郭永軍 程艷 王召

（1.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006；2.江蘇張家港市航港事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 張家港 215617；3.長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

數(shù)據(jù)表明，我國約有200億噸鐵礦儲量，作為鐵礦分選廢棄物的鐵尾礦累計(jì)堆存量已達(dá)到50億噸，并且仍以每年約5億噸的速度遞增，目前鐵尾礦的綜合利用率尚達(dá)不到總量的5%[1,2]。鐵尾礦的大量堆積不僅破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，且尾礦庫的維護(hù)也需要耗費(fèi)大量的資金[3,4]。目前，國內(nèi)外對鐵尾礦砂的工程應(yīng)用開展了較多的研究，但是對鐵尾礦碎石的性能及工程應(yīng)用研究并不充分[5]。本文選用山西省忻州市鐵尾礦碎石，對其物理力學(xué)性能開展試驗(yàn)，研究不同摻量的鐵尾礦水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)特性，優(yōu)選出該尾礦應(yīng)用于工程的適宜摻量，以期解決鐵尾礦碎石污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境的問題。

一、試驗(yàn)材料

（一）常規(guī)材料

本文試驗(yàn)選用42.5號普通硅酸鹽水泥，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示，可知其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）的要求[6]。

表1 水泥技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)中用到的石料取自陜西西安公路管理局料場的石灰?guī)r，碎石的粒徑≤31.5m,根據(jù)規(guī)范[7]檢測所用粗集料及細(xì)集料物理指標(biāo)，各項(xiàng)常規(guī)的物理指標(biāo)如表2所示。

表2 石灰?guī)r的試驗(yàn)結(jié)果

（二）鐵尾礦碎石

本文采用山西省忻州市繁峙縣東山底村的鐵尾礦碎石，其XRD分析譜圖如圖1所示。鐵尾礦碎石的礦物組成主要有石英、鎂鐵閃石、鐵石棉、方解石[10]。鎂鐵閃石顏色為深綠色，且隨著Fe2+含量增多，顏色越深，質(zhì)地較硬[11]。鐵石棉屬于角閃石類,具有良好的耐酸耐堿性能及化學(xué)穩(wěn)定性[12]。

圖1 鐵尾礦XRD譜圖

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JET E42-2005）[6]，測定鐵尾礦碎石物理性能，結(jié)果見表3。

表3 鐵尾礦的試驗(yàn)結(jié)果

二、水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石性能研究

（一）水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石級配合成

本文選定4種鐵尾礦碎石摻量（0%、25%、50%、75%）的摻配方式，由于鐵尾礦碎石的最大粒徑為26.5mm，無法滿足骨架密實(shí)最大粒徑的要求，故摻量最高定于75%。不同鐵尾礦碎石摻量的集料的合成級配如表4和圖2所示。

表4 水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石基層集料合成級配

圖2 不同摻量水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石合成級配

（二）擊實(shí)試驗(yàn)

依照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)[13]的要求，用3.5%、4%、4.5%、5%和5.5%的水泥劑量分別穩(wěn)定四種級配鐵尾礦碎石混合料，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定各不同配合比的混合料的最佳含水量及最大干密度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 鐵尾礦摻量與干密度關(guān)系曲線

從圖3中可以看出，在水泥摻量一定的情況下，隨著鐵尾礦碎石摻量的增加，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的最大干密度逐漸減小。

（三）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本文選取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%5個(gè)水泥劑量，0%、25%、50%、75%4種鐵尾礦碎石摻量，根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》[13](JTGD-2017)完成無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，養(yǎng)生齡期分別為7d、28d、60d、90d。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、6、7所示。

如圖4所示，在養(yǎng)生齡期7d到28d過程中，隨著鐵尾礦碎石摻量增加，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石基層的抗壓強(qiáng)度增長率不斷增大，原因是鐵尾礦中含有活性物質(zhì)，在水泥水化過程中，鐵尾礦中的這些活性物質(zhì)促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，因而隨著鐵尾礦碎石摻量的增加，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的抗壓強(qiáng)度增長越快。

圖4 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期變化曲線

如圖5所示，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的抗壓強(qiáng)度，隨著水泥劑量的增加呈現(xiàn)近似線性增加的規(guī)律。水泥劑量從5.0%增加到5.5%的過程中，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的抗壓強(qiáng)度增長率最小。水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石水泥劑量從3.5%增加到5.0%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度的增長率大于水泥劑量從5.0%增大到5.5%時(shí)抗壓強(qiáng)度的增長率。

圖5 抗壓強(qiáng)度隨水泥劑量變化曲線

如圖6所示，在養(yǎng)生齡期一定時(shí),隨著鐵尾礦碎石摻量的增加，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料抗壓強(qiáng)度增長越來越快；隨著混合料養(yǎng)生齡期的增大，抗壓強(qiáng)度隨鐵尾礦碎石摻量的變化率逐漸減小。由變化率可知，鐵尾礦碎石摻量對混合料的抗壓強(qiáng)度影響較大。

圖6 抗壓強(qiáng)度隨鐵尾礦碎石摻量的變化

（四）劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)研究

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[13]（T 0843-2009）試件制備方法制備成φ150×150mm的試件，開展劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試件采用水泥劑量為3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%，鐵尾礦摻量為0%、25%、50%、75%，養(yǎng)生齡期為7d、28d、60d、90d，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

如圖7所示，當(dāng)水泥劑量一定時(shí)，不同鐵尾礦碎石摻量混合料的劈裂強(qiáng)度都是隨著養(yǎng)生齡期的增加而逐漸增大，養(yǎng)生齡期28d后劈裂強(qiáng)度增長趨勢逐漸趨于平緩。

圖7 是鐵尾礦碎石混合料劈裂強(qiáng)度隨齡期變化曲線

如圖8所示，鐵尾礦摻量從0%增大到75%的過程中，不同水泥劑量下的劈裂強(qiáng)度減小率隨著養(yǎng)生齡期的增加呈現(xiàn)逐漸降低的變化規(guī)律，因此水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石在使用過程中應(yīng)保證足夠的養(yǎng)生齡期。

圖8 劈裂強(qiáng)度隨鐵尾礦碎石摻量的變化

三、結(jié)語

對于本文研究的鐵尾礦碎石，其工程性質(zhì)比常用工程石料物理力學(xué)性質(zhì)略差，但滿足道路使用要求。

不同鐵尾礦摻量的水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料，其抗壓強(qiáng)度隨著水泥劑量的增加呈現(xiàn)近似線性增加的規(guī)律。水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的劈裂強(qiáng)度隨著養(yǎng)生齡期及水泥摻量的增加而不斷增大。在相同養(yǎng)生齡期，水泥摻量一定時(shí)，水泥穩(wěn)定鐵尾礦碎石的劈裂強(qiáng)度隨著鐵尾礦碎石摻量的增加不斷減小。