎石满足现行规范要求，可作为公路基层或底基层材料使用.刘晶磊等[8]通过击实试验和无侧限抗压强等研究了改良铁尾矿的路用性能，研究表明水泥、土凝岩改良铁尾矿均能满足二级及以下级别公路路基强度要求.

考虑到无侧限抗压强度是路面材料的主要力学性能之一，本文通过击实试验成型试件并检测其无侧限抗压强度探究张家口宣化地区土凝岩改良铁尾矿的在道路基层中的应用的可行性.

1 试验原材料

1.1 土凝岩

土凝岩是一种复合材料，也是一种绿色材料，它是利用特定的工业固体废弃物，如钢渣、粉煤灰、煤矸石等制成的高性能低碳、环保材料，主要用于固结公路、铁路、机场等设施建设所需的细粒土、碎石、以及各种工业尾矿.

本试验所用土凝岩为灰色粉末、密度约为3.0g/cm3、初凝时间不小于480min,终凝时间不大于720min，其力学性能如表1和表2.

表1 土凝岩力学性能参数

表2 土凝岩物理性能参数

1.2 水泥

本试验采用张家口宣化金隅水泥厂生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，其技术指标见下表.

表3 P·O 42.5水泥技术指标

1.3 铁尾矿

本试验采用铁尾矿产地为张家口宣化区，铁、硅、镁、钙、铝的氧化物是其主要成分，并伴有少量的磷，硫，其中以含硅最多.铁尾矿的化学成分及颗粒级配见下表.

表4 铁尾矿化学成分分析结果

表5 铁尾矿颗粒级配

2 试验方法

本试验土凝岩、水泥的掺量为8%、10%、12%，压实度为93%.根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[9]的要求恒压制成尺寸为50mm×50mm的圆柱形试件6组，脱模后用塑料膜包裹后置于标准养护室中进行养护，并于最后放入水中浸泡24小时，试验前取出试件并将其表面擦干水分，去除细小颗粒等杂物，测量尺寸并称取质量后用电液压力伺服测其抗压强度.

3 试验结果分析

通过试验，测得不同压实度下、不同土凝岩掺量、不同水泥掺量下无侧限抗压强度值数据如下所示.

表6 压实度为93%时不同土凝岩掺量无侧限抗压强度数据

表7 压实度为93%时不同水泥掺量无侧限抗压强度数据

由图1可知，压实度为93%，固化剂掺量为8%时，随着龄期的增长，无侧限抗压强度均持续上升.除25d龄期以外，水泥改良的试件强度优于土凝岩改良的试件强度.由图2可知，压实度为93%，固化剂掺量为10%时，随着龄期的增长，无侧限抗压强度均持续上升.水泥改良试件强度增长呈先上升后平缓的态势，而土凝岩改良试件强度虽然持续上升但依然低于前者.由图3可知，压实度为93%，固化剂掺量为12%时，随着龄期的增长，无侧限抗压强度均持续上升.但是较固化剂8%、10%掺量时两者的涨幅较为接近.

图1 固化剂掺量为8%时的强度对比图 图2 固化剂掺量为10%时的强度对比图

图3 固化剂掺量为12%时的强度对比图

4 结 论

本文通过室内试验，以压实度为93%时改良铁尾矿为研究对象，通过不同掺量下水泥、土凝岩无侧限抗压强度的对比，得出如下结论：

(1)压实度为93%时，随着龄期的增长各种固化剂掺量改良铁尾矿试件无侧限抗压强度值曲线均呈上升态势，水泥改良铁尾矿试件的强度总体上优于土凝岩改良的试件强度，且都符合标准要求.

(2)随着掺量的增加，如掺量为12%时，土凝岩和水泥改良铁尾矿无侧限抗压强度的差异越来越小，而土凝岩成本更低，从经济的角度考虑适用性优于水泥改良铁尾矿.