碱激发材料固化铁尾砂工程适用性分析

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［摘要］本文通过不同物理实验测试新型碱激发固化铁尾矿的力学特性以评估材料的工程适用性。结果表明：本实验条件下，素铁尾矿强度无法满足道路底基层设计标准，而3%及以上掺量的复合碱激发固化剂的工程特性较好，固化体具备较好的抗压强度和抗变形能力。

［关键词］碱激发材料；特细铁尾砂；力学特性

1前言

目前，我国铁尾矿堆存弃置现象严重，且每年积累量还在不断上升，而其综合利用率较低[1]。如今中国公路事业发展迅猛，据统计，截止2019年年末，我国公路总里程已达501.25万km，我国公路建设发展对高质量路基路面填料的巨大需求[2]。若将铁尾矿作为填料用于公路建设，一方面，解决了堆存尾矿所造成的各种问题，另一方面，改善了公路建设对原料的需求问题。近年来，大量学者对铁尾矿砂作为路基路面填料在道路工程中的应用进行了相关研究并取得了一定进展。有研究发现碱激发材料产生的氢氧化物能够起催化作用，使固化体中铝硅酸盐重新组合形成更为致密且高强度的网状结构体[3-5]。因此，本文主要以连云港典型特细铁尾矿为研究对象，研制碱激发固化材料对其进行固化处置，通过考察不同测试实验中固化体的物理指标，探究固化体的强度特性，并评估其工程适用性能，为碱激发固化材料固化特细铁尾砂在临港道路工程的路面结构层铺设应用中提供理论支持。

2试验材料与方案

试验用铁尾矿砂选自连云港港区，颗粒最大粒径要小于2.36mm，其中，大于0.075mm的颗粒占比约为73.7%，而尾矿颗粒级配良好（满足Cu>5，1<Cc<3）。碱激发固化材料的主要成分包括前驱体和碱激发剂，前驱体中包括矿渣粉、粉煤灰和偏高岭土，矿渣粉主含量为SiO2和CaO，粉煤灰主含量为SiO2和Al2O3，偏高岭土主含量为SiO2和Al2O3，碱激发剂中包括电石渣、石膏和NaoH，电石渣主含量为CaO。改良材料固化铁尾矿的力学特性主要通过击实、无侧限抗压强度、加州承载比和回弹模量试验来探究，另设两种3%和8%掺量水泥固化铁尾矿作为强度对照组。改良材料和水泥固化铁尾矿试样分别命名为Ai及Bi试样（i表示固化剂掺量）。击实试验参照公路土工试验规范（JTGE40-2007），采用重型击实仪器（JZ-2D型）对养护后的改良混合料进行击实试验，将其分五层填入击实筒中，每层击实27次。利用3%和5%掺量改良材料固化铁尾矿进行重型击实制样，混合料分三层放入模具，每层击实98次成型。成型试样放入恒温恒湿箱中养护设计龄期后按相应规范泡水3天，对其进行排水后开展承载比试验。试验参照公路土工试验规范（JTGE40-2007）。回弹模量测试试验参照公路土工试验规程（JTGE40-2007），仪器采用UTM-25动态伺服液压材料试验系统。试样在固化剂掺量为3%，压实度为96%的条件下制成，分三层通过重型击实成型，每层试验用土为1700g左右，且试样与模具套筒一起在标准条件下养护28天，并将其与素铁尾矿进行对比。

3结果与分析

3.1最优含水率与最大干密度

不同养护龄期下各掺量碱激发固化材料固化铁尾矿的击实曲线如图1所示。由图可知，随着养护龄期的增长，试样干密度整体增大，表明试样的粘聚力及紧实程度在不断增加[6]，而当含水率达到12%-15%时，试样的干密度分别达到最大值。

3.2加州承载比

表1表示为固化铁尾砂的CBR数值，如表所示，3%掺量固化铁尾矿的承载比均值为123.0，5%掺量固化铁尾矿的承载比均值为150.7，其承载比满足《JTS168-2017港口道路与堆场设计规范》关于级配碎石作为道路基层时不应小于120的要求，满足《JTG/TF20-2015公路路面基层施工技术细则》关于级配碎石作为二级公路中等或轻交通量的基层及底基层要求。

3.3回弹模量

图2表示素铁尾矿和新型固化剂固化铁尾矿单位压力p与回弹变形量l之间的关系曲线。由图可知，素铁尾矿和新型固化剂固化铁尾矿p-l曲线呈良好的线性关系，且延长线均通过原点，因此对回弹变形量不需变形修正，仅进行尺寸约束修正。表2所示为养护28天素铁尾矿和新型固化剂固化铁尾矿的回弹模量值。结果显示，素铁尾矿回弹模量值为36MPa，修正后E值为21.7MPa，而相同条件下，新型固化体修正回弹模量值达到了116.61MPa，抵抗变形能力明显提高。由图3可知，未固化铁尾矿的抗压强度约为0.27MPa，强度表现差，掺入固化剂后，强度提升极其显著。A2固化体7d无侧限抗压强度为0.69MPa，随着掺量提升到3%、5%和8%，其强度分别增长了0.23、0.97及1.66倍。A固化体抗压强度在14天前增长速率缓慢，随后速度明显加快，说明前期水化程度还远未饱和；而B固化体强度在14天时就达到较高水平，后期水化反应速度明显减弱。此外，当龄期从7d增长到28d，A3试样的无侧限抗压强度由0.86MPa增长至1.43MPa，提升了0.66倍，而A8试样的无侧限抗压强度则由1.83MPa增长至3.44MPa，提升了0.88倍。

4结论

本文通过不同物理实验评估新型碱激发固化剂固化铁尾矿的工程适用性，且基于无侧限抗压强度及应力应变曲线来探究玄武岩短切纤维掺量对固化体的强度影响。得到了以下主要结论。（1）新型碱激发固化剂固化铁尾矿强度增加显著，当改良固化剂掺量≥3%时，试样承载比均满足所有结构层设计要求，相较而言，水泥固化铁尾矿仅在大掺量配比下才能满足底基层或基层要求；（2）相同条件下，新型碱激发固化体回弹模量值为是素铁尾矿的5.4倍，具备较好的抗变形能力。

参考文献

[1]张铁志，于巍，朱峰，等.加筋铁尾矿用于道路基层的试验研究[J].辽宁科技大学学报.2010，33（1）：29-31.

[2]陈士忠，时正武，刘岩，等.水泥固化剂稳定铁尾矿砂路用性能研究[J].低温建筑技术，2013，35（5）：8-10.

[3]袁宇兴，汤裕，郑章宏，等.粉煤灰-水泥基地质聚合物复合泡沫材料的研制[J].中国材料进展，2018，37（2）：133-137.

[4]和森，罗钧耀，郑森，等.磷渣基地聚合物胶凝材料固化微细粒铁尾矿[J].过程工程学报，2017，17（4）：785-790.

[6]温仁节，万里，王琛.干密度对尾矿砂强度和渗流的影响[J].四川建筑，2018，38（3）：138-139，144.

作者：李春苗 李敏 梅军 单位：江苏省地质工程勘察院