CN114436570B

CN114436570B - 一种路基填筑材料及其制备方法

Info

Publication number: CN114436570B
Application number: CN202111478144.4A
Authority: CN
Inventors: 从金瑶; 涂博; 杨恒; 祁庆龙; 彭佳志
Original assignee: Wuhan Sanyuan Speical Building Materials Co Ltd
Current assignee: Wuhan Sanyuan Speical Building Materials Co Ltd
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2041-12-06
Also published as: CN114436570A

Abstract

本发明公开一种路基填筑材料及其制备方法，属于路基工程技术领域，一种路基填筑材料，包括土样组分和胶凝组分，所述土样组分包括以下质量百分比的各组分：铜尾矿砂40～80％、磷石膏20～60％，所述胶凝组分的质量为所述土样组分质量的2～15％；本发明利用工业废弃物铜尾矿砂与磷石膏之间互补的化学特性，工业磷石膏呈弱酸性，铜尾矿砂呈弱碱性，通过酸碱中和反应，改变磷石膏及铜尾矿砂颗粒表面性质，优化其土工性能。将铜尾矿大规模应用到公路建设中，使工业固体废弃物得以合理利用，降低生产成本。

Description

一种路基填筑材料及其制备方法

技术领域

本发明属于路基工程技术领域，具体涉及一种路基填筑材料及其制备方法。

背景技术

我国是磷化工大国，长期以来，工业副产物石膏特别是磷石膏一直是影响工业生产的老大难问题。工业副产物石膏大量堆存，既占用土地，又浪费硫、钙资源，并且所含酸性及其他有害物质容易对周边环境造成污染。目前已有研究将磷石膏应用于公路建设中，但是将磷石膏直接用于路基材料中存在以下问题：磷石膏受水影响大，当含水量较高时，磷石膏会变软而导致强度降低，造成路基下沉而导致路面破坏；当含水量较低时，会出现收缩开裂，同样会导致路面的破坏；其土工性能较差，水稳定性不足；另一方面是磷石膏的水污染问题。

为了解决上述技术问题，中国专利CN111320446A公开了一种高强度自防水磷石膏路基材料，将磷石膏原料进行煅烧处理得到改性磷石膏粉末用于制备磷石膏路基材料，可以提升磷石膏路基材料的防水性能；但是该技术方案中磷石膏需经过较为复杂的煅烧、冷却、破碎、缓凝处理，方能得到高强度自防水的路基材料，投资成本高、工艺复杂，煅烧、破碎等工艺还会带来一定的环境污染；中国专利CN201811268754.X公开了一种改性磷石膏路用材料的制备与应用方法，利用固化剂的有效成分与磷石膏中的重金属物质形成不溶物质，从而固化磷石膏中的重金属离子，以降低磷石膏污染性。但是该技术方案的固化剂原料成本较高，生产较为复杂。

同时，铜尾矿砂是铜矿石经破碎、粉磨、挑选出目的矿物后剩余的细粉砂砾状固体废弃物。据统计，我国每年新排放的铜尾矿高达3亿吨以上。铜尾矿中含有大量的有害物质，严重影响周边地下水资源和生态环境，铜尾矿的堆存不仅会使得尾矿库不堪重负，引发安全与环境问题，也是对资源的极大浪费；因此，实现铜尾矿的无害化处理及循环利用，具有广阔的应用前景。根据尾矿组分分析，铜尾矿砂为高钙低硅型黏土，可用于路基填筑，能够实现大宗利用。但由于黏粒组分较多，强度特性不足，较难直接进行工程应用。

因此，提供一种路基填筑材料，既能改善磷石膏的土工性能、水稳定性能，又能有效利用工业废弃物铜尾矿具有重要意义。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种路基填筑材料，根据磷石膏和铜尾矿的物化性质，铜尾矿砂为碱性黏土，磷石膏为酸性粉土；二者混合，一方面可以酸碱中和，另一方面二者进行颗粒级配，发挥填充密实作用，提升路基材料的防水性能；本发明的路基材料的土工性能和水稳性能优异，并合理利用工业废弃物铜尾矿。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种路基填筑材料，包括土样组分和胶凝组分，所述土样组分包括铜尾矿砂40～80％、磷石膏20～60％，所述胶凝组分的质量为所述土样组分质量的2～15％。

利用工业废弃物铜尾矿砂与磷石膏之间互补的化学特性，工业磷石膏呈弱酸性，铜尾矿砂呈弱碱性，通过酸碱中和反应，改变磷石膏及铜尾矿砂颗粒表面性质，优化其土工性能。在磷石膏中添加铜尾矿砂可以提高材料的最大干密度，改善路基填筑材料的水敏性，提高其防水性能。

优选地，所述铜尾矿砂为选矿厂经过压滤处理的尾矿砂，为高钙低硅型碱性黏土，pH 大于7.5。

优选地，所述铜尾矿砂包括三种粒径，各粒径分布及占所述铜尾矿砂总质量的百分比为：

0～5μm，占比15～25％；

5～75μm，占比55～65％；

75～2000μm，占比15～25％。

优选地，所述铜尾矿砂的主要矿物成分为方解石、菱铁矿、白云石、铁白云石和黄铜矿中的至少一种。

优选地，所述磷石膏的主要矿物成分为二水石膏，所述磷石膏中二水石膏的含量为 70～95wt％。

优选地，所述磷石膏的pH小于4。

优选地，所述磷石膏粒径包括三种粒径，各粒径分布及占所述磷石膏总质量的百分比为：

0～5μm，占比4～10％；

5～75μm，占比45～55％；

75～2000μm，占比40～50％。

铜尾矿砂黏粒(粒径小于5μm)的含量较多，磷石膏粉粒(粒径小于75μm)的含量较多，两者进行颗粒级配优化，在压实的过程中能够形成更为密实的固化土，增加其防水性能。

优选地，所述胶凝组分为水泥、石灰中的至少一种。

优选地，所述铜尾矿砂的液限为42.3％，塑限为27.4％，塑性指数为14.9。

优选地，所述磷石膏的液限为58.5％，塑限为31.0％，塑性指数为27.5。

本发明的另一目的是提供一种路基填筑材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.按比例称取铜尾矿砂和磷石膏，外掺水进行拌合，焖料，得到所述土样组分；

S2.按比例称取胶凝组分，加入至步骤S1的土样组分中，拌合均匀，焖料，即得到路基填筑材料。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

(1)本发明利用工业废弃物铜尾矿砂与磷石膏之间互补的化学特性，工业磷石膏呈弱酸性，铜尾矿砂呈弱碱性，通过酸碱中和反应，改变磷石膏及铜尾矿砂颗粒表面性质，优化其土工性能。

(2)铜尾矿砂可以提高路基填筑材料的最大干密度，改善路基填筑材料的水敏性，提高其防水性能。

(3)将综合利用率低的铜尾矿和磷石膏大规模地应用到公路建设中，使工业固体废弃物得以合理利用，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明路基填筑材料中土样组分的界限含水率；

图2为本发明路基填筑材料的击实曲线。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以下各实施例和对比例中，铜尾矿砂为湖北三鑫金铜股份有限公司的选铜压滤尾矿，真密度为2.81g/cm³，含水量为21.12％；铜尾矿砂的液限为42.3％，塑限为27.4％，塑性指数为14.9；各粒径分布及占铜尾矿砂总质量的百分比如下：0～5μm，占比16.90％；5～75μm，占比59.25％；75～2000μm，占比23.85％。

磷石膏取自湖北宜化集团矿业的磷石膏尾矿库，真密度为2.25g/cm³，含水量为22.14％；磷石膏的液限为58.5％，塑限为31.0％，塑性指数为27.5；各粒径分布及占磷石膏总质量的百分比如下：0～5μm，占比5.46％；5～75μm，占比49.61％；75～2000μm，占比44.93％。

水泥为华新P·O 42.5水泥，28d强度为48.3MPa。

实施例1

本实施例提供一种路基填筑材料，包括土样组分和胶凝组分，其中土样组分包括以下质量百分比的各组分：铜尾矿砂40％，磷石膏60％；胶凝组分为水泥，质量为铜尾矿砂和磷石膏总质量的10％；

本实施例的路基填筑材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.按比例称取铜尾矿砂和磷石膏，外掺铜尾矿砂和磷石膏总质量20％的水进行拌合，焖料24h，得到土样组分；

S2.称取铜尾矿砂和磷石膏总质量的10％的水泥，加入步骤S1得到的土样组分中，拌合均匀，焖料20min，即得到路基填筑材料。

实施例2

实施例2与实施例1的区别之处在于，本实施例的土样组分包括以下质量百分比的各组分：铜尾矿砂60％，磷石膏40％。

实施例3

实施例3与实施例1的区别之处在于，本实施例的土样组分包括以下质量百分比的各组分：铜尾矿砂80％，磷石膏20％。

对比例1

对比例1与实施例1的区别之处在于，本对比例的土样组分为铜尾矿砂，不掺加磷石膏。

对比例2

对比例2与实施例1的区别之处在于，本对比例的土样组分包括以下质量百分比的各组分：铜尾矿砂20％，磷石膏80％。

对比例3

对比例3与实施例1的区别之处在于，本对比例的土样组分为磷石膏，不掺加铜尾矿砂。

试验例

按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》，对本发明实施例及对比例的土样组分进行界限含水率的检测，结果如图1所示，根据JTG D30-2015《公路路基设计规范》的规定，液限大于50％，塑性指数大于26的细粒土，不得直接作为路堤填料。由图1可知，对比例2和对比例3的土样组分不符合标准，不能满足工程要求。

按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》，对本发明实施例及对比例的路基填筑材料进行轻型击实试验，测定路基填筑材料的含水率w与干密度ρ_d，测试结果如图2所示，从图中可以看出，与实施例1～3相比，对比例2和3的最大干密度降低，导致降低其防水性能；原因是磷石膏的含量过多，铜尾矿砂的含量过少。通过比较实施例1～3和对比例1～3的数据可以看出，路基填筑材料的最大干密度随着铜尾矿砂掺量的增加而升高，随着磷石膏掺量的增加而降低；说明通过增加铜尾矿砂的掺量，可以增大路基填筑材料的最大干密度，提高其防水性能。

按照JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，将填筑材料装入直径和高度均为5cm的圆柱体模具中，完全压实后，用保鲜膜包裹后放入养护室(温度为 20±2℃，相对湿度为95±2％)养生，24h后拆模。标准养生：拆模后继续用保鲜膜包裹后放入养护室养生28d，待龄期的最后1d浸没在水中24h。水稳定性测试：对比试验1，拆模后待龄期的最后3d浸没在水中；对比试验2，拆模后浸入水中养生至龄期。采用全自动压力机对试块的无侧限抗压强度进行测定，其7d无侧限抗压强度结果如表1所示，其中，强度折损率＝(P₀-P)/P₀，式中，P₀为标准养生的强度，P为对比试验的强度。

表1路基填筑材料7d无侧限抗压强度测试结果

由表1的结果可知，实施例1～3的填筑材料在标准养生条件下7d无侧限抗压强度为 2.81～3.87MPa，且通过比较对比试验和标准养生的抗压强度可以看出，实施例1～3的强度折损率较小，说明其水稳定性能优异。通过比较对比例2～3与实施例1可以发现，对比例 2～3虽然在标准养生条件下抗压强度较高，但是强度折损严重，其水稳定性差；通过比较对比例1与实施例1可以发现，对比例1的水稳定性良好，水养情况下(对比试验1和2) 的强度比标准养生的强度高，但是对比例1在标准养生条件下的抗压强度不足，无法满足实际应用需要。

本发明的路基填筑材料采用工业废弃物为原料，可以大量消纳工业废弃物，并且利用工业废弃物铜尾矿砂与磷石膏之间互补的化学特性，工业磷石膏呈弱酸性，浮选铜尾矿砂呈弱碱性，磷石膏与铜尾矿在焖料过程中会发生酸碱中和反应，改变磷石膏及铜尾矿砂颗粒表面性质，优化其土工性能。此外，发明人发现，磷石膏的水稳定性不足，铜尾矿砂的强度特性较低，将二者以特定比例结合方能同时保证路基填筑材料的水稳定性和7d无侧限抗压强度；解决公路土工中磷石膏水稳定性较差和尾矿砂强度不足的问题，使其“变废为宝”，实现工业固体废弃物的合理利用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种路基填筑材料，其特征在于，包括土样组分和胶凝组分，所述土样组分包括以下质量百分比的各组分：铜尾矿砂40~80%、磷石膏20~60%，所述胶凝组分的质量为所述土样组分质量的2~15%；

所述铜尾矿砂包括三种粒径，各粒径分布及占所述铜尾矿砂总质量的百分比为：

0~5μm，占比15~25%；

5~75μm，占比55~65%；

75~2000μm，占比15~25%；

所述磷石膏粒径包括三种粒径，各粒径分布及占所述磷石膏总质量的百分比为：

0~5μm，占比4~10%；

5~75μm，占比45~55%；

75~2000μm，占比40~50%。

2.根据权利要求1所述的一种路基填筑材料，其特征在于，所述铜尾矿砂为选矿厂经过压滤处理的尾矿砂，pH大于7.5。

3.根据权利要求1所述的一种路基填筑材料，其特征在于，所述铜尾矿砂的主要矿物成分为方解石、菱铁矿、白云石、铁白云石和黄铜矿中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种路基填筑材料，其特征在于，所述磷石膏的主要矿物成分为二水石膏，所述磷石膏中二水石膏的含量为70~95wt%。

5.根据权利要求1所述的一种路基填筑材料，其特征在于，所述磷石膏的pH小于4。

6.根据权利要求1所述的一种路基填筑材料，其特征在于，所述胶凝组分为水泥、石灰中的至少一种。

7.权利要求1~6任一项所述的一种路基填筑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 按比例称取铜尾矿砂和磷石膏，外掺水进行拌合，焖料，得到所述土样组分；

S2. 按比例称取胶凝组分，加入至步骤S1的土样组分中，拌合均匀，焖料，即得到路基填筑材料。