采石场副产物对水泥稳定铁尾矿砂路面基层材料性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0254

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (9): 3330-3340.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0254

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采石场副产物对水泥稳定铁尾矿砂路面基层材料性能的影响

陈潇¹^,²^,³(), 马希凯¹, 江瑞⁴, 舒扬⁴, 黄敏⁴, 黄诗杰⁵

^1.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070
^2.武汉理工大学硅酸盐科学与先进建材全国重点实验室，武汉 430070
^3.长治市武理工工程技术研究院，长治 047500
^4.湖北交投鄂东建设管理有限公司，武汉 430024
^5.湖北中桥科技有限公司，武汉 430075

收稿日期:2026-03-18 修订日期:2026-04-05 出版日期:2026-09-15 发布日期:2026-10-09
作者简介:陈潇（1981—），男，博士，教授。主要从事固废资源化利用和水泥基材料的研究。E-mail：chenxiao1981@whut.edu.cn
基金资助:
湖北省交通运输厅2024年交通运输重点科技项目(2024-81-Z-1-4)

Effects of Quarry By-Products on Performance of Cement-Stabilized Iron Tailings Pavement Base Materials

CHEN Xiao¹^,²^,³(), MA Xikai¹, JIANG Rui⁴, SHU Yang⁴, HUANG Min⁴, HUANG Shijie⁵

^1.School of Materials Science and Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
^2.State Key Laboratory of Silicate Science and Advanced Building Materials，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
^3.Changzhi Wuli Engineering Technology Research Institute，Changzhi 047500，China
^4.Hubei Jiaotou Edong Construction Management Co. ，Ltd. ，Wuhan 430024，China
^5.Hubei Zhongqiao Technology Co. ，Ltd. ，Wuhan 430075，China

Received:2026-03-18 Revised:2026-04-05 Published:2026-09-15 Online:2026-10-09

摘要/Abstract

摘要：

将采石场副产物（QBP）应用于水泥稳定铁尾矿砂路面基层材料中，能改善铁尾矿砂颗粒细小所导致的基层材料强度不足、收缩开裂等问题，从而实现铁尾矿砂的大规模资源化利用。本文系统研究了QBP掺量及其细颗粒（粒径d<0.075 mm）的塑性指数对水泥稳定铁尾矿砂力学性能、体积稳定性及耐久性能的影响，采用膨胀剂调控收缩应变，并结合微观分析揭示QBP的作用机理。结果表明：当QBP掺量为40%（质量分数）时，与未掺组相比，7 d无侧限抗压强度提升48.37%，收缩应变降低42.50%，抗冻系数与水稳系数分别提高15.22%与13.83%；提高细颗粒塑性指数可改善水泥稳定铁尾矿砂的力学与耐久性能，但会增加收缩开裂的风险；掺入膨胀剂后，收缩应变较未掺组降低48.69%，与同强度等级水泥稳定碎石的收缩应变基本相当。微观分析显示，QBP可优化水泥稳定铁尾矿砂混合料的堆积结构，提高密实度并降低孔隙率，从而改善其路用性能。

关键词: 铁尾矿砂, 采石场副产物, 路面基层材料, 膨胀剂, 塑性指数, 耐久性能

Abstract:

Applying quarry by-product （QBP） to cement-stabilized iron tailings pavement base material for roads can improve the problems such as insufficient strength and shrinkage cracking of the base material caused by the fine particles of iron tailings sand， thereby achieving large-scale resource utilization of iron tailings. This paper systematically studied the effects of QBP content and the fine particle plasticity index （particle size d<0.075 mm） on the mechanical properties， volume stability， and durability of cement-stabilized iron tailings. The shrinkage strain was regulated by an expansion agent， and the mechanism of QBP was revealed through microscopic analysis. The results show that when the QBP content is 40%（mass fraction）， compared with the unmodified group， the 7 d unconfined compressive strength increases by 48.37%， the shrinkage strain decreases by 42.50%， and the frost resistance coefficient and water stability coefficient increase by 15.22% and 13.83%， respectively. Increasing the fine particle plasticity index improves the mechanical and durability properties of cement-stabilized iron tailings， but it also increases the risk of shrinkage cracking. After adding expansion agent， the shrinkage strain decreases by 48.69% compared with the unadulterated group， and is almost equivalent to the shrinkage strain of cement-stabilized crushed stone of the same strength grade. Microscopic analysis shows that QBP can optimize the packing structure of the cement-stabilized iron tailings mixture， improve the density and reduce the porosity， thereby improving the road performance.

Key words: iron tailings, quarry by-product, pavement base material, expansive agent, plasticity index, durability

中图分类号:

U414

陈潇, 马希凯, 江瑞, 舒扬, 黄敏, 黄诗杰. 采石场副产物对水泥稳定铁尾矿砂路面基层材料性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(9): 3330-3340.

CHEN Xiao, MA Xikai, JIANG Rui, SHU Yang, HUANG Min, HUANG Shijie. Effects of Quarry By-Products on Performance of Cement-Stabilized Iron Tailings Pavement Base Materials[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(9): 3330-3340.

图/表 17

表1 水泥、铁尾矿砂和QBP主要化学组成

Table 1 Main chemical composition of cement， iron tailings and QBP

Material	Mass fraction/%
Material	SiO₂	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	SO₃	MgO	K₂O	Na₂O	Loss
Cement	17.59	60.62	5.33	4.58	2.65	2.67	0.68	0.09	3.33
Iron tailings	36.60	25.90	22.93	8.59	0.53	0.86	1.01	1.63	1.26
QBP	17.73	61.69	2.39	7.79	0.24	8.07	0.97	0.15	0.73

表2 水泥、膨胀剂的主要性能

Table 2 Main properties of cement and expansive agent

Main property

Specific surface

area/（m²·kg^-1）

Initial setting

time/min

Final setting

time/min

28 d free

expansion rate/%

Compressive strength/MPa

Flexural strength/MPa

图1 铁尾矿砂的矿物组成及颗粒级配

Fig.1 Mineral composition and particle gradation of iron tailings

图2 QBP的矿物组成及颗粒级配

Fig.2 Mineral composition and particle gradation of QBP

表3 水泥稳定铁尾矿砂配合比设计

Table 3 Mix proportion design of cement-stabilized iron tailings

No.	Mass fraction/%						Optimum moisture content/%	Plasticity index	Maximum dry density/（g·cm^-3）
No.	Cement	Iron tailings	QBP	Bentonite	Expanding agent	Natural aggregate	Optimum moisture content/%	Plasticity index	Maximum dry density/（g·cm^-3）
Q-0	6	100	0	0	0	—	8.87	22	1.951
Q-20	6	80	20	0	0	—	8.32	22	1.998
Q-40	6	60	40	0	0	—	7.75	22	2.045
Q-60	6	40	60	0	0	—	8.02	22	2.012
QX-22	6	80	20	0	0	—	8.32	22	1.998
QX-37	6	80	18.97	1.03	0	—	8.57	37	2.028
QX-55	6	80	17.94	2.06	0	—	8.79	55	2.051
Q-6	6	80	20	0	0	—	8.32	22	1.998
QS-6-8	5.52	80	20	0	0.48	—	8.32	22	1.998
C-4	4	—	—	—	—	100	6.57	—	2.263

表4 铁尾矿砂胶砂配合比设计

Table 4 Mix proportion design of iron tailings cement mortar

No.	Content/g					Partical plasticity index
No.	Cement	Iron tailings sand	QBP	Bentonite	Water	Partical plasticity index
Q-0	450	1 350	0	0	225	22
Q-20	450	1 080	270	0	225	22
Q-40	450	810	540	0	225	22
Q-60	450	540	810	0	225	22
QX-22	450	1 080	270	0	225	22
QX-37	450	1 080	256	14	225	37
QX-55	450	1 080	242	28	225	55

图3 QBP掺量和细颗粒的塑性指数对铁尾矿砂胶砂流动度的影响

Fig.3 Effects of QBP content and fine particle plastic index on flowability of iron tailings cement mortar

图4 不同QBP掺量对水泥稳定铁尾矿砂力学性能的影响

Fig.4 Effect of different QBP content on mechanical properties of cement-stabilized iron tailings

图5 不同QBP掺量对水泥稳定铁尾矿砂收缩性能的影响

Fig.5 Effect of different QBP content on shrinkage performance of cement-stabilized iron tailings

图6 不同QBP掺量对水泥稳定铁尾矿砂耐久性的影响

Fig.6 Effect of different QBP content on durability of cement-stabilized iron tailings

图7 细颗粒的塑性指数对水泥稳定铁尾矿砂无侧限抗压强度的影响

Fig.7 Effect of fine particle plasticity index on unconfined compressive strength of cement-stabilized iron tailings

图8 细颗粒的塑性指数对水泥稳定铁尾矿砂

Fig.8 Fig. 8　Effect of fine particle plasticity index on shrinkage performance of cement-stabilized iron tailings

图9 细颗粒的塑性指数对水泥稳定铁尾矿砂耐久性的影响

Fig.9 Effect of fine particle plasticity index on durability of cement-stabilized iron tailings

图10 膨胀剂对水泥稳定铁尾矿砂力学性能的影响

Fig.10 Effect of expansive agent on mechanical property of cement-stabilized iron tailings

图11 膨胀剂对水泥稳定铁尾矿砂收缩性能的影响

Fig.11 Effect of expansive agent on shrinkage performance of cement-stabilized iron tailings

图12 膨胀剂对水泥稳定铁尾矿砂耐久性的影响

Fig.12 Effect of expansive agent on durability of cement-stabilized iron tailings

图13 水泥稳定铁尾矿砂的SEM照片

Fig.13 SEM images of cement-stabilized iron tailings

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