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堿激發(fā)材料固化鐵尾砂工程適用性分析

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堿激發(fā)材料固化鐵尾砂工程適用性分析

[摘要]本文通過(guò)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(wú)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(wàn)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(wèn)題,另一方面,改善了公路建設(shè)對(duì)原料的需求問(wèn)題。近年來(lái),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(guò)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(guò)擊實(shí)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、加州承載比和回彈模量試驗(yàn)來(lái)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)?;貜椖A繙y(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(guò)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(guò)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(wú)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(shuō)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)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。

參考文獻(xiàn)

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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