CN110655358A - 一种铁尾砂碎石水硬性路面基层材料及制备方法 - Google Patents

一种铁尾砂碎石水硬性路面基层材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种铁尾砂碎石水硬性路面基层材料及制备方法。此新型路面基层材料采用专用固化剂，对铁矿企业采矿产生的铁尾砂进行改性固化，并掺配一定比例一定规格的碎石，使其力学等性能指标符合传统路面基层材料。根据固化剂掺量、尾砂以及碎石级配的不同，可选择性地用于不同等级不同荷载的公路。铁尾砂是工业固体废弃物，堆存量大；目前我国仍处于基建高峰期，道路建设规模庞大，传统的土、砂石料已成为紧缺资源。使用专用固化剂将铁尾砂改性为满足工程要求的基层材料，即解决了传统工程材料供需矛盾尖锐的难题，还可以大量消耗铁尾砂，减少尾砂库带来的社会、经济、环境和安全压力，助力矿山企业打造无尾矿山，解决铁矿企业的行业痛点。

Description

一种铁尾砂碎石水硬性路面基层材料及制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程建设领域，尤其涉及一种铁尾砂水硬性路面基层材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着我国经济的发展，铁矿产资源持续开发，铁矿山尾矿产量不断增加，而行业综合利用率不足20%。具不完全统计，每年约由7亿吨的选铁尾矿被丢弃。对于被丢弃的铁尾矿，铁矿企业需要建设和维护规模庞大的尾砂库来解决铁尾砂的排放和堆存问题。但因此会带来一系列社会问题，比如大量的尾矿占用土地、堵塞河流、污染环境、维护费高、存在安全隐患等问题。铁尾矿作为二次能源也受到世界各国的广泛重视，而对于尾矿的回收利用方向多为回填矿山采空区、用作建筑材料、用于水污染处理、做复合肥有效改良土壤等，但这些方法不足以完全利用尾矿。因此，将这些铁尾矿综合利用，变废为宝，并最终完全利用是一项急需解决的难题，也是矿业领域的行业痛点。
道路结构层一般由路基、底基层、基层和面层组成。传统的底基层、基层材料一般采用水泥、石灰等无机结合料稳定碎石。每年我国公路建设对碎石的需求以千万吨计。碎石开采破坏自然资源、造成环境污染，近年来国家已严格控制碎石的开采，半数以上的采石场被关停，加之平原地区缺少可供开采碎石的山体，碎石更成为稀缺资源，碎石材料单价愈涨愈烈，供需矛盾日益尖锐。
现有技术中铁尾砂可用于水泥混凝土，其掺量在30%以下，但由于铁尾砂粒径较小，采用传统工艺制成的混凝土强度较小，不能满足道路强度需求；同时，制成的混凝土由于细料较多，用水量大，水分减少时干缩容易引发收缩裂缝。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种力学强度高且抗冲刷能力强的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料及制备方法。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种铁尾砂碎石水硬性路面基层材料，包括下列质量份组分：25~60份铁尾砂、0~20份粗砂、60~40份碎石、6~15份固化剂和6.0~7.5份水；其中粗砂为铁尾粗砂；
所述固化剂包括下列质量百分比的组分：CaO含量50%、Al2O3含量12%、MgO含量3%、SiO2含量35%；
所述铁尾砂粒径规格为：0.3mm筛孔通过率大于80%，0.075mm筛孔通过率大于50%；
粗砂粒径规格为：0.3mm筛孔通过率大于45%，0.075mm筛孔通过率大于10%；
所述碎石粒径规格的百分比为：5~10mm规格的碎石50%、15~30mm规格的碎石50%。
对上述技术方案的进一步设计为：所述铁尾砂的承载比CBR为35~45，铁尾砂级配粒径分布为：
Figure 801947DEST_PATH_IMAGE001
粗砂级配粒径分布为：
Figure 326470DEST_PATH_IMAGE002
一种铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用不同孔径的筛子对铁尾砂原料进行筛选，使铁尾砂粒径规格满足：0.3mm筛孔通过率大于80%，0.075mm筛孔通过率大于50%；
粗砂粒径规格满足：0.3mm筛孔通过率大于45%，0.075mm筛孔通过率大于10%；
按质量百分比取CaO含量50%、Al2O3含量12%、MgO含量3%、SiO2含量35%；混合均匀，制成固化剂；
步骤二、按质量取25~60份筛选后的铁尾砂、0~20份粗砂、60~40份碎石和6~15份固化剂放入搅拌机内搅拌，均匀混合，再加入6.0~7.5份水后均匀搅拌；
步骤三、将步骤二搅拌后的混合料用压力机挤压成型，并将挤压成型后的混合料进行养护，即得所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料。
所述步骤二中搅拌机为混凝土搅拌机或稳定土搅拌机。
所述步骤二中搅拌机的搅拌时间为15~20秒。
所述步骤三中养护时间≥7天。
本发明的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料施工方法为：将铁尾砂碎石水硬性路面基层材料运输至道路路基顶面进行摊铺；然后压实整平，压实度≥98％，即可完成施工。
本发明的技术方案具有下列优点：
本发明采用铁尾砂替代60%左右的碎石用于稳定类路面基层材料的制备，其难点包括强度和裂缝控制两个方面。强度方面，由于采用尾砂用量达到60%，混合料中粗集料间剪切效应被削弱，采用传统的水泥、石灰等固化剂，难以达到足够的强；而本发明采用适应于细料稳定的针对性固化剂，保障了混合料强度。裂缝控制方面，由于细料较多，用水量大，水分减少时干缩容易引发收缩裂缝；本发明固化剂在水化反应过程中，有微膨胀效果，可以抵消水分散失引起的混合料体积收缩，从而有效控制裂缝数量。
本发明中的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料，充分利用铁尾砂材料，变废为宝，丰富了铁尾砂的综合利用方式、提高了铁尾砂的综合利用率。道路工程建设底基层和基层材料需求量巨大，本发明这一技术路径为减缓尾矿库带来的系列性社会问题和矿山企业打造无尾矿山提供了技术实现条件。
本发明中的铁尾砂碎石水硬性路面基层较传统的无机结合料稳定基层，具有优的力学强度。
本发明中的铁尾砂碎石水硬性路面基层，以少量碎石作为骨料，在目前的环保整治大环境下，可节约砂石料，缓解道路工程砂石料紧张、不足的困扰。同时，固化剂水化热和单位需水量均低于水泥，所以力学性能优异的同时兼有良好的抗裂性能。
本发明中的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料用于铁尾砂碎石水硬性路面基层施工，施工工艺与传统的基层施工工艺无区别，且混合料的均匀性和易压实性更好。
本发明的材料组分中添加了部分粗砂和碎石，相比于采用100%铁尾砂材料制成的路面基层，强度更高，可适应更多的道路施工需求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一
本实施例的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料，包括下列质量份组分：60份铁尾砂、5-10mm的碎石20份、15-30mm的碎石20份、固化剂6份、水7.1份；
本实施例的固化剂包括下列质量百分比的组分：CaO含量50%、Al2O3含量12%、MgO含量3%、SiO2含量35%；
本实施例的铁尾砂粒径规格为：0.3mm筛孔通过率为85.4%，0.075mm筛孔通过率为54.8%；粗砂粒径规格为：0.3mm筛孔通过率为47.4%，0.075mm筛孔通过率大于11%。
铁尾砂的承载比CBR为38。
本实施例铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、取上述粒径规格的铁尾砂备用，按质量百分比取CaO含量50%、Al2O3含量12%、MgO含量3%、SiO2含量35%；混合均匀，制成固化剂；
步骤二、按质量取60份筛选后的铁尾砂、20份5-10mm的碎石、20份15-30mm的碎石和6份固化剂放入水泥混凝土搅拌机内搅拌，均匀混合，再加入7.1份水后均匀搅拌15秒；
步骤三、将步骤二搅拌后的混合料用压力机挤压成型，并将挤压成型后的混合料进行养护7天，即得所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料。
本实施例的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料施工方法为：将铁尾砂碎石水硬性路面基层材料运输至路基顶层，并在路基顶层上进行摊铺：铺前应将底基层洒水湿润。对于基层下层表面，应喷洒固化剂净浆，喷洒量以层间粘结牢固为准，宜不少于（1.0～1.5）kg/m2。固化剂净浆稠度以洒布均匀为度，洒布长度以不大于摊铺机前30m～40m为宜。调整好传感器臂与控制线的关系；严格控制基层厚度和高程，保证路基厚度满足设计要求。
摊铺机后面，紧跟双钢轮压路机，振动压路机和胶轮压路机进行碾压，一次碾压长度为50m～80m。碾压段落必须层次分明，设置明显的分界标志，注意稳压要充分，振压不起浪、不推移。压实时，遵循稳压（遍数适中，压实度达到98%）轻振动碾压→重振动碾压→胶轮稳压的程序，压至无轮迹为止。碾压过程中，要以最佳含水量为控制依据，水泥稳定碎石表面要始终保持潮湿。
碾压后进行养生。将麻布或透水无纺土工布湿润，然后人工覆盖在碾压完成的基层顶面。覆盖2小时后，再用洒水车洒水，或用塑料薄膜覆盖养生。在7天内应保持基层处于湿润状态，28天内正常养护。养生结束后，应将覆盖物清除干净。养生期间封闭交通。在养生7天后方可进行上层摊铺工作。
本实施例的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的物理性能为：98%压实度条件下，7天无侧限抗压强度为5.0MPa；28天无侧限抗压强度为6.4MPa。
本实施例的试验路段的地址为安徽省马鞍山市向山镇银向路凹山总库主坝段改线工程，路段全长384.9米，应用于路面底基层，施工日期为2019年6月25日。检测日期为2019年7月2日，取芯芯样完整密实，芯样强度等检测结果满足图纸要求。
实施例二
本实施例的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料，包括下列质量份组分：51份铁尾砂、9份粗砂、5-10mm的碎石20份、15-30mm的碎石20份、固化剂6份、水6.5份；；
本实施例的固化剂包括下列质量百分比的组分：CaO含量50%、Al2O3含量12%、MgO含量3%、SiO2含量35%；
本实施例的铁尾砂粒径规格为：0.3mm筛孔通过率为87.3%，0.075mm筛孔通过率为56.4%。
铁尾砂的承载比CBR为39。
本实施例铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、取上述粒径规格的铁尾砂备用，按质量百分比取CaO含量50%、Al2O3含量12%、MgO含量3%、SiO2含量35%；混合均匀，制成固化剂；
步骤二、按质量取51份筛选后的铁尾砂、9份粗砂、20份5-10mm的碎石、20份15-30mm的碎石和7份固化剂放入稳定土搅拌机内搅拌，均匀混合，再加入6.5份水后均匀搅拌17秒；
步骤三、将步骤二搅拌后的混合料用压力机挤压成型，并将挤压成型后的混合料进行养护7天，即得所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料。
本实施例的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料施工方法为：将铁尾砂碎石水硬性路面基层材料运输至路基顶层，并在路基顶层上进行摊铺：利用摊铺机分次摊铺铁尾砂水硬性路面基层材料，首次摊铺试验段为100m，每次作业段的长度为400m，并保证铺面标高和平整度。
采用单钢轮振动压路机和胶轮压路机进行组合碾压。碾压完成后应立即采用灌砂法检测压实度，保证压实度≥98％。压实度合格后采用土工布覆盖洒水养生7天，7天内应经常洒水，以土工布保持湿润状态为准。
本实施例的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的物理性能为：98%压实度条件下，7天无侧限抗压强度为5.4MPa；28天无侧限抗压强度为6.7MPa。
实施例三
本实施例中固化剂与实施例一相同，铁尾砂的承载比CBR为41，铁尾砂级配粒径分布为：
粗砂级配粒径分布为：
。
本实施例铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备上述固化剂备用；
步骤二、按质量取42份筛选后的铁尾砂、18份粗砂、20份5-10mm的碎石、20份15-30mm的碎石和6份固化剂放入稳定土搅拌机内搅拌，均匀混合，再加入6.1份水后均匀搅拌18秒；
步骤三、将步骤二搅拌后的混合料用压力机挤压成型，并将挤压成型后的混合料进行养护7天，即得所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料。
本实施例的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料施工方法为：将铁尾砂碎石水硬性路面基层材料运输至路基顶层，并在路基顶层上进行摊铺：利用摊铺机分次摊铺铁尾砂水硬性路面基层材料，并保证铺面标高和平整度。
采用单钢轮振动压路机和胶轮压路机进行组合碾压。碾压完成后应立即采用灌砂法检测压实度，保证压实度≥98％。压实度合格后采用土工布覆盖洒水养生7天，7天内应经常洒水，以土工布保持湿润状态为准。
本实施例的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的物理性能为：98%压实度条件下，7天无侧限抗压强度为5.6MPa；28天无侧限抗压强度为7.3MPa。
本实施例试验路段地址为，安徽省六安市霍邱镇燎西村，路段全长450米，应用于路面基层。施工日期为2018年9月6日。检测日期为2018年9月14日，试验检测描述：取芯芯样完整密实，弯沉满足设计要求。2018年12月15日，在安徽六安张庄召开了由省公路局领导及省内公路行业的施工、管理、检测、设计等相关单位参加的周集镇燎西村尾砂试验路的现场交流会上对上述试验路段质量进行再次检测，路面抗压强度满足设计要求。
实施例四
本实施例中采用铁尾砂与固化剂均与实施例三相同，
本实施例铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备上述固化剂备用；
步骤二、按质量取39份筛选后的铁尾砂、11份粗砂、25份5-10mm的碎石、25份15-30mm的碎石和8份固化剂放入稳定土搅拌机内搅拌，均匀混合，再加入6.6份水后均匀搅拌18秒；
步骤三、将步骤二搅拌后的混合料用压力机挤压成型，并将挤压成型后的混合料进行养护7天，即得所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料。
采用实施例三方法采用本实施例的路面基层材料进行铺路施工，测得的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的物理性能为：98%压实度条件下，7天无侧限抗压强度为5.8MPa；28天无侧限抗压强度为7.4MPa。
本实施例试验路段为安徽省马鞍山市向山镇银向路凹山总库主坝段改线工程，全长384.9米，应用于路面基层。施工日期为2019年7月3日。检测日期为2019年7月15日，取芯芯样完整密实，芯样强度等检测结果满足图纸要求。
实施例五
本实施例中采用铁尾砂与固化剂均与实施例三相同，
本实施例铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备上述固化剂备用；
步骤二、按质量取32份筛选后的铁尾砂、22份粗砂、23份5-10mm的碎石、23份15-30mm的碎石和11份固化剂放入稳定土搅拌机内搅拌，均匀混合，再加入7.1份水后均匀搅拌17秒；
步骤三、将步骤二搅拌后的混合料用压力机挤压成型，并将挤压成型后的混合料进行养护7天，即得所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料。
采用实施例三方法采用本实施例的路面基层材料进行铺路施工，测得的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的物理性能为：98%压实度条件下，7天无侧限抗压强度为6.1MPa；28天无侧限抗压强度为8.2MPa。
实施例六
本实施例中采用铁尾砂与固化剂均与实施例三相同，
本实施例铁尾砂碎石水硬性路路面基层料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备上述固化剂备用；
步骤二、按质量取28份筛选后的铁尾砂、12份粗砂、30份5-10mm的碎石、30份15-30mm的碎石和15份固化剂放入稳定土搅拌机内搅拌，均匀混合，再加入6.8份水后均匀搅拌20秒；
步骤三、将步骤二搅拌后的混合料用压力机挤压成型，并将挤压成型后的混合料进行养护7天，即得所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料。
采用实施例三方法采用本实施例的路面基层材料进行铺路施工，测得的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的物理性能为：98%压实度条件下，7天无侧限抗压强度为6.3MPa；28天无侧限抗压强度为8.5MPa。
由实施例一至六制得的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的物理性能可以得出，本发明制得得铁尾砂水硬性路面基层材料的物理性能为：7天无侧限抗压强度为5.0～6.3MPa；28天无侧限抗压强度为6.4～8.5MPa。根据道路各结构层力学性能要求的不同，针对性调整铁尾砂、粗砂、碎石与固化剂掺配比例，可分别用于不同等级道路的底基层和基层。同时，应用于路面基层的铁尾砂碎石水硬性路面基层材料强度均高于对应的传统基层强度，因此，本发明铁尾砂碎石水硬性路面基层材料强度大、抗冲刷性能好、抗裂性强、使用寿命长、施工便捷。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种铁尾砂碎石水硬性路面基层材料，其特征在于：包括下列质量份组分：25~60份铁尾砂、0~20份粗砂、60~40份碎石、6~15份固化剂和6.0~7.5份水；
所述固化剂包括下列质量百分比的组分：CaO含量50%、Al2O3含量12%、MgO含量3%、SiO2含量35%；
所述铁尾砂粒径规格为：0.3mm筛孔通过率大于80%，0.075mm筛孔通过率大于50%；
所述粗砂粒径规格为：0.3mm筛孔通过率大于45%，0.075mm筛孔通过率大于10%；
所述碎石粒径规格的百分比为：5~10mm规格的碎石50%、15~30mm规格的碎石50%。
2.根据权利要求1所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料，其特征在于：所述铁尾砂的承载比CBR为35~45，铁尾砂级配粒径分布为：
筛孔尺寸（mm） 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 通过率（%） 100.0 96.9 93.1 87.7 82.9 71.1 55.6
粗砂级配粒径分布为：
筛孔尺寸（mm） 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 通过率（%） 99.5 89.7 77.5 60.7 48.0 26.4 11.4
。
3.一种权利要求1所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用不同孔径的筛子对铁尾砂原料进行筛选，使铁尾砂粒径规格满足：0.3mm筛孔通过率大于80%，0.075mm筛孔通过率大于50%；粗砂粒径规格满足：0.3mm筛孔通过率大于45%，0.075mm筛孔通过率大于10%；
按质量百分比取CaO含量50%、Al2O3含量12%、MgO含量3%、SiO2含量35%；混合均匀，制成固化剂；
步骤二、按质量取25~60份筛选后的铁尾砂、0~20份粗砂、60~40份碎石和6~15份固化剂放入搅拌机内搅拌，均匀混合，再加入6.0~7.5份水后均匀搅拌；
步骤三、将步骤二搅拌后的混合料用压力机挤压成型，并将挤压成型后的混合料进行养护，即得所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料。
4.根据权利要求3所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中搅拌机为混凝土搅拌机或稳定土搅拌机。
5.根据权利要求3所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中搅拌机的搅拌时间为15~20秒。
6.根据权利要求3所述铁尾砂碎石水硬性路面基层材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中养护时间≥7天。
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