堿激發材料固化鐵尾砂工程適用性分析

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［摘要］本文通過不同物理實驗測試新型堿激發固化鐵尾礦的力學特性以評估材料的工程適用性。結果表明：本實驗條件下，素鐵尾礦強度無法滿足道路底基層設計標準，而3%及以上摻量的復合堿激發固化劑的工程特性較好，固化體具備較好的抗壓強度和抗變形能力。

［關鍵詞］堿激發材料；特細鐵尾砂；力學特性

1前言

目前，我國鐵尾礦堆存棄置現象嚴重，且每年積累量還在不斷上升，而其綜合利用率較低[1]。如今中國公路事業發展迅猛，據統計，截止2019年年末，我國公路總里程已達501.25萬km，我國公路建設發展對高質量路基路面填料的巨大需求[2]。若將鐵尾礦作為填料用于公路建設，一方面，解決了堆存尾礦所造成的各種問題，另一方面，改善了公路建設對原料的需求問題。近年來，大量學者對鐵尾礦砂作為路基路面填料在道路工程中的應用進行了相關研究并取得了一定進展。有研究發現堿激發材料產生的氫氧化物能夠起催化作用，使固化體中鋁硅酸鹽重新組合形成更為致密且高強度的網狀結構體[3-5]。因此，本文主要以連云港典型特細鐵尾礦為研究對象，研制堿激發固化材料對其進行固化處置，通過考察不同測試實驗中固化體的物理指標，探究固化體的強度特性，并評估其工程適用性能，為堿激發固化材料固化特細鐵尾砂在臨港道路工程的路面結構層鋪設應用中提供理論支持。

2試驗材料與方案

試驗用鐵尾礦砂選自連云港港區，顆粒最大粒徑要小于2.36mm，其中，大于0.075mm的顆粒占比約為73.7%，而尾礦顆粒級配良好（滿足Cu>5，1<Cc<3）。堿激發固化材料的主要成分包括前驅體和堿激發劑，前驅體中包括礦渣粉、粉煤灰和偏高嶺土，礦渣粉主含量為SiO2和CaO，粉煤灰主含量為SiO2和Al2O3，偏高嶺土主含量為SiO2和Al2O3，堿激發劑中包括電石渣、石膏和NaoH，電石渣主含量為CaO。改良材料固化鐵尾礦的力學特性主要通過擊實、無側限抗壓強度、加州承載比和回彈模量試驗來探究，另設兩種3%和8%摻量水泥固化鐵尾礦作為強度對照組。改良材料和水泥固化鐵尾礦試樣分別命名為Ai及Bi試樣（i表示固化劑摻量）。擊實試驗參照公路土工試驗規范（JTGE40-2007），采用重型擊實儀器（JZ-2D型）對養護后的改良混合料進行擊實試驗，將其分五層填入擊實筒中，每層擊實27次。利用3%和5%摻量改良材料固化鐵尾礦進行重型擊實制樣，混合料分三層放入模具，每層擊實98次成型。成型試樣放入恒溫恒濕箱中養護設計齡期后按相應規范泡水3天，對其進行排水后開展承載比試驗。試驗參照公路土工試驗規范（JTGE40-2007）。回彈模量測試試驗參照公路土工試驗規程（JTGE40-2007），儀器采用UTM-25動態伺服液壓材料試驗系統。試樣在固化劑摻量為3%，壓實度為96%的條件下制成，分三層通過重型擊實成型，每層試驗用土為1700g左右，且試樣與模具套筒一起在標準條件下養護28天，并將其與素鐵尾礦進行對比。

3結果與分析

3.1最優含水率與最大干密度

不同養護齡期下各摻量堿激發固化材料固化鐵尾礦的擊實曲線如圖1所示。由圖可知，隨著養護齡期的增長，試樣干密度整體增大，表明試樣的粘聚力及緊實程度在不斷增加[6]，而當含水率達到12%-15%時，試樣的干密度分別達到最大值。

3.2加州承載比

表1表示為固化鐵尾砂的CBR數值，如表所示，3%摻量固化鐵尾礦的承載比均值為123.0，5%摻量固化鐵尾礦的承載比均值為150.7，其承載比滿足《JTS168-2017港口道路與堆場設計規范》關于級配碎石作為道路基層時不應小于120的要求，滿足《JTG/TF20-2015公路路面基層施工技術細則》關于級配碎石作為二級公路中等或輕交通量的基層及底基層要求。

3.3回彈模量

圖2表示素鐵尾礦和新型固化劑固化鐵尾礦單位壓力p與回彈變形量l之間的關系曲線。由圖可知，素鐵尾礦和新型固化劑固化鐵尾礦p-l曲線呈良好的線性關系，且延長線均通過原點，因此對回彈變形量不需變形修正，僅進行尺寸約束修正。表2所示為養護28天素鐵尾礦和新型固化劑固化鐵尾礦的回彈模量值。結果顯示，素鐵尾礦回彈模量值為36MPa，修正后E值為21.7MPa，而相同條件下，新型固化體修正回彈模量值達到了116.61MPa，抵抗變形能力明顯提高。由圖3可知，未固化鐵尾礦的抗壓強度約為0.27MPa，強度表現差，摻入固化劑后，強度提升極其顯著。A2固化體7d無側限抗壓強度為0.69MPa，隨著摻量提升到3%、5%和8%，其強度分別增長了0.23、0.97及1.66倍。A固化體抗壓強度在14天前增長速率緩慢，隨后速度明顯加快，說明前期水化程度還遠未飽和；而B固化體強度在14天時就達到較高水平，后期水化反應速度明顯減弱。此外，當齡期從7d增長到28d，A3試樣的無側限抗壓強度由0.86MPa增長至1.43MPa，提升了0.66倍，而A8試樣的無側限抗壓強度則由1.83MPa增長至3.44MPa，提升了0.88倍。

4結論

本文通過不同物理實驗評估新型堿激發固化劑固化鐵尾礦的工程適用性，且基于無側限抗壓強度及應力應變曲線來探究玄武巖短切纖維摻量對固化體的強度影響。得到了以下主要結論。（1）新型堿激發固化劑固化鐵尾礦強度增加顯著，當改良固化劑摻量≥3%時，試樣承載比均滿足所有結構層設計要求，相較而言，水泥固化鐵尾礦僅在大摻量配比下才能滿足底基層或基層要求；（2）相同條件下，新型堿激發固化體回彈模量值為是素鐵尾礦的5.4倍，具備較好的抗變形能力。

參考文獻

[1]張鐵志，于巍，朱峰，等.加筋鐵尾礦用于道路基層的試驗研究[J].遼寧科技大學學報.2010，33（1）：29-31.

[2]陳士忠，時正武，劉巖，等.水泥固化劑穩定鐵尾礦砂路用性能研究[J].低溫建筑技術，2013，35（5）：8-10.

[3]袁宇興，湯裕，鄭章宏，等.粉煤灰-水泥基地質聚合物復合泡沫材料的研制[J].中國材料進展，2018，37（2）：133-137.

[4]和森，羅鈞耀，鄭森，等.磷渣基地聚合物膠凝材料固化微細粒鐵尾礦[J].過程工程學報，2017，17（4）：785-790.

[6]溫仁節，萬里，王琛.干密度對尾礦砂強度和滲流的影響[J].四川建筑，2018，38（3）：138-139，144.

作者：李春苗 李敏 梅軍 單位：江蘇省地質工程勘察院