堿激發(fā)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(shí)驗(yàn)測(cè)試新型堿激發(fā)固化鐵尾礦的力學(xué)特性以評(píng)估材料的工程適用性。結(jié)果表明：本實(shí)驗(yàn)條件下，素鐵尾礦強(qiáng)度無法滿足道路底基層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而3%及以上摻量的復(fù)合堿激發(fā)固化劑的工程特性較好，固化體具備較好的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力。
［關(guān)鍵詞］堿激發(fā)材料；特細(xì)鐵尾砂；力學(xué)特性
1前言
目前，我國(guó)鐵尾礦堆存棄置現(xiàn)象嚴(yán)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(guó)公路事業(yè)發(fā)展迅猛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019年年末，我國(guó)公路總里程已達(dá)501.25萬km，我國(guó)公路建設(shè)發(fā)展對(duì)高質(zhì)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(shè)，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(shè)對(duì)原料的需求問題。近年來，大量學(xué)者對(duì)鐵尾礦砂作為路基路面填料在道路工程中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了一定進(jìn)展。有研究發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)材料產(chǎn)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(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體[3-5]。因此，本文主要以連云港典型特細(xì)鐵尾礦為研究對(duì)象，研制堿激發(fā)固化材料對(duì)其進(jìn)行固化處置，通過考察不同測(cè)試實(shí)驗(yàn)中固化體的物理指標(biāo)，探究固化體的強(qiáng)度特性，并評(píng)估其工程適用性能，為堿激發(fā)固化材料固化特細(xì)鐵尾砂在臨港道路工程的路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)應(yīng)用中提供理論支持。
2試驗(yàn)材料與方案
試驗(yàn)用鐵尾礦砂選自連云港港區(qū)，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(jí)配良好（滿足Cu>5，1<Cc<3）。堿激發(fā)固化材料的主要成分包括前驅(qū)體和堿激發(fā)劑，前驅(qū)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(fā)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(xué)特性主要通過擊實(shí)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、加州承載比和回彈模量試驗(yàn)來探究，另設(shè)兩種3%和8%摻量水泥固化鐵尾礦作為強(qiáng)度對(duì)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(shí)試驗(yàn)參照公路土工試驗(yàn)規(guī)范（JTGE40-2007），采用重型擊實(shí)儀器（JZ-2D型）對(duì)養(yǎng)護(hù)后的改良混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，將其分五層填入擊實(shí)筒中，每層擊實(shí)27次。利用3%和5%摻量改良材料固化鐵尾礦進(jìn)行重型擊實(shí)制樣，混合料分三層放入模具，每層擊實(shí)98次成型。成型試樣放入恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)齡期后按相應(yīng)規(guī)范泡水3天，對(duì)其進(jìn)行排水后開展承載比試驗(yàn)。試驗(yàn)參照公路土工試驗(yàn)規(guī)范（JTGE40-2007）。回彈模量測(cè)試試驗(yàn)參照公路土工試驗(yàn)規(guī)程（JTGE40-2007），儀器采用UTM-25動(dòng)態(tài)伺服液壓材料試驗(yàn)系統(tǒng)。試樣在固化劑摻量為3%，壓實(shí)度為96%的條件下制成，分三層通過重型擊實(shí)成型，每層試驗(yàn)用土為1700g左右，且試樣與模具套筒一起在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天，并將其與素鐵尾礦進(jìn)行對(duì)比。
3結(jié)果與分析
3.1最優(yōu)含水率與最大干密度
不同養(yǎng)護(hù)齡期下各摻量堿激發(fā)固化材料固化鐵尾礦的擊實(shí)曲線如圖1所示。由圖可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，試樣干密度整體增大，表明試樣的粘聚力及緊實(shí)程度在不斷增加[6]，而當(dāng)含水率達(dá)到12%-15%時(shí)，試樣的干密度分別達(dá)到最大值。
3.2加州承載比
表1表示為固化鐵尾砂的CBR數(shù)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(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于級(jí)配碎石作為道路基層時(shí)不應(yīng)小于120的要求，滿足《JTG/TF20-2015公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》關(guān)于級(jí)配碎石作為二級(jí)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(guān)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(guān)系，且延長(zhǎng)線均通過原點(diǎn)，因此對(duì)回彈變形量不需變形修正，僅進(jìn)行尺寸約束修正。表2所示為養(yǎng)護(hù)28天素鐵尾礦和新型固化劑固化鐵尾礦的回彈模量值。結(jié)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(dá)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(qiáng)度約為0.27MPa，強(qiáng)度表現(xiàn)差，摻入固化劑后，強(qiáng)度提升極其顯著。A2固化體7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.69MPa，隨著摻量提升到3%、5%和8%，其強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了0.23、0.97及1.66倍。A固化體抗壓強(qiáng)度在14天前增長(zhǎng)速率緩慢，隨后速度明顯加快，說明前期水化程度還遠(yuǎn)未飽和；而B固化體強(qiáng)度在14天時(shí)就達(dá)到較高水平，后期水化反應(yīng)速度明顯減弱。此外，當(dāng)齡期從7d增長(zhǎng)到28d，A3試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由0.86MPa增長(zhǎng)至1.43MPa，提升了0.66倍，而A8試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則由1.83MPa增長(zhǎng)至3.44MPa，提升了0.88倍。
4結(jié)論
本文通過不同物理實(shí)驗(yàn)評(píng)估新型堿激發(fā)固化劑固化鐵尾礦的工程適用性，且基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變曲線來探究玄武巖短切纖維摻量對(duì)固化體的強(qiáng)度影響。得到了以下主要結(jié)論。（1）新型堿激發(fā)固化劑固化鐵尾礦強(qiáng)度增加顯著，當(dāng)改良固化劑摻量≥3%時(shí)，試樣承載比均滿足所有結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)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(fā)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。
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作者：李春苗 李敏 梅軍 單位：江蘇省地質(zhì)工程勘察院