振动搅拌对掺铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料的影响研究

王洪国，苏纪壮，张 民，汲 平，王鑫洋，刘 健，3

(1.山东高速建设管理集团有限公司，济南 250001；2.山东高速工程检测有限公司，济南 250002；3.山东高速工程咨询集团有限公司，济南 250002)

0 引 言

铁尾矿是铁矿场在开采分选矿石后排放的固体废弃物，随着国民经济的快速发展，铁尾矿排放量逐年增加，如不能进行合理利用将占用大量土地、造成环境污染，还易产生安全隐患[1]。而公路工程建设过程中需要大量的筑路材料，若能将铁尾矿砂用作筑路材料，既可以降低公路工程造价，也可减少其对环境的污染。因此，研究铁尾矿砂对水泥稳定碎石的路用性能的影响，对保护生态环境、降低施工成本具有重要经济及社会效益。

国内外研究者对铁尾矿应用于沥青路面半刚性基层进行了一定研究。杨青[2]对铁尾矿砂颗粒级配、矿物组成、水泥稳定铁尾矿砂的力学性能、水稳定性、干缩性能等进行了研究，结果表明，无机结合料稳定铁尾矿砂的性能，能够满足低等级公路基层的要求。王琰[3]对无机结合料稳定铁尾矿砂的疲劳及抗冻性进行了研究，结果表明，石灰稳定铁尾矿砂的疲劳特性和抗冻融特性优于水泥稳定土。刘云霄等[4]研究了铁尾矿与水泥基材料的界面黏附机理，结果表明，铁尾矿砂灌浆料的界面过渡区较石英砂更为密实。张海涛等[5]研究了粉煤灰对振动搅拌水泥稳定碎石力学性能的影响，结果表明，粉煤灰对两种拌和技术的水泥稳定碎石最大干密度和无限抗压强度均有一定的影响。赵军利等[6]研究了振动搅拌参数对水泥稳定碎石的强度的影响，结果表明,在振动搅拌条件下，搅拌时间对混合料抗压强度的影响最大，振动频率和搅拌速度次之，湿拌时间的影响最小。穆炜罡[7]对水泥稳定碎石振动搅拌进行试验研究，结果表明，与普通搅拌方式相比,混合料7 d、28 d无侧限抗压强度明显提高，抗冲刷能力显著增强。Che等[8]对铁尾矿混凝土(iron tailings concrete,ITC)力学性能及耐久性进行研究，结果表明，铁尾矿砂混凝土各项指标能够满足农村公路需求。Djellali等[9]对经水泥处理后的铁尾矿砂的密实度，抗压强度及加州承载比(Califomia bearer ratio,CBR)进行了测试。Oliveira等[10]使用水泥对两种铁尾矿砂的物理力学性能进行了研究，结果表明，当水泥用量为5%(质量分数)时，混合料的力学性能够满足巴西规范(Base de solo-cimento:materiais para base de solo-cimento.Requisitos:NBR 11798.)中路基技术指标要求。目前已有研究仅对水泥稳定铁尾矿砂的路用性能和振动搅拌技术对水泥稳定碎石性能的影响进行了分别研究，未涉及铁尾矿砂和振动搅拌技术对水泥稳定碎石混合料路用性能及微观结构的影响。

基于此，本文通过振动搅拌、传统连续式搅拌对不同铁尾矿砂掺量的水泥稳定碎石混合料进行宏观和微观试验研究，以便进一步认识振动搅拌技术及铁尾矿砂作用机制，准确地表征其混合料性能，从而指导工程实践。

1 实 验

1.1 原材料

研究采用山东枣庄某石料有限公司生产的石灰岩集料，主要分为4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm三档，细集料为0～4.75 mm机制砂，各项技术指标均满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG F20—2015)中相关要求。水泥采用山水水泥有限公司生产的P·O 42.5级缓凝水泥。试验用水为济南地区自来水。选用山东临沂苍山县某矿厂生产的铁尾矿砂，铁尾矿砂各项技术指标均满足规范要求，细集料技术指标、和矿物组成如表1和表2所示。

表1 细集料技术指标表Table 1 Technical index of fine aggregate

表2 矿物成分组成表Table 2 Content of aggregate

1.2 配合比设计

为保证试验结果的可靠性，研究前对原材料进行筛分，配合比设计时逐档回配。水泥稳定铁尾矿砂混合料级配如图1所示，其中铁尾矿用量分别为矿料质量的0%～25%(下文掺量均为质量分数)，通过重型击实试验确定混合料最佳用水量为5.3%，水泥用量为4.2%。

图1 水泥稳定碎石混合料级配图Fig.1 Grading curves cement stabilized macadam mixture

1.3 试验方法

对各铁尾矿砂掺量的水泥稳定碎石混合料通过连续搅拌和振动搅拌方式拌和试样，采用德通振动有限公司生产的DT60ZBW系列振动搅拌机，振动搅拌频率为50 Hz，振动拌和时间为40 s[11-14]；连续搅拌速率为45 r/min，拌和时间为45 s。无侧限抗压强度(unconfined compressive strenght，UCS)、间接拉伸强度(indirect tensile strength，ITS)和水稳定性试样采用标准养生方法养生7 d，抗冻性试验及间接拉伸疲劳试验试样采用标准养生28 d。水稳定性试验采用20 ℃下保水48 h后测定无侧限抗压强度；抗冻性试样采用5次冻融循环(-18 ℃冻结16 h，取出试件量高、称质量，然后立即放入20 ℃的水槽中进行融化，融化时间8 h，融化完毕，取出试件擦干后量高、称质量为一次冻融循环)，后测定无侧限抗压强度；疲劳试验采用Havesine波，加载频率为10 Hz，应力控制方式，应力比选为0.5～0.8，试验温度定为15 ℃[11]。并采用X射线衍射(XRD)仪和扫描电镜(SEM)对连续搅拌和振动搅拌制备的试样进行微观机理分析，其中，XRD扫描范围为10°～90°，SEM放大倍数为2 000倍和10 000倍。

2 结果与讨论

2.1 强度分析

不同搅拌方式及不同铁尾矿掺量水泥稳定碎石混合料7 d无侧限抗压强度及间接拉伸强度试验结果见图2。

图2 强度试验结果Fig.2 Mechanical strength results

由图2中试验结果可以看出：无侧限抗压强度及间接拉伸强度随铁尾矿砂量的增加呈现先增大后间减小的趋势，当铁尾矿砂用量为10%时，水泥稳定碎石混合料的强度达到峰值，其原因为铁尾矿砂较石屑更细，使得粗集料表面裹覆更多水泥胶砂，能够均匀填充集料间空隙，但当用量达到一定限值后，混合料的骨架结构被破坏，使得各集料间的水泥胶砂增加，水泥胶砂强度低于碎石强度，更易发生破坏。振动搅拌方式成型混合料强度明显大于连续搅拌方法制备的试件，究其原因，振动搅拌过程中产生的振动波能够使混合料中的水泥团分散开，水泥水化更加完全，水化产物增多，同时生成更多的水泥浆体，加速了集料颗粒移动，提高了混合料在微观层面上的均匀性。

2.2 水稳定性分析

本研究通过水稳性系数(R)评价掺铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料的水稳定性，试验结果如图3所示。

由图3中试验结果可以得出如下结论：养生28 d试样水稳定性明显高于养生7 d试样，主要原因是养生28 d的试样水泥水化程度更高，表现为混合料强度的增加；混合料水稳定性随铁尾矿砂掺量的增加呈现先增加后减小的趋势，当铁尾矿砂用量为10%时，水泥稳定碎石混合料的强度达到峰值；振动搅拌方式制备试样水稳定性较连续搅拌方式试样效果更好，主要原因是,在振动波作用下颗粒发生移动，集料表面能够裹复更多水泥胶砂，这使得混合料内部更加密实，水稳定性效果更好。

图3 水稳定性试验结果Fig.3 Water stability test results

2.3 抗冻性分析

本研究采用冻融循环试验对掺铁尾矿砂水泥稳定碎石抗冻性进行研究，测定经5次冻融循环后试样的无侧限抗压强度(RDC-5)，并与未进行冻融试样的无侧限抗压强度(RC)进行对比，计算混合料的抗冻性指标(BDR)，抗冻性试验结果见表3。

表3 抗冻性试验结果Table 3 Test results of freezing resistance

由表3试验结果可以发现：掺加铁尾矿砂后水泥稳定碎石混合料的抗冻性明显提升，但到达某一峰值后不再增长，主要原因是,铁尾矿砂中小于0.075 mm颗粒含量明显高于石屑，经拌和后形成的水泥胶砂量增加，混合料内部空隙填充更加充分，即试样内部更加密实，从而表现出试样抗冻性的提升；振动搅拌较连续搅拌制备试样的抗冻性更好，主要原因是,在振动波作用下颗粒发生移动，集料表面能够裹复更多水泥胶砂，且水泥水化更充分。

2.4 抗疲劳性能分析

本文采用间接拉伸疲劳试验对未掺加铁尾矿砂和不同铁尾矿砂掺量水泥稳定碎石混合料进行抗疲劳性能研究，试验结果如表4所示。

由表4试验结果可以看出，水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命随铁尾矿砂的掺量的增加呈现先增加后减小的趋势，但其规律与强度试验结果有所不同，当铁尾矿砂用量为5%时疲劳寿命达到最大值，主要原因是铁尾矿砂用量低时混合料内部变异性更大，内部空隙更多成为反复交通荷载作用下的薄弱环节，更易出现应力集中现象，但随着用量的继续增加，混合料内部中的细集料不能被水化的水泥完全裹复，使其在混合料内部结团，没有形成足够强度，在失水时，体积迅速收缩，在混合料内部形成微裂纹，导致重复荷载作用下应力集中现象更明显，表现出疲劳寿命要低于不掺加铁尾矿砂的混合料。振动搅拌制备试样较连续搅拌方式疲劳寿命高，其原因为，振动搅拌方式使粗集料裹复水泥胶砂更加均匀，混合料内部水泥分散更加均匀，内部微裂纹和未搅拌均匀的细集料更少，降低了混合料内部的各向异性。

表4 间接拉伸疲劳试验结果Table 4 Indirect tensile fatigue test results

对表4中试验结果进行线性回归分析，结果如表5所示。

表5 疲劳回归方程表Table 5 Fatigue regression equation

由表5拟合结果可以发现，疲劳寿命拟合方程的相关系数均在0.95以上，说明疲劳寿命与应力比具有良好的相关性。其中，疲劳回归方程中的截距反映了混合料的疲劳寿命，截距越大疲劳寿命越长。不同铁尾矿砂掺量的水泥稳定碎石混合料疲劳回归方程的截距大小依次为：掺加5%铁尾矿砂>掺加10%铁尾矿砂>无铁尾矿砂>掺加15%铁尾矿砂>掺加20%铁尾矿砂>掺加25%铁尾矿砂，说明混合料中适当添加一定量的铁尾矿砂能够提高反复交通荷载作用下水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命。

2.5 XRD分析

在力学试验的基础上，选择不添加铁尾矿砂和铁尾矿砂用量为10%的水泥稳定碎石混合料进行XRD测试，结果如图4所示。

图4 水泥稳定碎石混合料的XRD谱Fig.4 XRD patterns of cement stabilized macadam mixture

由图4可以发现：(1)无论采用哪种搅拌方式，是否添加铁尾矿砂，混合料中主要物质均为CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、C2S和C3S，其中CaO和SiO2的峰值比较明显，主要原因是，在XRD试样的制备过程中，将粗集料表面黏附的细集料刮下，经室内磨细后使用0.075 mm方孔筛筛分备用，这使得XRD试样中含有大量的集料粉末，因此CaO和SiO2的峰值较其他矿物更明显；(2)水泥稳定碎石混合料在添加10%的铁尾矿砂后，试样的Fe2O3峰值更明显，主要原因是铁尾矿砂中含有较多的含铁矿物；(3)在相同养生条件、龄期及水泥用量下，采用振动搅拌方式制备的水泥稳定碎石混合料中出现了明显的硅酸三钙(C3S)和硅酸三钙(C2S)峰值，主要原因是振动作用加速了水泥在集料中的分散，使水泥在混合料内部分散更均匀。

2.6 SEM分析

对不添加铁尾矿砂和铁尾矿砂用量为10%的水泥稳定碎石混合料进行SEM测试，试验结果如图5和图6所示。

图5 连续搅拌水泥稳定碎石混合料的SEM照片Fig.5 SEM images of cement stabilized macadam mixture with static mixing

由图5看出，不添加铁尾矿砂的水泥稳定碎石混合料内部多为球形颗粒，各集料颗粒间存在较多水泥胶浆，混合料内部集料未形成密实骨架结构，添加10%铁尾矿砂后混合料内部存在较多“扁平”颗粒，且颗粒间水泥胶浆层更薄，集料颗粒连接紧密，该现象与强度试验结果一致。

对比图5和图6可以发现：采用连续搅拌时混合料内部“针刺状”或“针棒状”的钙钒石较少，采用振动搅拌时混合料内部钙钒石更明显，且分布更加均匀，主要原因是，振动搅拌过程中的振动作用使水泥在混合料中分布更加均匀，且水泥水化更加充分；采用两种搅拌方式制备的混合料内部均有明显的通透的块状Ca(OH)2和团粒状的CaCO3，但采用振动搅拌制备试样内部块状Ca(OH)2和团粒状的CaCO3数量更多，分布更加均匀，且搭接、穿插更为致密，整体性更好；采用振动搅拌时试样内部C-S-H凝胶数量更多且发育更加完整，试样孔洞和缝隙均能被有效填充，这使得混合料的强度更高。

图6 振动搅拌水泥稳定碎石混合料的SEM照片Fig.6 SEM images of cement stabilized macadam mixture with vibratory mixing

3 结 论

(1)水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度、间接拉伸强度、水稳定性及抗冻性随铁尾矿砂量的增加先增大后减小，当铁尾矿砂用量为10%时，水泥稳定碎石混合料物理力学性能达到峰值。

(2)铁尾矿砂的加入对水泥稳定碎石的疲劳寿命有一定影响，当铁尾矿用量为5%时，水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命达到峰值。

(3)振动搅拌方式与连续搅拌方式相比，混合料的无侧限抗压强度、间接拉伸强度、水稳定性、抗冻性、抗疲劳性能更好。

(4)添加铁尾矿砂后混合料中出现了明显的Fe2O3峰，且振动搅拌方式制备的水泥稳定碎石混合料中出现了明显的硅酸三钙(C3S)和硅酸三钙(C2S)峰。

(5)振动搅拌方式较连续搅拌方式制备的试样内部水泥水化产物分布更为均匀，且体积和数量明显大于连续搅拌方式制备的试样。