1鐵尾礦在國外道路工程中的應用

將尾礦應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用[2-4]，包括尾礦路用體系的配合比設計、強度、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)驗和工程經(jīng)驗。其中，由于產量巨大，鐵尾礦在道路工程中的應用最為廣泛。據(jù)粗略統(tǒng)計，僅美國就有近20個州將尾礦應用于實際道路工程[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州。這主要是因為明尼蘇達州梅薩比鐵礦區(qū)曾是世界上最大的鐵礦地帶。鐵尾礦在該區(qū)道路工程中的應用已有50年的歷史[8,9]。該區(qū)的實踐表明，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度高、耐久性好。明尼蘇達州每年的建設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中砂石骨料的重要來源之一[9]。20世紀50年代至60年代，鐵尾礦開始在明尼蘇達州錫爾弗貝城應用。錫爾弗貝城Reserve礦業(yè)公司于50年代成立，開展明尼蘇達州磁鐵礦加工業(yè)務。60年代，公司規(guī)模擴大，Reserve礦業(yè)公司將鐵尾礦逐漸應用于混凝土樓板及基墻的建造。隨著城市規(guī)模的擴大，Reserve礦業(yè)公司又將鐵尾礦應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提供尾礦的使用。而錫爾弗貝城的市政建設則將鐵尾礦用于城市混凝土路面的鋪筑，通常鋪設1ft（約30.48cm）厚的鐵尾礦路基。鐵尾礦在高速公路中的應用則始于明尼蘇達州高速公路管理局。1958年，明尼蘇達高速公路管理局將該州磁鐵尾礦應用于61號公路（TrunkHighway,TH61）路基的鋪筑；1961年，明尼蘇達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號公路各層結構幾乎全部應用了鐵尾礦，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，填料最深部位達到30ft。20世紀70年代，鐵尾礦在瀝青罩面層中得到廣泛應用。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。鐵尾礦顆粒質地堅硬、密度較高，具有良好的耐磨性能和抗滑能力，上世紀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，至今市內仍有4個區(qū)內路面處于服役狀態(tài)。1975年，共有6萬多t鐵尾礦被應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于尾礦在高速公路中應用的報告指出：“鐵尾礦罩面層的服役性能超出預料，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，瀝青路面各層結構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，明尼蘇達州全長18mile的2號公路，首次采用Superpave技術鋪筑，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路段。21世紀以來，鐵尾礦又被用于明尼蘇達州各大城市的新建工程及改擴建工程。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年進行修建，采用火車將鐵尾礦從礦山運至施工現(xiàn)場，應用于底基層、路基、排水溝、擋土墻的建設。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，整個工程用于鋪筑路基、底基層的鐵尾礦碎石使用量超過182萬t。2004年和2008年，明尼蘇達運輸部與礦產資源部合作開展了鐵尾礦應用于瀝青及混凝土混合料的評估工作，該項目在低交通量公路鋪筑了兩條試驗路段。同時，運輸部又與明尼蘇達德魯斯大學礦產資源研究中心合作開展了對上述試驗路段的監(jiān)測工作，目的在于評估鐵尾礦在鐵路工程中應用的可能性。監(jiān)測的內容包括路面車轍、斷裂情況、裂縫擴展情況、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拉力賽（BrainerdInternationalRaceway）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，該賽季即有兩項世界紀錄被打破。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的賽道均對此表現(xiàn)出濃厚興趣，但由于混合料配合比設計的不合理，因此鋪設的鐵尾礦賽道相繼出現(xiàn)問題并重新更換。據(jù)統(tǒng)計[10]，明尼蘇達州采用鐵尾礦鋪筑的公路工程超過400項，總長度超過1120mile，由于良好的耐久性及抗裂性，將其與Superpave技術結合使用，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，研究多以實驗室內性能測試為主，而鋪筑的路面也以試驗路段為主。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、強度受水影響小、壓實后可獲得足夠的強度和穩(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90年代，馬鞍山礦山研究院和東北大學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，達到國家公路路面基層材料標準。其試驗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，尾礦砂的摻量達到30～40%。試驗結果表明，實際彎沉值較小，達到試驗預期目的[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。施工中設置了尾礦砂工程應用試驗段[12]，采用石灰、粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦砂鋪設18cm路面基層試驗段。試驗結果表明，施工中結構成型過程正常、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鉆芯樣無側限抗壓強度4.5MPa，符合設計要求。大連理工大學楊青[13]等人研究了鐵尾礦砂在公路基層中應用，試驗尾礦砂取自遼寧朝陽，粒徑范圍在0.3～0.6mm之間約44%（質量分數(shù)），粒徑在0.15～0.3mm之間約26%，細度模數(shù)1.63，尾礦主要化學組成包括SiO2、Fe2O3、Al2O3等。其研究結果表明，通過復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齡期強度的前提下，石灰穩(wěn)定尾礦砂的方案后期強度增長明顯，劈裂強度均大于石灰穩(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行試驗分析，并在二級旅游公路路面基層中進行應用。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�；旌狭匣鶎愉佒�達到養(yǎng)生期后，進行現(xiàn)場檢測和鉆芯取樣試驗，各項結果均滿足基層施工規(guī)范要求，其中7d強度均值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性質及參數(shù)進行了研究，作者認為，尾礦砂級配比較均勻，粒度較細，主要分布于0.1~0.6mm范圍內，細度模數(shù)通常較�。ǔＰ∮�1.5），屬于特細砂。從粉煤灰路基的施工經(jīng)驗看，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行混合料配制，目的是為了增加細顆粒與粘粒含量，便于施工過程中的壓實，且不會造成環(huán)境污染。摻土摻量為15%時，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度（CBR）要求為8%，因此當尾礦砂的承載比無法完全滿足要求時，需在上路床材料中采用強度較高的粘土質材料，工藝上則需分層鋪筑，均勻壓實。孫吉書[16]等人基于《公路無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(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度、彈性模量、抗凍性能、水穩(wěn)定性等路用技術指標。試驗采用的鐵尾礦碎石由粗尾礦（4.75~9.5mm）及細尾礦（0.075~4.75mm）組成。結果表明，石灰粉煤灰穩(wěn)定鐵尾礦碎石具有較高的強度、剛度和良好的水穩(wěn)定性、抗凍性能；當石灰：粉煤灰：鐵尾礦碎石＝9：18：73時，混合料滿足《規(guī)范》對各種交通條件下基層材料的強度要求，當二灰比例為18%~27%時，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)定鐵尾礦砂的力學特性研究，試驗采用鞍鋼集團弓長嶺礦區(qū)高硅型鐵尾礦砂，細度模數(shù)1.12。結果表明，水泥摻量12~18%時，水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂具有穩(wěn)定的力學性能，7d、28d、90d強度的對比表明，水泥穩(wěn)定鐵尾礦砂的強度比水泥穩(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度高、穩(wěn)定性好、耐久性好等特點，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，鞍鋼集團礦業(yè)設計院和鞍鋼建設公司預制廠開展了鐵尾礦砂代替河砂用于混凝土配制試驗。試驗中水泥：碎石：鐵尾礦砂：水＝1：2.82：1.26：0.45，經(jīng)過28d標準養(yǎng)護，混凝土強度可達35MPa。河北理工大學蔡基偉[18]等人在對鐵尾礦基本性質研究的基礎之上，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度特點，通過礦物摻合料的加入對鐵尾礦砂混凝土配合比進行優(yōu)化設計，成功配制出強度和工作性能均滿足要求的C70以下鐵尾礦砂混凝土。其細集料采用遷安尾礦砂，細度模數(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用的可行性分析

3.1鐵尾礦在道路工程中應用的優(yōu)勢

國內外的大量研究及工程實踐表明，與普通公路相比，采用鐵尾礦鋪筑的公路具有如下優(yōu)點：(1)良好的抗車轍性能；(2)應用于路面層的鋪筑時，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、抗斷裂及裂紋擴展性能；(4)優(yōu)秀的水穩(wěn)定性能。將鐵尾礦應用于道路工程填料、基層、底基層的鋪筑，均可降低道路建筑成本，同時，由于對庫存壓力的緩解，還間接地降低了鋼鐵企業(yè)的生產成本。重要的是，將鐵尾礦應用于道路工程，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)下游人民生命財產的危害，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用的可行性分析

從鐵尾礦的化學組成上看，鐵尾礦是一種復合礦物原料，根據(jù)鐵礦產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行適當調配，即可將其應用于無機穩(wěn)定膠結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粉含量多為石粉，質地較為堅固，因此有利于混凝土的力學性能和耐久性能。此外，適當?shù)氖�粉含量還有利于新拌混凝土的和易性與保水性；從堅固性指標上看，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，因此顆粒之間的機械鎖結作用較強，摩擦阻力大，有利于與膠結料化學反應產物的粘結以及膠結混合料體系的穩(wěn)定。從鐵尾礦混合料強度形成機理上看，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、結晶與碳酸化作用，逐漸形成具有一定膠結能力和空間網(wǎng)格結構的膠凝物質。這些凝膠的存在可以將顆粒膠結起來，使其具有一定的強度和水穩(wěn)定性。而從鐵尾礦化學組分上看，既無阻礙二灰體系剛度形成的組分，又無影響化學反應平衡的條件。且由于較為粗糙的顆粒表面，反而更易于與凝膠的粘結。

4結語

國內外的大量工程實踐表明，鐵尾礦應用于道路工程建設，在帶來經(jīng)濟效益的同時，還有良好的社會效益和環(huán)境效益。當下我國交通基礎設施飛速發(fā)展，天然砂石資源日趨緊張，而同時鐵尾礦的堆存和對環(huán)境的污染也極其嚴重。將鐵尾礦應用于道路工程的建設，既緩解了天然砂石資源的匱乏，又保護了生態(tài)環(huán)境，同時還降低了鋼鐵企業(yè)的生產成本和道路工程造價，可謂一舉多得。我國在鐵尾礦應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)達國家相比仍然具有較大的差距。要實現(xiàn)鐵尾礦在道路工程中的大規(guī)模應用，我國研究工作者還需奮起直追，并采取如下幾個方面的措施進行推動：①政策方面，政府部門在方針、法律、法規(guī)、稅收方向的引導還需加強，通過政府導向，使各大高校和科研院所能以此為重點攻關項目；②意識方面：各相關單位需充分意識到鐵尾礦在道路工程應用中的發(fā)展前景，針對鐵尾礦自身的組成特點和分布特點，“因地制宜”將其應用于不同地區(qū)、不同類型的路面結構；③技術方面：需對鐵尾礦資源及其應用進行系統(tǒng)的基礎分析，為鐵尾礦資源在道路工程中的應用提供數(shù)據(jù)支撐；④評價方面：對鐵尾礦資源在道路工程中的應用，從社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益進行綜合分析。