王 國 安

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006)

鐵尾礦砂是鐵礦石經(jīng)過破碎磁選后剩余的固體廢棄物，隨著我國鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鐵尾礦砂堆存量已達(dá)幾十億噸，且以每年1.2億t～1.3億t的速度增長。廢棄的尾礦隨意排放、堆存，不僅占據(jù)大量土地、堵塞江河，而且也給人類生產(chǎn)、生活帶來了嚴(yán)重的污染和危害。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)計建設(shè)的深入發(fā)展，筑路材料緊缺的問題日益顯現(xiàn)出來，尋找一種實用、價格低廉的替代材料就成為所有公路建設(shè)者的共同目標(biāo)。鐵尾礦砂主要成分為二氧化硅、三氧化二鐵、三氧化二鋁、氧化鈣等，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種人工硅酸鹽礦物材料，具有粒度細(xì)、數(shù)量大、成本低、可利用性強(qiáng)的特點。項目依托繁峙至大營高速公路建設(shè)工程，將鐵尾礦砂作為筑路材料用于高速公路建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

繁峙至大營高速公路是《山西省高速公路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃》中“3縱12橫12環(huán)”高速公路網(wǎng)主骨架第3橫(靈丘至河曲)的重要組成部分，項目起點設(shè)于忻州市繁峙縣繁城鎮(zhèn)樓崗村南，接王莊堡至繁峙高速公路，項目終點位于原平市大營鎮(zhèn)麻地溝村東，設(shè)大運(yùn)樞紐與大運(yùn)高速公路相接，路線全長58.09 km。項目按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度100 km/h，路基寬度26 m。

繁大高速公路主線路面結(jié)構(gòu)為4 cm AC-13細(xì)粒式瀝青混凝土上面層+6 cm AC-20中粒式瀝青混凝土下面層+12 cm ATB-30密級配瀝青穩(wěn)定碎石+40 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm水泥穩(wěn)定砂礫底基層。

2 原材料性能

2.1 鐵尾礦砂

鐵尾礦砂顆粒組成主要分布在0.6 mm～0.075 mm之間，0.15 mm～0.3 mm以及0.075 mm～0.15 mm兩檔料所占比例較大，達(dá)到了50%左右，經(jīng)計算鐵尾礦砂的細(xì)度模數(shù)0.5～1.2，不均勻系數(shù)為2.6～4.5左右，級配不良。GB/T 14684—2011建筑用砂采用細(xì)度模數(shù)將砂分為粗、中、細(xì)三種規(guī)格，其細(xì)度模數(shù)分別為：粗砂3.7～3.1；中砂3.0～2.3；細(xì)砂2.2～1.6，去除了特細(xì)砂品種與產(chǎn)品等級的劃分?！短丶?xì)砂水泥混凝土和砂漿應(yīng)用技術(shù)》指出特細(xì)砂是指細(xì)度模數(shù)在0.7～1.5之間的砂。鐵尾礦砂細(xì)度模數(shù)多小于1.5，屬于級配不良的特細(xì)砂。

2.2 水泥

水泥采用山西省太原市生產(chǎn)的金圓P.S.A32.5礦渣硅酸鹽水泥，水泥主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥主要性能試驗結(jié)果

2.3 碎石

碎石采用山西省忻州市繁峙縣石灰?guī)r碎石，根據(jù)JTG E42—2005公路工程集料試驗規(guī)程的要求對碎石主要性能進(jìn)行了試驗檢測，試驗結(jié)果見表2。

表2 碎石主要性能試驗結(jié)果

3 配合比設(shè)計

JTG D50—2017公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范推薦了兩種瀝青路面下水泥穩(wěn)定碎石基層懸浮密實結(jié)構(gòu)和骨架密實結(jié)構(gòu)級配的上下限，我省對歷年高速公路鋪筑的水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行了調(diào)研分析，在規(guī)范推薦級配的基礎(chǔ)上提出了一種適用于我省高速公路瀝青路面的水泥穩(wěn)定碎石基層級配。該級配仍屬懸浮密實結(jié)構(gòu)，級配范圍介于規(guī)范推薦的骨架密實型與懸浮密實型之間。采用該級配施工，提高了基層整體強(qiáng)度和質(zhì)量均勻性，基本消除了瀝青路面的坑槽和網(wǎng)裂等早期病害。本文采用該級配進(jìn)行鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合料性能研究。

3.1 礦料級配設(shè)計

由于鐵尾礦砂顆粒較細(xì)，多集中于0.3 mm～0.075 mm，屬于特細(xì)砂。鐵尾礦砂比表面積較大，包裹這些鐵尾礦砂顆粒需要更多的水泥膠漿，造成相同設(shè)計強(qiáng)度下鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石水泥劑量偏高，經(jīng)濟(jì)性、混合料抗裂性均較差。因此，可采用鐵尾礦砂與石屑共同使用配制水泥穩(wěn)定碎石，根據(jù)級配曲線綜合考慮鐵尾礦砂與石屑在混合料中的摻量。首先對碎石、石屑及鐵尾礦砂進(jìn)行篩分試驗，試驗結(jié)果見表3。

根據(jù)表3中確定的級配范圍進(jìn)行鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計，為研究鐵尾礦砂摻量對水泥穩(wěn)定碎石混合料性能的影響，保持鐵尾礦砂與石屑總量占混合料的比例不變，依次將鐵尾礦砂的摻量變?yōu)?%,10%,20%,30%，水泥穩(wěn)定碎石合成級配曲線見圖1。

表3 水泥穩(wěn)定碎石各檔材料篩分結(jié)果

3.2 重型擊實

根據(jù)JTG E51—2009公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程中的試驗方法進(jìn)行不同鐵尾礦砂摻量不同水泥劑量混合料的擊實試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 鐵尾礦砂—水泥穩(wěn)定碎石混合料擊實試驗結(jié)果

隨著鐵尾礦砂摻量增加，水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水率逐漸增大，30%摻量的水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水率比不摻鐵尾礦砂的水泥穩(wěn)定碎石混合料增加0.9%。這是因為鐵尾礦砂細(xì)度模數(shù)小、顆粒較細(xì)、比表面積較大、顆粒表面粗糙，需要加入更多的水分才能在顆粒之間起到潤滑作用。

相比最佳含水率的變化規(guī)律，最大干密度則隨著鐵尾礦砂摻量的增加呈先增大后降低的趨勢。摻量為10%～12%時混合料的最大干密度最大，因為摻加適量鐵尾礦砂后，鐵尾礦砂很好的填充了碎石和石屑留下的空隙，使混合料達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，混合料干密度達(dá)到最大。摻量為30%時混合料的最大干密度降低的原因主要是混合料中細(xì)集料用量過多，粗集料大部分處于懸浮狀態(tài)，混合料中的細(xì)集料主要是鐵尾礦砂，鐵尾礦砂顆粒單一，無法相互嵌擠形成密實結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混合料干密度降低。

3.3 無側(cè)限抗壓

根據(jù)表4確定的最佳含水率與最大干密度成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，每組成型13個試件。試件采用靜壓法成型，按97%壓實度制件，靜壓時間2 min。試件脫模后裝入塑料袋內(nèi)，將袋內(nèi)的空氣排除干凈，并將袋口扎緊，將包好的試件放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)6 d，保水24 h。

表5 鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

從表5可知，鐵尾礦砂摻量為10%～20%的水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度略大于沒有摻加鐵尾礦砂的水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度。這是因為摻加適量鐵尾礦砂后，鐵尾礦砂很好的填充了碎石和石屑留下的空隙，使混合料達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，水泥水化物填充了集料空隙形成較高的強(qiáng)度。

當(dāng)鐵尾礦砂摻量達(dá)到30%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度急劇降低，主要是混合料中細(xì)集料用量過多，粗集料大部分處于懸浮狀態(tài)，混合料比表面積增大，水泥水化后的膠結(jié)料無法完全包裹，導(dǎo)致混合料內(nèi)部產(chǎn)生了軟弱夾層，在受到外力作用時容易在軟弱面處發(fā)生破壞。

3.4 確定水泥劑量

對于水泥穩(wěn)定類混合料，水泥的用量越高，混合料的強(qiáng)度越高。但張登良和鄭南翔研究表明，對于水泥穩(wěn)定類基層，當(dāng)水泥含量為5%～6%時，抗溫縮、干縮的性能都最好；當(dāng)水泥含量為7%時，抗裂性能反而降低；當(dāng)水泥含量為3%時，其抗溫縮性能則急劇下降。從表5可知，鐵尾礦砂不同摻量時水泥穩(wěn)定碎石混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值基本都達(dá)到3 MPa以上，只有摻量為30%，水泥劑量為4%時，試件的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于3 MPa。當(dāng)水泥劑量為5%時，除了鐵尾礦砂摻量為30%的混合料，其余混合料的強(qiáng)度代表值均滿足要求。為控制水泥劑量，當(dāng)抗壓強(qiáng)度滿足要求時，盡量降低水泥用量，同時結(jié)合我省高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層混合料常用水泥劑量，確定室內(nèi)試驗的水泥劑量為5%。

4 施工工藝及控制要點

4.1 混合料施工配合比

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，鐵尾礦砂摻量為10%～20%時，水泥穩(wěn)定材料的干縮應(yīng)變較小，有利于減少干縮裂縫，因此試驗路段水泥穩(wěn)定碎石混合料中鐵尾礦砂摻量為10%和20%，水泥劑量為5%。由室內(nèi)設(shè)計的鐵尾礦砂摻量為10%和20%的兩個級配，再根據(jù)現(xiàn)場集料篩分結(jié)果，確定鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合的現(xiàn)場配合比，現(xiàn)場10 mm～30 mm的碎石粒徑偏細(xì)，在現(xiàn)場施工配合比設(shè)計時，適當(dāng)加大了10 mm～30 mm碎石的用量，現(xiàn)場施工配合比見表6。

表6 鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石混合料現(xiàn)場配合比

4.2 機(jī)械組合

鐵尾礦砂水泥穩(wěn)定碎石基層混合料采用2臺ABG423并行攤鋪，掛線控制標(biāo)高。試驗路壓實機(jī)械主要有CA30振動壓路機(jī)2臺，YL30膠輪壓路機(jī)1臺。壓實組合為CA30振動壓路機(jī)不開振動碾壓1遍，碾壓速度為1.5 km/h～1.7 km/h；CA30振動壓路機(jī)振動碾壓2遍，碾壓速度為1.8 km/h～2.2 km/h；YL30膠輪壓路機(jī)碾壓2遍，碾壓速度為1.8 km/h～2.2 km/h。

4.3 施工工藝及機(jī)械組合

1)原材料進(jìn)場后，不同規(guī)格的集料要分堆堆放，并保證排水量好，必要時需覆蓋；水泥注意防潮，宜在1個月內(nèi)使用，最長不超過3個月；各種原材料按照規(guī)定的檢測頻率和試驗規(guī)程進(jìn)行檢驗，如果材料性質(zhì)不符合規(guī)定，要采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施或報廢。

2)攤鋪前，基底要清掃干凈，保證下承層平整、密實，無松散層。

3)嚴(yán)格控制水泥穩(wěn)定碎石混合料的含水率，混合料拌和用水量為最佳含水量+(1%～2%)。

4)碾壓必須在水泥初凝時間內(nèi)完成，初壓后禁止薄層找補(bǔ)，嚴(yán)重不平整時，應(yīng)刨松5 cm～10 cm后，用新料找補(bǔ)。

5)基層碾壓完成后，應(yīng)立即灑布改性乳化瀝青透層油進(jìn)行養(yǎng)生。

5 結(jié)語

鐵尾礦砂已逐漸成為我國僅次于煤矸石、粉煤灰之后的第三類固體廢棄物，其堆存量已達(dá)到金屬礦山尾礦堆存總量的1/3以上，給人類生產(chǎn)、生活帶來了嚴(yán)重污染和危害。繁大高速公路建設(shè)過程中，鐵尾礦砂在水穩(wěn)基層中的成果應(yīng)用，尋找到了一條綠色、環(huán)保、大量消納鐵尾礦砂的有效途徑，可有效降低鐵尾礦庫庫存，減小尾礦壩潰壩風(fēng)險、減少生命損失，具有巨大的社會效益和環(huán)境效益。