1铁尾矿在国外道路工程中的应用
将尾矿应用于道路工程在国外已有大量研究，涉及较为系统的理论研究和工程应用[2-4]，包括尾矿路用体系的配合比设计、强度、吸水吸能、渗水性能、温度稳定性、抗冻性、矿物组成、微观性能等，因此积累了大量的理论经验和工程经验。其中，由于产量巨大，铁尾矿在道路工程中的应用最为广泛。据粗略统计，仅美国就有近20个州将尾矿应用于实际道路工程[5-7]，包括加利福尼亚州、路易斯安那州、明尼苏达州、密西西比州、新泽西州、新墨西哥州等。其中，最具代表性的是明尼苏达州。这主要是因为明尼苏达州梅萨比铁矿区曾是世界上最大的铁矿地带。铁尾矿在该区道路工程中的应用已有50年的历史[8,9]。该区的实践表明，采用铁尾矿碎石作为路基材料及沥青路面材料修筑的公路强度高、耐久性好。明尼苏达州每年的建设需消耗大量砂石等自然资源，而天然砂石资源的匮乏给其建设需求带来了很大压力。由于磁铁尾矿的良好性能及其丰富的存储量，因此，逐渐成为公路及其他建设中砂石骨料的重要来源之一[9]。20世纪50年代至60年代，铁尾矿开始在明尼苏达州锡尔弗贝城应用。锡尔弗贝城Reserve矿业公司于50年代成立，开展明尼苏达州磁铁矿加工业务。60年代，公司规模扩大，Reserve矿业公司将铁尾矿逐渐应用于混凝土楼板及基墙的建造。随着城市规模的扩大，Reserve矿业公司又将铁尾矿应用于城市路面的底基层（18m，约45.73cm）的铺筑。此外，Reserve矿业公司向锡尔弗贝城免费提供尾矿的使用。而锡尔弗贝城的市政建设则将铁尾矿用于城市混凝土路面的铺筑，通常铺设1ft（约30.48cm）厚的铁尾矿路基。铁尾矿在高速公路中的应用则始于明尼苏达州高速公路管理局。1958年，明尼苏达高速公路管理局将该州磁铁尾矿应用于61号公路（TrunkHighway,TH61）路基的铺筑；1961年，明尼苏达州高速公路管理局又将铁尾矿用于比弗贝4号公路（CountyStateAidHihgway4,CSAH4）填料及沥青路面层的铺筑；1962年，铁尾矿又被应用于Split矿区（SplitRockarea）61号公路沥青路面的路基。1969～1970年间铺筑的61号公路各层结构几乎全部应用了铁尾矿，公路首先采用铁尾矿填筑平均3ft（约91.44cm）路基，之上铺筑铁尾矿底基层，最后在底基层上铺设铁尾矿配制的沥青混合料。公路至今仍然保持着良好的使用的状态。60年代末，弗吉尼亚修筑53号绕城公路，在公路经过的沼泽地区采用大量铁尾矿作为填料，填料最深部位达到30ft。20世纪70年代，铁尾矿在沥青罩面层中得到广泛应用。从梅苏比地区到双子星城，铁尾矿被广泛用于铺筑0.75～1m厚的罩面层。铁尾矿颗粒质地坚硬、密度较高，具有良好的耐磨性能和抗滑能力，上世纪70年代铺筑于大瀑布城至穆尔黑德地区的铁尾矿罩面层至今服役良好。威尔玛市在70年代采用铁尾矿铺筑了一百多公里路面，至今市内仍有4个区内路面处于服役状态。1975年，共有6万多t铁尾矿被应用于德卢斯市和明尼阿波利斯市高速公路和桥面的，及双子星城36号和280号公路的铺筑。同年，又有2.3万t铁尾矿被应用于明尼阿波利斯-圣保罗35E和35W州际公路的铺筑。美国联邦高速公路管理委员会关于尾矿在高速公路中应用的报告指出：“铁尾矿罩面层的服役性能超出预料，采用铁尾矿铺筑的路面具有良好的耐磨和抗滑性能，未来铁尾矿或可成为罩面层的专用集料”。1974年，埃弗莱斯南部地区铺筑7号公路（CSAH7）全长33km，沥青路面各层结构100%采用铁尾矿，混合料中沥青含量8.5%，这些路面截至2007年已有近40年的服役期限。20世纪80年代至90年代，梅萨比地区和德卢斯市的主要公路承包商已将铁尾矿广泛应用于公路基层、底基层以及沥青混合料的铺筑。其中，沥青路面（包括Superpave混合料）混合料的骨料几乎100%使用铁尾矿。大量实践表明，采用铁尾矿碎石配制的沥青混合料具有优良的体积可控性，尤其是对空隙率的控制。90年代末，明尼苏达州全长18mile的2号公路，首次采用Superpave技术铺筑，即采用了联合矿业（UnitedTaconite）提供的铁尾矿。在此期间，铁尾矿碎石被广泛应用与53号、169号、37号公路抗磨层混合料的配制。此外，铁尾矿还被用于铁路路基的铺筑。1995～1996年，在53号公路北部6.4mile及南部7mile铺筑了铁尾矿渗水性沥青基层试验路段。21世纪以来，铁尾矿又被用于明尼苏达州各大城市的新建工程及改扩建工程。几乎所有的改建工程采用的沥青混合料，都采用了铁尾矿。169号公路矿山至奇瑟姆市路段排水沟饱受混凝土抗冻性差的困扰，因此在2002年的修复工程中，全部采用尾矿碎石重新铺筑。德卢斯市53号公路盘山路段也于2003～2005年进行修建，采用火车将铁尾矿从矿山运至施工现场，应用于底基层、路基、排水沟、挡土墙的建设。2003年，弗吉尼亚第9大道的重建工程中，采用铁尾矿碎石作为沥青路面的底基层和路基材料；2006年，弗吉尼亚第2大道和第6大道的重建工程中，采用铁尾矿碎石作为混凝土路面的基层材料。2004～2005年，北弗吉尼亚修筑53号公路与169号公路立交枢纽过程中，采用了大量的铁尾矿，据统计，整个工程用于铺筑路基、底基层的铁尾矿碎石使用量超过182万t。2004年和2008年，明尼苏达运输部与矿产资源部合作开展了铁尾矿应用于沥青及混凝土混合料的评估工作，该项目在低交通量公路铺筑了两条试验路段。同时，运输部又与明尼苏达德鲁斯大学矿产资源研究中心合作开展了对上述试验路段的监测工作，目的在于评估铁尾矿在铁路工程中应用的可能性。监测的内容包括路面车辙、断裂情况、裂缝扩展情况、摩擦性能、行车舒适性等[8]。此外，2003年，铁尾矿碎石还被用于布雷纳德国际汽车拉力赛（BrainerdInternationalRaceway）赛道的修建。由于较高的密度和良好的耐久性，赛道出发台采用沥青铁尾矿碎石混合料铺筑，该赛季即有两项世界纪录被打破。由于铁尾矿在BIR赛道表现出的良好性能，印第安纳波利斯和佛罗里达的赛道均对此表现出浓厚兴趣，但由于混合料配合比设计的不合理，因此铺设的铁尾矿赛道相继出现问题并重新更换。据统计[10]，明尼苏达州采用铁尾矿铺筑的公路工程超过400项，总长度超过1120mile，由于良好的耐久性及抗裂性，将其与Superpave技术结合使用，可有效提高沥青路面的性能。
2铁尾矿在我国道路工程中的应用
与国外的研究相比，我国在尾矿路用性能方面的研究开展较晚，系统性不够强，研究多以实验室内性能测试为主，而铺筑的路面也以试验路段为主。通常，路基填料要求土体颗粒之间摩擦系数大、不易压缩、透水性好、强度受水影响小、压实后可获得足够的强度和稳定性。水泥稳定土和二灰稳定土在公路基层中具有广泛的应用。其中，水泥稳定碎石基层常需使用大量的碎石填料，而尾矿碎石与碎石集料具有良好的相似性，因此可采用铁尾矿碎石、尾矿砂代替碎石集料配制水泥（二灰）稳定矿料混合料。20世纪90年代，马鞍山矿山研究院和东北大学共同开展了尾矿砂用于路面材料的研究，并于1991年3月通过冶金部鉴定。该研究通过尾矿砂与其他配料（河砂、粉煤灰、石、粘土、固化剂）的混合搭配铺设于一级公路慢车道上，经过碾压及一定龄期的路面养护，达到国家公路路面基层材料标准。其试验所用尾矿主要矿物组成包括TFe、SiO2、CaO等，粒径范围0.01～0.175mm，混合料中，尾矿砂的掺量达到30～40%。试验结果表明，实际弯沉值较小，达到试验预期目的[11]。河北野兴公路为平原微丘区二级公路，路基宽9～12m，路面宽8.4m。施工中设置了尾矿砂工程应用试验段[12]，采用石灰、粉煤灰稳定铁尾矿砂铺设18cm路面基层试验段。试验结果表明，施工中结构成型过程正常、无松散，无沉降现象，而经过几年的通车检验和现场勘查，铁尾矿砂基层路面整体状况良好，路面无车辙、拥包等病害，部分路段出现少许裂缝。河北省平青乐线全长39.083km，为二级公路，路面宽11.4m，其改建工程采用水泥稳定尾矿砂碎石集料基层，尾矿砂掺量39.7%，水泥掺量5.0%，7d钻芯样无侧限抗压强度4.5MPa，符合设计要求。大连理工大学杨青[13]等人研究了铁尾矿砂在公路基层中应用，试验尾矿砂取自辽宁朝阳，粒径范围在0.3～0.6mm之间约44%（质量分数），粒径在0.15～0.3mm之间约26%，细度模数1.63，尾矿主要化学组成包括SiO2、Fe2O3、Al2O3等。其研究结果表明，通过复掺水泥或者石灰均可满足低等级公路基层的要求，在满足7d龄期强度的前提下，石灰稳定尾矿砂的方案后期强度增长明显，劈裂强度均大于石灰稳定粘土，抗干缩变形能力也优于石灰稳定粘土；水泥稳定尾矿砂水稳性较差，明显弱于石灰水泥同时稳定尾矿砂的水稳性能。苏更[14]对首钢矿业公司迁安市铁尾矿料进行试验分析，并在二级旅游公路路面基层中进行应用。工程采用水泥稳定碎石，尾矿碎石粒径4.75～31.5mm，尾矿砂粒径0.075～1.18mm，水泥：集料=5：100，尾矿碎石：尾矿砂=72：28。混合料基层铺筑达到养生期后，进行现场检测和钻芯取样试验，各项结果均满足基层施工规范要求，其中7d强度均值3.52MPa，最高5.20MPa，最低3.43MPa。刘炳华[15]等人对尾矿砂填筑公路路基的物理力学性质及参数进行了研究，作者认为，尾矿砂级配比较均匀，粒度较细，主要分布于0.1~0.6mm范围内，细度模数通常较小（常小于1.5），属于特细砂。从粉煤灰路基的施工经验看，尾矿砂中粘粒含量太少，施工中需要在尾矿砂中添加粘土进行混合料配制，目的是为了增加细颗粒与粘粒含量，便于施工过程中的压实，且不会造成环境污染。掺土掺量为15%时，适宜作为路基填料且具有足够的稳定性；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强度（CBR）要求为8%，因此当尾矿砂的承载比无法完全满足要求时，需在上路床材料中采用强度较高的粘土质材料，工艺上则需分层铺筑，均匀压实。孙吉书[16]等人基于《公路无机结合料稳定材料试验规程》，对石灰粉煤灰稳定铁尾矿碎石的路用性能开展了研究，作者研究了石灰粉煤灰稳定铁尾矿碎石混合料的强度、弹性模量、抗冻性能、水稳定性等路用技术指标。试验采用的铁尾矿碎石由粗尾矿（4.75~9.5mm）及细尾矿（0.075~4.75mm）组成。结果表明，石灰粉煤灰稳定铁尾矿碎石具有较高的强度、刚度和良好的水稳定性、抗冻性能；当石灰：粉煤灰：铁尾矿碎石＝9：18：73时，混合料满足《规范》对各种交通条件下基层材料的强度要求，当二灰比例为18%~27%时，混合料可作为各级公路的底基层材料，以及轻交通沥青路面的基层材料。张晓辉等人[17]开展了水泥稳定铁尾矿砂的力学特性研究，试验采用鞍钢集团弓长岭矿区高硅型铁尾矿砂，细度模数1.12。结果表明，水泥掺量12~18%时，水泥稳定铁尾矿砂具有稳定的力学性能，7d、28d、90d强度的对比表明，水泥稳定铁尾矿砂的强度比水泥稳定土高出4～6倍，其荷载变形及抗冻融循环特性与相同条件下水泥砂浆特性相似，因而比较适合北方气候环境下的道路工程。此外，水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、耐久性好等特点，是我国大量采用的两种主要路面之一。而混凝土的配制常需要消耗大量的河砂，因此，若能将铁尾矿砂用于混凝土中并代替河砂及人工砂，将对缓解我国建筑材料资源短缺的局面具有重要意义。2006年，鞍钢集团矿业设计院和鞍钢建设公司预制厂开展了铁尾矿砂代替河砂用于混凝土配制试验。试验中水泥：碎石：铁尾矿砂：水＝1：2.82：1.26：0.45，经过28d标准养护，混凝土强度可达35MPa。河北理工大学蔡基伟[18]等人在对铁尾矿基本性质研究的基础之上，利用铁尾矿砂完全取代天然砂，研究铁尾矿砂混凝土的工作性与强度特点，通过矿物掺合料的加入对铁尾矿砂混凝土配合比进行优化设计，成功配制出强度和工作性能均满足要求的C70以下铁尾矿砂混凝土。其细集料采用迁安尾矿砂，细度模数2.5，粗集料为迁安铁尾矿碎石，级配属于10~20mm单粒级。
3铁尾矿在道路工程中应用的可行性分析
3.1铁尾矿在道路工程中应用的优势
国内外的大量研究及工程实践表明，与普通公路相比，采用铁尾矿铺筑的公路具有如下优点：(1)良好的抗车辙性能；(2)应用于路面层的铺筑时，具有优异的摩擦性能，提高了行车安全性和舒适性；(3)优异的耐久性、抗断裂及裂纹扩展性能；(4)优秀的水稳定性能。将铁尾矿应用于道路工程填料、基层、底基层的铺筑，均可降低道路建筑成本，同时，由于对库存压力的缓解，还间接地降低了钢铁企业的生产成本。重要的是，将铁尾矿应用于道路工程，减轻了固体废弃物对生态环境的污染，减少对土地资源的占用、减轻对库区下游人民生命财产的危害，具有重要的社会效益和环境效益。
3.2铁尾矿在道路工程中应用的可行性分析
从铁尾矿的化学组成上看，铁尾矿是一种复合矿物原料，根据铁矿产地和选矿工艺的不同，尾矿各组分及其含量有所差异。其化学成分主要包括SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO等，此外还含有少量K2O，Na2O以及S，P等元素。而其中以SiO2和Al2O3含量较高，这与很多建筑材料十分相似，例如粉煤灰、砂石、粘土等。因此，从理论上只需掺加少量其他原料并进行适当调配，即可将其应用于无机稳定胶结料和水泥混凝土的配制。从铁尾矿的物理性能上看，由于铁尾矿中铁相矿物组成含量较高，因此其比重比天然砂石骨料稍高；铁尾矿砂中含有的细粉含量多为石粉，质地较为坚固，因此有利于混凝土的力学性能和耐久性能。此外，适当的石粉含量还有利于新拌混凝土的和易性与保水性；从坚固性指标上看，铁尾矿压碎值一般低于填砂砂石的压碎值，意味着铁尾矿的坚固性优于天然砂石。铁尾矿一般颗粒形状不规则，多棱角，颗粒表面粗糙，因此颗粒之间的机械锁结作用较强，摩擦阻力大，有利于与胶结料化学反应产物的粘结以及胶结混合料体系的稳定。从铁尾矿混合料强度形成机理上看，在二灰稳定铁尾矿混合料中，二灰体系通过离子交换、火山灰作用、结晶与碳酸化作用，逐渐形成具有一定胶结能力和空间网格结构的胶凝物质。这些凝胶的存在可以将颗粒胶结起来，使其具有一定的强度和水稳定性。而从铁尾矿化学组分上看，既无阻碍二灰体系刚度形成的组分，又无影响化学反应平衡的条件。且由于较为粗糙的颗粒表面，反而更易于与凝胶的粘结。
4结语
国内外的大量工程实践表明，铁尾矿应用于道路工程建设，在带来经济效益的同时，还有良好的社会效益和环境效益。当下我国交通基础设施飞速发展，天然砂石资源日趋紧张，而同时铁尾矿的堆存和对环境的污染也极其严重。将铁尾矿应用于道路工程的建设，既缓解了天然砂石资源的匮乏，又保护了生态环境，同时还降低了钢铁企业的生产成本和道路工程造价，可谓一举多得。我国在铁尾矿应用于道路工程的研究方面取得了一定的成果，但与国外发达国家相比仍然具有较大的差距。要实现铁尾矿在道路工程中的大规模应用，我国研究工作者还需奋起直追，并采取如下几个方面的措施进行推动：①政策方面，政府部门在方针、法律、法规、税收方向的引导还需加强，通过政府导向，使各大高校和科研院所能以此为重点攻关项目；②意识方面：各相关单位需充分意识到铁尾矿在道路工程应用中的发展前景，针对铁尾矿自身的组成特点和分布特点，“因地制宜”将其应用于不同地区、不同类型的路面结构；③技术方面：需对铁尾矿资源及其应用进行系统的基础分析，为铁尾矿资源在道路工程中的应用提供数据支撑；④评价方面：对铁尾矿资源在道路工程中的应用，从社会效益、经济效益、环境效益进行综合分析。
作者：王晶 单位：内蒙古自治区环境科学研究院