本發(fā)明屬于固體廢棄物資源化利用技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種干法脫泥尾泥的改性方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù):
剝巖尾礦是露天礦開采過程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物。在露天礦開采礦石之前,需要將覆蓋在礦石上的那層巖石(礦物含量較小的貧礦)和地表的土壤剝?nèi)?,這個(gè)過程稱為剝巖。大型礦山剝下來的巖石和泥土的混合物作為尾礦堆積起來,未被有效利用,常年累月的積累后形成了幾十米高的剝巖尾礦山,可作為重要的石料二次資源。現(xiàn)有的剝巖尾礦開采工藝通常直接將挖掘的剝巖尾礦進(jìn)行破碎和篩分。在破碎、篩分過程中伴隨的機(jī)械外力的沖擊下,大部分的巖石可與泥土自然分離并分選出碎石產(chǎn)品和尾泥。但是,實(shí)踐表明,始終有部分碎石表面黏附有少量泥土,分離不徹底,影響碎石產(chǎn)品的整體含泥量,含泥量不達(dá)標(biāo)是制約碎石產(chǎn)品售價(jià)的重要因素。
近年來公開了一種剝巖尾礦干法脫泥方法,該方法將一種特殊的脫泥劑使用于剝巖尾礦開采工藝工程中大大降低了碎石產(chǎn)品的含泥量,滿足GB/T14685-2011,JGJ52-2006等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。其中涉及的脫泥劑是一種冶金工業(yè)固體廢棄物。它的粒度比較小,其中位徑d50約為5.78μm(如圖1),其中約18%的微粒尺寸小于2μm。該脫泥劑具有一定的反應(yīng)活性,它能與土壤中的粘土礦物發(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生脫泥效果。但是,它對(duì)脫泥尾泥作為路基材料產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響,主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。(1)脫泥工藝過程中,脫泥劑破壞了一部分粘粒,從而使得土壤中粘粒含量降低,塑性指數(shù)降低;(2)脫泥劑顆粒微觀形貌類似球形(如圖2),表面光滑無棱角,且粒度較小,大量顆粒與土壤中粘粒的大小相當(dāng);這類物質(zhì)在土體中用作路基材料時(shí),不利于微觀顆粒之間互相穿插,形成鑲嵌結(jié)構(gòu)以提高路基材料的宏觀壓實(shí)性能和強(qiáng)度,反而容易使材料微觀上容易產(chǎn)生滑移而使路基材料強(qiáng)度降低;(3)由于脫泥劑中存在一定量的CaSO3,在路基材料中可能產(chǎn)生膨脹作用,對(duì)路基材料的長期體積安定性造成影響,影響路基質(zhì)量。此外,在脫除下的粒度小于5mm的尾泥中,由于脫泥劑的混入使得尾泥的性質(zhì)與不使用脫泥劑相比有一定的改變,對(duì)尾泥后續(xù)進(jìn)一步用于路基材料造成不利影響。
基于以上原因,上述干法脫泥技術(shù)所得脫泥尾泥應(yīng)看作為一種固體廢棄物,而不能看作普通的天然土壤。天然的低塑性土壤(如粘質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土)成型性能雖不好,但通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理后用作路基材料,其水穩(wěn)定性和體積穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高,主要用于高等級(jí)道路。與天然的低塑性土壤相比,雖然脫泥尾泥在表觀上塑性低與低塑性土壤相似,但粒度小于2μm的顆粒含量較高,不易壓實(shí),壓制成型后材料內(nèi)部微觀上容易產(chǎn)生滑移,材料整體強(qiáng)度不佳,同時(shí)還具有潛在的體積膨脹性,因此脫泥尾泥不適合作為高等級(jí)道路路基材料使用。
更糟糕的情況是,依據(jù)現(xiàn)有的主流工程技術(shù)方法,常使用測量塑性來判斷土體性能,確定后續(xù)路基材料制造和施工方法。當(dāng)脫泥尾泥流入市場時(shí),容易被認(rèn)為是一般的低塑性土而用作高等級(jí)道路,對(duì)我國高等級(jí)道路質(zhì)量造成不利影響和重大損失。因此,對(duì)干法脫泥技術(shù)所得脫泥尾泥進(jìn)行進(jìn)一步改性和處理,使其適用于作為路基材料,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種干法脫泥尾泥的改性方法及其應(yīng)用,針對(duì)干法脫泥尾泥用作路基材料存在的潛在問題,提出了對(duì)干法脫泥尾泥的潤濕和催化改性方法,并進(jìn)一步提出了將改性脫泥尾泥用作路基材料的加工方法,技術(shù)指標(biāo)滿足高等級(jí)道路需求,具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種干法脫泥尾泥的改性方法,它包括以下步驟:
1)將催化劑與干法脫泥尾泥混合均勻,得混合尾泥;
2)將酸化劑混入水中形成潤濕溶液,將潤濕溶液噴灑入混合尾泥中,混合均勻,得潤濕尾泥;
3)將潤濕尾泥采用塑料布進(jìn)行覆蓋處理;
4)將塑料布撤去,繼續(xù)進(jìn)行陳放處理,即得改性脫泥尾泥。
上述方案中,所述干法脫泥尾泥為剝巖尾礦干法脫泥方法中最終產(chǎn)生的尾泥。
上述方案中,所述干法脫泥工藝為根據(jù)尾礦前期開采情況估算尾礦中泥土總量,加入脫泥劑并混合均勻,經(jīng)過灑水潤濕,靜置陳放,破碎篩分等工藝過程可獲得含泥量達(dá)標(biāo)碎石,具體見專利CN106045359A。
上述方案中,所述剝巖尾礦干法脫泥工藝的具體工藝步驟為:(1)根據(jù)剝巖尾礦歷史開采加工過程中產(chǎn)生的碎石總量和尾泥總量,估算開挖尾礦區(qū)域的泥土總質(zhì)量;(2)向所述開挖尾礦區(qū)域加入脫泥劑,所述脫泥劑的總質(zhì)量為所述開挖尾礦區(qū)域的泥土總質(zhì)量的5~20%;(3)將開挖的尾礦與所述脫泥劑混合并造堆,向造堆的混合物噴灑預(yù)設(shè)量的水,以對(duì)所述混合物進(jìn)行潤濕,所述預(yù)設(shè)量為所述開挖尾礦區(qū)域的泥土總質(zhì)量的10~15%;(4)將噴灑過水的所述混合物放置2~6小時(shí),以使所述脫泥劑與所述尾礦中的土壤顆粒反應(yīng);(5)將放置過的所述混合物裝入破碎機(jī)進(jìn)行破碎;將破碎后的所述混合物過篩,過篩過程中直徑不大于5mm的部分作為尾泥收集;所得脫泥尾泥中脫泥劑呈球狀特征。
上述方案中,所述脫泥劑為一種冶金工業(yè)固體廢棄物,其成分重量含量特征為:25%≤Ca(OH)2≤40%,25%≤CaSO3·0.5H2O≤40%,10%≤CaSO4·2H2O≤20%,5%≤CaCO3≤15%,2%≤CaCl2≤5%;其粒度特征為200目以下顆粒的質(zhì)量≥80.0%。
上述方案中,所述催化劑為氧化鐵紅,其粒度特征為≤150目顆粒質(zhì)量大于80%,其成分特征為Fe2O3≥90wt%,SiO2≤10wt%。
上述方案中,所述氧化鐵紅為冷軋氧化鐵紅或硅鋼氧化鐵紅。
上述方案中,所述氧化鐵紅由冷軋薄板廠或冷軋硅鋼片廠提供。
上述方案中,所述催化劑的添加量為脫泥尾泥質(zhì)量的2~5%。
優(yōu)選的,所述催化劑的添加量為脫泥尾泥質(zhì)量的3%。
上述方案中,所述酸化劑為甲酸、乙酸、乙醇酸、丙酸、乳酸、正丁酸、異丁酸、3-丁烯酸、異丁烯酸中的一種或幾種。
上述方案中,步驟2)中所述酸化劑與水的體積比為1:(1~20)。
優(yōu)選的,步驟2)中所述酸化劑與水的體積比為1:10。
上述方案中,所述步驟2)中酸化劑的添加量為脫泥尾泥質(zhì)量的8~14%。
優(yōu)選的,所述所述酸化劑的添加量為脫泥尾泥質(zhì)量的10%。
上述方案中,所述覆蓋處理時(shí)間為12~48h。
優(yōu)選的,所述覆蓋處理時(shí)間為24h。
上述方案中,所述陳放處理時(shí)間為7天以上。
優(yōu)選的,所述所述陳放處理時(shí)間為7~30天。
更優(yōu)選的,所述陳放時(shí)間為14天。
上述方案中,步驟4)中將改性脫泥尾泥與0~10倍體積的施工地土壤混合均勻,用作路基材料。
上述方案中,所述施工地土壤為干法脫泥技術(shù)的實(shí)施地,如未使用干法脫泥劑的一般土壤或?qū)嶋H道路工程施工地所用填土等。
上述一種脫泥尾泥的改性方法所得改性脫泥尾泥的應(yīng)用,包括如下步驟:測定改性脫泥尾泥的塑性指數(shù),并按照J(rèn)TJ034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》;及JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)制成相應(yīng)的路基材料。
目前,礦山產(chǎn)生的各種尾泥、尾礦作為路基材料是一種很常用的利用方法。在干法脫泥工藝中產(chǎn)生的脫泥尾泥雖然在表觀上與低塑性土相似,但其土工力學(xué)性能與天然的低塑性土不同,且具有潛在危害性,因此應(yīng)看成是一種固體廢棄物而非普通的低塑性土壤。本發(fā)明提出了該固體廢棄物(脫泥尾泥)的改性和應(yīng)用方法,通過酸化和催化處理改變了脫泥劑顆粒的微觀形貌,并消除了潛在的膨脹因素,適用于作為路基材料使用。
本發(fā)明涉及的原理如下:
1)采用酸化劑對(duì)干法脫泥尾泥中的脫泥劑進(jìn)行改性:脫泥劑本身幾乎不溶于水,在微觀上具有球狀特征。但是,脫泥劑整體上呈堿性,在酸性環(huán)境中,脫泥劑顆粒能夠發(fā)生反應(yīng),從而破壞其原有的微觀結(jié)構(gòu)。將脫泥劑加入潤濕溶液中24h后,改性后脫泥劑的粒度與未改性前相比有所降低,且原有的球狀特征消失,顆粒具有一定的多面體形狀,有利于顆粒在壓實(shí)條件下的堆積作用;脫泥尾泥仍保持了原土壤本身一定的保水性能,將酸化劑用水稀釋后可直接用作潤濕水與脫泥尾泥混合,調(diào)節(jié)脫泥尾泥中土壤溶液的pH值為弱酸性,對(duì)尾泥中殘余的脫泥劑進(jìn)行改性。
2)使用甲酸、乙酸等有機(jī)酸作為酸化劑:這些物質(zhì)呈弱酸性,其水溶液具有緩沖溶液性能,試驗(yàn)表明,溶液pH值在4~6的條件下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)脫泥尾泥中脫泥劑的改性;若使用強(qiáng)酸,由于脫泥劑中存在一定量的CaSO3,在強(qiáng)酸性(pH<2)條件下,生成的H2SO3容易分解釋放出SO2,從而對(duì)環(huán)境造成污染。而在弱酸性條件下,CaSO3溶解后,在溶液中主要產(chǎn)生以HSO3-離子,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。另外,這些有機(jī)酸在土體中可很快被微生物自然降解,不會(huì)改變土壤本身的一些性能并造成進(jìn)一步的污染。
3)本發(fā)明采用的催化劑的作用是催化脫泥劑中的CaSO3氧化為CaSO4,其反應(yīng)原理為:
Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O (1)
CaSO3+H+=Ca2++HSO3- (2)
HSO3-+2Fe3++H2O=SO42-+2Fe2++3H+ (3)
4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O (4)
Ca2++SO42-=CaSO4 (5)
2CaSO3+O2=CaSO4 (6)
在弱酸性條件下,CaSO3和催化劑(氧化鐵紅)中的Fe2O3部分溶解于脫泥尾泥中的土壤溶液中,并釋放出HSO3-和Fe3+離子(式1和式2),F(xiàn)e3+具有較強(qiáng)的氧化性,它能夠?qū)SO3-快速的氧化為SO42-,本身轉(zhuǎn)化為Fe2+(式3)。Fe2+又被氧氣再次快速的氧化為Fe3+(式4),從而實(shí)現(xiàn)催化循環(huán),而SO42-與Ca2+結(jié)合生成CaSO4(式5)。最后土壤溶液中的總反應(yīng)是CaSO3被空氣中的O2氧化為CaSO4(式6);因此,使用2~5%的催化劑,可有效消除脫泥劑中的CaSO3對(duì)路基材料體積安定性的影響;且步驟4)中使得CaSO3有足夠時(shí)間在步驟2)和3)營造的酸性潤濕條件下與空氣中的O2進(jìn)行充分反應(yīng)。
4)本發(fā)明所得改性脫泥尾泥在用作路基材料之前,可選擇(但不是必須)將其混入一定數(shù)量的正常土壤(施工地土壤)之中,用于調(diào)節(jié)所得土壤混合物的塑性指數(shù)。雖然低塑性或無塑性土通過水泥穩(wěn)定后適合用作高等級(jí)道路用材,但由于尾泥數(shù)量有限,而市場對(duì)材料的實(shí)際需求數(shù)量和品質(zhì)要求可能不同,可通過靈活調(diào)整土壤混合物中改性脫泥尾泥的含量,獲得平均化的土工力學(xué)性能,以選擇合適的技術(shù)方案,保障路基施工質(zhì)量。
本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提出了一種干法脫泥尾泥的改性和應(yīng)用方法,通過酸化和催化處理改變了脫泥尾泥中脫泥劑顆粒的微觀形貌,有利于顆粒在壓實(shí)條件下的堆積作用并消除了其潛在的膨脹因素,適用于作為路基材料使用,該技術(shù)可解決脫泥尾泥固體廢棄物的資源化利用問題,避免了脫泥劑的二次污染,涉及的處理工藝簡單,每立方尾泥外售約20元,具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
附圖說明
圖1為實(shí)施例1采用的干法脫泥尾泥中脫泥劑的微觀形貌圖。
圖2為實(shí)施例1中所得潤濕尾泥中脫泥劑的微觀形貌圖。
具體實(shí)施方式
為了更好地理解本發(fā)明,下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容,但本發(fā)明不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
以下實(shí)施例中,采用的脫泥尾泥為剝巖尾礦干法脫泥工藝中產(chǎn)生的脫泥尾泥,具體脫泥工藝步驟為:(1)根據(jù)剝巖尾礦歷史開采加工過程中產(chǎn)生的碎石總量和尾泥總量,估算開挖尾礦區(qū)域的泥土總質(zhì)量;(2)向所述開挖尾礦區(qū)域加入脫泥劑,所述脫泥劑的總質(zhì)量為所述開挖尾礦區(qū)域的泥土總質(zhì)量的10%;(3)將開挖的尾礦與所述脫泥劑混合并造堆,向造堆的混合物噴灑約泥土總質(zhì)量12%的水,以對(duì)所述混合物進(jìn)行潤濕;(4)將噴灑過水的所述混合物靜置4小時(shí),以使所述脫泥劑與所述尾礦中的土壤顆粒反應(yīng);(5)將靜置過的所述混合物裝入破碎機(jī)進(jìn)行破碎;將破碎后的所述混合物過篩,過篩過程中直徑不大于5mm的部分作為尾泥收集;所得干法脫泥尾泥中脫泥劑呈球狀特征(見圖1)。
所述脫泥劑的成分重量含量特征為:25%≤Ca(OH)2≤40%,25%≤CaSO3·0.5H2O≤40%,10%≤CaSO4·2H2O≤20%,5%≤CaCO3≤15%,2%≤CaCl2≤5%;其粒度特征為200目以下顆粒的質(zhì)量≥80.0%。
以下實(shí)施例中,采用的催化劑為氧化鐵紅,其粒度特征為≤150目的顆粒質(zhì)量大于80%;其成分特征為Fe2O3≥90wt%,SiO2≤10wt%。
實(shí)施例1
一種干法脫泥尾泥的改性方法,它包括以下步驟:
1)將催化劑(氧化鐵紅)與干法脫泥尾泥混合均勻,得混合尾泥,其中催化劑占干法脫泥尾泥質(zhì)量的3%;
2)將1體積的酸化劑(乙酸)混入10體積的水中形成潤濕溶液,將占干法脫泥尾泥質(zhì)量10%的潤濕溶液噴灑入混合尾泥中,再次混合均勻,使得尾泥處于潤濕狀態(tài),得潤濕尾泥,將所得潤濕尾泥進(jìn)行掃描電鏡觀察,結(jié)果表明所得改性后的脫泥劑的粒度與未改性前(圖1)相比有所降低,且原有的球狀特征消失,顆粒具有一定的多面體形狀;
3)將所得潤濕尾泥采用塑料布覆蓋24小時(shí);
4)將塑料布撤去,繼續(xù)進(jìn)行陳放處理14天,即得改性脫泥尾泥。
將本實(shí)施例所得改性脫泥尾泥應(yīng)用于用作路基材料,具體步驟如下:
某一級(jí)道路工程需路基底基層材料1000方,現(xiàn)有改性脫泥尾泥1500方;首先測定改性脫泥尾泥的塑性指數(shù)為3,滿足施工需求,按照J(rèn)TJ034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》及JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn),確定使用6wt%的水泥為穩(wěn)定材料,按規(guī)程將所得混合料按99%的壓實(shí)度制成水泥穩(wěn)定土,測量其7天浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.2Mpa,滿足工程需求,可消納尾泥1000方。
實(shí)施例2
一種干法脫泥尾泥的改性方法,它包括以下步驟:
1)將催化劑(氧化鐵紅)與干法脫泥尾泥混合均勻,得混合尾泥,其中催化劑占干法脫泥尾泥質(zhì)量的4%;
2)將1體積的酸化劑(丙酸)混入12體積的水中形成潤濕溶液,將占干法脫泥尾泥質(zhì)量10%的潤濕溶液噴灑入混合尾泥中,再次混合均勻,使得尾泥處于潤濕狀態(tài),得潤濕尾泥;
3)將所得潤濕尾泥采用塑料布覆蓋18小時(shí);
4)將塑料布撤去,繼續(xù)進(jìn)行陳放處理30天,即得改性脫泥尾泥。
將本實(shí)施例所得改性脫泥尾泥應(yīng)用于用作路基材料,具體步驟如下:
某二級(jí)道路工程需路基底基層材料3000方,現(xiàn)有改性脫泥尾泥600方,將步驟4)所得改性脫泥尾泥(600方)與4倍體積的當(dāng)?shù)赝寥阑旌?,形成?000方的土壤混合物;首先測定改性脫泥尾泥的塑性指數(shù)為13,滿足施工需求,按照J(rèn)TJ034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》及JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn),確定使用3wt%的水泥和3wt%的消化石灰為穩(wěn)定材料,按規(guī)程將所得混合料按97%的壓實(shí)度制成水泥石灰綜合穩(wěn)定土,測量其7天浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.8Mpa,滿足工程需求,可消納尾泥600方。
實(shí)施例3
一種干法脫泥尾泥的改性方法,它包括以下步驟:
1)將催化劑(氧化鐵紅)與干法脫泥尾泥混合均勻,得混合尾泥,其中催化劑占干法脫泥尾泥質(zhì)量的5%;
2)將1體積的酸化劑(甲酸:乙酸=1:1)混入9體積的水中形成潤濕溶液,將占干法脫泥尾泥質(zhì)量8%的潤濕溶液噴灑入混合尾泥中,再次混合均勻,使得尾泥處于潤濕狀態(tài),得潤濕尾泥;
3)將所得潤濕尾泥采用塑料布覆蓋26小時(shí);
4)將塑料布撤去,繼續(xù)進(jìn)行陳放處理20天,即得改性脫泥尾泥。
將本實(shí)施例所得改性脫泥尾泥應(yīng)用于用作路基材料,具體步驟如下:
某三級(jí)道路工程需路基底基層材料2000方,現(xiàn)有改性脫泥尾泥2000方;首先測定改性脫泥尾泥的塑性指數(shù)為5,滿足施工需求,按照J(rèn)TJ034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》及JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn),確定使用4wt%的水泥為穩(wěn)定材料,按規(guī)程將所得混合料按95%的壓實(shí)度制成水泥穩(wěn)定土,測量其7天浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0Mpa,滿足工程需求,可消納尾泥2000方。
實(shí)施例4
一種干法脫泥尾泥的改性方法,它包括以下步驟:
1)將催化劑(氧化鐵紅)與干法脫泥尾泥混合均勻,得混合尾泥,其中催化劑占干法脫泥尾泥質(zhì)量的2%;
2)將1體積的酸化劑(乙酸:乳酸=1:1)混入10體積的水中形成潤濕溶液,將占干法脫泥尾泥質(zhì)量12%的潤濕溶液噴灑入混合尾泥中,再次混合均勻,使得尾泥處于潤濕狀態(tài),得潤濕尾泥;
3)將所得潤濕尾泥采用塑料布覆蓋26小時(shí);
4)將塑料布撤去,繼續(xù)進(jìn)行陳放處理20天,即得改性脫泥尾泥。
將本實(shí)施例所得改性脫泥尾泥應(yīng)用于用作路基材料,具體步驟如下:
某三級(jí)道路工程需路基底基層材料4000方,現(xiàn)有改性脫泥尾泥500方,將步驟4)所得改性脫泥尾泥(500方)與7倍體積的施工地土壤混合,形成共4000方的土壤混合物;首先測定改性脫泥尾泥的塑性指數(shù)為19,滿足施工需求,按照J(rèn)TJ034-2000《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》及JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn),確定使用6wt%的生石灰和3wt%的粉煤灰為穩(wěn)定材料,按規(guī)程將所得混合料按95%的壓實(shí)度制成二灰穩(wěn)定土,測量其7天浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.2Mpa,滿足工程需求,可消納尾泥500方。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和變換,這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。