CN111003984A - 一种新型尾矿混合土道路基层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型尾矿混合土道路基层材料及其制备方法,涉及道路基层材料及工业固废处理技术领域,基层材料包括以下质量份的组分:普通土壤40‑60份,铁尾矿砂40‑60份,水泥1‑5份,石灰1‑5份,离子型土壤固化剂1‑3份,聚丙乙烯纤维0‑0.5份,自来水8‑16份。本发明通过将土体固化与石灰、水泥、聚丙烯纤维混拌胶凝相结合,利用材料间相互激发配合,制备新型尾矿混合土道路基层材料,提供了一种铁尾矿砂利用率高、符合规范性能要求的基层材料。

Description

一种新型尾矿混合土道路基层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路基层材料及工业固废处理技术领域,具体涉及一种新型尾矿混合土道路基层材料及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展,公路建设规模也越来越大,施工过程中的一些问题也逐渐显露出来。首先,公路施工中存在着大量土方的内排外运,在强化城市环境治理的今天,排土成本急剧攀升;其次,我国道路基层多采用半刚性基层,而半刚性材料的生产制造需要大量开山采石,易造成植被破坏、水土流失,对自然造成不可逆的破坏。因此,如何充分利用当地材料,减少天然砂、石料的使用,降低运输成本,已然成为道路工程领域研究人员亟待解决的问题。
尾矿属于选矿后的废弃物,是工业固体废弃物的主要组成部分。冶金矿山企业每生产1吨铁精矿,约产生2吨的尾矿废弃物,其中铁尾矿约占全部尾矿堆存总量的1/3。由于铁尾矿粒度较细,化学性质不活泼,无法大量应用于工程之中,所以我国对于铁尾矿砂的处理方式主要以堆存为主,个别矿区甚至将铁尾矿砂直接排入河流及荒地,占用大量土地、堵塞河流,对周围环境产生负面影响。据统计,至2015年底国内约有50亿吨的铁尾矿砂堆存量,尾矿库高达11万余座。如何将其合理利用是工程建设人员需要解决的一大难题。
目前国内外对铁尾矿砂固废应用于道路的研究较多,例如:
专利CN104944860A公开了一种大掺量铁尾矿砂道路基层混合料的制备方法。该专利所提到的混合料中铁尾矿砂掺量为100%,虽解决了铁尾矿砂的大宗利用,降低了施工成本,具备良好的经济效益,但是其7d无侧限抗压强度仅有0.8MPa,无法满足高等级道路对于结构层的要求。
专利CN109020338A公开了一种水泥稳定类铁尾矿砂基层材料的设计方法。该专利主要对于铁尾矿砂筑路设计方法进行阐述,此种方法认为铁尾矿砂用于基层材料时,用量范围宜为15%-20%,用量较低,无法满足固废的大宗利用,且未从原料的使用上有所创新。
专利CN108560347A公开了一种采用铁矿尾矿粉为主要材料的路基填料施工方法,该专利文献主要对于铁尾矿砂筑路施工方法进行阐述,且该施工方法铁尾矿粉小于0.075mm的粒径含量需大于50%,并不适于全国大多数尾矿库堆存的尾矿粒径现状;另外,由此种施工方法得到的路基填料各项性能指标在专利中并未提及,具体实施效果有待考量。
专利CN102992713A公开了一种水泥与土壤固化剂综合稳定铁尾矿沙砾路面基层的方法。该方法将土壤固化剂和水泥作为复合固结材料来稳定铁尾矿砂和天然砂砾,由于其中未添加与土壤固化剂契合的土壤成分,导致其内部空隙较多,各骨料之间连接不紧密,强度较低,只能用于道路基层填料,对于高等级道路结构层并不适用。
杨青等人研究研究发现:水泥单独稳定铁尾矿砂时,水泥含量要达到13%,强度才能满足低等级道路基层强度≥2.5MPa的要求;石灰单独稳定铁尾矿砂时,石灰含量要达到29%,才能满足低等级道路基层强度≥0.8MPa的要求;石灰水泥综合稳定铁尾矿砂的情况下,使用12%石灰和2%水泥就可以达到低等级道路基层强度≥0.8的要求,相比同等强度的水泥稳定碎石路基,在经济方面并无优势。
王安岭等人研究发现:铁尾矿砂中的二氧化硅等成分不能与无机结合料中的钙离子等发生化学反应生成水化凝胶物质。铁尾矿砂虽经磨细处理,但对于活性的提高效果非常有限。
西班牙CSIC研究院的F.Puertas等人进行了碱激活铁尾矿砂水化物的研究实验,结果表明铁尾矿砂几乎完全参与了水化反应,即碱性条件下,铁尾矿砂中活性成分被激发出来,更有利于铁尾矿砂水化反应进行,火山灰效应突出明显。
梁安东等人对石灰稳定铁尾矿砂进行了研究,发现:用8%石灰单独稳定铁尾矿砂时,7d无侧限抗压强度仅为0.35MPa,并不满足国家对于石灰类底基层强度(>0.8MPa)的要求;而利用8%石灰稳定铁尾矿砂—土混合料时,其强度可达0.93MPa,虽满足国家规范要求,但在养护早期,浸水对其强度折减较大,对养护条件相对苛刻。
易龙生研究表明,在水泥、碎石、铁尾矿、改性生物酶的基础生添加一定量的聚丙烯纤维,劈裂抗拉强度、无侧限抗压强度、抗弯拉强度分别可以提高23%、5%、15%,综合性能提高明显。
马银华等人分别按照日本JCI标准方法和美国ASTM c1018-_97标准方法,分别进行了聚丙烯纤维半刚性基层材料与普通基层材料的韧性指数评价.结果表明,低掺量聚丙烯纤维半刚性基层材料具有较强的持荷变形能力,其韧性和抗裂性能显著高于普通基层材料。
综合上述文献可以发现,铁尾矿砂应用于道路的研究虽取得了一定的成果,但受限于铁尾矿砂自身化学性质不活泼、颗粒间吸附力小,整体强度较低,无法大规模应用于道路建设中。因此,如何改善铁尾矿自身的惰性,提高其工程性能,是铁尾矿砂能否大规模利用的关键。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对铁尾矿砂筑路利用率不高,强度较低等问题,本发明提供了一种新型尾矿混合土道路基层材料及其制备方法,通过将土体固化与石灰、水泥、聚丙烯纤维混拌胶凝相结合,利用材料间相互激发配合,制备新型尾矿混合土道路基层材料,提供了一种铁尾矿砂利用率高、符合规范性能要求的基层材料。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:
一种新型尾矿混合土道路基层材料,基层材料包括以下质量份的组分:普通土壤40-60份,铁尾矿砂40-60份,水泥1-5份,石灰1-5份,离子型土壤固化剂1-3份,聚丙烯纤维0-0.5份,自来水8-16份。
进一步的,基层材料包括以下质量份的组分:普通土壤40-60份,铁尾矿砂40-60份,水泥1-5份,石灰1-5份,离子型土壤固化剂1-3份,聚丙烯纤维0-0.5份。
进一步的,铁尾矿砂为选矿后固体颗粒废弃物,粒径不大于4.75mm。
进一步的,普通土壤中素土含量不低于40%,且有机质含量不超过5%,水泥为强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥。
进一步的,离子型土壤固化剂为北京中德新亚建筑技术有限公司生产的SA型固化剂,是由高分子聚合物浓缩的复合离子型土壤固化剂。
进一步的,石灰为生石灰或消石灰粉,且消石灰中不含有未消解的生石灰颗粒。
进一步的,聚丙乙烯纤维长度规格不大于20mm,抗拉强度不小于300MPa,直径不小于18μm。
进一步的,水泥和石灰二者总掺量为5%-10%。
上述新型尾矿混合土道路基层材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将按比例称取的铁尾矿砂、普通土壤、水泥、石灰、离子型土壤固化剂、聚丙烯纤维混合后进行击实试验,测得最大干密度与最佳含水率;
(2)按比例称取各种原料,将铁尾矿砂、土壤、石灰、聚丙烯纤维混合均匀,得到混合料;
(3)按测得的最佳含水率,在离子型土壤固化剂中加入自来水制备稀释液,,加水量大于最佳含水率的1%-2%;
(4)将稀释液的70%-90%加入混合料中,充分搅拌,并用塑料薄膜覆盖闷料,静置10h;
(5)闷料结束后,加入称量好的水泥与剩余的稀释液,进行二次拌合,最终得到尾矿混合土道路基层材料。
(三)有益效果
本发明提供了一种新型尾矿混合土道路基层材料及其制备方法,有益效果如下:
1、本发明利用石灰、离子型土壤固化剂掺入混合料中所提供的碱性环境,激发铁尾矿砂与土中SiO2的活性,使其参与内部火山灰反应:xCa(OH)2+nSiO2+(n-1)H2O=xCaO·SiO2·nH2O,生成水化硅酸钙凝胶,即C-S-H;在这个过程中铁尾矿砂颗粒表面受到腐蚀,颗粒间摩擦力增大,强度提高。通过以上途径,铁尾矿砂在混合料中不再仅仅是填充料,同时成为提高强度的一份子,实现对资源的可循环利用。
2、本发明通过在土壤中掺入离子型土壤固化剂,改变土壤颗粒表面电子极性,剥离土壤颗粒的吸附水膜,降低土壤颗粒间的排斥力,提高土壤颗粒间的吸附力,使土壤易于压实和稳定,从而形成不可逆的整体结构。同时,固化土与铁尾矿砂相互包裹,有益于尾矿混合土早期强度建立。
3、对比水泥稳定铁尾矿砂、石灰稳定铁尾矿砂或将两者复掺稳定铁尾矿砂的方法,本专利将土体固化与石灰、水泥混拌胶凝相结合,利用材料间相互激发配合,既可以实现铁尾矿砂的大宗应用,又解决了以铁尾矿砂为主要原料的道路基层材料性能指标较差的现状。
4、本发明提供的新型道路基层材料对于土壤要求较低,可以在施工时将现场开挖土体就地利用,不仅可以减少由土方运输导致的成本上升,还可以减少运输过程中带来的抛洒、滴漏、污染环境等问题。
5、本发明在土体固化的基础上加入了聚丙烯纤维,可以极大改善掺有石灰的固化土耐久性差与抗裂性能不佳等弊端。
6、本发明中所选用的材料对人体及环境无害,且在生产过程中无废水废物产生,符合“以人为本、绿色环保”的发展理念。
7、本发明提供的新型道路基层材料施工工艺简单、能耗低、造价相对低廉,具有显著的技术、经济、社会效益,应用前景广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1实施例2与对比例5-7的尾矿混合土不同龄期的强度曲线图;
图2实施例2的尾矿混合土90d龄期SEM照片,其中A代表水化硅酸钙凝胶(C-S-H),B代表碳酸钙晶体;
图3对比例5的尾矿混合土90d龄期SEM照片,其中A代表水化硅酸钙凝胶(C-S-H);
图4对比例6的尾矿混合土90d龄期SEM照片,其中A代表水化硅酸钙凝胶(C-S-H),B代表碳酸钙晶体;
图5对比例7的尾矿混合土90d龄期SEM照片,其中B代表碳酸钙晶体;
图6实施例2与对比例5-7中的尾矿混合土的XRD图谱;
图7实施例3与对比例8-9中的尾矿混合土的劈裂强度曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
一种新型尾矿混合土道路基层材料,包括如下质量份的原料,50份铁尾矿砂,50份普通土壤,5份水泥,5份石灰以及2份离子型土壤固化剂,未掺聚丙烯纤维,其制备方法包括以下步骤:
(1)将铁尾矿砂、土壤、水泥、离子型土壤固化剂混合后进行击实试验,测得其最佳含水率及最佳干密度;
(2)按照所需配比称取各种原料,将铁尾矿砂、土壤、石灰混合均匀,得到混合料;
(3)按测得的最佳含水率,在离子型土壤固化剂中加入自来水制备稀释液,其中总加水量应大于最佳含水量的1%-2%左右。
(4)将稀释液的70%加入混合料中,充分搅拌,并用塑料薄膜覆盖闷料,静置10h;
(5)闷料结束后,加入称量好的水泥与剩余的稀释液,进行二次拌合,最终得到尾矿混合土。
对比例1:
与实施例1不同的是,对比例1中铁尾矿砂30份,普通土壤70份,其余原料及用量相同,按照实施例1中的制备方法制备尾矿混合土。
对比例2:
与实施例1不同的是,对比例1中铁尾矿砂40份,普通土壤60份,其余原料及用量相同,按照实施例1中的制备方法制备尾矿混合土。
对比例3:
与实施例1不同的是,对比例1中铁尾矿砂60份,普通土壤40份,其余原料及用量相同,按照实施例1中的制备方法制备尾矿混合土。
对比例4:
与实施例1不同的是,对比例4中铁尾矿砂70份,普通土壤30份,其余原料及用量相同,按照实施例1中的制备方法制备尾矿混合土。
将实施例1及对比例1-4制备的尾矿混合土利用反力框架及脱模机每组制作至少6个试件放入标准养护箱(养护温度20±2℃,湿度95%),养护6天后浸水1天,擦干试块表面水分,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行无侧限抗压强度试验。其结果如表1所示。
表1:
Figure BDA0002341826010000081
由表1可知,在不改变胶凝材料用量的情况下,铁尾矿砂与土比例不同会导致一定的强度差异,并且随着尾矿掺量的增大,强度呈现先增大后减小的趋势,在铁尾矿砂与土的配比为50%:50%时,强度出现峰值。
实施例2:
实施例2与实施例1相比,制备尾矿混合土的原料、用量及制备步骤均与实施例1相同。不同的是,将实施例2制备的尾矿混合土进行不同龄期(7天、14天、28天、60天、90天)的无侧限抗压试验。
具体操作为:将实施例2制备的尾矿混合土按不同龄期(7天、14天、28天、60天、90天)分为五组,每组制作6个试件放入标准养护箱(养护温度20±2℃,湿度95%),分别养护6天、13天、27天、59天、89天后浸水1天,擦干试块表面水分,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行无侧限抗压强度试验。
对比例5:
与实施例2不同的是,对比例5中,原料配方中不添加石灰。
对比例6:
与实施例2不同的是,对比例6中,原料配方中不添加离子型土壤固化剂。
对比例7:
与实施例2不同的是,对比例5中,原料配方中不添加水泥。
将对比例5-7制备的尾矿混合土按照实施例2的测试方法进行强度试验,实施例2及对比例5-7不同龄期的强度曲线如说明书附图中图1所示,各案例90d龄期SEM照片如说明书附图中图2-5所示,各案例的XRD图谱如说明书附图中图6所示,不同龄期的无侧限抗压强度如表2所示。
表2:
Figure BDA0002341826010000091
由表2可知,各案例的无侧限抗压强度均随着龄期的增长而变大,且水泥、石灰与离子型土壤固化剂可不同程度的增强尾矿混合土的无侧限抗压强度。对比实施例2与对比例7发现:在整个龄期范围内,二者强度相差幅度在70%以上,表明对尾矿混合土主要强度来源为水泥;对比实施例2与对比例5、6发现:7d-28d龄期范围内三者强度依次为实施例2>对比例5>对比例6,并且强度增长趋势基本相同,28d-90d龄期范围内实施例2强度增长趋势依旧明显,对比例6增长趋势稍弱,而对比例5强度增长趋势明显变弱,表明离子型土壤固化剂对于尾矿混合土前期强度提升较大,石灰对于尾矿混合土强度增益效果主要体现在后期。
由图2-5、图6可以看出:对比例6未掺离子型土壤固化剂,导致其内部层状结构明显,孔隙较多,又由于其水稳定性较差,致使水分比较容易侵蚀内部结构,碳酸钙晶体被消解;对比例7未掺水泥,而石灰与离子型土壤固化剂联合激发铁尾矿砂也可以生成水化硅酸钙凝胶,因此可以在SEM图片与XRD图谱中看出到水化硅酸钙的存在。
实施例2在养护7天时,无侧限抗压强度已有6.72MPa,已超出国家对于道路底基层强度不小于2MPa要求,90天无侧限抗压强度可达11.38MPa,同期强度值已远超出传统道路基层材料。
实施例3:
将实施例1制备的尾矿混合土进行不同龄期(7天、14天、28天、60天、90天)的间接抗拉试验(劈裂实验),得实施例3。具体操作为:利用反力框架及脱模机制作30个试件(每个龄期6个)放入标准养护箱(养护温度20±2℃,湿度95%),分别养护6天、13天、27天、59天、89天后浸水1天,擦干试块表面水分,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行间接抗拉试验试验(劈裂实验)。
对比例8:
与实施例1不同的是,对比例8中,原料配方中不添加石灰。
对比例9:
与实施例1不同的是,对比例9中,原料配方中不添加离子型土壤固化剂。
对对比例8-9制备的尾矿混合土进行不同龄期(7天、14天、28天、60天、90天)的间接抗拉试验(劈裂实验)。
各案例不同龄期间接抗拉强度(劈裂强度)曲线如说明书附图7所示,各案例不同龄期的间接抗拉强度(劈裂强度)如表3所示。
表3:
Figure BDA0002341826010000111
实施例4:
将实施例1制备的尾矿混合土进行加州承载比(CBR)试验。得到实施例4。具体操作为:按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中重型(Ⅱ-2)击实方法将尾矿混合土击实成型,然后将试筒与多孔板一同放入水中,拉紧模具,并读取千分表的初始读数。向水槽放水,以水面过试件表面25mm为宜,浸水4昼夜。将浸水后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上,按照《土工试验方法标准》进行加州承载比(CBR)试验。
对比例10:
与实施例1不同的是,对比例10中,原料配方中不添加离子型土壤固化剂。
对对比例10制备的尾矿混合土按上述方法进行加州承载比(CBR)试验。各案例的承载比如表4所示。
表4:
Figure BDA0002341826010000121
由表4可知,实施例4比对比例10承载比提高了26%,吸水量与膨胀量分别减少59%、30%,由此可见,离子型土壤固化剂的加入提高了混合土体的水稳定性,增强了承载比。并且实施例4标准CBR值远超国家对于高速、一级公路路基填筑上路床CBR值不小于8%,下路床不小于6%;路床以下不小于5%的要求。
实施例5:
将实施例1制备的尾矿混合土进行不同龄期的水稳定性试验。得到实施例5。具体操作为:将制备的尾矿混合土利用反力框架及脱模机制作30个(每个龄期6个)试件放入标准养护箱(养护温度20±2℃,湿度95%),分别养护6天、13天、27天、59天、89天后浸水1天,擦干试块表面水分,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行无侧限抗压强度试验。
对比例11:与实施例5不同的是,对比例11中,试件放入标准养护箱养护3天后,分别浸水至规定龄期(7天、14天、28天、60天、90天),擦干试块表面水分,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行无侧限抗压强度试验。
各龄期的无侧限抗压强度如表5所示。
表5:
Figure BDA0002341826010000122
Figure BDA0002341826010000131
由表5可知:在相同龄期下,对比例11相对实施例5强度有一定的下降,但总体强度还是随龄期增加;且当养护龄期为7天、14天、28天、60天和90天时,对比例11相对实施例5强度分别损失17.6%、18.1%、21.4%、24.8%和24.3%,所以当试件长期浸水时,其强度损失约为25%。结合以上两点,尾矿混合土既能在浸水时强度持续增长,且与正常养护时相比,其强度又能维持在一定的水平,说明尾矿混合土综合水稳定性良好。
实施例6:
实施例6与实施例1相比,制备尾矿混合土的步骤与实施例1相同,不同的是实施例6中掺加了一定量的聚丙烯纤维。
将实施例6制备的尾矿混合土按照实施例1的测试方法进行强度试验,实验结果如表6所示。
表6:
Figure BDA0002341826010000132
由表6可知:在其他原料用量及制备步骤相同的情况下,原料中添加了聚丙烯纤维使得尾矿混合土的强度进一步增强。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种新型尾矿混合土道路基层材料,其特征在于,所述基层材料包括以下质量份的组分:普通土壤40-60份,铁尾矿砂40-60份,水泥1-5份,石灰1-5份,离子型土壤固化剂1-3份,聚丙烯纤维0-0.5份,自来水8-16份。
2.如权利要求1所述的新型尾矿混合土道路基层材料,其特征在于,所述基层材料包括以下质量份的组分:普通土壤50份,铁尾矿砂50份,水泥5份,石灰5份,离子型土壤固化剂2份,聚丙烯纤维0-0.5份。
3.如权利要求1或2所述的新型尾矿混合土道路基层材料,其特征在于,所述铁尾矿砂为选矿后固体颗粒废弃物,粒径不大于4.75mm。
4.如权利要求1或2所述的新型尾矿混合土道路基层材料,其特征在于,所述普通土壤中素土含量不低于40%,且有机质含量不超过5%,所述水泥为强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥。
5.如权利要求1或2所述的新型尾矿混合土道路基层材料,其特征在于,所述离子型土壤固化剂为北京中德新亚建筑技术有限公司生产的SA型固化剂,是由高分子聚合物浓缩的复合离子型土壤固化剂。
6.如权利要求1或2所述的新型尾矿混合土道路基层材料,其特征在于,所述石灰为生石灰或消石灰粉,且消石灰中不含有未消解的生石灰颗粒。
7.如权利要求1或2所述的新型尾矿混合土道路基层材料的制备方法,其特征在于,所述聚丙烯纤维长度规格不大于20mm,抗拉强度不小于300MPa,直径不小于18μm。
8.如权利要求1或2所述的新型尾矿混合土道路基层材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将按比例称取的铁尾矿砂、普通土壤、水泥、石灰、离子型土壤固化剂、聚丙烯纤维混合后进行击实试验,测得最大干密度与最佳含水率;
(2)按比例称取各种原料,将铁尾矿砂、土壤、石灰、聚丙烯纤维混合均匀,得到混合料;
(3)按测得的最佳含水率,在离子型土壤固化剂中加入自来水制备稀释液,加水量大于最佳含水量率的1%-2%;
(4)将稀释液的70%-90%加入混合料中,充分搅拌,并用塑料薄膜覆盖闷料,静置10h;
(5)闷料结束后,加入称量好的水泥与剩余的稀释液,进行二次拌合,最终得到尾矿混合土道路基层材料。
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