1鐵尾礦在國外道路工程中的應(yīng)用

將尾礦應(yīng)用于道路工程在國外已有大量研究，涉及較為系統(tǒng)的理論研究和工程應(yīng)用[2-4]，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)，僅美國就有近20個(gè)州將尾礦應(yīng)用于實(shí)際道路工程[5-7]，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[8,9]。該區(qū)的實(shí)踐表明，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)需求帶來了很大壓力。由于磁鐵尾礦的良好性能及其豐富的存儲量，因此，逐漸成為公路及其他建設(shè)中砂石骨料的重要來源之一[9]。20世紀(jì)50年代至60年代，鐵尾礦開始在明尼蘇達(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）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)則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)用則始于明尼蘇達(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)（SplitRockarea）61號公路瀝青路面的路基。1969～1970年間鋪筑的61號公路各層結(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號繞城公路，在公路經(jīng)過的沼澤地區(qū)采用大量鐵尾礦作為填料，填料最深部位達(dá)到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0.75～1m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爾黑德地區(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號和280號公路的鋪筑。同年，又有2.3萬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。美國聯(lián)邦高速公路管理委員會關(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號公路（CSAH7）全長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2007年已有近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)踐表明，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，尤其是對空隙率的控制。90年代末，明尼蘇達(dá)州全長18mile的2號公路，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、169號、37號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。1995～1996年，在53號公路北部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，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2002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號公路盤山路段也于2003～2005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，應(yīng)用于底基層、路基、排水溝、擋土墻的建設(shè)。2003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；2006年，弗吉尼亞第2大道和第6大道的重建工程中，采用鐵尾礦碎石作為混凝土路面的基層材料。2004～2005年，北弗吉尼亞修筑53號公路與169號公路立交樞紐過程中，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182萬t。2004年和2008年，明尼蘇達(dá)運(yùn)輸部與礦產(chǎn)資源部合作開展了鐵尾礦應(yīng)用于瀝青及混凝土混合料的評估工作，該項(xiàng)目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展了對上述試驗(yàn)路段的監(jiān)測工作，目的在于評估鐵尾礦在鐵路工程中應(yīng)用的可能性。監(jiān)測的內(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[8]。此外，2003年，鐵尾礦碎石還被用于布雷納德國際汽車?yán)悾˙rainerdInternationalRaceway）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)問題并重新更換。據(jù)統(tǒng)計(jì)[10]，明尼蘇達(dá)州采用鐵尾礦鋪筑的公路工程超過400項(xiàng)，總長度超過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鐵尾礦在我國道路工程中的應(yīng)用

與國外的研究相比，我國在尾礦路用性能方面的研究開展較晚，系統(tǒng)性不夠強(qiáng)，研究多以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)性能測試為主，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)共同開展了尾礦砂用于路面材料的研究，并于1991年3月通過冶金部鑒定。該研究通過尾礦砂與其他配料（河砂、粉煤灰、石、粘土、固化劑）的混合搭配鋪設(shè)于一級公路慢車道上，經(jīng)過碾壓及一定齡期的路面養(yǎng)護(hù)，達(dá)到國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0.01～0.175mm，混合料中，尾礦砂的摻量達(dá)到30～40%。試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際彎沉值較小，達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期目的[11]。河北野興公路為平原微丘區(qū)二級公路，路基寬9～12m，路面寬8.4m。施工中設(shè)置了尾礦砂工程應(yīng)用試驗(yàn)段[12]，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)果表明，施工中結(jié)構(gòu)成型過程正常、無松散，無沉降現(xiàn)象，而經(jīng)過幾年的通車檢驗(yàn)和現(xiàn)場勘查，鐵尾礦砂基層路面整體狀況良好，路面無車轍、擁包等病害，部分路段出現(xiàn)少許裂縫。河北省平青樂線全長39.083km，為二級公路，路面寬11.4m，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[13]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，粒徑范圍在0.3～0.6mm之間約44%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），粒徑在0.15～0.3mm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)果表明，通過復(fù)摻水泥或者石灰均可滿足低等級公路基層的要求，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，明顯弱于石灰水泥同時(shí)穩(wěn)定尾礦砂的水穩(wěn)性能。蘇更[14]對首鋼礦業(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4.75～31.5mm，尾礦砂粒徑0.075～1.18mm，水泥：集料=5：100，尾礦碎石：尾礦砂=72：28。混合料基層鋪筑達(dá)到養(yǎng)生期后，進(jìn)行現(xiàn)場檢測和鉆芯取樣試驗(yàn)，各項(xiàng)結(jié)果均滿足基層施工規(guī)范要求，其中7d強(qiáng)度均值3.52MPa，最高5.20MPa，最低3.43MPa。劉炳華[15]等人對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，尾礦砂級配比較均勻，粒度較細(xì)，主要分布于0.1~0.6mm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。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，便于施工過程中的壓實(shí)，且不會造成環(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，工藝上則需分層鋪筑，均勻壓實(shí)。孫吉書[16]等人基于《公路無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，對石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石的路用性能開展了研究，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)指標(biāo)。試驗(yàn)采用的鐵尾礦碎石由粗尾礦（4.75~9.5mm）及細(xì)尾礦（0.075~4.75mm）組成。結(jié)果表明，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《規(guī)范》對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[17]開展了水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的力學(xué)特性研究，試驗(yàn)采用鞍鋼集團(tuán)弓長嶺礦區(qū)高硅型鐵尾礦砂，細(xì)度模數(shù)1.12。結(jié)果表明，水泥摻量12~18%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)度的對比表明，水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定土高出4～6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，因而比較適合北方氣候環(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，若能將鐵尾礦砂用于混凝土中并代替河砂及人工砂，將對緩解我國建筑材料資源短缺的局面具有重要意義。2006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[18]等人在對鐵尾礦基本性質(zhì)研究的基礎(chǔ)之上，利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)，通過礦物摻合料的加入對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，級配屬于10~20mm單粒級。

3鐵尾礦在道路工程中應(yīng)用的可行性分析

3.1鐵尾礦在道路工程中應(yīng)用的優(yōu)勢

國內(nèi)外的大量研究及工程實(shí)踐表明，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，提高了行車安全性和舒適性；(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、底基層的鋪筑，均可降低道路建筑成本，同時(shí)，由于對庫存壓力的緩解，還間接地降低了鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本。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生態(tài)環(huán)境的污染，減少對土地資源的占用、減輕對庫區(qū)下游人民生命財(cái)產(chǎn)的危害，具有重要的社會效益和環(huán)境效益。

3.2鐵尾礦在道路工程中應(yīng)用的可行性分析

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)行適當(dāng)調(diào)配，即可將其應(yīng)用于無機(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)地較為堅(jiān)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；從堅(jiān)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，意味著鐵尾礦的堅(jiān)固性優(yōu)于天然砂石。鐵尾礦一般顆粒形狀不規(guī)則，多棱角，顆粒表面粗糙，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)反應(yīng)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，二灰體系通過離子交換、火山灰作用、結(jié)晶與碳酸化作用，逐漸形成具有一定膠結(jié)能力和空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的膠凝物質(zhì)。這些凝膠的存在可以將顆粒膠結(jié)起來，使其具有一定的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。而從鐵尾礦化學(xué)組分上看，既無阻礙二灰體系剛度形成的組分，又無影響化學(xué)反應(yīng)平衡的條件。且由于較為粗糙的顆粒表面，反而更易于與凝膠的粘結(jié)。

4結(jié)語

國內(nèi)外的大量工程實(shí)踐表明，鐵尾礦應(yīng)用于道路工程建設(shè)，在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還有良好的社會效益和環(huán)境效益。當(dāng)下我國交通基礎(chǔ)設(shè)施飛速發(fā)展，天然砂石資源日趨緊張，而同時(shí)鐵尾礦的堆存和對環(huán)境的污染也極其嚴(yán)重。將鐵尾礦應(yīng)用于道路工程的建設(shè)，既緩解了天然砂石資源的匱乏，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，同時(shí)還降低了鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本和道路工程造價(jià)，可謂一舉多得。我國在鐵尾礦應(yīng)用于道路工程的研究方面取得了一定的成果，但與國外發(fā)達(dá)國家相比仍然具有較大的差距。要實(shí)現(xiàn)鐵尾礦在道路工程中的大規(guī)模應(yīng)用，我國研究工作者還需奮起直追，并采取如下幾個(gè)方面的措施進(jìn)行推動：①政策方面，政府部門在方針、法律、法規(guī)、稅收方向的引導(dǎo)還需加強(qiáng)，通過政府導(dǎo)向，使各大高校和科研院所能以此為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目；②意識方面：各相關(guān)單位需充分意識到鐵尾礦在道路工程應(yīng)用中的發(fā)展前景，針對鐵尾礦自身的組成特點(diǎn)和分布特點(diǎn)，“因地制宜”將其應(yīng)用于不同地區(qū)、不同類型的路面結(jié)構(gòu)；③技術(shù)方面：需對鐵尾礦資源及其應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)分析，為鐵尾礦資源在道路工程中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐；④評價(jià)方面：對鐵尾礦資源在道路工程中的應(yīng)用，從社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益進(jìn)行綜合分析。