CN105837065A - 一种固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，将钢渣磨细后进行湿式磁选处理，分离出磁性矿物和非磁性矿物，其中磁性矿物进行回收利用，非磁性矿物则进入尾矿池滤水后，得到次生钢渣，再将次生钢渣和凹凸棒土集中拌和，制得改性的环保钢渣；然后将环保钢渣与消石灰、土拌和，再加水，充分拌和，制备得到路基改性土；最后将路基改性土分层摊铺并碾压。采用本发明的方法得到的一种新型水硬性胶凝材料，可用于改性路用土，用作路基填料，既能满足路基填料的强度要求，又能做到环保的功效，是一项绿色发明。

Description

一种固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法
技术领域
本发明涉及一种钢渣、凹凸棒土处治路基土的方法，可应用于道路工程的路基。
背景技术
钢铁工业曾是世界工业化进程中最具成长性的产业之一，在过去的百十年里，钢铁工业得到了快速发展，无论在产值、产品结构，还是在工业技术方面都有了前所未有的提高。
随着我国经济建设的迅猛发展及对钢铁需求的急剧增加，随之也产生了大量副产品―钢渣。我国国内积存钢渣已有3亿吨以上，且每年仍以数百万吨的排渣量递增，未经处理的钢渣无序堆积成渣山，不仅占用大量土地，还会造成土壤微生物群紊乱，影响其微生物环境，此外钢渣进入到地下水中，也会造成水污染等问题，给环境带来的污染破坏是不言而喻。近年来，随着社会整体环境意识的提升和国家可持续发展战略的实施，这客观上要求对钢渣的资源化利用进行深入研究，尤其是在用渣量最大的建筑领域。
钢渣是一种路用性能较好的材料。将钢渣作为筑路材料，可降低工程造价、减少环境污染和开山采石带来的植被破坏，有利于促进我国可持续发展战略的顺利实施，具有重要的技术与经济意义。但是将钢渣直接用于道路工程，存在两个方面的问题：
第一，工业界在炼钢过程中一般需加入一定量的生石灰，主要用来脱去其中的SiO2，因此，在造渣过程中不可避免会产生一定的游离氧化钙f-Cao，这是引起钢渣膨胀的主要原因。在工程应用中则需按规范严格控制f-Cao的含量，如果它在钢渣颗粒中大量存在，将会产生因钢渣膨胀导致的各种病害，严重影响工程安全。第二，钢渣中不可避免含有部分金属成分，直接填筑钢渣不仅造成金属微量元素的浪费，同时随着降雨等因素也会污染道路周边土壤和水源。因此，需要对钢渣进行一定处理后用于道路工程，减少对环境的二次污染。
凹凸棒土是一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物材料，具有独特的层链状结构特征，在其结构中存在晶格置换，帮晶体中含有不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+，晶体呈针状，纤维状或纤维集合状。与其他粘土矿物相比，凹凸棒土具有较大的比表面积(9.6～36m2/g)、独特的分散、耐高温、抗盐碱等良好的胶体性质和较高的吸附脱色能力，并且吸附下限浓度低、达到吸附平衡时间短以及吸附性能优异等特点。由于凹凸棒土独特的晶体结构，使之具有许多特殊的物化及工艺性能如：阳离子可交换性、吸水性、吸附脱色性，吸附过程迅速、高效，且对吸附条件无苛刻要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，通过改善土的性质使其适用于路基填筑，变废为宝降低工程造价并提高路基填筑质量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，包括以下步骤：
步骤一，环保钢渣的制备：将钢渣磨细后进行湿式磁选处理，分离出磁性矿物和非磁性矿物，其中磁性矿物进行回收利用，非磁性矿物则进入尾矿池滤水后，得到次生钢渣，再将次生钢渣和凹凸棒土集中拌和，制得改性的环保钢渣；
步骤二，路基改性土的制备：将步骤一制备的环保钢渣与消石灰、土拌和，再加水，充分拌和，制备得到路基改性土；
步骤三，路基改性土的摊铺：将步骤二制备的路基改性土分层摊铺并碾压。
进一步的，步骤一中，将钢渣磨细后进行湿式磁选处理的具体步骤是：先将钢渣由储矿料斗通过电磁振动给矿机送入至球磨机，将钢渣磨细后出料；然后在出口处将大于3mm的粒钢挑出进行二次回收，小于3mm的钢渣产品用水冲入接料盘进入磁选机磁选；接着在磁选机内的磁场能够将磁性矿物捕获，分离出非磁性矿物与磁性矿物，这样磁性矿物进行回收利用，而非磁性矿物则进入尾矿池滤水后堆放在尾矿场。
进一步的，步骤一中，次生钢渣和凹凸棒土按照重量比9：1的比例集中拌和。
进一步的，步骤二中，环保钢渣与消石灰、土按照重量比50:7:43的比例集中拌和。
进一步的，步骤二中，按照含水率13％的比例加水。
进一步的，步骤三中，碾压过程中，路基土要保持湿润。
有益效果：本发明根据钢渣的成分，通过对磁选水洗后的钢渣加入凹凸棒土，最大限度地固定吸附钢渣内含有的重金属物质，利用尾料渣细腻和水渣需要高碱度材料激发的特点，复合配制出一种新型水硬性胶凝材料，可用于改性路用土，用作路基填料，既能满足路基填料的强度要求，又能做到环保的功效，是一项绿色发明。
附图说明
图1为试验土的塑性图；
图2为不同消石灰掺量的液限实验结果；
图3为石灰改良土的塑性图；
图4为改性土CBR试验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作更进一步的说明。
本发明涉及对钢渣废料进行2次循环磁选水洗，尽可能去除钢渣内含有的磁性金属、铁矿石等磁性物质以对资源进行再次利用，再将凹凸棒土加入经磁选后的钢渣进行固定吸附其中的重金属，由此形成的次生矿渣具有颗粒更细腻，成分更环保的特点。然后，将一定比例的次生钢渣与碱激化材料加入各类土中，通过改善土的性质使其适用于路基填筑，变废为宝降低工程造价并提高路基填筑质量。
具体包括以下步骤：
(1)环保钢渣的制备
湿式磁选法最早运用于磁选各类型的磁铁矿，在本发明中运用该法分选颗粒状的钢渣。其原理是：利用钢渣中的磁性矿物和非磁性矿物在物理化学性质上的差异进行湿式磁选，磁选后可使占钢渣比例约15％～30％的磁性矿物分选出。其具体流程为：先将钢渣由储矿料斗通过电磁振动给矿机送入至球磨机，将钢渣磨细后出料；然后在出口处将大于3mm的粒钢挑出进行二次回收，小于3mm的钢渣产品用水冲入接料盘进入磁选机磁选；接着在磁选机内强大的磁场能够将磁性矿物捕获，分离出非磁性矿物与磁性矿物，这样磁性矿物进行回收利用，而非磁性矿物则进入尾矿池，使其中的游离氧化钙与水发生消解反应，消除游离氧化钙膨化作用的影响，非磁性矿物滤水后堆放在尾矿场，得到次生矿渣。
本发明针对环保钢渣中f-CaO的含量，委托专门检查机构进行检测，结果如表1所示。
表1环保钢渣f-Cao含量(％)
未经磁选 经过磁选
f-cao含量/％ 2.55 0.98
由结果可知，经过湿式磁选法处理的钢渣由于水的参与，使其中的游离氧化钙与水发生消解反应，经磁选机磁选后次生钢渣中的游离氧化钙含量可忽略不计。
再将次生钢渣和凹凸棒土按重量比9：1的比例混合，利用凹凸棒土对钢渣中多种重金属进行络合、离子交换、静电及吸附等作用，使有毒重金属元素失去活性并被固定吸附于凹凸棒土中，从而阻止了重金属向土壤和地下水中的转移，使经过处理后的钢渣对周边环境不会造成污染，成为一种环保型钢渣。
(2)环保钢渣处治土
所上述步骤(1)制得的环保钢渣与消石灰、土按照重量比50:7:43的比例集中拌和，再按照最佳含水率13％的比例加水，充分拌和，制备得到路基改性土。
本发明在室内试验中采用液限碟式仪法和塑限滚搓法测试了改性土的液塑限，并做了击实试验和CBR试验。根据液限碟式仪法和塑限滚搓法，对取回土样进行测试，结果表明：土样液限为54％，塑性指数为28，分类为CH，即为高塑性无机粘土，见图1。
对该高液限土，本发明进行消石灰改性试验，土样1为素土、土样2为掺入3％消石灰的素土、土样3为掺入5％消石灰的素土、土样4为掺入7％消石灰的素土。具体试验结果如下图2所示。
图2表示了消石灰对高液限土液限改性的影响情况，当消石灰掺入量较少时，即掺入量为3％，改良土的液限变化不明显；当继续增加消石灰掺量时，改良土的液限降低幅度则非常明显，改良土的液限从原来的54％降低到44％，降低程度约为10％。从图3的塑性图上来看，随着消石灰掺量的增加，改良土的液限和塑性指数均降低，且降低程度较为明显。
由此可知，经改性后的土样满足《公路路基设计规范》(JTGD30—2004)的要求，即液限在50％以下，塑性指数小于26的土可以直接作为路基使用。后续试验采用的均为改良后的土样，消石灰掺量为7％。
根据《公路路基设计规范》(JTGD30—2004)规定，经过初步改性的素土的CBR值虽然高于规范最低要求，但是安全储备仍然不高，不建议作为路基填土使用。本发明用消石灰提供钢渣激活的碱性环境，固定消石灰剂量为7％，在此基础上掺入不同含量的环保钢渣以提高其CBR值，试验结果如图4所示。其中土样1为不掺环保钢渣的改性土，土样2为掺有环保钢渣30％的改性土，土样3为掺有环保钢渣50％的改性土，土样4为掺有环保钢渣80％的改性土，土样5为纯环保钢渣。
从改性土CBR的试验结果上看，所有试验土的CBR值均高于设计规范的最低要求。由图4可以得到，关系曲线均为先缓慢增加后呈线性增长的趋势。计算所得土样1、土样2、土样3、土样4、土样5的CBR值分别为5.5％、33.6％、55.1％、36.6％和55.7％，均满足《公路路基设计规范》(JTGD30—2004)中对高速公路和一级公路中填料CBR强度不小于4％的要求。钢渣掺量由0增长到30％时，CBR的增长率最高，到50％以后CBR基本上达到稳定。其中不掺钢渣改性土、80％掺量钢渣改性土采用的是贯入量为5mm时的CBR数值。钢渣的掺入，能够大幅度增加路基土的CBR值，增加了工程的安全储备，其中最佳钢渣掺量为50％。
(3)路基改性土的摊铺
将步骤(2)制备所得的路基改性土分层摊铺并碾压，碾压过程中，路基土要保持湿润，如表面水分蒸发太快，应及时补充洒水，以防表面开裂。
本发明同时做了相关的现场试验，包括灌砂法测定压实度，便携式落锤弯沉仪测定弯沉和回弹模量。
表2.现场测试结果
编号 含水率(％) 压实度(％) 弯沉值(mm) 回弹模量(MPa)
2-1 18.19 92.73 0.33 68.8
2-2 20.28 95.78 0.24 87.65
2-3 22.15 90.39 0.22 102.8
2-4 23.35 96.84 0.28 80.95
2-5 20.53 95.85 0.24 94.05
2-6 22.14 93.51 0.25 90.35
2-7 19.37 99.72 0.40 71.47
2-8 21.51 93.31 0.38 58.7
由表2可知，两层回弹模量均满足《公路沥青路面设计规范》(JTGD50—2006)对土基回弹模量值应大于30MPa的要求。
通过现场检测可以得到以下结论：本项目发明的路基改性土在压实度与回弹模量之间的正相关关系并不明显，这与一般土的性质有所不同。这可能是因为，钢渣在石灰和含水条件下，钢渣内在胶凝活性有所发挥，产生了硅酸二钙、硅酸三钙等物质使钢渣土的强度有所提高。这也从一个侧面体现出本发明所采用的改性土具有较好环境适应能力和便于施工的优点，其在干燥条件下容易被压实从而达到以压实度为控制的标准，其在湿润条件下容易有较高的回弹模量，从而达到以回弹模量控制的标准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，环保钢渣的制备：将钢渣磨细后进行湿式磁选处理，分离出磁性矿物和非磁性矿物，其中磁性矿物进行回收利用，非磁性矿物则进入尾矿池滤水后，得到次生钢渣，再将次生钢渣和凹凸棒土集中拌和，制得改性的环保钢渣；
步骤二，路基改性土的制备：将步骤一制备的环保钢渣与消石灰、土拌和，再加水，充分拌和，制备得到路基改性土；
步骤三，路基改性土的摊铺：将步骤二制备的路基改性土分层摊铺并碾压。
2.如权利要求1所述的固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，其特征在于：步骤一中，将钢渣磨细后进行湿式磁选处理的具体步骤是：先将钢渣由储矿料斗通过电磁振动给矿机送入至球磨机，将钢渣磨细后出料；然后在出口处将大于3mm的粒钢挑出进行二次回收，小于3mm的钢渣产品用水冲入接料盘进入磁选机磁选；接着在磁选机内的磁场能够将磁性矿物捕获，分离出非磁性矿物与磁性矿物，这样磁性矿物进行回收利用，而非磁性矿物则进入尾矿池滤水后堆放在尾矿场。
3.如权利要求1所述的固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，其特征在于：步骤一中，次生钢渣和凹凸棒土按照重量比9：1的比例集中拌和。
4.如权利要求1所述的固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，其特征在于：步骤二中，环保钢渣与消石灰、土按照重量比50:7:43的比例集中拌和。
5.如权利要求1所述的固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，其特征在于：步骤二中，按照路基改性土的含水率13％的比例加水。
6.如权利要求1所述的固定吸附重金属的钢渣路基土处治办法，其特征在于：步骤三中，碾压过程中，路基土要保持湿润。
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