鐵尾礦砂在國(guó)省干道水穩(wěn)碎石基層的應(yīng)用

薛登峰

（山西路橋第一工程有限公司，山西 太原 030006）

引言

隨著“十三五”以來環(huán)保政策對(duì)礦山開采的嚴(yán)格管控，碎石和砂礫等路用材料價(jià)格不斷上漲，公路工程建設(shè)成本不斷提高，亟需尋找可替代的固廢材料用于彌補(bǔ)碎石和砂礫的短缺。鐵尾礦渣是煉鐵的副產(chǎn)物，大量鐵尾礦的堆積導(dǎo)致環(huán)境污染和存在安全隱患［1］，如果鐵尾礦能在公路建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用，既可以減少道路工程中對(duì)砂礫的需求，又可以解決鐵尾礦的堆積問題。

2019年11月，國(guó)家十部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)機(jī)制砂石行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》中指出，鼓勵(lì)利用廢石生產(chǎn)機(jī)制砂石與利用尾礦等大宗固廢生產(chǎn)砂石骨料用于工程建設(shè)，為鐵尾礦的大規(guī)模應(yīng)用指引了方向。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鐵尾礦砂應(yīng)用于公路工程進(jìn)行了深入的研究，取得了一些成果。楊青潘等［2］將鐵尾礦砂應(yīng)用于道路的基層并研究其路用性能，結(jié)果表明水泥石灰鐵尾礦穩(wěn)定砂礫的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。張鐵志等［3］采用摻加聚丙稀纖維的水泥穩(wěn)定鐵尾礦用于水穩(wěn)碎石，研究鐵尾礦砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)細(xì)集料的可行性。

1 原材料

1.1 鐵尾礦砂

鐵尾礦砂顆粒粒徑較小，通過篩分發(fā)現(xiàn)其粒徑分布主要集中在0.075～1.2 mm之間，其中0.075～0.15 mm 和0.15 ～0.3 mm兩檔料的占比達(dá)到55%以上；細(xì)度模數(shù)為0.8～1.2；不均勻系數(shù)為2.8～4.2。作為細(xì)集料其級(jí)配不良，不適用于《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）中對(duì)砂的分類，按照《特細(xì)砂水泥混凝土和砂漿應(yīng)用技術(shù)》中特細(xì)砂的細(xì)度模數(shù)指標(biāo)：0.7～1.5，鐵尾礦砂被劃分為特細(xì)砂［4］。

1.2 水泥

水泥采用冀東牌P.S.A32.5礦渣硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)見表1，測(cè)試結(jié)果滿足路面基層要求［5］。

表1 水泥性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 碎石

粗集料和石屑均采用山西晉中市交城縣偉紅石料廠出產(chǎn)的石灰石，其中粗集料分別為20～30 mm、10～20 mm、5～10 mm三檔。測(cè)試結(jié)果滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2019）的相關(guān)要求。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 合成級(jí)配

在進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)前對(duì)各檔碎石、石屑和鐵尾礦砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)，各檔料通過率見表2。

表2 各檔集料篩分通過率試驗(yàn)結(jié)果

由表2看出，鐵尾礦砂與石屑相比，粒徑更小，表面積較大，制備水穩(wěn)碎石混合料時(shí)需要消耗更多的凝膠材料。因此，在保證水泥用量固定的條件下，鐵尾礦砂不能完全代替石屑配制水穩(wěn)碎石混合料。

圖1 混合料級(jí)配曲線

為了研究鐵尾礦渣在水穩(wěn)碎石混合料中的最佳應(yīng)用效果，以確定試驗(yàn)段工程中可添加的最大用量范圍，在確保石屑和鐵尾礦砂總量在混合料中占比恒定的前提下，試驗(yàn)鐵尾礦砂摻量分別設(shè)定為0%、10%、20%、30%、40%，合成級(jí)配見圖1。因鐵尾礦砂摻量40%混合料的合成級(jí)配嚴(yán)重超出級(jí)配曲線上限要求，故鐵尾礦砂摻量確定為0%、10%、20%、30%。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2019）對(duì)不同摻量鐵尾礦砂的水穩(wěn)碎石混合料進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)試最佳含水率和最大干密度，水泥用量選定為4%、5%、6%，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 水穩(wěn)碎石混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：（1）水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水率，隨著鐵尾礦渣摻量的增加在逐步提高。以水泥摻量5%為例，鐵尾礦渣摻量為30%時(shí)，混合料的最佳含水率達(dá)到了5.5%，比純石屑混合料的最佳含水率高出0.9%，含鐵尾礦渣混合料需水量更高。因?yàn)殍F尾礦渣在煉制成型中表面凹凸不平，微觀結(jié)構(gòu)上有較多細(xì)微孔隙，可吸附更多水分，從而表現(xiàn)出鐵尾礦渣越多，混合料最佳含水率越高。

（2）與最佳含水量的逐步提高相比，伴隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混合料的最大干密度出現(xiàn)先提高后降低的變化，純石屑混合料和鐵尾礦渣摻量30%混合料的最大干密度較鐵尾礦渣摻量10%混合料、鐵尾礦渣摻量20%混合料的最大干密度出現(xiàn)了下降。結(jié)合鐵尾礦渣的自身細(xì)度模數(shù)較低的特點(diǎn)，主要是鐵尾礦渣填充了碎石和石屑之間的細(xì)小空間，使混合料的堆積狀態(tài)更加緊密的原因。這種狀態(tài)在鐵尾礦渣摻量在10%～20%范圍內(nèi)時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增加鐵尾礦渣摻量至30%，細(xì)集料占據(jù)較多填充空間，鐵尾礦渣之間無法形成有效的鑲嵌擠壓密實(shí)結(jié)構(gòu)，粗集料也處于懸浮狀態(tài)，從而出現(xiàn)混合料最大干密度下降的情況。

2.3 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率與最大干密度制備試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。按照94%壓實(shí)度制備試件，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 水穩(wěn)碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著鐵尾礦渣摻量的遞增出現(xiàn)先增加后降低的變化。在鐵尾礦渣摻量較低時(shí)，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在緩慢提升，鐵尾礦渣摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值，鐵尾礦渣摻量繼續(xù)增加至30%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而出現(xiàn)下降。主要是因?yàn)殍F尾礦渣在混合料中的作用發(fā)生了變化，當(dāng)摻量較小時(shí)，鐵尾礦砂起到填充混合料空隙的作用，混合料達(dá)到最緊密的堆積狀態(tài)，在水泥凝膠作用下整體穩(wěn)定性較高；當(dāng)摻量較高時(shí)，部分粗集料處于懸浮狀態(tài)，鐵尾礦渣和石屑在混合料中的數(shù)量相對(duì)較多，表面積較大，需要更多的水泥來進(jìn)行穩(wěn)定凝膠，兩者相同作用下造成混合料內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)定區(qū)間，受外力作用下混合料容易出現(xiàn)破壞，從而強(qiáng)度出現(xiàn)加速下降。

2.4 確定水泥用量

水泥穩(wěn)定混合料的強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而提高，不過過多的水泥用量在提高混合料強(qiáng)度時(shí)也會(huì)出現(xiàn)明顯的收縮裂縫和不均勻裂縫，所以過多的水泥用量從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性上綜合考慮是不可取的。根據(jù)表4中不同水泥用量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)水泥劑量為6%時(shí)，各鐵尾礦渣摻量的混合料強(qiáng)度均滿足≥3.0 MPa的要求；當(dāng)水泥劑量為5%時(shí)，只有鐵尾礦渣摻量30%的混合料的強(qiáng)度不滿足≥3.0 MPa的要求，其他鐵尾礦渣摻量的混合料強(qiáng)度均滿足指標(biāo)要求；當(dāng)水泥劑量為4%時(shí)，各摻量鐵尾礦渣混合料的強(qiáng)度大部分都低于3.0 MPa。從滿足強(qiáng)度要求和防止收縮裂縫和不均勻裂縫的角度出發(fā)，水泥劑量選用5%。結(jié)合山西省多條高速公路和國(guó)省干道水穩(wěn)碎石基層配合比的經(jīng)驗(yàn)來看，5%的水泥劑量符合應(yīng)用實(shí)際［6］。

3 試驗(yàn)工程應(yīng)用

3.1 工程概況

依托山西省呂梁市G209國(guó)道某段鋪筑鐵尾礦砂基層試驗(yàn)段，呂梁市位于山西省中西部位，在環(huán)保政策限制下可用集料較少。同時(shí)，該地區(qū)有較多的鐵尾礦，由于沒有較好的處理途徑，大量固體廢棄物只能被廢棄堆積。為此，對(duì)本地的鐵尾礦砂進(jìn)行調(diào)研，決定將鐵尾礦砂用于公路基層填料。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)和性能驗(yàn)證，在G209國(guó)道鋪筑了兩段700 m的試驗(yàn)段，通過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)配合比調(diào)配，進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，控制施工工藝，試驗(yàn)段取得了滿意的試驗(yàn)效果。

3.2 生產(chǎn)配合比

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室配合比數(shù)據(jù)，鐵尾礦砂摻量在30%時(shí)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度下降，干縮裂縫較多，故生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)上鐵尾礦渣摻量設(shè)定為10%和20%進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)礦料級(jí)配與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)略有差別，按照實(shí)驗(yàn)室級(jí)配組成進(jìn)行微調(diào)，增大10～30 mm碎石的用量，試驗(yàn)段生產(chǎn)配合比見表5。

表5 試驗(yàn)段礦料生產(chǎn)配合比

3.3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

試驗(yàn)段施工后以灌砂法進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)［7］，檢測(cè)合格后對(duì)路基表面進(jìn)行覆蓋灑水養(yǎng)生，7 d后鉆取芯樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)見圖2，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

圖2 試驗(yàn)段取樣現(xiàn)場(chǎng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各點(diǎn)的取樣結(jié)果，除少數(shù)鐵尾礦渣摻量20%試驗(yàn)段芯樣底部出現(xiàn)少許細(xì)集料剝落外，另一試驗(yàn)段芯樣均較為完整，邊際明顯。代表性芯樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，且在試驗(yàn)路建成通車一年后，應(yīng)用效果良好。

表6 試驗(yàn)段鉆芯強(qiáng)度試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

將鐵尾礦渣作為半剛性基層材料，對(duì)不同摻量的鐵尾礦渣水穩(wěn)碎石混合料進(jìn)行了試驗(yàn)室性能驗(yàn)證，結(jié)合工地試驗(yàn)段的應(yīng)用效果，得出鐵尾礦渣摻量10%水穩(wěn)碎石混合料、鐵尾礦渣摻量20%水穩(wěn)碎石混合料從外觀到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足試驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用效果較好。