鐵尾礦對(duì)國(guó)內(nèi)外道路工程的應(yīng)用

1、鐵尾礦對(duì)國(guó)內(nèi)外道路工程的應(yīng)用 1鐵尾礦在國(guó)外道路工程中的應(yīng)用將尾礦應(yīng)用于道路工程在國(guó)外已有大量研究，涉及較為系統(tǒng)的理論研究和工程應(yīng)用，包括尾礦路用體系的配合比設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、吸水吸能、滲水性能、溫度穩(wěn)定性、抗凍性、礦物組成、微觀性能等，因此積累了大量的理論經(jīng)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)。其中，由于產(chǎn)量巨大，鐵尾礦在道路工程中的應(yīng)用最為廣泛。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，僅美國(guó)就有近20個(gè)州將尾礦應(yīng)用于實(shí)際道路工程，包括加利福尼亞州、路易斯安那州、明尼蘇達(dá)州、密西西比州、新澤西州、新墨西哥州等。其中，最具代表性的是明尼蘇達(dá)州。這主要是因?yàn)槊髂崽K達(dá)州梅薩比鐵礦區(qū)曾是世界上最大的鐵礦地帶。鐵尾礦在該區(qū)道路工程中的應(yīng)用已有50年的歷史。該

2、區(qū)的實(shí)踐說(shuō)明，采用鐵尾礦碎石作為路基材料及瀝青路面材料修筑的公路強(qiáng)度高、耐久性好。明尼蘇達(dá)州每年的建設(shè)需消耗大量砂石等自然資源，而天然砂石資源的匱乏給其建設(shè)需求帶來(lái)了很大壓力。由于磁鐵尾礦的良好性能及其豐富的存儲(chǔ)量，因此，逐漸成為公路及其他建設(shè)中砂石骨料的重要來(lái)源之一。20世紀(jì)50年代至60年代，鐵尾礦開(kāi)始在明尼蘇達(dá)州錫爾弗貝城應(yīng)用。錫爾弗貝城Reserve礦業(yè)公司于50年代成立，開(kāi)展明尼蘇達(dá)州磁鐵礦加工業(yè)務(wù)。60年代，公司規(guī)模擴(kuò)大，Reserve礦業(yè)公司將鐵尾礦逐漸應(yīng)用于混凝土樓板及基墻的建造。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，Reserve礦業(yè)公司又將鐵尾礦應(yīng)用于城市路面的底基層18m，約45.73cm

3、的鋪筑。此外，Reserve礦業(yè)公司向錫爾弗貝城免費(fèi)提供尾礦的使用。而錫爾弗貝城的市政建設(shè)那么將鐵尾礦用于城市混凝土路面的鋪筑，通常鋪設(shè)1ft約30.48cm厚的鐵尾礦路基。鐵尾礦在高速公路中的應(yīng)用那么始于明尼蘇達(dá)州高速公路管理局。1958年，明尼蘇達(dá)高速公路管理局將該州磁鐵尾礦應(yīng)用于61號(hào)公路TrunkHighway,TH61路基的鋪筑；1961年，明尼蘇達(dá)州高速公路管理局又將鐵尾礦用于比弗貝4號(hào)公路CountyStateAidHihgway4,CSAH4填料及瀝青路面層的鋪筑；1962年，鐵尾礦又被應(yīng)用于Split礦區(qū)SplitRockarea61號(hào)公路瀝青路面的路基。19691970年間

4、鋪筑的61號(hào)公路各層結(jié)構(gòu)幾乎全部應(yīng)用了鐵尾礦，公路首先采用鐵尾礦填筑平均3ft約91.44cm路基，之上鋪筑鐵尾礦底基層，最后在底基層上鋪設(shè)鐵尾礦配制的瀝青混合料。公路至今仍然保持著良好的使用的狀態(tài)。60年代末，弗吉尼亞修筑53號(hào)繞城公路，在公路經(jīng)過(guò)的沼澤地區(qū)采用大量鐵尾礦作為填料，填料最深部位到達(dá)30ft。20世紀(jì)70年代，鐵尾礦在瀝青罩面層中得到廣泛應(yīng)用。從梅蘇比地區(qū)到雙子星城，鐵尾礦被廣泛用于鋪筑0.751m厚的罩面層。鐵尾礦顆粒質(zhì)地堅(jiān)硬、密度較高，具有良好的耐磨性能和抗滑能力，上世紀(jì)70年代鋪筑于大瀑布城至穆?tīng)柡诘碌貐^(qū)的鐵尾礦罩面層至今服役良好。威爾瑪市在70年代采用鐵尾礦鋪筑了一百多

5、公里路面，至今市內(nèi)仍有4個(gè)區(qū)內(nèi)路面處于服役狀態(tài)。1975年，共有6萬(wàn)多t鐵尾礦被應(yīng)用于德盧斯市和明尼阿波利斯市高速公路和橋面的，及雙子星城36號(hào)和280號(hào)公路的鋪筑。同年，又有2.3萬(wàn)t鐵尾礦被應(yīng)用于明尼阿波利斯-圣保羅35E和35W州際公路的鋪筑。美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理委員會(huì)關(guān)于尾礦在高速公路中應(yīng)用的報(bào)告指出："鐵尾礦罩面層的服役性能超出預(yù)料，采用鐵尾礦鋪筑的路面具有良好的耐磨和抗滑性能，未來(lái)鐵尾礦或可成為罩面層的專用集料"。1974年，埃弗萊斯南部地區(qū)鋪筑7號(hào)公路CSAH7全長(zhǎng)33km，瀝青路面各層結(jié)構(gòu)100%采用鐵尾礦，混合料中瀝青含量8.5%，這些路面截至2021年已

6、有近40年的服役期限。20世紀(jì)80年代至90年代，梅薩比地區(qū)和德盧斯市的主要公路承包商已將鐵尾礦廣泛應(yīng)用于公路基層、底基層以及瀝青混合料的鋪筑。其中，瀝青路面包括Superpave混合料混合料的骨料幾乎100%使用鐵尾礦。大量實(shí)踐說(shuō)明，采用鐵尾礦碎石配制的瀝青混合料具有優(yōu)良的體積可控性，尤其是對(duì)空隙率的控制。90年代末，明尼蘇達(dá)州全長(zhǎng)18mile的2號(hào)公路，首次采用Superpave技術(shù)鋪筑，即采用了聯(lián)合礦業(yè)UnitedTaconite提供的鐵尾礦。在此期間，鐵尾礦碎石被廣泛應(yīng)用與53號(hào)、169號(hào)、37號(hào)公路抗磨層混合料的配制。此外，鐵尾礦還被用于鐵路路基的鋪筑。19951996年，在53號(hào)公

7、路北部6.4mile及南部7mile鋪筑了鐵尾礦滲水性瀝青基層試驗(yàn)路段。21世紀(jì)以來(lái)，鐵尾礦又被用于明尼蘇達(dá)州各大城市的新建工程及改擴(kuò)建工程。幾乎所有的改建工程采用的瀝青混合料，都采用了鐵尾礦。169號(hào)公路礦山至奇瑟姆市路段排水溝飽受混凝土抗凍性差的困擾，因此在2021年的修復(fù)工程中，全部采用尾礦碎石重新鋪筑。德盧斯市53號(hào)公路盤山路段也于20212021年進(jìn)行修建，采用火車將鐵尾礦從礦山運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用于底基層、路基、排水溝、擋土墻的建設(shè)。2021年，弗吉尼亞第9大道的重建工程中，采用鐵尾礦碎石作為瀝青路面的底基層和路基材料；2021年，弗吉尼亞第2大道和第6大道的重建工程中，采用鐵尾礦碎

8、石作為混凝土路面的基層材料。20212021年，北弗吉尼亞修筑53號(hào)公路與169號(hào)公路立交樞紐過(guò)程中，采用了大量的鐵尾礦，據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)工程用于鋪筑路基、底基層的鐵尾礦碎石使用量超過(guò)182萬(wàn)t。2021年和2021年，明尼蘇達(dá)運(yùn)輸部與礦產(chǎn)資源部合作開(kāi)展了鐵尾礦應(yīng)用于瀝青及混凝土混合料的評(píng)估工作，該工程在低交通量公路鋪筑了兩條試驗(yàn)路段。同時(shí)，運(yùn)輸部又與明尼蘇達(dá)德魯斯大學(xué)礦產(chǎn)資源研究中心合作開(kāi)展了對(duì)上述試驗(yàn)路段的監(jiān)測(cè)工作，目的在于評(píng)估鐵尾礦在鐵路工程中應(yīng)用的可能性。監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括路面車轍、斷裂情況、裂縫擴(kuò)展情況、摩擦性能、行車舒適性等。此外，2021年，鐵尾礦碎石還被用于布雷納德國(guó)際汽車?yán)怋ra

9、inerdInternationalRaceway賽道的修建。由于較高的密度和良好的耐久性，賽道出發(fā)臺(tái)采用瀝青鐵尾礦碎石混合料鋪筑，該賽季即有兩項(xiàng)世界紀(jì)錄被打破。由于鐵尾礦在BIR賽道表現(xiàn)出的良好性能，印第安納波利斯和佛羅里達(dá)的賽道均對(duì)此表現(xiàn)出濃厚興趣，但由于混合料配合比設(shè)計(jì)的不合理，因此鋪設(shè)的鐵尾礦賽道相繼出現(xiàn)問(wèn)題并重新更換。據(jù)統(tǒng)計(jì)，明尼蘇達(dá)州采用鐵尾礦鋪筑的公路工程超過(guò)400項(xiàng)，總長(zhǎng)度超過(guò)1120mile，由于良好的耐久性及抗裂性，將其與Superpave技術(shù)結(jié)合使用，可有效提高瀝青路面的性能。2鐵尾礦在我國(guó)道路工程中的應(yīng)用與國(guó)外的研究相比，我國(guó)在尾礦路用性能方面的研究開(kāi)展較晚，系統(tǒng)性不夠

10、強(qiáng)，研究多以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)性能測(cè)試為主，而鋪筑的路面也以試驗(yàn)路段為主。通常，路基填料要求土體顆粒之間摩擦系數(shù)大、不易壓縮、透水性好、強(qiáng)度受水影響小、壓實(shí)后可獲得足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。水泥穩(wěn)定土和二灰穩(wěn)定土在公路基層中具有廣泛的應(yīng)用。其中，水泥穩(wěn)定碎石基層常需使用大量的碎石填料，而尾礦碎石與碎石集料具有良好的相似性，因此可采用鐵尾礦碎石、尾礦砂代替碎石集料配制水泥二灰穩(wěn)定礦料混合料。20世紀(jì)90年代，馬鞍山礦山研究院和東北大學(xué)共同開(kāi)展了尾礦砂用于路面材料的研究，并于1991年3月通過(guò)冶金部鑒定。該研究通過(guò)尾礦砂與其他配料河砂、粉煤灰、石、粘土、固化劑的混合搭配鋪設(shè)于一級(jí)公路慢車道上，經(jīng)過(guò)碾壓及一定齡期的

11、路面養(yǎng)護(hù)，到達(dá)國(guó)家公路路面基層材料標(biāo)準(zhǔn)。其試驗(yàn)所用尾礦主要礦物組成包括TFe、SiO2、CaO等，粒徑范圍0.010.175mm，混合料中，尾礦砂的摻量到達(dá)3040%。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，實(shí)際彎沉值較小，到達(dá)試驗(yàn)預(yù)期目的。河北野興公路為平原微丘區(qū)二級(jí)公路，路基寬912m，路面寬8.4m。施工中設(shè)置了尾礦砂工程應(yīng)用試驗(yàn)段，采用石灰、粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦砂鋪設(shè)18cm路面基層試驗(yàn)段。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，施工中結(jié)構(gòu)成型過(guò)程正常、無(wú)松散，無(wú)沉降現(xiàn)象，而經(jīng)過(guò)幾年的通車檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)勘查，鐵尾礦砂基層路面整體狀況良好，路面無(wú)車轍、擁包等病害，局部路段出現(xiàn)少許裂縫。河北省平青樂(lè)線全長(zhǎng)39.083km，為二級(jí)公路，路面寬11.4

12、m，其改建工程采用水泥穩(wěn)定尾礦砂碎石集料基層，尾礦砂摻量39.7%，水泥摻量5.0%，7d鉆芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度4.5MPa，符合設(shè)計(jì)要求。大連理工大學(xué)楊青等人研究了鐵尾礦砂在公路基層中應(yīng)用，試驗(yàn)尾礦砂取自遼寧朝陽(yáng)，粒徑范圍在0.30.6mm之間約44%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，粒徑在0.150.3mm之間約26%，細(xì)度模數(shù)1.63，尾礦主要化學(xué)組成包括SiO2、Fe2O3、Al2O3等。其研究結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)復(fù)摻水泥或者石灰均可滿足低等級(jí)公路基層的要求，在滿足7d齡期強(qiáng)度的前提下，石灰穩(wěn)定尾礦砂的方案后期強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，劈裂強(qiáng)度均大于石灰穩(wěn)定粘土，抗干縮變形能力也優(yōu)于石灰穩(wěn)定粘土；水泥穩(wěn)定尾礦砂水穩(wěn)性較差，明顯弱

13、于石灰水泥同時(shí)穩(wěn)定尾礦砂的水穩(wěn)性能。蘇更對(duì)首鋼礦業(yè)公司遷安市鐵尾礦料進(jìn)行試驗(yàn)分析，并在二級(jí)旅游公路路面基層中進(jìn)行應(yīng)用。工程采用水泥穩(wěn)定碎石，尾礦碎石粒徑4.7531.5mm，尾礦砂粒徑0.0751.18mm，水泥：集料=5：100，尾礦碎石：尾礦砂=72：28?；旌狭匣鶎愉佒竭_(dá)養(yǎng)生期后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和鉆芯取樣試驗(yàn)，各項(xiàng)結(jié)果均滿足基層施工標(biāo)準(zhǔn)要求，其中7d強(qiáng)度均值3.52MPa，最高5.20MPa，最低3.43MPa。劉炳華等人對(duì)尾礦砂填筑公路路基的物理力學(xué)性質(zhì)及參數(shù)進(jìn)行了研究，作者認(rèn)為，尾礦砂級(jí)配比擬均勻，粒度較細(xì)，主要分布于0.10.6mm范圍內(nèi)，細(xì)度模數(shù)通常較小常小于1.5，屬于特細(xì)砂。

14、從粉煤灰路基的施工經(jīng)驗(yàn)看，尾礦砂中粘粒含量太少，施工中需要在尾礦砂中添加粘土進(jìn)行混合料配制，目的是為了增加細(xì)顆粒與粘粒含量，便于施工過(guò)程中的壓實(shí)，且不會(huì)造成環(huán)境污染。摻土摻量為15%時(shí)，適宜作為路基填料且具有足夠的穩(wěn)定性；而在路基填方材料上，由于高速公路填方路基上路床填料的最小強(qiáng)度CBR要求為8%，因此當(dāng)尾礦砂的承載比無(wú)法完全滿足要求時(shí)，需在上路床材料中采用強(qiáng)度較高的粘土質(zhì)材料，工藝上那么需分層鋪筑，均勻壓實(shí)。孫吉書(shū)等人基于?公路無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程?，對(duì)石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石的路用性能開(kāi)展了研究，作者研究了石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石混合料的強(qiáng)度、彈性模量、抗凍性能、水穩(wěn)定性等路用技術(shù)指

15、標(biāo)。試驗(yàn)采用的鐵尾礦碎石由粗尾礦4.759.5mm及細(xì)尾礦0.0754.75mm組成。結(jié)果說(shuō)明，石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石具有較高的強(qiáng)度、剛度和良好的水穩(wěn)定性、抗凍性能；當(dāng)石灰：粉煤灰：鐵尾礦碎石9：18：73時(shí)，混合料滿足?標(biāo)準(zhǔn)?對(duì)各種交通條件下基層材料的強(qiáng)度要求，當(dāng)二灰比例為18%27%時(shí)，混合料可作為各級(jí)公路的底基層材料，以及輕交通瀝青路面的基層材料。張曉輝等人開(kāi)展了水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的力學(xué)特性研究，試驗(yàn)采用鞍鋼集團(tuán)弓長(zhǎng)嶺礦區(qū)高硅型鐵尾礦砂，細(xì)度模數(shù)1.12。結(jié)果說(shuō)明，水泥摻量1218%時(shí)，水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂具有穩(wěn)定的力學(xué)性能，7d、28d、90d強(qiáng)度的比照說(shuō)明，水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的強(qiáng)度比水泥穩(wěn)

16、定土高出46倍，其荷載變形及抗凍融循環(huán)特性與相同條件下水泥砂漿特性相似，因而比擬適合北方氣候環(huán)境下的道路工程。此外，水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐久性好等特點(diǎn)，是我國(guó)大量采用的兩種主要路面之一。而混凝土的配制常需要消耗大量的河砂，因此，假設(shè)能將鐵尾礦砂用于混凝土中并代替河砂及人工砂，將對(duì)緩解我國(guó)建筑材料資源短缺的局面具有重要意義。2021年，鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)院和鞍鋼建設(shè)公司預(yù)制廠開(kāi)展了鐵尾礦砂代替河砂用于混凝土配制試驗(yàn)。試驗(yàn)中水泥：碎石：鐵尾礦砂：水1：2.82：1.26：0.45，經(jīng)過(guò)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，混凝土強(qiáng)度可達(dá)35MPa。河北理工大學(xué)蔡基偉等人在對(duì)鐵尾礦根本性質(zhì)研究的根底之上，利

17、用鐵尾礦砂完全取代天然砂，研究鐵尾礦砂混凝土的工作性與強(qiáng)度特點(diǎn)，通過(guò)礦物摻合料的參加對(duì)鐵尾礦砂混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功配制出強(qiáng)度和工作性能均滿足要求的C70以下鐵尾礦砂混凝土。其細(xì)集料采用遷安尾礦砂，細(xì)度模數(shù)2.5，粗集料為遷安鐵尾礦碎石，級(jí)配屬于1020mm單粒級(jí)。3鐵尾礦在道路工程中應(yīng)用的可行性分析國(guó)內(nèi)外的大量研究及工程實(shí)踐說(shuō)明，與普通公路相比，采用鐵尾礦鋪筑的公路具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)良好的抗車轍性能；(2)應(yīng)用于路面層的鋪筑時(shí)，具有優(yōu)異的摩擦性能，提高了行車平安性和舒適性；(3)優(yōu)異的耐久性、抗斷裂及裂紋擴(kuò)展性能；(4)優(yōu)秀的水穩(wěn)定性能。將鐵尾礦應(yīng)用于道路工程填料、基層、底基層的鋪

18、筑，均可降低道路建筑本錢，同時(shí)，由于對(duì)庫(kù)存壓力的緩解，還間接地降低了鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)本錢。重要的是，將鐵尾礦應(yīng)用于道路工程，減輕了固體廢棄物對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，減少對(duì)土地資源的占用、減輕對(duì)庫(kù)區(qū)下游人民生命財(cái)產(chǎn)的危害，具有重要的社會(huì)效益和環(huán)境效益。從鐵尾礦的化學(xué)組成上看，鐵尾礦是一種復(fù)合礦物原料，根據(jù)鐵礦產(chǎn)地和選礦工藝的不同，尾礦各組分及其含量有所差異。其化學(xué)成分主要包括SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO等，此外還含有少量K2O，Na2O以及S，P等元素。而其中以SiO2和Al2O3含量較高，這與很多建筑材料十分相似，例如粉煤灰、砂石、粘土等。因此，從理論上只需摻加少量其他原料并進(jìn)行適

19、當(dāng)調(diào)配，即可將其應(yīng)用于無(wú)機(jī)穩(wěn)定膠結(jié)料和水泥混凝土的配制。從鐵尾礦的物理性能上看，由于鐵尾礦中鐵相礦物組成含量較高，因此其比重比天然砂石骨料稍高；鐵尾礦砂中含有的細(xì)粉含量多為石粉，質(zhì)地較為穩(wěn)固，因此有利于混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。此外，適當(dāng)?shù)氖酆窟€有利于新拌混凝土的和易性與保水性；從穩(wěn)固性指標(biāo)上看，鐵尾礦壓碎值一般低于填砂砂石的壓碎值，意味著鐵尾礦的穩(wěn)固性優(yōu)于天然砂石。鐵尾礦一般顆粒形狀不規(guī)那么，多棱角，顆粒外表粗糙，因此顆粒之間的機(jī)械鎖結(jié)作用較強(qiáng)，摩擦阻力大，有利于與膠結(jié)料化學(xué)反響產(chǎn)物的粘結(jié)以及膠結(jié)混合料體系的穩(wěn)定。從鐵尾礦混合料強(qiáng)度形成機(jī)理上看，在二灰穩(wěn)定鐵尾礦混合料中，二灰體系通過(guò)離子交換、火山灰作用、結(jié)晶與碳