CN104152148B - 新型土壤固化剂稳定铁尾矿制备路面基层材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型土壤固化剂稳定铁尾矿制备路面基层材料的方法。通过将泰然生物酶土壤固化剂用水稀释10‑100倍，加入稀释液质量5‑10％的固体CaCl2以及5‑10％的酸化水玻璃在微波加热到30‑50℃下反应20‑60min进行混合改性得到本发明新型土壤固化剂。该新型土壤固化剂可用于稳定铁尾矿制备路面基层材料，方法为将水泥、碎石、铁尾矿与新型土壤固化剂按质量比5:30:68:2混匀得到无机结合料，再添加1.5kg/m3的聚丙烯纤维混匀得到路面基层材料。本发明的路面基层材料的技术指标均达到国家标准要求，且铁尾矿利用率高，解决了铁尾矿大量堆存以及路面砂石材料开采带来的环境问题，带来了经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及铁尾矿的利用及公路建设，具体涉及一种新型土壤固化剂稳定铁尾矿制备路面基层材料的方法。
背景技术
近三十年来，我国在经济建设领域取得了巨大的成就，但伴之而来的是各类资源的大量消耗、固体废弃物以及废水废气大量的排放，这些都对我国本已非常脆弱的生态环境构成了巨大的威胁。以铁尾矿为例，铁尾矿是指铁矿选矿厂在特定的工艺流程下，将铁矿原矿石破碎、磨细，进而选取其中有价金属铁元素之后剩余的固体废弃物，与铁精矿相对应。根据《中国环境统计年鉴——2011》报道，我国铁矿采选行业2010年共计产生工业固体废物量达31968.87万吨，而得到综合利用的仅有6657.94万吨，综合利用率只有20.83％。据统计，全国堆存的铁尾矿已达十几亿吨，而且每年以四千万吨以上增加。目前，我国大量没有得到综合利用的铁尾矿主要处理方式是堆存。这不仅迫使企业修筑尾矿库，承担高昂的基建成本，而且占用了宝贵的土地资源。因此，寻求一种将铁尾矿资源化利用的方式方法迫在眉睫。
另一方面，中国公路建设正在经历一个快速发展的阶段。截止到2010年，全国公路总里程已达3.86×106km，相比2009年增加了1.31×105km。而且，由于我国筑路技术、筑路材料并不先进，超载现象严重，每年毁损、需要重新铺筑的道路也有许多。大规模的公路建设固然对我国经济建设起到极为有效的推动作用，但是每年巨大的河砂与土石方消耗量使得一些河砂与碎石的原材料产地环境急剧恶化，出现了过量的开山碎石、盗采河砂现象，对当地生态平衡破坏巨大。在公路工程中，路基工程所消耗的建筑材料数量最为突出。若能找到合适的方法，将铁尾矿应用于路基工程中，既可以减少传统建筑材料如河砂、碎石的开采量，又可以消耗大量的铁尾矿，使铁尾矿变废为宝，有着极为显著的环境与经济双重效益。
路面基层材料为路面结构组成中非常关键的层位，其作用是承担由位于上层的面层传导下来的车辆、行人等具有重力效应的荷载垂直力，然后将此垂直力扩撒至基层下面的垫层或底基层。因此，基层材料的强度必须要保证在一定的荷载垂直力下不会产生剪切破坏、弯拉破坏以及残余变形。在人类漫长的对路面基层材料的探索与应用中，按力学性能区分产生了柔性基层材料、半刚性基层材料、刚性基层材料三大类。
目前，关于铁尾矿用于路面基层材料的研究很少，且都仅限于实验室阶段或者用于低等级公路路面材料。如期刊《交通科技》第232期《铁矿尾矿砂在公路基层中的应用研究》(作者杨青等)中利用铁尾矿砂加入适当的石灰和水泥均能满足低等级公路基层强度要求；期刊《低温建筑技术》2014年第1期《铁尾矿在道路中的应用研究》(作者徐帅)中在铁尾矿砂中加入石灰，当石灰掺人量达30％以上可以满足二级或二级以下道路基层要求。目前，还没有关于铁尾矿用于高等级公路路基材料的信息报道。
专利CN102992713A(2013.03.27公布)公开了一种水泥与土壤固化剂综合稳定铁尾矿砂砾路面基层的方法，解决了铁尾矿带来的环境污染和砂石材料紧缺的问题。其中，路面基层材料中各原料配比为水泥:铁尾矿砂:砂砾:固化剂＝4:48:48:0.02，铁尾矿含量约48％，其利用率不高。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种新型土壤固化剂以及使用该新型土壤固化剂稳定铁尾矿制备路面基层材料的方法。本发明可以大规模的利用固体废弃物铁尾矿，同时基层材料的各项技术指标达到国家标准要求，解决了铁尾矿大量堆存以及路面砂石材料开采带来的环境问题，带来了经济效益。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种新型土壤固化剂通过包含如下步骤的方法制备得到：首先对泰然生物酶土壤固化剂用水进行稀释10-100倍，然后加入稀释液质量5-10％的固体CaCl2以及5-10％的酸化水玻璃在微波加热到30-50℃下反应20-60min进行混合改性，最后得到新型土壤固化剂。
所述的酸化水玻璃优选为水玻璃和20％稀硫酸按质量比1:1配制成。
泰然生物酶土壤固化剂，是美国NaturePlus,Inc.生产的一种透明棕褐色液态复合酶制品，属于生物酶类土壤固化剂，该类土壤酶由植物发酵而成，以溶解状态掺入土中，使土体密实。在它的作用下，土壤中原有的物理、化学及结构变化的趋势和速度，将发生巨大的改变。从而修正了泥土微观层次的许多不利的结构与理化特性，经过适当的级配，达到道路要求的工程性能。
所述的新型土壤固化剂是一种褐黑色透明液体，极易溶于水，密度约为1.01-1.09g/cm3，pH值为4.4-5.4之间，呈弱酸性。物理参数如下：类型：酸性有机物；状态：液态(常温)；硫酸含量：>0.5％；CaCl2含量：5-10％；沸点：大于150℃；pH值：4.4-5.4；密度：1.01-1.09g/cm3；；可溶性：完全溶于水；蒸汽压：0.176pa；形态气味：棕黑色、不透明、粘状液体，具有微弱酸气味。
所述的新型土壤固化剂是一种表面活性剂，在水的帮助下，可以减少集合料颗粒之间存在的膜，从而消除集合料颗粒之间的无效空间，缩小集合料颗粒之间的间距，压缩了颗粒之间可膨胀的空间，使集合料变得更密实。而且，新型土壤固化剂还减弱了集合料颗粒之间对抗摩擦力，这样既增加了土壤的密度，也增加了集合料的承载能力，获得较大的密实度。这个作用加强了集合料之间的内部凝聚力，使得集合料颗粒之间紧密结合，减少了水分的渗透。
本发明的新型土壤固化剂是一种生物固化剂，是一种高浓缩的酸性有机溶液。具有很强的氧化、溶解能力，并含有多种天然分散剂成分的化合物。可将矿砂中的矿物质和土壤分子分解，使其重新结晶形成金属盐，产生新的化学键，产生胶凝结构。新型土壤固化剂在浓缩状态下无挥发性，不燃烧，有微弱刺激酸味。液体呈棕黑色，稀释后无任何危害，对生态无破坏、对环保无影响。
所述的新型土壤固化剂可用于稳定铁尾矿制备路面基层材料。
一种路面基层材料，其原料包括水泥、碎石、铁尾矿、上述新型土壤固化剂和聚丙烯纤维，其中，水泥、碎石、铁尾矿与新型土壤固化剂的质量比为5:30:68:2，聚丙烯纤维的用量为1.5kg/m3。所述的铁尾矿粒度为0.074mm以下的粒级大于7％。
使用上述新型土壤固化剂稳定铁尾矿制备路面基层材料的方法，包括如下步骤：将水泥、碎石、铁尾矿与新型土壤固化剂按质量比5:30:68:2混匀得到无机结合料，再添加1.5kg/m3的聚丙烯纤维混匀得到路面基层材料。所述的无机结合料的干密度为1.98g/cm3，含水量为9.8％。
以上述新型土壤固化剂和水泥作为铁尾矿的稳定剂，将天然砂与铁尾矿混合制备路面基层材料。天然砂、铁尾矿与上述新型土壤固化剂和水泥一起形成复合固结材料，经机械压实作用、新型土壤固化剂和水泥作用下，材料遇水发生化学反应，进而生产具有胶结作用的产物，提高了基层的整体固化稳定化效果。在无机结合料中加入聚丙烯纤维，又进一步提高了路面基层材料的劈裂抗拉强度。使用该路面基层材料施工结束后路面要洒水养护6-15天以使胶结反应充分进行。
本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：
本发明将新型土壤固化剂、铁尾矿、路面基层材料三者原本孤立的事物有机的结合起来，具有非常重大的意义。
本发明使用新型土壤固化剂稳定铁尾矿制备路面基层材料，铁尾矿含量约68％，实现了铁尾矿的大宗应用。通过添加聚丙烯纤维，可以提高基层材料的劈裂抗拉强度，提高了其使用寿命、优化了其性能。
本发明使用新型土壤固化剂稳定铁尾矿制备的路面基层材料可以满足国标规定的高速公路及一级公路道路使用标准，为铁尾矿用作高等级公路路基材料提供了试验依据。本发明将新型土壤固化剂固化筑路技术推广至高等级道路如高速公路、一级公路上来，扩大新型土壤固化剂的应用范围，推广“环境友好型”筑路技术。
由于本发明的路面基层材料铁尾含量高，可以大量的消化已堆存的铁尾矿，真正实现铁尾矿的资源化、无害化，提高我国铁尾矿的综合利用率；使现存的铁尾矿库腾出库容，从而降低溃坝的风险、减少对周边环境的污染和避免建设新的尾矿库，节约土地。同时降低了传统建筑材料的用量，可减少河砂与土石方的开采量，避免对土地与环境的进一步破坏。使用本发明的方法制备路面基层材料降低了现有公路修筑的成本，使我国经济欠发达地区早日实现现代公路的普及。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述。应理解，下面的实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1新型土壤固化剂的制备
首先对泰然生物酶土壤固化剂用水进行稀释100倍，然后加入稀释液质量的10％的CaCl2以及8％的酸化水玻璃(酸化水玻璃配制：将工业水玻璃和20％稀硫酸按质量比1:1进行混合)，将混合液体放入微波反应器，微波加热在30℃条件下反应30分钟，取出混合液冷却至室温，得到新型土壤固化剂。
实施例2
本发明制备路面基层材料的方法参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》和《公路工程集料实验规程》中试验方法进行粒度分析试验、标准击实实验、无侧限抗压强度实验和弯拉强度实验等。
在固定水泥用量5份、碎石掺量30份、铁尾矿(粒度为0.074mm以下的粒级大于7％)用量68份的基础上，新型土壤固化剂用量分别为0.2份、0.8份、1.2份、1.8份、2.0份，进行无侧限抗压强度试验，上述份数均为质量份。所得结果见下表：
| 固化剂用量(份) | 0.2 | 0.8 | 1.2 | 1.8 | 2.0 |
| 7天无侧限抗压强度(MPa) | 3.5 | 3.64 | 3.86 | 4.0 | 4.24 |
新型土壤固化剂的加入极大地提高了试件的无侧限抗压强度。当新型土壤固化剂用量为2.0份时组成的路面基层混合料的无侧限抗压强度达到4.24MPa，满足《公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG057-2009)》的要求(3-5MPa)，新型土壤固化剂掺量超过2.0份时，无侧限抗压强度增加不太显著，综合考虑经济与技术等因素确定新型土壤固化剂的最佳用量为2.0份，得到混合料的最优配比为水泥、碎石、铁尾矿与新型土壤固化剂的质量比为5:30:68:2。
在固定水泥、碎石、铁尾矿与新型土壤固化剂的质量比为5:30:68:2的条件下进行标准击实实验，得出该配合比的最佳含水率和最大干密度分别为9.8％、1.98g/cm3，按此配比进行无侧限抗压强度实验，得到7天抗压强度可达到4.24MPa，满足国标中规定的高速公路及一级公路的强度要求。
在最优配比下，进行掺加聚丙烯纤维试验。
固定试件配比为水泥:碎石:铁尾矿:新型土壤固化剂＝5:30:68:2，聚丙烯纤维掺量分别为0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3，养护90d，养护期最后一天试件浸水24h，然后测量其劈裂抗拉强度。得出少量的聚丙烯纤维的掺入对集料的劈裂抗拉强度提高并不明显。当纤维用量超过0.9kg/m3时，劈裂抗拉强度开始随之显著增加，且当纤维用量为1.5kg/m3时，试件的劈裂抗拉强度可达到0.396MPa，比未加入聚丙烯纤维的试件劈裂抗拉强度高34％，提升效果相当明显。之后当纤维用量为1.8kg/m3时，劈裂抗拉强度开始降低。
抗冲刷实验的试件采用静压成型法制成Ф50×h50mm的圆柱形试件。固定试件配比为水泥:碎石:铁尾矿:新型土壤固化剂＝5:30:68:2，聚丙烯纤维掺量分别为0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3，试件的质量损失比基本与试件的冲刷率趋势保持一致，即随着纤维掺量的增加冲刷率与质量损失比下降，当纤维掺量为1.5kg/m3时，试件的冲刷率降至最低，为0.139g/min，质量损失比为1.92％；当纤维掺量继续增加时，试件的冲刷率与质量损失比开始上升。这说明一定掺量的聚丙烯纤维由于其在集料内部的不定向分布，对因冲刷作用而即将脱离的集料有一定的搭接与粘结作用；纤维掺量的增加也随之增加了纤维在试件内部重合的可能性，所产生的叠加甚至起团现象导致纤维伸展方向性下降，反而造成集料局部的不密实，使得抗冲刷性能降低。
故最后得到聚丙烯纤维最优用量为1.5kg/m3。
Claims (4)
1.一种路面基层材料，其特征在于：原料包括水泥、碎石、铁尾矿、新型土壤固化剂和聚丙烯纤维，其中，水泥、碎石、铁尾矿与新型土壤固化剂的质量比为5:30:68:2，聚丙烯纤维的用量为1.5kg/m3；
所述新型土壤固化剂通过下述步骤制备：
首先对泰然生物酶土壤固化剂用水稀释10-100倍，然后加入稀释液质量5-10％的固体CaCl2 以及 5-10％的酸化水玻璃在微波加热到 30-50℃下反应 20-60min 进行混合改性得到新型土壤固化剂；所述的酸化水玻璃为水玻璃和 20％稀硫酸按质量比 1:1 配制成。
2.根据权利要求 1所述的路面基层材料，其特征在于：所述的铁尾矿粒度为 0.074mm以下的粒级大于7％。
3.一种制备权利要求 1 或 2 所述路面基层材料的方法，其特征在于包括如下步骤：将水泥、碎石、铁尾矿与新型土壤固化剂按质量比5:30:68:2混匀得到无机结合料，再添加1.5kg/m3的聚丙烯纤维混匀得到路面基层材料。
4.根据权利要求 3 所述的方法，其特征在于：所述的无机结合料的干密度为1.98g/cm3，含水量为 9.8％。
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