水泥改良铁尾矿砂路基填料的力学特性研究

摘要：水泥改良铁尾矿砂作为一种新型路基填料，在节约资源和减少环境污染方面具有重要意义。本文主要研究了水泥掺量对铁尾矿砂力学特性的影响。研究表明，适当的水泥掺量可以显著提高铁尾矿砂的抗压强度和抗剪强度，为其在道路工程中的应用提供了理论依据。

关键词：水泥材料；铁尾砂；路基填料

引言：随着矿产资源开采量的增加，尾矿砂的处理和再利用成为一个迫切需要解决的问题。铁尾矿砂由于其特殊的物理和化学性质，作为路基填料有较大潜力。然而，尾矿砂单独使用时的力学性能较差，限制了其在工程中的应用。通过加入水泥等改性剂，可以有效改善尾矿砂的力学性能，使其满足工程应用要求。

1 水泥改良铁尾矿砂的基本特性

1.1 铁尾矿砂的物理性质

铁尾矿砂是金属矿石在经过选矿、冶炼等一系列工业加工后产生的废弃物，其颗粒组成和粒径分布因矿源的不同而有所差异。通常来说，铁尾矿砂的颗粒形状呈多棱角状，表面粗糙，颗粒之间的相互咬合作用较好，但由于其内部分布存在一定的孔隙率，致使其整体力学性能相对较弱。此外，铁尾矿砂的比重较大，天然含水率较低，这对其作为路基填料的工程适应性提出了挑战。通常情况下，铁尾矿砂含有少量的黏土成分，这部分黏土成分在遇水后可能会发生膨胀、软化等变化，进一步影响材料的力学性能。因此，在使用铁尾矿砂作为路基填料之前，需对其物理性质进行充分的分析和评估[1]。

1.2 水泥的改性作用机理

水泥作为一种无机胶凝材料，其在与水混合后能够形成水化产物。这些水化产物会在材料颗粒之间填充并产生胶结作用，从而显著提高材料的整体强度和稳定性。对于铁尾矿砂而言，单独使用时，其力学性能不足以满足道路工程对路基填料的要求。因此，通过水泥的改性作用，可以有效改善其力学性能。水泥的改性作用主要体现在三个方面：一是通过水化反应产生的水化产物（如氢氧化钙和水化硅酸钙）填充铁尾矿砂的孔隙，从而降低材料的孔隙率；二是水化产物在颗粒表面和颗粒之间形成强大的胶结作用，增强颗粒之间的粘聚力和内摩擦力；三是改善铁尾矿砂颗粒之间的摩擦接触状态，提高其整体的稳定性和抗剪强度[2]。

2 水泥掺量对力学性能的影响

2.1 不同水泥掺量对抗压强度的影响

水泥掺量的变化直接影响铁尾矿砂的抗压强度。为了研究水泥掺量对抗压强度的影响，实验选取了不同的水泥掺量（3%、5%、7%）进行抗压强度测试。结果表明，随着水泥掺量的增加，铁尾矿砂的抗压强度逐渐提高。具体表现为，当水泥掺量从3%增加到5%时，抗压强度的提升最为显著。这是由于水泥水化反应产生的水化产物在这一掺量范围内能够有效填充铁尾矿砂的孔隙，并形成足够的胶结作用。然而，当水泥掺量进一步增加至7%时，抗压强度的增幅明显趋缓。这种现象可以解释为水泥掺量过高时，水化反应生成的水化产物过多，容易导致填料结构中出现微裂隙，反而削弱了材料的整体强度。因此，为了在实际工程中获得最佳的抗压强度，应合理选择水泥的掺量[3]。

2.2 水泥掺量对抗剪强度的影响

抗剪强度是衡量路基填料材料抵抗剪切破坏能力的关键指标。实验结果表明，不同水泥掺量对铁尾矿砂抗剪强度的影响与抗压强度相似。随着水泥掺量的增加，抗剪强度呈现出逐步提升的趋势，尤其是在水泥掺量达到5%时，抗剪强度提升最为明显。这是因为水泥水化产物在颗粒间形成了牢固的胶结作用，减少了颗粒滑移的可能性，提高了材料的抗剪能力。然而，当水泥掺量增加至7%时，抗剪强度的提升幅度开始减小。这表明，在某一水泥掺量范围内，材料的内部结构和胶结强度已接近最佳状态，继续增加水泥掺量对抗剪强度的提升效果不显著。因此，针对实际工程需求，建议在不超过5%的水泥掺量下使用改良铁尾矿砂作为路基填料。

3 不同水化反应时间对力学性能的影响

3.1 水化反应时间对抗压强度的影响

水泥的水化反应是一个随着时间逐渐进行的过程。在水化反应的初期，水泥中的硅酸三钙和铝酸三钙首先发生反应，生成早期强度；随着时间的推移，硅酸二钙的反应开始显著，逐渐提高材料的强度。为了研究不同水化反应时间对铁尾矿砂抗压强度的影响，实验在相同水泥掺量下，选择了7天、14天、28天三个时间节点。结果表明，随着水化反应时间的延长，铁尾矿砂的抗压强度持续增加，特别是在28天时，抗压强度达到最大值。这表明，充分的水化反应时间能够有效发挥水泥的胶结作用，显著提高铁尾矿砂的力学性能。

3.2 水化反应时间对抗剪强度的影响

水泥的水化反应时间不仅影响抗压强度，也显著影响材料的抗剪强度。实验结果显示，随着水化反应时间的延长，铁尾矿砂的抗剪强度逐渐增加，并在28天时达到最高值。这是因为随着水化反应的进行，水化产物的数量逐渐增加，在颗粒间形成更为牢固的胶结作用，进一步增强了材料的抗剪能力。因此，在实际工程中，为了确保水泥改良铁尾矿砂的最佳抗剪性能，应充分考虑水化反应时间的影响，确保材料在使用前达到足够的水化时间。

4 不同含水率对力学性能的影响

4.1 含水率对抗压强度的影响

铁尾矿砂的含水率对水泥改良材料的力学性能有显著影响。实验结果表明，当含水率在8%、12%、16%之间变化时，铁尾矿砂的抗压强度呈现出先增加后降低的趋势。具体来说，当含水率为12%时，材料的抗压强度达到最大值。这是因为在该含水率下，水泥与铁尾矿砂颗粒之间的水化反应能够充分进行，水化产物能够有效填充孔隙并形成牢固的胶结结构。然而，当含水率过低时，水泥水化反应不完全，导致胶结作用不足；而当含水率过高时，多余的水分在材料内部形成孔隙，使得材料结构松散，抗压强度下降。因此，合理的含水率对改良材料的力学性能至关重要。

4.2 含水率对抗剪强度的影响

含水率不仅影响抗压强度，对抗剪强度也有类似的影响规律。当含水率为12%时，材料的抗剪强度达到最佳。这是因为适当的含水率能够保证水泥与尾矿砂颗粒之间形成充分的胶结结构，从而增强材料的抗剪能力。在实际应用中，应根据具体工程需求，选择适宜的含水率，以确保水泥改良铁尾矿砂材料具有良好的力学性能。

5 水泥改良铁尾矿砂在路基工程中的应用前景

5.1 应用优势

水泥改良铁尾矿砂在路基工程中的应用具有显著优势。首先，它充分利用了矿业生产中的废弃物，减少了尾矿堆存对环境的负面影响，有助于实现资源的可持续利用。其次，经过水泥改性后的铁尾矿砂其力学性能明显提高，尤其是在抗压和抗剪强度方面，能够满足道路工程对路基材料的要求。此外，尾矿砂资源广泛，获取成本相对较低，因此应用该材料可以有效降低道路建设的整体成本，具有较高的经济性和环保效益。

5.2 应用挑战

尽管水泥改良铁尾矿砂在实验研究中表现出良好的力学性能，但在实际应用中仍存在一些挑战。尾矿砂的成分和物理特性可能因来源不同而存在较大差异，需要针对具体情况进行相应的配比调整。此外，改良后的尾矿砂在长期使用中可能会受到环境因素的影响（如水分侵入、温度变化等），导致材料性能退化，因此在工程应用前还需进行充分的耐久性测试与评估。

总结：综上所述，水泥改良铁尾矿砂在不同掺量、不同水化反应时间和不同含水率下的力学性能。实验结果表明，水泥掺量和水化反应时间是影响材料力学性能的主要因素，而适当的含水率能够显著提高材料的抗压和抗剪强度。水泥改良后的铁尾矿砂能够满足路基填料的力学性能要求，为其在道路工程中的应用提供了科学依据。

参考文献：

[1]武晓伟.季冻区铁尾矿砂改良盐渍土的路用性能研究[D].长春工程学院，2022.

[2]徐明杨.季冻区铁尾矿砂改良盐渍土路基水热迁移试验及数值模拟研究[D].长春工程学院，2022.

[3]马怀森，阙云，丁峰，等.改良铁尾矿砂在高速公路路基中的应用研究[J].交通科技，2022，（05）：25-29.

作者一姓名：王培恩；性别：男；出生年月：1973.11.9；籍贯：内蒙古民族；汉族最高学历：大学本科；目前职称：高级工程师；研究方向：工业固废利用