刘 莹

(湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南 长沙 410007)

0 引言

随着我国社会经济的快速增长和工业化水平的不断提高，相关行业对镍的需求量逐渐增加，镍矿渣排放量也逐年增多。中国作为世界上镍资源消耗最大的国家，每生产1 t镍即可产生6～16 t镍矿渣[1]，而目前镍矿渣资源化利用水平仍较低，大量镍矿渣露天堆放或作填埋处理，不但占用了大量土地，且对环境造成了严重污染。为此，镍矿渣的有效处置和高效利用问题已迫在眉睫。

目前国内镍矿渣资源的综合利用主要是作为井下填充材料、建筑装饰材料等非金属资源的处理以及有价金属的回收再利用[2]，而镍矿渣在道路工程中应用相对较少，仅有部分文献进行了相关报道，并将其运用于路基(地基)、水泥混凝土等[3-8]。但上述研究中由于镍矿渣来源、成分的多样性，相关室内试验及实体工程运用呈现明显的局限性。本文拟以某厂镍矿渣为原材料对其进行综合分析，探究其运用于路面基层的可行性，为镍矿渣的综合运用提供借鉴与参考。

1 原材料

1.1 镍矿渣

对镍矿渣进行原材料试验分析，其密度试验结果见表1。表1数据显示，就表观相对密度而言，镍矿渣已符合沥青混合料用细集料密度要求(表观相对密度≥2.5 g/cm3)，且吸水率相对较小，满足基层及以下结构层用细集料基本要求。

表1 镍矿渣密度试验结果表

采用干筛法，对镍矿渣颗粒级配进行初步分析，结果如表2所示。镍矿渣颗粒级配分析表明，该镍矿渣属于Ⅰ区粗砂。

表2 镍矿渣颗粒级配初步分析表

为分析镍矿渣对水泥稳定碎石基层混合料性能的影响，另取镍矿渣试样进行水洗法细集料筛分试验。结合其级配通过率(表3)分析表明，该镍矿渣符合《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)(以下简称《基层细则》)中0～5 mm档细集料(XG3)规格要求。同时可以看到，镍矿渣0.075 mm通过率较常规机制砂或石屑小(一般为10%左右)，这可能是由于镍矿渣长期露天堆放，细小粉尘颗粒因雨水、风力等自然作用沉积所致。

表3 镍矿渣级配分析表

1.2 其他原材料

水泥及粗、细集料检测指标如表4和表5所示。

表5 粗、细集料检测结果及技术指标一览表

2 配合比设计

为研究镍矿渣对级配碎石和水泥稳定碎石性能的影响，首先选取合适级配，然后采用不同掺量镍矿渣代替0～5 mm规格细集料，通过研究水稳混合料性能变化规律，为镍矿渣在水稳基层中的应用提供参考。依据《基层细则》中常用C-B-3级配范围进行配合比设计，然后采用三种不同镍矿渣掺量水平(0、5%、10%)对细集料进行替换，各混合料设计合成级配如表6所示。

从表6的合成级配可以看出，替换前后三种合成级配均符合规范设计要求，且关键筛孔通过率差别较小，如0.075 mm通过率在掺加10%镍矿渣后，与未掺加相比仅相差0.8%。因此，可认为掺入镍矿渣对级配而言影响较小。

表6 水稳混合料合成级配表

3 镍矿渣对击实试验参数影响

击实试验作为水泥稳定碎石基层混合料施工的重要参数，对混合料性能具有重要影响。为研究镍矿渣对击实试验参数的影响，采用上述三种级配，使用3.5%水泥剂量，采用重型击实试验研究镍矿渣掺入对最佳含水率及最大干密度的影响。试验结果如表7和图1所示。

表7 不同掺量镍矿渣对最佳含水率及最大干密度的影响试验结果表

图1 最佳含水率及最大干密度随镍矿渣掺量变化曲线图

分析表7和图1可知：随着镍矿渣加入，击实试验结果呈现明显线性规律，最佳含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大。这可能是由于：(1)相较于0～5 mm规格细集料，镍矿渣级配相对偏粗，且0.075 mm通过率较小，导致混合料整体饱水性能降低，故最佳含水率逐渐降低；(2)相关研究表明，大部分矿渣均具有一定活性，一定条件下可作为结合料使用[9]，而结合料含量增加，在一定程度上会导致最大干密度增大。

4 镍矿渣对强度影响

4.1 延迟时间对强度影响

水泥加水拌和后，起初形成具有一定流动性和塑性的浆体，然后很快变稠失去可塑性，但尚不具有机械强度，这个过程称为水泥的凝结。凝结是水泥浆体从可塑性变成非可塑性，并形成极低强度的过程。在此时进行碾压，混合料的强度及稳定性主要取决于矿料级配的嵌剂作用，随后混合料产生明显的强度并逐渐发展成坚硬的石状水泥石，这一过程称为水泥的硬化。硬化是浆体强度逐渐提高并抵抗外来作用力的过程。

就室内试验而言，延迟时间是指水稳混合料从加水拌和到室内击实或振动压实成型所用的全部时间；而实际生产中，延迟时间是指水稳混合料从加水拌和起至混合料碾压结束所经历的全部时间。延迟时间对混合料强度和密度具有较大影响，一般延迟时间越长，混合料的强度和密度损失越大[10]。当延迟时间超过一定范围后，下层混合料的强度和密度将无法满足设计要求。因此，通过在不同延迟时间下进行混合料性能试验，确定合适的容许延迟时间，对实际生产具有重要指导意义。虽然《基层细则》明确要求水稳基层生产配合比设计必须进行水泥稳定材料容许延迟时间的确定，但具体采用何种试验方式和控制指标并未有明确要求。

本节旨在研究不同镍矿渣掺量水平下，延迟时间对混合料强度的影响，为后期镍矿渣水稳基层实体生产提供借鉴。选取上述三种合成级配成型水稳试件，每组13个试件，计算其强度最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数以及强度代表值等参数。不掺镍矿渣级配的强度试验结果如表8和图2所示。

表8 不掺镍矿渣混合料在不同延迟时间下的强度试验结果表

图2 无侧限抗压强度代表值随延迟时间变化曲线图

由无侧限抗压强度代表值变化趋势可知：

(1)总体而言，无侧限抗压强度随着延迟时间的增加呈现明显下降趋势。这是由于水泥自加水拌和开始即逐步进行水化反应，随着延迟时间增大，水化逐渐充分，待结合料进行一定水化反应后再次击实成型必然导致水化凝结产物重新组合，破坏原有整体性，导致无侧限抗压强度逐渐降低。在延迟时间为6 h时，无侧限抗压强度代表值略有增大，主要是由于此时变异系数相对较小，而试件无侧限抗压强度平均值仍在下降，因此总体而言，可认为无侧限抗压强度随延迟时间增加而下降。

(2)延迟时间达到4 h后，无侧限抗压强度变化较为缓慢，表明水稳集料整体性发挥主要作用，而水泥水化反应已达到一定程度，在此时间之后成型或施工将不能完全发挥水泥作为结合料的凝结效率。

(3)关于容许延迟时间确定方法，目前没有明确规定。有研究者认为可以无侧限抗压强度最小值进行确定，但该方式存在一定弊端。如当水泥剂量较大导致无侧限抗压强度较高时，即使该强度随着延迟时间逐渐减小，但其仍能满足最小强度要求，而此时水泥已进行了较为充分的水化反应。容许延迟时间应结合水泥水化反应过程及要求对无侧限抗压强度最小值进行综合确定，即取强度变化曲线拐点对应延迟时间与要求最小强度对应延迟时间较大者为容许延迟时间。结合图2综合分析可知，无侧限抗压强度曲线变化拐点对应延迟时间为4 h，若以《基层细则》要求高速公路及一级公路重交通基层强度为4.0～6.0 MPa下限值控制，容许延迟时间>6 h，则可综合判定容许延迟时间为4 h。

(4)对不同延迟时间下无侧限抗压强度变异系数统计可知，该系数呈现明显下降趋势(见图3)。变异系数的下降，表明随着延迟时间增加，水泥水化产物逐渐增多，在混合料中分布量及分布均匀性增强。但另一方面也表明，混合料成型均匀性仍有提高空间，这也是振动压实成型试件变异系数较重型击实成型变异系数小的原因。基于此，就实际生产而言，建议优先采用双搅拌缸或振动搅拌工艺，并优先采用此工艺生产混合料进行生产配合比验证工作。

图3 变异系数代表值随延迟时间变化曲线图

4.2 镍矿渣掺量对强度影响

为研究镍矿渣掺入对水泥稳定碎石混合料的强度影响，对不同镍矿渣掺量混合料在不同延迟时间下的强度试验结果汇总见表9和图4。

表9 镍矿渣掺量对无侧限抗压强度代表值影响试验结果表

图4 不同镍矿渣掺量下的水稳混合料无侧限抗压强度随延迟时间变化曲线图

分析表9和图4可知：

(1)总体而言，随着水化作用逐渐进行，不同镍矿渣掺量下，随着延迟时间增加，混合料无侧限抗压强度均呈现下降趋势，这与前述分析结论一致。

(2)总体而言，镍矿渣加入后混合料无侧限抗压强度呈现增长趋势，且掺量越高强度越大。表明镍矿渣的活性成分增强了混合料中结合料的含量，即镍矿渣的掺入对水稳基层强度具有有利影响。

(3)根据以上容许延迟时间确定方法可知，5%、10%镍矿渣掺量混合料容许延迟时间均>6 h，表明随着镍矿渣掺入，可以有效提高混合料容许延迟时间，对实际施工过程具有较好影响。

5 结语

(1)镍矿渣级配符合《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中0～5 mm规格集料要求，但由于镍矿渣长期露天堆放，细小粉尘颗粒因雨水、风力等自然作用出现沉积，导致镍矿渣0.075 mm通过率远小于常规石屑及机制砂。

(2)随着镍矿渣加入，击实试验结果呈现明显线性规律，最佳含水率逐渐减小，最大干密度逐渐增大。镍矿渣的活性成分增加了混合料中结合料的含量，对水稳基层强度具有有利影响。

(3)容许延迟时间应结合水泥水化反应过程及要求无侧限抗压强度最小值进行综合确定，即取强度变化曲线拐点对应延迟时间与要求最小强度对应延迟时间较大者为容许延迟时间。实际生产时，建议优先采用双搅拌缸或振动搅拌工艺，并优先采用此工艺生产混合料进行生产配合比验证工作。