CN114292064A - 一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层 - Google Patents

一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层，涉及一种建筑材料的制备方法。水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层包括4‑6%普通硅酸盐水泥、41‑43%粗粒铁尾矿废石、22‑24%细粒铁尾矿废石、34‑36%铁尾矿砂，其中铁尾矿废石及矿砂均为选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分。本发明公开的水泥稳定铁尾矿路面基层是在级配设计下，具有收缩量小、颗粒间空隙减小、抗压强度高的优点，7d抗压强度能达到4‑6MPa，满足水泥稳定类高速公路、一级公路重交通要求。并且本发明能消耗工业废弃物，减少铁尾矿的堆积，保护环境，促进工业废弃物资源化。

Description

一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层
技术领域
本发明属于公路路面基层领域，特别是涉及水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层。
背景技术
随着钢铁产业的飞速发展，铁尾矿的数量正日益迅猛增长，但目前其利用率非常低，对环境造成污染程度也日益严重。在我国铁尾矿已成为堆积量最多但其利用率又是最低的一种固体废弃物。据相关统计，截止到2013年底，我国尾矿堆积总量已达到了146亿吨，其中铁尾矿的堆存量约为30亿吨，而其综合利用率却不到10％，与发达国家60％的综合利用率相比差距非常大。铁尾矿的大量堆积不仅极大地浪费了有限的土地资源，增加了维护尾矿库所带来的成本压力，并造成了环境污染，同时对当地的生态环境带来非常严重的危害。因此，积极开展铁尾矿的大宗有效综合利用工作已迫在眉睫。
尾矿作为掺合料的利用率较低，且活性难激发，Yellishetty M报告指出尾矿废石作为骨料在混凝土和砌块生产中与天然骨料一样有效；Filho证明尾矿废石可代替天然骨料用于道路工程中。目前应用于道路工程中的铁尾矿研究主要集中在4.75mm以下，大部分铁尾矿废石得不到利用。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层，主要为了开发一种能够大量消耗铁尾矿固废资源且满足规范规定强度标准的路面半刚性基层。
本发明采用的技术方案如下：
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层主要材料包括：普通硅酸盐水泥、铁尾矿废石和铁尾矿砂；
铁尾矿废石的表观密度为2600-2700kg/m3，堆积密度为1590-1630kg/m3，压碎指标为6-8％，针、片状含量为2-3.5％；
铁尾矿废石分为粗粒铁尾矿废石及细粒铁尾矿废石，粗粒铁尾矿废石粒径为4.75-19mm，粗粒铁尾矿废石19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm和 2.36mm通过质量百分率分别为94-95％、68-70％、40-42％、10-12％、0.7-1％和 0.4-0.6％；细粒铁尾矿废石粒径为2.36-4.75mm；细粒铁尾矿废石4.75mm、2.36mm、 1.18mm的通过质量百分率分别为43-45％、1-1.2％、0.7-0.9％；
各组分重量配比为：4-6％普通硅酸盐水泥、41-43％粗粒铁尾矿废石、22-24％细粒铁尾矿废石、34-36％铁尾矿砂；
粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂混合后，19mm、16mm、13.2mm、 9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.075mm的最佳通过质量百分率分别为 94.4％、85.5％、74.4％、64.7％、38.9％、32.2％、25.9％和2.9％；
普通硅酸盐水泥、粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂初始含水率≤1％；
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层试件加水量根据不同水泥含量的击实度试验结果确定的最佳含水量而定，4％水泥含量的加水量宜为5.8％-6％，5％水泥含量的加水量宜为5.5％-5.7％，6％水泥含量的加水量宜为5.9％-6.1％。
进一步地，铁尾矿砂的表观密度为2550-2570kg/m3，堆积密度为 1600-1640kg/m3，硫化物及硫酸盐含量0.2-1.2％；
铁尾矿砂的粒径集中在0.075-2.36mm，铁尾矿砂23.6mm、1.18mm和 0.075mm通过质量百分率分别为98-98.5％、85-87％和11.3-15％。
进一步地，铁尾矿各项化学成分为SiO2含量为60-65％、Fe2O3含量为14-15％、 CaO含量为7-8％、MgO含量为6-7％、Al2O3含量为4-5％。
本发明所具有的优点及有益效果是：
(1)本发明公开的一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层，采用普通硅酸盐水泥作为结合料，通过级配设计确定粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂的比值，掺入粗粒铁尾矿废石后，粗粒铁尾矿废石硬度大，作为骨架能提供更高的强度，细粒铁尾矿废石可填充粗粒铁尾矿废石产生的孔隙，进而细铁尾矿砂填充混合料之间存在的孔隙，使混合料更加的密实，密实程度提高，形成骨架密实型结构，强度会有所增加，混合料的干燥收缩变形也会有所减小。
(2)铁尾矿砂中细小的颗粒能不同程度的分散到水泥浆中，不仅能够起到防止水泥颗粒之间过早互相粘结、提高水泥浆的流动性的作用，而且能使水分较为顺畅的流入水泥颗粒之间，使水泥水化反应更快。
(3)铁尾矿中存在很多SiO2、Al2O3、Fe2O3等，它们都具有一定的活性，可以与水泥水化后生成的Ca(OH)2发生火山灰反应，最终生成水化铝酸钙、水化硅酸钙等物质，有利于强度的形成，同时铁尾矿的水化产物也能够降低混合料中的孔隙，增加混合料的强度。
(4)从环境和经济的角度来看，水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层具有很大的优势，它减少了铁尾矿的处理面积，最大限度地减少了环境退化，减少了天然碎石的开采，从而降低了道路建设的成本。
附图说明
图1为水泥掺量4％击实曲线。
图2为击实仪器。
图3为静压成型图。
图4为抗压强度试验示意图。
图5为水泥掺量5％击实曲线。
图6为水泥掺量6％击实曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层是由以下重量份配比的各组分制成：4％普通硅酸盐水泥、42％粗粒铁尾矿废石、23％细粒铁尾矿废石、35％铁尾矿砂。
粗粒铁尾矿废石粒径主要集中在4.75-19mm，细粒铁尾矿废石粒径集中在 2.36-4.75mm，铁尾矿砂粒径主要集中在0.075-2.36mm，筛余情况见表1。
表1粗、细骨料筛余情况
Figure RE-GDA0003523205300000041
粗粒铁尾矿废石及细粒铁尾矿废石的各项指标如表2所示。
表2铁尾矿废石物理性质
Figure RE-GDA0003523205300000042
铁尾矿砂的各项指标如表3所示。
表3铁尾矿砂物理性质
Figure RE-GDA0003523205300000043
粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂混合级配通过19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.075mm的质量百分率分别为 94.4％、85.5％、74.4％、64.7％、38.9％、32.2％、25.9％和2.9％。
铁尾矿各项化学成分如表4所示。
表4铁尾矿化学成分表
Figure RE-GDA0003523205300000051
通过预设3.5％、4.5％、5.5％、6％、6.5％、7.5％共6个初始含水量与铁尾矿废石混合料混合焖至两个半小时后加入4％水泥进行击实试验，击实仪器如图 2所示，得到6个不同的干密度及含水率，利用二次拟合将6个不同点拟合成二次曲线，拟合曲线如图1所示，该曲线的拟合方程为 y＝-0.03217x2+0.38103x+1.24667，由拟合方程可知该曲线的波峰点为(5.9,2.3749)，故向4％水泥含量的试件中加入5.9％的水。
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层试件制备方法如下所示：将粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂按42：23：35比例混合，加入加水量的60-70％，焖至约两个半小时，将焖至好的铁尾矿与4％水泥混合，并加入剩余的加水量，将水泥和铁尾矿混合均匀后放入模具中，如图3所示，通过万能试验机静压成型。将成型试件脱模后立马放入塑料袋中，在标准养护室养护7d，如图4所示，通过万能试验机测其抗压强度。
在本实施例中,试件1的7d抗压强度为4.28MPa，试件2的7d抗压强度为 4.06MPa，试件3的7d抗压强度为4.1MPa，试件4的7d抗压强度为4.13MPa。
实施例2：
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层是由以下重量份配比的各组分制成：5％普通硅酸盐水泥、42％粗粒铁尾矿废石、23％细粒铁尾矿废石、35％铁尾矿砂。
粗粒铁尾矿废石粒径主要集中在4.75-19mm，细粒铁尾矿废石粒径集中在 2.36-4.75mm，铁尾矿砂粒径主要集中在0.075-2.36mm，其中粗粒铁尾矿废石通过19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm和2.36mm的质量百分率分别为 94.2％、68.2％、41.4％、11.3％、0.75％和0.5％，细粒铁尾矿废石通过4.75mm、 2.36mm、1.18mm的质量百分率分别为43.6％、1.1％、0.8％，铁尾矿砂通过2.36mm、 1.18mm和0.075mm的质量百分率分别为98.1％、86.6％和13.9％。
铁尾矿废石的表观密度为2630kg/m3，堆积密度为1610kg/m3，压碎指标为 7％，针、片状含量为3％。
铁尾矿砂的表观密度为2560kg/m3，堆积密度为1620kg/m3，硫化物及硫酸盐含量为1％。
粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂混合级配通过19mm、16mm、 13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.075mm的质量百分率分别为 94.4％、85.5％、74.4％、64.7％、38.9％、32.2％、25.9％和2.9％。
铁尾矿中SiO2含量为62.26％、Fe2O3含量为14.37％、CaO含量为7.78％、 MgO含量为6.33％、Al2O3含量为4.78％。
通过预设3.5％、4.5％、5.5％、6％、6.5％、7.5％共6个初始含水量与铁尾矿废石混合料混合焖至两个半小时后加入5％水泥进行击实试验，得到6个不同的干密度及含水率，利用二次拟合将6个不同点拟合成二次曲线，拟合曲线如图5所示，该曲线的拟合方程为y＝-0.03291x2+0.36627x+1.36419，由拟合方程可知该曲线的波峰点为(5.6,2.3833)，故向5％水泥含量的试件中加入5.6％的水。
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层试件制备方法如下所示：将粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂按42：23：35比例混合，加入加水量的60-70％，焖至约两个半小时，将焖至好的铁尾矿与5％水泥混合，并加入剩余的加水量，将水泥和铁尾矿混合均匀后放入模具中，通过万能试验机静压成型。将成型试件脱模后立马放入塑料袋中，在标准养护室养护7d，通过万能试验机测其抗压强度。
在本实施例中,试件1的7d抗压强度为4.68MPa，试件2的7d抗压强度为 4.84MPa，试件3的7d抗压强度为4.73MPa，试件4的7d抗压强度为4.74MPa。
实施例3：
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层是由以下重量份配比的各组分制成：6％普通硅酸盐水泥、42％粗粒铁尾矿废石、23％细粒铁尾矿废石、35％铁尾矿砂。
粗粒铁尾矿废石粒径主要集中在4.75-19mm，细粒铁尾矿废石粒径集中在 2.36-4.75mm，铁尾矿砂粒径主要集中在0.075-2.36mm，其中粗粒铁尾矿废石通过19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm和2.36mm的质量百分率分别为 94.2％、68.2％、41.4％、11.3％、0.75％和0.5％，细粒铁尾矿废石通过4.75mm、2.36mm、1.18mm的质量百分率分别为43.6％、1.1％、0.8％，铁尾矿砂通过2.36mm、 1.18mm和0.075mm的质量百分率分别为98.1％、86.6％和13.9％。
铁尾矿废石的表观密度为2630kg/m3，堆积密度为1610kg/m3，压碎指标为 7％，针、片状含量为3％。
铁尾矿砂的表观密度为2560kg/m3，堆积密度为1620kg/m3，硫化物及硫酸盐含量为1％。
粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂混合级配通过19mm、16mm、 13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.075mm的质量百分率分别为 94.4％、85.5％、74.4％、64.7％、38.9％、32.2％、25.9％和2.9％。
铁尾矿中SiO2含量为62.26％、Fe2O3含量为14.37％、CaO含量为7.78％、 MgO含量为6.33％、Al2O3含量为4.78％。
通过预设3.5％、4.5％、5.5％、6％、6.5％、7.5％共6个初始含水量与铁尾矿废石混合料混合焖至两个半小时后加入6％水泥进行击实试验，得到6个不同的干密度及含水率，利用二次拟合将6个不同点拟合成二次曲线，拟合曲线如图6所示，该曲线的拟合方程为y＝-0.02622x2+0.31465x+1.45423，由拟合方程可知该曲线的波峰点为(6,2.3982)，故向6％水泥含量的试件中加入6％的水。
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层试件制备方法如下所示：将粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂按42：23：35比例混合，加入加水量的60-70％，焖至约两个半小时，将焖至好的铁尾矿与所需水泥混合，并加入剩余的加水量，将水泥和铁尾矿混合均匀后放入模具中，通过万能试验机静压成型。将成型试件脱模后立马放入塑料袋中，在标准养护室养护7d，通过万能试验机测其抗压强度。
在本实施例中,试件1的7d抗压强度为5.47MPa，试件2的7d抗压强度为 5.62MPa，试件3的7d抗压强度为5.58MPa，试件4的7d抗压强度为5.57MPa。

Claims (3)

1.一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层，其特征在于：主要材料包括：普通硅酸盐水泥、铁尾矿废石和铁尾矿砂；
铁尾矿废石的表观密度为2600-2700kg/m3，堆积密度为1590-1630kg/m3，压碎指标为6-8%，针、片状含量为2-3.5%；
铁尾矿废石分为粗粒铁尾矿废石及细粒铁尾矿废石，粗粒铁尾矿废石粒径为4.75-19mm，粗粒铁尾矿废石19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm和2.36mm通过质量百分率分别为94-95%、68-70%、40-42%、10-12%、0.7-1%和0.4-0.6%；细粒铁尾矿废石粒径为2.36-4.75mm；细粒铁尾矿废石4.75mm、2.36mm、1.18mm的通过质量百分率分别为43-45%、1-1.2%、0.7-0.9%；
各组分重量配比为：4-6%普通硅酸盐水泥、41-43%粗粒铁尾矿废石、22-24%细粒铁尾矿废石、34-36%铁尾矿砂；
粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂混合后，19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm和0.075mm的最佳通过质量百分率分别为94.4%、85.5%、74.4%、64.7%、38.9%、32.2%、25.9%和2.9%；
普通硅酸盐水泥、粗粒铁尾矿废石、细粒铁尾矿废石、铁尾矿砂初始含水率≤1%；
水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层试件加水量根据不同水泥含量的击实度试验结果确定的最佳含水量而定，4%水泥含量的加水量宜为5.8%-6%，5%水泥含量的加水量宜为5.5%-5.7%，6%水泥含量的加水量宜为5.9%-6.1%。
2.根据权利要求1所述的一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层，其特征在于：所述铁尾矿砂的表观密度为2550-2570kg/m3，堆积密度为1600-1640kg/m3，硫化物及硫酸盐含量0.2-1.2%；
铁尾矿砂的粒径集中在0.075-2.36mm，铁尾矿砂23.6mm、1.18mm和0.075mm通过质量百分率分别为98-98.5%、85-87%和11.3-15%。
3.根据权利要求1所述的一种水泥稳定铁尾矿路面半刚性基层，其特征在于：所述铁尾矿各项化学成分为SiO2含量为60-65%、Fe2O3含量为14-15%、CaO含量为7-8%、MgO含量为6-7%、Al2O3含量为4-5%。
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