左权铁尾矿在高等级重载公路基层中应用研究_宋竹兵.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 国家重点研发计划项目（）作者简介 宋竹兵（），男，山西晋中人，高级工程师，主要从事公路建设相关工作及研究工作。引文格式 宋竹兵，高 鹏，陈 潇，等 左权铁尾矿在高等级重载公路基层中应用研究 公路工程，（）：，（）：左权铁尾矿在高等级重载公路基层中应用研究宋竹兵，高 鹏，陈 潇，赵云海，梁彦龙（.山西路桥集团左涉公路有限公司，山西 晋中；.山西省煤系固废利用工程技术研究中心，山西长治；.硅酸盐建筑材料国家重点实验室（武汉理工大学），湖北 武汉）摘 要 为实现左权铁尾矿资源在国道 路面基层中的应用，研究了左权铁尾矿特性与其对基层材料的路用性能的影响。结果表明：左权铁尾矿性能稳定，经破碎分选制备的铁尾矿粗、细集料性能均满足高等级重载公路要求，铁尾矿细集料中云母含量高，导致水泥稳定铁尾矿强度低，降低细集料掺量，并采用水泥复合稳定，可大幅提高强度。水泥复合稳定铁尾矿 抗压强度、劈裂强度、回弹模量和抗冻、抗收缩性能均明显高于水泥稳定碎石，在国道 线的应用效果良好，经济效益凸显。关键词 铁尾矿；基层；水泥复合稳定；固化粉中图分类号.文献标志码 文章编号 （），（.，.，；.，；.，）（），.，.，.，；公路工程 卷 引言我国铁尾矿排量大，利用率低，利用铁尾矿制备工程集料用于路面基层或者水泥混凝土，可实现铁尾矿规模化利用，是铁尾矿主要利用途径之一。众多学者开展了铁尾矿集料特性和在基层、混凝土中应用研究，封孝信等研究了唐山地区铁尾矿的集料特性，发现铁尾矿的表观密度、空隙率、压碎值等均满足 建设用碎石、卵石 要求，可以用于配制强度等级大于 的混凝土；刘震等采用铁尾矿制备的粗、细集料配制了强度等级为 的水泥混凝土，张亮采用水泥稳定原状的具有连续级配的铁尾矿石，发现当水泥剂量达到 时，混合料的 无侧限抗压强度仅为.，可用于二级公路基层轻交通基层或者高速公路底基层；沈卫国研究发现在路面基层中掺入适量铁尾矿可提升无侧限抗压强度，在高速公路极重、特重交通承载力标准下，基层材料铁尾矿掺量为 ，底基层材料铁尾矿掺量为 。李洪斌采用铁尾矿细砂替代 集料制备的水泥稳定碎石基层具有较低的动、静态模量，较大的抗压强度和劈裂强度，较好的水稳定性和抗冻融循环能力、抗疲劳性能。综上所述，铁尾矿可以作为集料在路面基层中应用，但若用于高等级公路，宜采用部分替代砂石集料的方式，掺量不宜超过 。山西省左权县散布多个铁尾矿排放点，总堆存量达到 万，一直得不到有效利用，国道 左权至黎城界和南沁线左权桐峪至河北涉县界公路新建工程（以下简称左涉公路）是一条高等级重载公路，全长，拟采用铁尾矿作集料用于路面基层。鉴于高等级重载道路对路面基层材料要求高，同时目前尚未有铁尾矿用于路面基层的相关标准，加之公路建设人员对铁尾矿缺乏认知，导致其在路面基层中的应用受到阻碍。为此，本文在研究左权铁尾矿的特性与集料制备工艺、水泥稳定左权铁尾矿的组成设计与路用性能的基础上，实现了高掺量铁尾矿水稳基层材料在左涉公路的推广应用，对于促进铁尾矿在高等级公路路面基层的资源化利用具有重要意义。试验.原材料试验用铁尾矿取自山西省左权县（以下简称左权铁尾矿），原始粒径为 ，外观呈青黑色；试验用石灰石集料分为.、.、.、.这 个粒级，各性能指标均满足 公路路面基层施工技术细则 的技术要求；试验用水泥为.级普通硅酸盐水泥，粉煤灰为煤粉炉电厂干排灰，固化粉是粉煤灰、脱硫石膏、煅烧高岭土等多种固废经粉磨、复配制得的超细高活性粉体，均满足 公路路面基层施工技术细则 用结合料的技术要求，其中，固化粉细度、活性高于粉煤灰，强度活性指数可达（如表 所示），具有提高基层材料强度与抗裂性的作用。表 粉煤灰、固化粉理化性能 测试指标 烧失量.通过率.通过率粉煤灰固化粉 要求 注：表示、强度活性指数。.试验方法集料的级配、压碎值、密度、吸水率等指标均按照 公路工程集料试验规程（）进行测定；粉煤灰、固化剂理化性能检测按照用于水泥和混凝土中的粉煤灰（）进行测定；水泥（复合）稳定铁尾矿的击实试验、无侧限抗压强度、路用性能均按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（）进行测定，所有配合比成型压实度均为 ，强度代表值对应的保证率固定为 。铁尾矿集料特性研究调查遴选合适的铁尾矿料源是决定铁尾矿能否作为工程集料的关键。采用 射线荧光光谱、射线衍射、岩相分析法分析了左权铁尾矿的化学组成、矿物组成和岩相组成，发现左权桐峪镇铁尾矿物化特性波动小（详见表、图 和图），化学成分主要为 和，的含量达 以上，属于高硅型铁尾矿，主要矿物有石英、钾长石、高温钠长石，主要岩相包括角闪石（含量 第 期宋竹兵，等：左权铁尾矿在高等级重载公路基层中应用研究 ）、斜长石（含量 ）、黑云母（含量 ）、石英（含量 ）组成，不含黄铁矿、磁铁矿等易于氧化的矿物，也不含碱活性矿物，体积稳定，适宜用于工程集料。表 左权铁尾矿化学成分 成分含量 成分含量.图 左权铁尾矿 图谱 （）角闪石（）斜长石（）黑云母（）石英图 左权铁尾矿岩相 经筛分去泥、破碎、分级等工艺，将左权铁尾矿加工 成 粒 径 范 围 为.、.、.、.的粗、细集料，按照 公路工程集料试验规程（）测试了铁尾矿集料的级配、粗集料基本物理性质、细集料基本物理性质，并与 公路路面施工技术细则（）进行了对标，试验结果分别见表 表。表 左权铁尾矿集料级配 粗集料规格通过下列方孔筛（）的质量百分率.公路工程 卷表 左权铁尾矿粗集料基本物理性质和对标分析 技术指标小于.颗粒含量针片状含量 压碎值表观密度（）吸水率塑性指数 （按公路标准选用 粒径的颗粒进行测试）粗集料规格.高等级公路用粗集料要求表 左权铁尾矿细集料基本物理性质和对标分析 技术指标小于.颗粒含量塑性指数表观密度（）硫酸盐含量 云母含量实测值 高等级公路用细集料要求 由试验结果可知：加工制备的铁尾矿粗集料级配良好，针片状含量低，且压碎值仅为.，硬度较高，各项指标均满足 中高等级公路用粗集料的技术要求；铁尾矿细集料级配良好，塑性指数小、干净不含泥，各项指标均满足 对细集料的要求，但游离的云母含量较高，达到 ，这是因为云母硬度较低，导致原石中含有的云母在破碎分选过程中富集于细集料。水泥复合稳定铁尾矿组成设计研究.配合比固定水泥剂量外掺 ，在水泥稳定石灰石（）中粗集料 、细集料占比 的基础上，分别采用铁尾矿替代石灰石细集料（）、替代石灰石粗集料（）、替代石灰石全集料（），并在水泥稳定铁尾矿（）细集料掺量 的基础上（，与 相同）通过调整铁尾矿集料的比例，形成细集料掺量分别为（）、（）这 种级配 由粗到细的混合料，合成级配如图 所示；然后在最优级配 的基础上，内掺（）、（）的粉煤灰和固化粉（、），配制成水泥复合稳定铁尾矿，上述水泥（复合）稳定铁尾矿的配合比和击实试验结果见表。图 集料合成级配 表 水泥（复合）稳定铁尾矿的配合比和击实试验结果 （）配合比编号复合料掺量（种类）粗集料掺量（种类）细集料掺量（种类）最佳含水率最大干密度（）（石灰石）（石灰石）.（石灰石）（铁尾矿）.（铁尾矿）（石灰石）.（）（铁尾矿）（铁尾矿）.（铁尾矿）（铁尾矿）.（铁尾矿）（铁尾矿）.（粉煤灰）.（铁尾矿）.（铁尾矿）.（粉煤灰）.（铁尾矿）.（铁尾矿）.（固化粉）.（铁尾矿）.（铁尾矿）.（固化粉）.（铁尾矿）.（铁尾矿）.第 期宋竹兵，等：左权铁尾矿在高等级重载公路基层中应用研究 .无侧限抗压强度测试了表 配合比的 无侧限抗压强度，结果见表。表 水泥（复合）稳定铁尾矿 无侧限抗压强度 （）配合比编号 无侧限抗压强度平均值 变异系数 代表值.（）.分析表 可以看出，随铁尾矿集料替代率增加，混合料的最大干密度略有提高，这与沈卫国铁尾矿密度高、会引起混合料最大干密度提高的结论相一致，而添加粉煤灰和固化粉后，混合料最佳含水率提高，最大干密度降低，这是粉体细度高、密度小、需水性强特性所致；分析表 中、的强度可以发现，铁尾矿粗集料替代对混合料的强度影响较小，而铁尾矿细集料替代后混合料强度大幅降低.，导致 的强度仅为.，而对比 、可以看出，通过降低细集料的比例可提高水泥稳定铁尾矿强度，铁尾矿细集料占比 时强度最高，达.，在此基础上，加入 粉煤灰，强度略有提升，与 的.基本持平，而加入 固化粉，强度大幅提高至.、.，高于水泥稳定碎石.以上，完全满足左涉公路基层强度不低于.的设计要求。总体来看，铁尾矿细集料替代是导致水泥稳定铁尾矿强度较低的主要原因，这是因为铁尾矿细集料中云母含量较高，达到 ，尽管基层用细集料未对云母含量提出要求，但是 建设用砂中机制砂云母含量上限确定为 的相关研究显示，云母在形貌上呈薄片状，表面光滑，与水泥的胶结能力弱，基层材料中水泥剂量较低，且大多与比表较高的细集料胶结，云母的弱胶结力使得基层中形成薄弱点，宏观表现为基层强度较低。粉煤灰、固化粉的加入可明显改善上述问题，这是因为一方面粉体填充包裹效应改善了片状云母的接触形式，弥补了云母受压易破碎的缺点，另一方面粉体活性作用提高了基层中胶凝材料的占比，弱化了云母胶结能力差的劣势，而固化粉细度更高、活性更好，填充作用、活性作用更强，因而改善作用更优。水泥稳定铁尾矿集料路用性能研究.力学性能 龄期力学性能是沥青路面水泥稳定材料的设计依据。为此，研究对比了水泥稳定碎石（）、水泥稳定铁尾矿（）、水泥粉煤灰复合稳定铁尾矿（）、水泥固化粉复合稳定铁尾矿（）的 无侧限抗压强度、劈裂强度和抗压回弹模量，结果见表。表 水泥（复合）稳定铁尾矿 力学性能 （）配合比编号 抗压回弹模量 抗压强度 劈裂强度.分析表 可以看出：水泥稳定铁尾矿 回弹模量与抗压劈裂强度均略低于水泥稳定碎石，但满足沥青路面水稳基层的设计要求，采用水泥粉煤灰复合稳定，回弹模量略降低，但 抗压强度、劈裂强度分别较 高 、，这与陈潇等研究出的水泥粉煤灰稳定碎石后期强度高、模量小且抗拉强度较高的结论相一致，采用水泥固化粉稳定，各性能指标均优于水泥粉煤灰稳定，尤其是抗劈裂强度分别较 提高 ，这是因为固化粉的活性高于粉煤灰。可见，采用水泥粉煤灰、固化粉复合稳定，不仅可提高铁尾矿基层 强度，对其长期力学性能的提升也具有积极作用。.抗冻性能山西省属于中冰冻地区，要求路面基层材料具有良好抗冻性。以冻融残留抗压强度比（）表征抗冻性，越大，抗冻性越好，冻融试验结果见表。分析表 可以看出，水泥稳定铁尾矿抗冻性能与水泥稳定碎石持平，采用水泥粉煤灰、水泥固化粉复合稳定，抗冻性能有所提升，满足中冰冻、重冰冻地区沥青路面水稳基层的设计要求。公路工程 卷表 水泥（复合）稳定铁尾矿抗冻性能 （）配合比编号 无侧限抗压强度 冻融无侧限抗压强度.抗干缩性能路面基层材料早期干缩较大，会引起开裂。采用标准空气养护 后在干燥养生条件下的干缩应变表征抗干缩性能，干缩应变越大，抗干缩性能越差，试验结果见图。分析图 可以看出，降低细集料掺量后，水泥稳定铁尾矿累计干缩应变低于水泥稳定碎石，采用水泥粉煤灰复合稳定，累计干缩应变略有降低，采用水泥固化粉复合稳定，累计干缩应变大幅降低，这是因为固化粉含有一定的脱硫石膏，可激发粉煤灰同时形成钙矾石，钙矾石形成时体积增大、产生微膨胀，从而可部分补偿水泥稳定碎石的失水收缩。图 水泥（复合）稳定铁尾矿抗干缩性能 （）.工程应用 年 月，在左涉公路路面基层开展了水泥复合稳定铁尾矿的工程应用研究，铁尾矿基层的施工技术与常规水泥稳定碎石无明显区别，铺筑后采用 封层养生，如图（）所示，水泥复合稳定铁尾矿 钻芯完整，如图 （）所示，与封层黏附性良好。截至 年 月左涉公路累计铺筑铁尾矿基层 ，应用效果良好，累计利用铁尾矿 万，节约成本约 万元，社会经济效益凸显。（）水泥复合稳定铁尾矿试验段（）水泥复合稳定铁尾矿 钻芯样外观图 水泥复合稳定铁尾矿试验段 结论.左权铁尾矿加工的粗细集料，满足 中高等级重载公路的技术要求。.用水泥稳定铁尾矿强度低，细集料云母富集是关键因素；采用降低细集料掺量、水泥粉煤灰与水泥固化粉复合稳定，强度明显提升，满足高等级公路基层强度.要求，其中水泥固化粉稳定