掺铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料性能的影响研究

褚 锋 苏纪壮 王瑞冰 汲 平 王鑫洋 刘 健

(山东高速集团有限公司建设管理公司1) 济南 250000) (山东高速工程检测有限公司2) 济南 250002)

0 引 言

铁尾矿砂是铁矿场在开采分选矿石之后排放的固体废弃物，随着国民经济的快速发展，铁尾矿砂排放量逐年增加，如不能进行合理利用将占用大量土地、污染环境，还易产生安全隐患[1].公路工程建设过程中需要大量的筑路材料，若能采用适当的技术，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.

国内外研究者对铁尾矿砂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.王琰[3]对无机结合料稳定铁尾矿砂的疲劳及冻融循环特性的进行了研究.李洪斌等[4-5]对水泥稳定铁尾矿砂的动态模量、静态模量、抗压强度和劈裂强度、水稳定性、抗冻融循环性能、抗疲劳性能进行了试验研究，结果表明：水泥稳定铁尾矿砂可用于沥青路面基层.赵飞[6]通过SEM试验研究了水泥铁尾矿砂固化机理.王绪旺等[7]对铁尾矿半刚性路面基层的抗冲刷性能进行了预估分析，结果表明：水泥剂量为5%时能够取得良好的抗冲刷性能和经济性.Che等[8]对铁尾矿混凝土(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(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%时，混合料的力学性能够满足巴西规范中路基技术指标要求.

综上所述，以往研究仅对水泥稳定铁尾矿砂的路用性能进行了研究，研究过程中未涉及振动击实技术对其混合料路用性能的影响.因此，本文通过振动击实成型、静压成型两种方式制备试样，并对不同铁尾矿砂掺量、不同级配类型的混合料进行试验研究，便进一步认识振动击实及铁尾矿砂作用机理，准确地表征其混合料性能，从而指导工程实践.

1 试验概况

1.1 原材料

1) 粗集料 粗集料最大粒径31.5 mm，分为4.75～9.5、9.5～19、19～31.5 mm三档，压碎值为21.7%，表观相对密度均大于2.730，其他技术指标均满足JTG F20—2015《公路路面基层施工技术细则》中相关要求.

2) 细集料 细集料为0～4.75 mm机制砂，表观相对密度为2.656，塑性指数10.

3) 水泥 采用山东山水水泥集团有限公司生产P·O 42.5级缓凝水泥.

4) 铁尾矿砂 选用山东枣庄某矿厂生产的铁尾矿砂，塑性指数12，砂当量71%，内照射指数0.100，外照射指数0.165，浸出毒性满足国家规范相关要求，其主要矿物成分见表1.

5) 水 试验用水为济南地区自来水.

表1 铁尾矿砂成分组成表

1.2 配合比设计

为保证试验结果的可靠性，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见图1，通过重型击实试验确定混合料最佳用水量为5%，水泥用量为4.0%.

图1 水泥稳定碎石混合料级配图

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静压成型和振动成型方式制备试样，其中混合料最大干密度为2.378 g/cm3，试样制备过程中控制压实度为98%.其中，无侧限抗压强度、间接拉伸强度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 ℃.使用TENSORⅡ型傅里叶变换红外光谱仪和X射线衍射仪，对掺铁尾矿砂水泥稳定碎石材料进行红外光谱分析和X衍射分析.红外光谱属于分子振动光谱，是由于化合物分子中的基团吸收特定波长的电磁波引起分子内部的某种振动，通过讨论分子振动类型，确定各种振动吸收峰的归属，最终反映化合物结构的变化，是分子鉴定和结构分析的常用手法.一般水泥中A矿和B矿的Si—O键的伸缩振动在926 cm-1附近，一旦遇水聚合为凝胶，变为Si—O—Si键，迁移至970 cm-1附近振动.

2 试验结果分析

2.1 强度试验结果分析

不同成型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

由图2可知：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，更易在粗集料表面形成水泥胶浆能够均匀的填充混合料间空隙，但当用量达到一定限值后，水泥胶浆在混合料体系中所占比例增加，由于胶浆强度低于碎石强度，因此更易发生破坏；振动成型制备试样强度明显大于静压成型方法制备的试件，究其原因为，振动击实过程中产生的振动波能够使混合料中的集料颗粒产生移动，移动产生的空隙被水泥胶浆填充密实，相较于静压成型振动击实成型试件密实度更高，内部微裂纹更少，因此表现出强度更高.

2.2 水稳定性试验结果分析

通过水稳性系数(K)评价掺铁尾矿砂水泥稳定碎石混合料的水稳定性，试验结果见图3.

图3 水稳定性试验结果

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，其主要原因是养生28 d的试样水泥水化程度更加完全，混合料因此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；振动成型方式制备试样水稳定性较静压成型方式成型试样效果更佳，其主要原因是振动波作用下，颗粒发生移动，移动产生的空隙被水泥胶浆填充密实，力学性能上表现为强度的增加.

2.3 抗冻性试验结果分析

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，试验结果见图4.

图4 抗冻性试验结果

由图4可知：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，其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，添加水泥拌和后形成的胶浆含量增加，更易填充混合料内部空隙，使得试样更加密实，从而表现出试样抗冻性的提升；振动成型较静压成型制备试样的抗冻性更加优异.

2.4 抗疲劳性能试验研究

本研究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.结果见图5.

图5 疲劳回归方程图

由图5可知：疲劳寿命拟合方程的相关系数均在0.85以上，疲劳回归方程斜率大小依次为：疲劳回归方程截距大小依次为：掺加5%铁尾矿砂>无铁尾矿砂>掺加10%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的交通荷载作用下水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命，主要原因是混合料中细集料含量过低，混合料强度变异性增加，抗疲劳性能下降.

2.5 红外光谱测试结果及分析

图6为FTIR图.由图6a)可知：水泥、石灰岩和铁尾矿的结构存在较大差异，水泥中Si-O键的弯曲振动和伸缩振动吸收峰分别位于400～600 cm-1和900～1 000 cm-1处，因此水泥中523 cm-1和990 cm-1处是水泥矿物A和矿物B的Si—O键弯曲振动和伸缩振动产生的峰.石灰岩和铁尾矿在710 cm-1处的小尖峰是由于其中的非晶相SiO2的Si-O键伸缩振动产生的峰.铁尾矿在550 cm-1处的小尖峰是由于其内部含铁矿物弯曲振动产生的峰.

图6 FTIR图

图中标记了Si-O键伸缩振动、水分子羟基的伸缩振动和水化产物Ca(OH)2羟基伸缩振动、3CaO·SiO2·nH2O的弯曲振动、3CaO·3Al2O3·3CaSO4·32nH2O弯曲振动，峰位置分别在900～1 000、3 468、730和837、3 449 cm-1左右，对比水泥石、铁尾矿砂和水泥、石灰岩和水泥拌和后的水化产物可以发现，3 449 cm-1左右的钙钒石吸收峰消失，其主要原因是拌和后的混合料中水泥用量较少，相较于水泥石，混合料内部的集料较多，虽经过粉碎，但试样中仍含有大量的集料，因此3 449 cm-1左右的钙钒石吸收峰消失.对比静压成型和振动成型两种成型方式制备试样的吸收峰位置几乎相同，但峰强度存在明显差异，其主要原因是振动成型过程中的振动波带动了混合料中胶浆的移动，使得在混合料内部分散更加均匀，进而水化反应更加充分，因此其吸收峰处振动更加明显.

2.6 XRD测试结果及分析

图7为XRD试验结果，由图7可知：①无论采用哪种成型方式，是否添加铁尾矿砂，混合料中的CaO和SiO2的峰值都比较明显，其主要原因是XRD试样的制备过程中，将粗集料表面黏附的细集料刮下后，经室内磨细，后使用0.075 mm方孔筛筛分后使用，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，XRD试样的Fe2O3峰值更明显，其主要原因是铁尾矿砂中含有较多的含铁矿物，因此Fe2O3处出现了明显的强峰；③在同等养护条件、同龄期及相同水泥用量下，采用振动成型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)和硅酸二钙(C2S)峰值，其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，因此C3S和C2S处的峰值更明显.

图7 XRD试验结果

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.

2) 铁尾矿砂的加入使得水泥稳定碎石的疲劳寿命呈现先增大后减小的趋势，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，随着铁尾矿砂用量的继续增加，疲劳寿命逐渐降低.

3) 振动成型方式制备试样较静压成型方式制备试样的无侧限抗压强度、间接拉伸强度、水稳定性、抗冻性更高，但耐疲劳性能降低，这与振动成型方式制备试样的密实度更高有关.

4) 水泥稳定碎石混合料中添加一定量的铁尾矿砂后，振动峰和吸收峰的位置几乎相同，且采用振动成型时，峰强度较静压成型更明显.