无机结合料稳定铁尾矿级配合成和力学性能试验研究

摘 要：通过铁尾矿砂的土工液限确定无机结合料类型，按照无机结合料稳定铁尾矿的目标级配和碎石铁尾矿各档材料的筛分情况，当集料级配波动上下限在x×（1±2Cv）范围时，按照碎石铁尾矿使用比例合成级配进行无机结合料稳定碎石铁尾矿混合料重型击实试验和7 d无侧限抗压强度试验。试验结果表明：无机结合料稳定类型为水泥粉煤灰;水泥∶粉煤灰∶碎石铁尾矿=5∶10∶85的配合比中，碎石∶铁尾矿=64∶36时，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料的最佳含水率最低为5.1%，对应最大干密为2.396 g/cm3，7 d无侧限抗压强度代表值为6.5 MPa，强度满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）表4.2.7中高速公路和一级公路基层（极重、特种）的技术要求。

关键词：无机结合料;铁尾矿;级配合成;性能试验

中图分类号：U414

文献标志码：A

国家生态环境部发布的《2020年全国大、中城市固体废弃物污染环境防治年报》中统计，2019年我国工业企业尾矿产生量为10.3亿吨，综合利用量为2.8亿吨（其中利用往年贮存量1777.5万吨），综合利用率为27.0%，为加强矿山企业绿色矿山建设的可持续发展，对生产过程中产生的尾矿等固体废弃物应考虑多领域大宗化利用，以解决铁尾矿堆存带来的占用大量土地、对周边大气河流及地下水等危害、尾矿坝体的安全隐患[1]等多方面的问题。道路建设中需要使用大量的砂石原材料，使得自然筑路资源日趋紧张，同时也对环境带来了破坏。为了贯彻落实生态环境部“清废行动”和“绿色矿山”持续建设，研究用铁尾矿替代筑路集料用于公路建设，用铁尾矿部分替代普通砂作为细骨料可以改善细骨料的颗粒级配，相较于普通砂作为细骨料制备的混凝土，铁尾矿作为细骨料制得的混凝土具有更优的工作性能，并且在抗压强度和耐久性方面表现更佳[2]，大宗消耗铁尾矿库存，不仅降低对周围环境污染和防溃坝安全的隐患，还可以减少对传统砂石原材料的利用，提高尾矿资源的再利用效率。但矿山企业为了提高选矿效率，将铁矿磨的越来越细，所产生的铁尾矿颗粒粒径较小，不符合《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）路用集料级配，为了更合理地利用铁尾矿，需要对铁尾矿的道路应用性能进行集料级配和强度试验，通过采用无机结合料稳定铁尾矿试验确定各材料用量比例，经试验结果数据进行计算、分析、研究铁尾矿的路用性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1）粉煤灰：陕西商洛发电有限公司生产的F类Ⅱ级，试样样品3 kg，经检测其技术指标见表1。

依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）标准可知，表1中的含水量、需水量、烧失量、SO3质量分数、 f-CaO质量分数、（AL2O3+Fe2O3+SiO2）总质量分数指标均符合要求;F类粉煤灰安定性指标规范未作明确要求，但为了保证其在路面基层使用的稳定性，测定其安定性0.8 mm符合C类粉煤灰安定性上限制5.0 mm的要求，本次所用粉煤灰具有良好的安定性。

2）铁尾矿砂：陕西商洛柞水小岭镇大西沟铁尾矿，筛分析结果见表2。

根据表2中的数据，按公式（1）计算[3]铁尾矿砂的细度模数μf：

μf=（A0.15+A0.30+A0.60+A1.18+A2.36）-5A4.75100-A4.75（1）

式中，A0.15、A0.30、A0.60、…、A4.75分别为各筛上的累计筛余百分率，%。

经计算，铁尾矿砂的细度模数为1.30， 属于细集料。

按照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）要求，采用液塑限联合测定仪测定铁尾矿砂的液限为19%，塑性指数为11，由《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057—2005）要求，无机结合料类型为水泥类[4]。

3）碎石：商洛梁铺生产的碎石，技术指标见表3。

按照《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）标准可知：表3碎石表观密度2 710 kg/m3符合国标建设要求碎石表观密度不小于2 600 kg/m3的要求，紧密空隙率、含泥量、针片状颗粒含量、压碎指标依次满足国标建设用碎石的Ⅰ类标准上限值43%、0.5%、5%、10%的要求，该批碎石可以使用。

4）水泥：商洛尧柏龙桥水泥有限公司P.O42.5水泥的技术指标见表4。

按照《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）标准可知：表4中抗压强度、抗折强度、比表面积等各项指标均符合普通硅酸盐水泥的技术指标要求。

1.2 试验方法

根据铁尾矿砂的土工液限适宜采用的无机结合料类型为水泥类，因铁尾矿为粒径较均匀的细集料，宜添加適量比例的粉煤灰[5]，按照文献[5]中推荐的结合料间比例为水泥粉煤灰∶被稳定材料=20∶85～15∶85。为达到最佳密实效果，在5%水泥剂量的确定条件下，粉煤灰加入10%，形成配比为水泥∶粉煤灰∶集料=5∶10∶85，大于4.75 mm的粗集料比例占总质量的百分率依次为：A组66%、B组54%、C组43%，集料按照表5铁尾矿碎石的各档矿料掺加比例进行重型击实试验，将制备好的击实试验铁尾矿混合料试样分5次逐层加入到击实筒內，每层的锤击次数为59次，完成击实试验，测定水泥粉煤灰稳定铁尾矿混合料的最大干密度和最佳含水量[6]。根据击实试验结果，取最大干密度值制成标准试件进行7 d无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度试验方法：将静力压实法制备的13个试件，在第7 d浸泡水中24 h后的试件从水中取出，用软布吸去试件表面的水分，将试件放在路面材料强度压力机上，无侧限抗压强度测定试验过程中应保持试验加载速率为1 mm/min，记录试件破坏时的最大压力F，从试件内部取有代表性的样品（经过打破），测定其含水量[7]。

1.3 试样制备

击实试验试样制备：按照文献[7]，对取得最佳含水量和最大干密度的水泥粉煤灰碎石铁尾矿混合料，先用19 mm的方孔筛对试料进行人工筛分，若存留在19 mm筛上的颗粒筛余百分率不超过10%，则换用26.5 mm的筛进行筛分，留作备用。将已筛分的试样用四分法逐次分小，至最后取出约30 kg试料，再用四分法将已取出的试料分成5份，每份试料的干质量为5.5 kg，预定5个不同含水量，依次相差0.5%～1.5%，按预定的含水量制备击实试验试样。

无侧限抗压强度试验试样制备：不同碎石含量的混合料中掺加5%水泥进行击实试验，击实试验结果中取得最大干密度的混合料，按照文献[7]用静力压实法制备13个试件，试件尺寸直径×高为150 mm×100 mm，其压实度不小于95%，将试件脱模并称重后用塑料薄膜包覆，放入养护室内在（20±2）℃温度进行标准养护 6 d，第7 d浸泡水中24 h后进行无侧限抗压强度试验。

2 试验结果与分析

按照確定的目标级配水泥∶粉煤灰∶集料=5∶10∶85，根据表5中A、B、C三组集料的各档材料的合成级配，再根据合成级配进行混合料重型击实试验和7 d龄期无侧限抗压强度试验，验证混合料的性能。

2.1 最佳含水率和最大干密度

在5%水泥剂量下进行平行的击实试验，不同碎石含量的水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料的最佳含水率和最大干密度见表6，三组标准击实试验曲线图，如图1所示。

从表6可知，在三组集料级配击实试验的最大干密度和最佳含水率中，B组集料的最大干密度为2.396 g/cm3达到最大值，最佳含水率为5.1%处于最小值，大于4.75 mm的粗集料含量为54%;对于A组、C组大于4.75 mm的粗集料含量依次为66%、43%，结合表5混合集料中各档比例组成分析，粗集料含量较高但颗粒级配不够均匀，使得颗粒之间空隙没有被足够的填充，难以保证铁尾矿碎石混合料的密实性，因此相比B组，铁尾矿碎石混合料最大干密度有所下降和最佳含水率相对增加。

从图1击实曲线明显看出，当达到最大干密度时对应的含水率达到最小值，但是随着A组、B组、C组的铁尾矿碎石混合料中粗集料的减少，铁尾矿碎石混合料的最佳含水率和最大干密度也产生较大差别，三组的最大干密度大小排列顺序为ρdB>ρdC>ρdA，从碎石、铁尾矿构成比例看，碎石铁尾矿混合集料中碎石比例过大或者过少，均会影响混合料的密实性。本次试验中材料用量比例为水泥粉煤灰∶铁尾矿碎石集料=15∶85，混合集料中碎石∶铁尾矿=64∶36，说明混合料中粗集料占比达到64%时，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料的最佳含水率5.1%最低，对应取得最大干密度为2.396 g/cm3。

2.2 试件7 d无侧限抗压强度

根据表6的击实试验结果，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料按照最佳含水量5.1%和最大干密度2.395 g/cm3的标准制成成型高度为150 mm、直径为150 mm的圆柱形试件养护7 d，然后进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表7所示。

根据表7中的数据计算在5.0%水泥剂量下，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料7 d无侧限抗压强度的最大值、最小值、平均值、代表值。7 d无侧限抗压强度值95%保证率的系数Za取1.645，则其具有95%保证率的7 d无侧限抗压强度值RC 0.95=RC-1.645S，标准差S按照公式（2）进行计算，计算评定7 d无侧限抗压强度指标值见表8所示。

S=∑ni=1（X-Xi）2n-1（2）

式中，S表示试验结果数据的标准差;Xi表示任意一次试验结果数据;n表示实验结果数据的数量;X=X1+X2+X3+…+Xnn表示试验结果数据的均值。

从表7中数据可知，在5.0%水泥剂量下，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料7 d无侧限抗压强度最大值达到8.7 MPa、最小值6.6 MPa、代表值6.5 MPa，强度满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）表4.2.7中高速公路和一级公路基层（极重、特种）7 d无侧限抗压强度最高值5.0 MPa的要求。

2.3 试验检验的统计分析计算

原材料铁尾矿和碎石的不均匀性是影响水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料性能稳定性的重要因素，为了更全面掌握各档原材料的级配情况，需要从拌合场料堆中不同位置和每一批次进料中分别取料、筛分，然后分别统计铁尾矿和碎石各档料通过率的变异系数CV，变异系数CV按照公式（3）计算[8]，计算结果见表8。

CV=SX（3）

式中，S表示试验结果数据的标准差;X表示试验结果数据的均值。

表9是对原材料进行大量的筛分试验得到的平均值x和变异系数Cv，以B组各档材料比例进行级配合成说明。B组水泥粉煤灰∶铁尾矿碎石集料=15∶85、混合集料中碎石∶铁尾矿=64∶36，其中铁尾矿（粒径0～4.75 mm）的比例为36%，碎石（粒径4.75～26.5 mm）的比例为64%，合成各档集料的比例见表5。

按照文献[5]把x×（1±2CV）作为集料级配波动的上下限，把各档集料按照公式（4）进行数学拟合优化。

Y→∑ni=1Yi=∑ni=1aiXi（4）

式中，Y→为理论目标级配;Yi为第i档集料的通过率;Xi为第i档集料的筛分级配;ai为第i档矿料的比例。

因为使用的集料最大粒径均小于31.5 mm，所以粒径31.5 mm的集料通过率Y31.5为100%。由表9可知，粒径26.5 mm的集料的筛分级配X26.5=100-94.3=5.7，由表5可知，粒径19～26.5 mm的集料的掺加比例a19～26.5 mm=20%，则合成级配通过率Y26.5=100-5.7×20%=98.9，Y19=98.9-86.1×20%=81.68，其余粒径按照此方法依次进行计算，计算结果见列于表10中。

实际工程中，由于原材料存在一定的变异性，筛孔的通过率有可能超出了既定級配的范围，级配完全按照合成级配实施存在较大困难，故允许级配值在一定范围内波动。但波动不能影响混合集料稳定性和均匀性，为严格控制原材料级配的稳定性和均匀性，应使集料级配波动在上下限x×（1±2CV）范围以内，若变异系数CV的集料级配波动在上下限x×（1±2CV）范围以外时，应重新分别进行击实试验和强度试验的测定，以判断力学强度指标是否仍然满足设计交通负荷指标要求。

3 结论

水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石用作路面基层，按照铁尾矿碎石的各档粒径的掺加比例进行数学拟合优化合成级配，对级配合成混合料进行重型击实试验和7 d无侧限抗压强度试验，为保证水泥粉煤灰稳定碎石铁尾矿的力学强度满足设计强度要求，统计各档集料的波动性应满足x×（1±2Cv）范围以内，根据试验数据分析得出以下结论：

1）水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石，当配合比为水泥∶粉煤灰∶碎石铁尾矿=5∶10∶85、碎石∶铁尾矿=64∶36时，水泥粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料的最佳含水率最低为5.1%，对应最大干密为2.396 g/cm3;

2）测定最大干密度对应试件的7 d无侧限抗压强度代表值为6.5 MPa，强度满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）表4.2.7中高速公路和一级公路基层（极重、特种）的技术要求。

参考文献：

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[2] 杨迎春， 毛宇光. 不同细度铁尾矿粉对水泥基材料性能的影响[J]. 西安建筑科技大学学报：自然科学版， 2020， 52（2）： 241-247.

[3] 姜志青. 道路建筑材料[M]. 5版. 北京： 人民交通出版社， 2021.

[4] 王绪旺. 无机结合料处治铁尾矿渣路用水稳定性试验研究[J]. 粉煤灰综合利用， 2020， 34（3）： 59-62，95.

[5] 王旭东， 张蕾， 曾峰， 等. 公路路面基层施工技术细则（实施手册）[M]. 北京： 人民交通出版社， 2015.

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[7] 中华人民共和国交通部. 公路工程无机结合料稳定材料试验规程： JTJ E21—2009[S]. 北京： 人民交通出版社， 2009.

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

（责任编辑：于慧梅）

Experimental Study on Stabilization of Iron Tailings Grade

Blending and Mechanical Properties with Inorganic Binder

WANG Xuwang*

（College of Urban，Rural Planning and Architectural Engineering， Shangluo University ，Shangluo 726000， China）

Abstract：

The type of inorganic binder is determined by the geo-liquid limit of iron tailings. According to the target gradation of stabilized iron tailings by inorganic binder and the screening of various materials of gravel iron tailings， when the upper and lower limits of aggregate gradation fluctuation are within the range of x× （1±2Cv）， heavy compaction test and 7days unconfined compressive strength test of inorganic binder stabilized gravel iron tailings mixture were carried out according to the synthetic grading of gravel iron tailings using proportion. The results show that the stable type of inorganic binder is cement fly ash. In the mixture ratio of cement∶fly ash∶crushed stone iron tailings=5∶10∶85， when crushed stone∶iron tailings=64∶36， the optimal water content of the crushed stone mixture of cement and fly ash stabilized iron tailings is the lowest 5.1%， the corresponding maximum dry density is 2.396 g/cm3， and the representative value of the 7 days unconfined compressive strength is 6.5 MPa. The strength meets the technical requirements of expressway and primary road base （extremely heavy and special） in Table 4.2.7 of 《Technical Specifications for Construction of Highway Pavement Base》（JTG/T F20—2015）.

Key words：

inorganic binder; iron tailings; grade blending; performance test

2550500520330