CN117819887B - 一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料及其制备和施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于道路工程材料领域，具体涉及一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料及其制备和施工方法。无机结合料稳定黄金尾矿混合料，以重量份计包括黄金尾矿200～260份、基体材料20～50份、激发剂20～40份、外加剂20～50份和抗裂材料1～15份；基体材料为工业渣粉、粉煤灰和硅灰组成的混合材料；抗裂材料包括钢渣粉和废弃风力发电扇叶提取纤维中的一种或两种。本发明以黄金尾矿为主要原材料，通过添加多源固废制备形成的基体材料、激发剂、稳定剂组成无机结合料，使得混合料具备胶凝活性，从而形成一定的力学强度，同时对固废材料中有害离子实现有效固化。通过添加固废基抗裂材料，减少混合料的温缩应变和干缩应变，并提高混合料的水稳定性。
Description
技术领域
本发明属于道路工程材料领域，具体涉及一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料及其制备和施工方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
现有道路大多数采用半刚性基层结构，半刚性基层中水泥的生产和天然碎石的开采对自然环境有着重要影响。随着公路建设的大规模推进，传统砂石等优质填料日趋短缺，因此寻求传统筑路材料的替代品已成为公路建设者面临的主要挑战之一。另一方面，各行业在生产过程中不可避免的产生大量的工业固体废弃物。作为大宗固废材料之一，黄金尾矿的产生量和堆存量也在逐年攀升。大量堆存的黄金尾矿不仅占用了宝贵的土地资源，更给当地的生态环境带来了严重的破坏，黄金尾矿的资源化利用已成为亟待解决的问题之一。
黄金尾矿是金矿石经选矿或者提金工艺回收金或其他有用组分后排出的粉状和细粒状固体废弃物。主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3，两者总含量通常在80％以上。颗粒形状呈不规则特征，棱角明显，且以细颗粒居多，粗颗粒较少，粒径均匀性较差，泥化现象严重，遇水易结团，液、塑限和塑性指数均低于天然粉土。由于黄金尾矿本身的物化特性，难以直接替代天然砂石材料用于工程建设中，尽管目前可通过筛选提取粗颗粒替代细砂，但仍有60％以上的溢流细尾砂无法资源化利用，导致黄金尾矿综合利用水平较低。道路工程属于长线工程，工程体量大，具备消纳大宗固废的优势，可作为黄金尾矿再生利用的主要途径之一。但由于黄金尾矿粒径细，级配不均等缺点，作为道路填料时面临强度低、易产生干缩和温缩开裂以及抗冲刷性能不足等问题，无法直接用于道路工程中。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料及其制备和施工方法。本发明以黄金尾矿为主要原材料，通过添加多源一般工业固废制备形成的基体材料、激发剂和稳定剂组成无机结合料，使得混合料具备胶凝活性，从而形成一定的力学强度，同时对固废材料中有害离子实现有效固化。通过添加固废基抗裂材料，减少混合料的温缩应变和干缩应变，并提高混合料的水稳定性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料，以质量份计包括黄金尾矿200～260份、基体材料20～50份、激发剂20～40份、外加剂20～50份和抗裂材料1～15份；
所述基体材料为工业渣粉、粉煤灰和硅灰组成的混合材料；
所述抗裂材料包括钢渣粉和废弃风力发电扇叶提取纤维中的一种或两种。
优选的，所述黄金尾矿为全尾矿或提取粗粒后的细尾砂，所述黄金尾矿为粒状和粉状，所述黄金尾矿不含有松软杂土和耕植土，内部硫酸盐含量不高于0.8％，不含有氰化物，含水率低于5％，粒径尺寸不大于5mm。
优选的，工业渣粉、粉煤灰和硅灰的质量比为10～20:10～15:2～5，所述工业渣粉为高炉矿渣粉。
优选的，所述激发剂为拜耳法赤泥和碱渣中的一种或两种，所述激发剂的pH不小于10。
优选的，所述外加剂为工业副产石膏，包括钛石膏、磷石膏和脱硫石膏中的一种或多种，所述外加剂中二水硫酸钙含量不小于80％。
优选的，所述钢渣为未陈化钢渣粉，膨胀率不小于1％，其质量掺量为基体材料的10～30％。
优选的，所述废弃风力发电扇叶提取纤维是由玻璃纤维、碳纤维和聚合物组成的风力发电废旧叶片破碎而成，纤维长度为6～12毫米，纤维直径为10～20微米，其质量掺量为无机结合料稳定黄金尾矿混合料质量的0.5～1.5％。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将黄金尾矿进行降水处理，降水后黄金尾矿采用两级锤破机进行破碎处理，破碎后黄金尾矿筛分，残留的块状黄金尾矿进入饼型研磨机进一步研磨成粉体；
(2)依次将基体材料、激发剂和外加剂加入到筛分后和研磨后得到的黄金尾矿并搅拌；
(3)搅拌完成后加入抗裂材料，继续搅拌；
(4)按照《土工试验方法标准》(GB-T 50123-2019)中击实试验测得的最佳含水率，加水至最佳含水率，搅拌形成无机结合料稳定黄金尾矿混合料。
第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料的施工方法，包括以下步骤：
(1)将无机结合料稳定黄金尾矿混合料均匀摊铺；
(2)摊铺完成后，均匀压实一遍，然后使用振动钢轮压路机静压一遍，震动压实5～7遍，再采用胶轮压路机静压一遍，完成底层碾压；
(3)底层碾压完成后，进行上层无机结合料稳定黄金尾矿或其他材料混合料施工，最大连铺层位不超过2层；
(4)上下各层碾压完成后，于基层或路床在表面上覆1层土工布并洒水，使土工布表面一直处于湿润状态，养生4～5天后，进行上部结构施工。
优选的，步骤(1)中，松铺系数设置为1.3～1.4，松铺厚度为20～25cm，从装料至摊铺完成时间不超过90min。
上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：
(1)本发明的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，选择采用微膨胀的钢渣粉或者废弃风力发电扇叶提取纤维来抑制开裂，可提高混合料强度、降低干缩和温缩开裂，提升抗冲刷性能和抗冻性能，从而提高混合料的路用性能和耐久性。
(2)本发明的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，以黄金尾矿为主要原材料，以工业渣粉、赤泥、碱渣等大宗工业固废为基体材料、激发剂和外加剂，可以消纳多种固废材料，实现黄金尾矿的大规模资源化利用，同时可协同利用其他固废材料，减少固废堆存产生的环境污染和土地占用。
(3)本发明的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，可以减少天然集料的开采应用，在节约资源的同时大幅度的降低了工程造价；同时本发明的制备方法简单，可利用其他水泥土、二灰土等常规施工设备和工艺，有利于工程中大规模推广应用。
(4)本发明的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，其固废原材料均为一般工业固废，通过水化反应对离子进行固化，环保性能满足标准要求，不会对环境产生二次污染。
具体实施方式
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料，按质量份数计，原料包括：黄金尾矿260份、基体材料30份、激发剂20份、外加剂30份、钢渣粉9份。
其中黄金尾矿为浮选后产生的粒状和粉状固体废弃物，烘干后采用两级锤破机进行破碎处理，破碎后黄金尾矿经5mm圆孔筛筛分得到。
基体材料为S95高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰组成的混合材料，三者比例为20:15:5。
激发剂为拜耳法赤泥，pH值不小于10。
外加剂为脱硫石膏，二水硫酸钙含量不小于80％。
钢渣为未陈化钢渣粉，膨胀率不小于1％。
将黄金尾矿先添加3/4水量后拌和封口浸润12h后装入搅拌机，依次加入按照设计比例依次加入基体材料、激发剂和外加剂，强制搅拌4min；搅拌完成后按设计比例加入抗裂材料，再进行强制搅拌2min至均匀；最后按设计含水率加入一定水量搅拌2min形成无机结合料稳定黄金尾矿混合料进行击实试验得到最佳含水率和最大干密度。然后采用同样的方法得到最佳含水率下的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，按照98％压实度静压成型圆柱形试件和梁氏试件，养护至相应龄期并按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)测试7d无侧限抗压强度、28d干缩应变、温缩系数、5个冻融质量损失率和冻融强度损失率。
实施例2：
一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料，按质量份数计，原料包括：黄金尾矿260份、基体材料30份、激发剂20份、外加剂30份、提取纤维3份。
提取纤维是由玻璃纤维、碳纤维和聚合物组成的风力发电废旧叶片破碎而成，纤维长度为12毫米，纤维直径为10微米。
其余材料及制备、测试方法同实施例1。
实施例3：
一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料，按质量份数计，原料包括：黄金尾矿260份、基体材料30份、激发剂20份、外加剂30份、钢渣粉6份、提取纤维3份。
其余同实施例1。
实施例4：
一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料，按质量份数计，原料包括：黄金尾矿240份、基体材料50份、激发剂30份、外加剂20份、钢渣粉6份、提取纤维3份。
其余同实施例1。
实施例5：
一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料，按质量份数计，原料包括：黄金尾矿200份、基体材料50份、激发剂40份、外加剂50份、钢渣粉6份、提取纤维3份。
其余同实施例1。
对比例1：
本对比例为水泥稳定风化料混合料，水泥含量为风化料干质量的4％，压实度为98％，水的含量为水泥与风化料干质量总和的5.8％。将水泥稳定风化料混合料拌和后按照98％压实度静压成型圆柱形试件和梁氏试件，养护至相应龄期按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)测试7d无侧限抗压强度、28d干缩应变、温缩系数、5个冻融质量损失率和冻融强度损失率。
对比例2：
本对比例为水泥稳定土，水泥含量为土干质量的5％，压实度为98％，水的含量为水泥与土干质量总和的10.5％。将粉土破碎后过5mm筛，先添加3/4水量后拌和封口浸润12h，然后添加剩余水量和水泥拌合后按照98％压实度静压成型圆柱形试件和梁氏试件，养护至相应龄期按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)测试7d无侧限抗压强度、28d干缩应变、温缩系数、5个冻融质量损失率和冻融强度损失率。
对比例3
一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料，按质量份数计，原料包括：黄金尾矿260份、基体材料30份、激发剂20份、外加剂30份。
其余材料及制备、测试方法同实施例1。
表1实施例1～5和对比例1～2试验结果
如表1所示，本发明所制备的无机结合料稳定黄金尾矿混合料无侧限抗压强度高于常规的水泥稳定土，满足公路底基层和城镇道路下基层的强度要求，另外抗裂材料的添加，相比于水泥土和未添加抗裂材料的黄金尾矿混合料的干缩、温缩、冻融强度和质量损失均有较大改善，可以为黄金尾矿在道路工程中应用提供技术支撑。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无机结合料稳定黄金尾矿混合料，其特征在于，以重量份计包括黄金尾矿200~260份、基体材料20~50份、激发剂20~40份、外加剂20~50份和抗裂材料1~15份；
所述基体材料为高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰组成的混合材料；
所述抗裂材料包括钢渣粉和废弃风力发电扇叶提取纤维中的一种或两种。
2.如权利要求1所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，其特征在于，所述黄金尾矿为全尾矿或提取粗粒后的细尾砂，所述黄金尾矿为粒状和粉状，所述黄金尾矿不含有松软杂土和耕植土，内部硫酸盐含量不高于0.8%，不含有氰化物，含水率低于5%，粒径尺寸不大于5mm。
3.如权利要求1所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，其特征在于，高炉矿渣粉、粉煤灰和硅灰的质量比为10~20:10~15:2~5。
4.如权利要求1所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，其特征在于，所述激发剂为拜耳法赤泥和碱渣中的一种或两种，所述激发剂的pH不小于10。
5.如权利要求1所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，其特征在于，所述外加剂为工业副产石膏，包括钛石膏、磷石膏和脱硫石膏中的一种或多种，所述外加剂中二水硫酸钙含量不小于80%。
6.如权利要求1所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，其特征在于，所述钢渣为未陈化钢渣粉，膨胀率不小于1%。
7.如权利要求1所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料，其特征在于，所述废弃风力发电扇叶提取纤维是由玻璃纤维、碳纤维和聚合物组成的风力发电废旧叶片破碎而成，纤维长度为6~12毫米，纤维直径为10~20微米。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将黄金尾矿进行降水处理，降水后黄金尾矿采用两级锤破机进行破碎处理，破碎后黄金尾矿筛分，残留的块状黄金尾矿进入饼型研磨机进一步研磨成粉体；
（2）依次将基体材料、激发剂和外加剂加入到筛分后和研磨后得到的黄金尾矿并搅拌；
（3）搅拌完成后加入抗裂材料，继续搅拌；
（4）按照《土工试验方法标准》（GB-T 50123-2019）中击实试验测得的最佳含水率，加水至最佳含水率，搅拌形成无机结合料稳定黄金尾矿混合料。
9.一种如权利要求1-7任一项所述的无机结合料稳定黄金尾矿混合料的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将无机结合料稳定黄金尾矿混合料均匀摊铺；
（2）摊铺完成后，均匀压实一遍，然后使用振动钢轮压路机静压一遍，震动压实5~7遍，再采用胶轮压路机静压一遍，完成底层碾压；
（3）底层碾压完成后，进行上层无机结合料稳定黄金尾矿或其他材料混合料施工，最大连铺层位不超过2层；
（4）上下各层碾压完成后，于基层或路床在表面上覆1层土工布并洒水，使土工布表面一直处于湿润状态，养生4~5天后，进行上部结构施工。
10.如权利要求9所述的施工方法，其特征在于，步骤（1）中，松铺系数设置为1.3~1.4，松铺厚度为20~25 cm，从装料至摊铺完成时间不超过90 min。
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