寒区掺铁尾矿砂水泥稳定砂砾基层耐久性评价

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1080

摘要/Abstract

摘要：

为提升铁尾矿砂在严寒矿区公路建设工程的规模化资源利用水平，本文采用铁尾矿砂替代部分细集料，制备了掺铁尾矿砂水泥稳定砂砾，对比了铁尾矿砂掺量对击实参数及无侧限抗压强度的影响，系统研究了不同制备条件下水泥稳定砂砾基层的干缩特性、温缩特性、抗冻性能及疲劳性能。结果表明，钠水玻璃改性铁尾矿砂可强化其与水泥胶砂的界面黏附性，从而改善水泥稳定砂砾基层的路用性能。随着铁尾矿砂掺量的增加，水泥稳定砂砾的最大干密度先增大后减小，当铁尾矿砂掺量为60%（质量分数）时，无侧限抗压强度达到最大。降低水泥掺量及铁尾矿砂表面改性均可改善水泥稳定砂砾耐久性。与掺未改性铁尾矿砂的试样相比，水泥掺量为4.0%（质量分数）的掺改性铁尾矿砂水泥稳定砂砾7、14 d干缩系数分别降低了24.31%、17.74%。降温至10~<20 ℃时，掺改性铁尾矿砂的水泥稳定砂砾基层试样的温缩系数达到最小值。水泥掺量为4.0%时，水泥稳定砂砾抗冻性能提升更为明显。铁尾矿砂的掺入及改性均会延长水泥稳定砂砾疲劳寿命，疲劳寿命提升幅度最高可达86.43%。在寒旱矿区，铁尾矿砂的引入能够提升水泥稳定砂砾的服役耐久性，综合推荐铁尾矿砂替代细集料掺量为60%。

关键词: 道路工程, 铁尾矿砂, 水泥稳定砂砾基层, 严寒矿区, 性能评价

Abstract:

To improve the large-scale resource utilization level of iron tailings sand in road construction projects in severe cold mining areas， iron tailings sand was used to partially replace fine aggregates in preparing iron tailings sand cement stabilized gravel. The influence of iron tailings sand content on compaction parameters and unconfined compressive strength was investigated. The drying shrinkage characteristics， thermal shrinkage characteristics， frost resistance， and fatigue performance of cement stabilized gravel base under different preparation conditions were systematically studied. The results indicate that sodium silicate modification of iron tailings sand enhances its interfacial adhesion with cement paste， thereby improving the road performance of cement-stabilized gravel bases. As the iron tailings sand content increases， the maximum dry density of the cement-stabilized gravel increases first and then decreases. When the dosage of iron tailings sand is 60% （mass fraction）， the unconfined compressive strength reaches its maximum. Reducing cement content and modifying the surface of iron tailings sand both improve the durability of cement stabilized gravel. Compared with the sample mixed with unmodified iron tailings sand， the dry shrinkage coefficients of cement-stabilized gravel modified with iron tailings sand at a cement content of 4.0%（mass fraction） decrease by 24.31% and 17.74% at 7 and 14 d， respectively. When the temperature is reduced to 10~<20 ℃， the thermal shrinkage coefficient of cement stabilized gravel base samples with modified iron tailings sand reaches its minimum value. When the cement content is 4.0%， the improvement in frost resistance of cement stabilized gravel is more pronounced. The addition and modification of iron tailings sand can prolong the fatigue life of cement stabilized gravel， with the fatigue life improvement reaching up to 86.43%. The introduction of iron tailings sand in cold and arid mining areas can improve the service durability of cement stabilized gravel. The optimal replacement ratio of fine aggregates with modified iron tailings sand is recommended as 60%.

Key words: road engineering, iron tailings sand, cement stabilized gravel base, severe cold mining area, performance evaluation

中图分类号:

U414

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图/表 14

表1 P·O 42.5水泥技术指标

Table 1 Technical indicators of P·O 42.5 cement

Project

Initial setting time/min

Final setting

time/min

Specific surface

area/（m²·kg^-1）

图1 铁尾矿砂形貌

Fig.1 Appearance of iron tailings sand

表2 铁尾矿砂通过百分率

Table 2 Passing percentage of iron tailings sand

Mesh size/mm	4.75	2.36	1.18	0.60	0.30	0.15	0.075
Passing percentage/%	100.00	100.00	98.71	91.16	55.08	10.71	2.62

表3 铁尾矿砂的主要化学组成

Table 3 Main chemical composition of iron tailings sand

Composition	SiO₂	Fe₂O₃	Al₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	SO₃	TiO₂
Mass fraction/%	55.162	12.397	12.697	8.578	5.785	2.940	0.068	2.227

表4 水泥稳定砂砾基层级配

Table 4 Gradation of cement stabilized gravel base

Mesh size/mm	26.50	19.00	16.00	13.20	9.50	4.75	2.36	1.18	0.60	0.30	0.15	0.075
Passing percentage/%	100.0	85.8	78.2	69.7	57.7	36.4	25.6	17.5	11.6	6.5	3.3	2.0

表5 击实试验结果

Table 5 Results of compaction test

Group	Maximum dry density/（g·cm^-3）	Optimum moisture content/%
T0	2.404	5.70
T20	2.422	5.92
T40	2.424	6.14
T60	2.433	6.25
T80	2.408	6.40

图2 铁尾矿砂掺量对7 d无侧限抗压强度影响

Fig.2 Influence of iron tailings sand content on 7 d unconfined compressive strength

图3 铁尾矿砂与水泥胶砂界面过渡区域形貌对比

Fig.3 Morphology comparison of interfacial transition zone between iron tailings sand and cement mortar

图4 干缩试验结果对比

Fig.4 Comparison of dry shrinkage test results

图5 不同温度区间温缩系数

Fig.5 Thermal shrinkage coefficient in different temperature ranges

图6 总温缩应变对比

Fig.6 Comparison of total thermal shrinkage strain

图7 冻融循环后质量损失试验结果

Fig.7 Results of quality loss test after freeze-thaw cycles

图8 冻融循环对水泥稳定砂砾无侧限抗压强度的影响

Fig.8 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strength of cement stabilized gravel

图9 疲劳试验结果

Fig.9 Fatigue test results

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