铁尾矿用作路面基层材料的研究.pdf

中图分类号 塑生一 U D C6 工l 硕士学位论文 学校代码 Q 三三 密级公珏 铁尾矿用作路面基层材料的研究 T h e A p p l yo f I r o nT a i l i n g sa sS u b g r a d eM a t e r i a l s 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 万磊 矿业工程 矿物加工工程 资源加工与生物工程学院 易龙生教授 论文答辩日期竺 主 J答辩委员会主席 中南大学 二O 一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名刁压”日期旦年三月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名二趣 日期』型年二月翌日 导师繇趔 日期 型年上月L 日 万方数据 铁尾矿用作路面基层材料的研究 摘要本文系统的研究了铁尾矿用作路面基层材料这一课题，为铁尾 矿的综合利用提供了一条新的途径。 本文首先进行了铁尾矿用作路面基层材料的配合比进行了实验 论证，添加了水泥、生物凝聚酶作为铁尾矿的稳定剂，根据国标要求 采用无侧限抗压强度作为唯一评价指标，确定了集合料的最佳配合比 为水泥碎石铁尾矿生物凝聚酶 5 3 0 6 8 2 。在此配合比时，铁尾矿 做路面基层材料的强度可以满足国标规定的高速公路及一级公路道 路使用标准。 为了提高路面材料的使用寿命、优化材料性能，在无机结合料中 加入聚丙烯纤维，并重点针对路面材料力学性能以及耐久性能展开研 究。实验结果表明试件的劈裂抗拉强度随聚丙烯纤维的加入先上升 后下降，当纤维掺量为1 ．5k g ／m 3 时，试件的劈裂抗拉强度最大；试 件的抗弯拉强度随聚丙烯纤维的加入先上升后下降，当纤维掺量为 0 ．9k g ／m 3 时，试件的抗弯拉强度最大；聚丙烯纤维的掺入有助于降低 试件的回弹模量值，回弹模量随聚丙烯纤维用量增加而增大；不同聚 丙烯纤维的掺量对试件的冻稳性影响很小；不同聚内烯纤维的掺量对 试件水稳性影响较小；抗冲刷实验表明，试件的质量损失比随着纤维 掺量的增加冲刷率与质量损失比先下降后上升，当纤维掺量为1 ．5 k g ／m 3 时，试件的冲刷率降至最低；纤维的掺入可有效降低试件的干 缩量；综合上述试验结果，最终确定聚丙烯纤维的最佳用量为 1 ．5 k g ／m 3 。 本文的研究成果对推厂。1 铁尾矿用作路面基层材料具有一定的参 考价值。图2 4 幅，表2 2 个，参考文献6 6 篇。 关键词铁尾矿；路面基层材料；生物凝聚酶；无侧限抗压强度；力 学性能；耐久性能 分类号X 7 5 7 万方数据 T h e A p p l y o fI r o nT a i l i n g sa sS u b g r a d eM a t e r i a l s A b s t r a c t T h ep a p e rs t u d i e st h ei r o nt a i l i n g su s e da sr o a db a s em a t e r i a la n d p r o v i d e sa n e ww a yf o rt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fi r o nt a i l i n g s ． T h i sp a p e rc o m b i n e dw i t hi r o nm i n et a i l i n g sa sr o a db a s ec o u r s e m a t e r i a li s p r o v e db ye x p e r i m e n t ．A d d i n g t h e c e m e n t ，b i o l o g i c a l c o a g u l a t i o ne n z y m e sa ss t a b i l i z e ro fi r o no r et a i l i n g s ．A c c o r d i n gt ot h e n a t i o n a ls t a n d a r dt h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ha st h eo n l y e v a l u a t i o ni n d e x ，t h eo p t i m u md i s t r i b u t i o no fa g g r e g a t er a t i oi sc e m e n t g r a v e l i r o nt a i l i n g s b i o l o g i c a lc o n d e n s i n ge n z y m e2 5 3 0 6 8 2 ．I nt h i s m i x ，i r o nt a i l i n g s a s p a v e m e n tb a s em a t e r i a ls t r e n g t h c a nm e e tt h e n a t i o n a ls t a n d a r do fE x p r e s s w a ya n dh i g h w a yr o a du s es t a n d a r d ． I no r d e rt oi m p r o v et h es e r v i c el i f ea n do p t i m i z a t i o no fp a v e m e n t m a t e r i a l s ，t h ei n o r g a n i cc o m b i n e dw i t ht h ea d d i t i o no fp o l y p r o p y l e n e f i b e r , a n df o c u so ni m p r o v i n gt h ep a v e m e n t m a t e r i a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t yp r o p e r t i e s ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t t h es p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e sw i t ht h ea d d i t i o no fp o l y p r o p y l e n e f i b e ri n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ，w h e nt h ef i b e rc o n t e n ti s1 ．5 k g ／m 3t h es p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t hr e a c h e st h em a x i m u m ．B e n d i n g t e n s i l e s t r e n g t hw i t ht h ea d d i t i o no fp o l y p r o p y l e n ef i b e r si n c r e a s e df i r s ta n dt h e n d e c r e a s e d ，w h e nt h ef i b e rc o n t e n ti s 0 ．9k e d m 3s p e c i m e n s ，t h ef l e x u r a l s t r e n g t hi st h eh i g h e s t ．T h e a d d i t i o no fp o l y p r o p y l e n ef i b e rc a n ’h e l p r e d u c et h em o d u l u so fr e s i l i e n c eo ft e s tv a l u e ，r e s i l i e n tm o d u l u si n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fp o l y p r o p y l e n ef i b e r ．A d d i n gd i f f e r e n ta m o u n to f p o l y p r o p y l e n ef i b e rh a sn oi n f l u e n c eo n f r e e z es t a b i l i t y ．A d d i n gd i f f e r e n t a m o u n to fp o l y p r o p y l e n ef i b e rh a sn oi n f l u e n c eo nw a t e rs t a b i l i t y ．T h e a n t is c o u r i n ge x p e r i m e n ts h o wt h a tt h eq u a l i t yl o s sd e c r e a s e df i r s ta n d t h e ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ef i b e rc o n t e n t ，w h e nt h ef i b e r c o n t e n ti s1 ．5 k d m ’，t h es p e c i m e ne r o s i o nr a t ed r o p p e dt ot h el o w e s t ． F i b e rc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h es p e c i m e ns h r i n k a g e ．A c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s ，t h eo p t i m a ld o s a g eo fp o l y p r o p y l e n ef i b e r1 ．5 k g ／m ’． T h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rh a v es o m er e f e r e n c ev a l u ef o rt h e p r o m o t i o no fi r o nt a i l i n g su s e da ss u b g r a d em a t e r i a l s ． 万方数据 K e y w o r d s i r o nt a i l i n g s ；s u b g r a d em a t e r i a l s ；t h em o d i f i e de n z y m e ； U n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；d u r a b i l i t y C l a s s i f i c a t i o n X 7 5 7 I V 万方数据 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 1 绪j 沦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 铁尾矿概述及其综合利用的国内外现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，1 1 ．2 ．1 铁尾矿的化学组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 铁尾矿再选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 铁尾矿制砖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．4 铁尾矿复垦植被⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．5 铁尾矿用作土壤改良剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 国内外铁尾矿在公路工程中利用的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3 ．1国内铁尾矿在公路工程中利用的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2国外铁尾矿在公路工程中利用的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 我国铁尾矿资源化利用存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．5 我国路面基层材料应用的现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．5 ．1柔性基层材料的特点与应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．5 ．2刚性基层材料的特点与应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．5 ．3 半刚性基层材料的特点与应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．6 生物凝聚 固化 酶的基本性质与应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．6 ．1生物凝聚酶固化剂的基本性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．6 ．2 生物凝聚酶固化剂的应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．7 研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．8 课题研究的主要内容与目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 实验原料、仪器及实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 实验原料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．1 铁尾矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．1 ．2 碎石⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 ．3 石灰⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 ．4 水泥⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 ．5 聚丙烯纤维⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．1 ．6 生物凝聚酶⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 V 万方数据 2 ．2 实验仪器及设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．1 粒度分析实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．2 标准击实实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．3 无侧限抗压强度实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．3 ．4 间接抗拉强度实验方法 劈裂实验 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 ．5 弯拉强度实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．3 ．6 干缩实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．3 ．7 水稳性实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．3 ．8 冻融实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 ．9 抗冲刷实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．3 ．1 0 抗酸雨侵蚀实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 铁尾矿用作路面基层材料的配合比设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1击实实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．1水泥掺量对最大干密度与最佳含水量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 ．2 石灰掺量对最大干密度与最佳含水量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．3 水泥、生物凝聚酶掺量对最大干密度与最佳含水量的影响⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．4 碎石用量对最大干密度与最佳含水量的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 无侧限抗压强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1水泥掺量对无侧限抗压强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 ．2 石灰掺量对无侧限抗压强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．3 碎石掺量对无侧限抗压强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．4 生物凝聚酶用量对无侧限抗压强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 配合比的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．1 灰关联熵分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 - 2 灰关联熵分析方法计算公式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 _ 3 无侧限抗压强度灰熵关联分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．4 集料配合比的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 铁尾矿做路面基层材料力学性能的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 数据处理及分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 ．1实验数量n 的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．2 算术平均值x ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 4 ．1 ．3 标准差S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 V l 万方数据 4 ．1 ．4 允许的变异系数c 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 劈裂抗拉强度实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 - 3 抗弯拉强度实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．4 抗压回弹模量实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 铁尾矿做路面基层材料耐久性能的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．1 冻融循环实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 干湿循环实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．3 抗冲刷实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．4 干缩实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．5 抗酸雨侵蚀实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．6 聚丙烯纤维用量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 6 稳定剂改善铁尾矿路面基层材料的作用机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 集合料的强度形成机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 ．1 ．1 机械压实作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．1 ．2 结合料的胶结作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．1 ．3 碳酸化作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 6 ．1 ．4 结合料与铁尾矿之间的粘结力、骨料颗粒之问的内摩阻力⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 6 ．1 ．5 生物凝聚酶的密实作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 6 ．2 集合料的水稳性机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．3 抗弯拉强度机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．4 本节小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 7 ．1主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 在读硕士学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 ．1 问题的提出 近三十年来，我国在经济建设领域取得了巨大的成就，。但伴之而来的是各 类资源的大量消耗、固体废弃物以及废水废气大量的排放，这些都对我国本已非 常脆弱的生态环境构成了巨大的威胁。以铁尾矿为例，根据中国环境统计年鉴 2 0 1 1 报道，我国铁矿采选行业2 0 1 0 年共计产生工业固体废物量达3 1 9 6 8 ．8 7 万吨，而得到综合利用的仅有6 6 5 7 ．9 4 万吨，综合利用率只有2 0 ．8 3 ％l IJ 。据统计， 全国堆存的铁尾矿已达十几亿吨【2 】，而且每年以四千万吨以上增加1 3 J 。目前，我 国大量没有得到综合利用的铁尾矿主要处理方式是堆存1 4 】。这不仅迫使企业修筑 尾矿库，承担高昂的基建成本，而且占用了宝贵的土地资源。因此，寻求一种将 铁尾矿资源化利用的方式方法迫在眉睫。 另一方面，中国公路建设正在经历一个快速发展的阶段。截止到2 0 1 0 年， 全国公路总里程已达3 ．8 6 1 0 6 k m ，相比2 0 0 9 年增加了1 ．3 1 1 0 ’k m p J 。而且， 由于我国筑路技术、筑路材料并不先进，超载现象严重，每年毁损、需要重新铺 筑的道路也有许多。大规模的公路建设固然对我国经济建设起到极为有效的推动 作用，但是每年巨大的河砂与土石方消耗量使得一些河砂与碎石的原材料产地环 境急剧恶化，出现了过量的开山碎石、盗采河砂现象，对当地生态平衡破坏巨大 1 6 1 。在公路工程中，路基工程所消耗的建筑材料数量最为突出。若能找到合适的 方法，将铁尾矿应用于路基工程中，既可以减少传统建筑材料如河砂、碎石的开 采量，又可以消耗大量的铁尾矿，使铁尾矿变废为宝，有着极为显著的环境与经 济双重效益。本文就以此为出发点，就铁尾矿用做路面基层材料进行了初步的研 究与探讨。 1 ．2 铁尾矿概述及其综合利用的国内外现状 一般而言，铁尾矿是指铁矿选矿厂在特定的工艺流程下，将铁矿原矿石破碎、 磨细，进而选取其中有价金属铁元素之后剩余的固体废弃物，与铁精矿相对应1 7 j 。 西方国家对于铁尾矿的回收利用这一课题展开的较早，1 9 世纪7 0 年代就已经开 始了这一问题的研究。时至今日，一些发达国家如德国、瑞典、同本等国的铁尾 矿甚至能够做到全部利用【8 】。我国虽然较之国外起步非常完，2 0 世纪八十年代才 开始着手铁尾矿资源化的应用，但是发展很迅速，在铁尾矿再选、矿山回填材料、 万方数据 硕士学位论文1 绪论 建筑材料、墙体材料和土壤改良剂等众多领域取得实用性成果，部分领域技术处 于世界前列水平【9 】。因此，我国铁尾矿的综合再利用还有相当大的潜力可以挖掘。 1 ．2 ．1 铁尾矿的化学组成 因为铁矿生成原因、类型的不同，所以各地铁尾矿的矿物组成、化学成分也 不同，有些地区的铁尾矿甚至差别很大。例如，我国辽宁鞍本、河北东部等地区 出产的铁矿中有用矿物与脉石矿物都非常单一，磁铁矿以及少量的赤铁矿为有用 矿物；脉石矿物则以石英为主，其次是角闪石和绿泥石等【10 1 。经选矿提取其中 有用矿物组分后所得到的铁尾矿除了含有少量铁外，其余矿物组成主要为石英以 及硅酸盐矿物。另外一些铁矿产区，如湖北大冶、四川攀枝花、内蒙古白云鄂博、 等地区的铁矿均为多组分铁矿，伴生组分众多，因此经选矿后所得到的铁尾矿矿 物组成依然非常复杂⋯】。表1 1 列出了我国几个典型铁矿产地地区的铁尾矿化学 组成。 表1 - 1 铁尾矿的化学成分／％ T a b ．1 - 1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no f i r o nt a i l i n g s ／％ 由上表可知，不同地区的铁尾矿的化学成分差异很大，因此又被分为下列五 种类型a 鞍山高硅型铁尾矿b 马钢高铝型铁尾矿c 酒钢低钙、镁、铝、硅型 铁尾矿d 邯郸高钙镁型铁尾矿e 大冶多金属型铁尾矿I l 引。 虽然全国各地铁尾矿化学成分差异较大，但国内外一些科研机构的研究结果 均指出，所有类型铁尾矿中都含有一定量的矿物胶体，并且这些胶体矿物都具有 一定的电性、吸收性以及巨大的表面能I l3 1 。矿物胶体在碱性条件下能够和水泥 浆的水化产物发生离子交换反应，进而形成新的凝聚体。由于这钟新生成的凝聚 体是通过较强的化学键结合而形成的网状结构，所以结构较为稳定。而且因为建 筑制品都需要在一定压力下制作成型，这导致矿物与水泥颗粒之问的契合度会加 万方数据 硕士学位论文1 绪论 强。再加上水泥在水化过程中能够与石英颗粒能较为紧密地结合水泥I l 训，使这 种凝聚体可以紧固地胶凝、包裹住石英颗粒与其它物质。这些研究结果为铁尾矿 的综合利用指明了一些方向。 1 ．2 ．2 铁尾矿再选 云南大红山4 0 0 万t ／a 铁选厂每年约产生2 0 0 万吨左右铁尾矿，品位约为 1 4 ．5 2 ％。朱运凡等人针对大红山铁尾矿数量大、铁品位较高、有用组分大部分解 离等特点，采用了高梯度磁选机强磁粗选、悬振锥面选矿机进行重选精选的联合 工艺流程，最终取得了铁精矿品位5 4 ．0 2 ％、回收率3 4 ．6 8 ％的理想选别指标【l 引。 韩京增等针对莱芜钢铁鲁南矿业某选厂的铁尾矿进行了资源化研究。铁尾矿由选 厂中品位为1 7 ．1 9 ％的磁选尾矿和品位为2 7 ．4 3 ％的反浮选铁尾矿两部分组成，经 过强磁一磨矿一强磁一弱磁一磨矿一弱磁一反浮选多段工艺流程后，可得到铁精 矿品位6 5 ．3 5 ％、产率7 ．5 4 ％的指标，经济效益明显1 1 6 】1 6 。美国的S i v a s d i v r g i 铁选 厂针对铁尾矿仍含有大量伴生元素的特点用浮选法回收铁尾矿中的铜、镍和钴等 金属元素，回收率分别为7 6 ．8 ％、8 4 ．6 ％和9 4 ．7 ％I 。7 1 。印度的达斯等人水力旋流 器和磁选机从铁尾矿中回收铁，可得铁精矿品位6 1 ％～6 5 ％t 引。 1 ．2 ．3 铁尾矿制砖 目前铁尾矿制砖的研究方向主要分为制作“双免砖”以及“三免砖”。“双免 砖”是指免蒸免烧砖，极大地降低了生产砖的能耗。“三免砖”指在“双免砖” 的基础上，又免去压制成型这一过程。黄世伟等人以梅山铁尾矿为原料，先将尾 矿调配至合适的级配，当铁尾矿掺量为7 5 ％、陶粒轻集料掺量为5 ％、J A I I 型 胶结料为1 8 ％、J A I 型外加剂掺量为2 ％、水固比为O ．1 3 时下所制造出的免烧 免蒸砖的抗压强度为2 4 ．8 9 M P a ，各项指标均可满足建材行业标准 J C T 4 2 2 ．2 0 0 7 的要求【l8 1 。郭春丽等人应用唐山石人沟铁尾矿，加入标号为4 2 5 的普通硅酸盐 水泥和围岩碎石做粗骨料进行实验研究。在水泥掺量为1 5 ％及以上时，尾矿砖的 抗压强度和抗折强度都达到了建材行业标准 J C T 4 2 2 2 0 0 7 的要求，而且省去 了压制成型这一环节，降低了工艺生产成本【1 9 】。 1 ．2 ．4 铁尾矿复垦植被 国外铁尾矿复垦的工作开展的较早，德国等西方发达国家铁尾矿复垦率己达 8 0 ％以上。M a i t i 等人研究发现，在铁尾矿进行植被的栽种不仅可以起到保持水 土的作用，还有利于植物的生长【2 0 】。随着1 9 8 8 年11 月国务院颁发的土地复垦 规定的实施，我国矿山土地复垦工作进入快速发展时期。许永利等则发现在铁 尾矿中放养蚯蚓有助于增加植被根际微生物的生长，进而帮助植被的恢复【2 1 1 。 万方数据 硕士学位论文1 绪论 王岩的研究指出沙棘一桑树人工杂交林可有效改善铁尾矿土壤的理化性质，使土 壤的养分增加1 2 引。马鞍山院则研制出“冶金矿山土地复垦专家系统”，以便于针 对不同矿山的特点提供最佳的复垦方案【2 3 】。 1 ．2 ．5 铁尾矿用作土壤改良剂 位于澳大利亚的某矿山铁尾矿含有少量具有一定的载磁性能的磁铁矿。对于 此类尾矿，按一定比例加入N ，P ，K 等元素，可以将其磁化成为磁尾复合肥， 对植物的生长是大有益处的【2 4 】。俄罗斯卡奇卡那尔地区铁选厂的尾矿含有硅、 钙、镁的氧化物，呈弱碱性，因此可作为一种土壤改良剂用于中和酸性土壤1 2 5 J 。 国内方面，马鞍山研究院用磁化机对铁尾矿进行了特定的磁化处理后，将磁化处 理过的铁尾矿施入土壤中并混合均匀。在这片土壤种植大豆、水稻等农作物，与 未加入磁化尾矿的土壤相比，大豆产量增加1 5 ．5 0 ％，水稻增产1 2 ．6 3 ％1 2 6 J 。 1 ．3 国内外铁尾矿在公路工程中利用的现状 目前国内外关于铁尾矿应用于公路工程的现状整理如下。 1 ．3 ．1国内铁尾矿在公路工程中利用的现状 马鞍山矿山研究院与东北大学合作，应用取自鞍钢周家沟尾矿库积存的铁尾 矿，然后按比例的掺入河砂、石子、粘土、粉煤灰、固化剂等材料，经过碾压、 加水养护7 天后测得路面的弯沉值为4 8 ，达到了我国国家路面基层材料的使用 标魁”l 。 苏更应用首钢位于迁安市的铁尾矿料，在配比为水泥碎石铁尾矿砂 5 - 7 2 2 8 的条件下，铺筑了一条二级旅游公路。养护七天后，现场检测和钻芯取 样结果表明路基材料7 d 强度均值为3 ．5 2 M P a ，这项结果表明铁矿尾矿料用于公 路路面基层是完全可行的I 川。 张铁志等人将鞍山齐大山铁尾矿与当地的建筑垃圾一废砖相结合，再掺入适 量水泥与碎石，在水泥剂量为5 ％、铁尾矿碎砖碎石质量比为2 5 3 的条 件下，取得了7 d 无侧限抗压强度3 ．1 6 M P a 的结果，证明铁尾矿与碎砖可应用于 二级和二级以下公路基层以及一级公路和高速公路的底基层。而且此配比在修筑 一条宽1 2 m 、厚2 0 e m 的道路时，相比较于传统的水泥碎石基层材料，每k m 节 省资金6 4 4 8 8 元，可节省道路材料价格3 0 ．4 3 ％1 2 8 ] 。 孙吉书等人针对河北省涞源地区的铁尾矿，利用石灰粉煤灰 简称“二灰” 稳定铁尾矿碎石，在配比为石灰粉煤灰铁尾矿碎石 9 1 8 7 3 和石灰粉 煤灰铁尾矿碎石 1 0 2 0 7 0 的条件下，满足我国公路沥青路面设计规范 4 万方数据 硕士学位论文 1 结论 对基层材料强度要求，证明“二灰”稳定铁尾矿碎石不仅有着较高强度、刚度， 并且水稳性和抗冻融性性能良好【2 9 | 。 张亮同样应用河北涞源地区的铁尾矿碎石，采用水泥稳定铁尾矿碎石的方 法，当水泥剂量为6 ％时，7 d 无侧限抗压强度可达3 ．0 1 2 M P a ；劈裂强度0 ．4 8 2 M P m 经过五次冻融循环后，试件的残余强度保持在7 5 ％以上；经过十次干湿循环后水 稳定系数在0 ．9 以上；证明水泥稳定铁尾矿碎石具有较高的强度和刚度，抗冻性 能、水稳性能良好，可以应用作为我国北方冰冻地区与南方潮湿地区的公路基层 或底基层材料【5 】，极大的拓展了铁尾矿做路面基层材料的应用范围。 潘宝峰等人通过室内循环实验，对无机结合料稳定铁尾矿的抗冻融耐久性进 行了实验研究。将标准试件养护2 8 d 后，分别将试件放入一1 8 ℃和2 0 。C 的环境中 各1 2 h ，如此循环。研究发现，5 次循环后水泥稳定铁尾矿砂的残留强度依然在 8 0 ％左右，而且趋于稳定，因此建议将试件经过5 次冻融循环后残留强度作为评 价其抗冻融性能的指标1 3 0 J 。 杨青等针对辽宁朝阳地区的铁尾矿砂，应用石灰水泥综合稳定。实验结果表 明，同时使用水泥、石灰综合稳定铁尾矿砂比单独使用石灰或水泥稳定效果好。 而且强度随着龄期的增长而增长，具有半刚性材料的特性【3 。 张铁志等人用水泥稳定铁尾矿的同时，加入少量的聚丙烯纤维，使得在达到 相同抗压强度时可降低水泥用量，进而进一步降低筑路成本并且提高路基材料的 抗裂性能例。 1 ．3 ．2 国外铁尾矿在公路工程中利用的现状 整体而言，国外就铁尾矿应用于公路工程的实例较少。美国明尼苏达大学的 R a u lV e l a s q u e z 等人将美国B i w a b i k 地区铁尾矿与铁山地区的M i n n t a c 铁尾矿做 骨料与沥青材料混合成型后，经过弯曲实验、伸实验、动态模量实验、热应力实 验后得出结论，把铁尾矿作为骨料加入到路面材料中相比较于加入传统的碎石做 骨料而言，其各项指标都非常接近甚至略微优于传统碎石[ 3 2 1 。 澳大利亚矿产部的D a n i e lB e n n e t t 等人针对黄铜矿进行选铜作业后剩余的尾 矿进行了用于路面基层材料的研究。该尾矿的主要成分是黄铁矿，与产自南威尔 士州的商业用二氧化硅、水泥还有水混合后，混合材料展现出优良的应用于道路 工程的前景【j j l 。 土耳其德米雷尔大学的M e h m e tS a l t a n 教授等人则应用当地盛产的浮石与铁 尾矿一起，进行了用做路面基层材料的研究。无论是材料的物理性质还是混合料 的J J H k l , I 承载比比值都满足当地关于路面基层材料的要求。而且，每立方米的浮石 铁尾矿只有大约4 ．5 美元，仅仅为传统的筑路材料单位价格的一半1 3 引。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1 ．4 我国铁尾矿资源化利用存在的问题 尽管近几年我国在多领域针对铁尾矿的资源化利用展开了科技攻关并取得 一些成果，但我国铁尾矿资源利用率仍然在一个较低的水平，仅为2 0 ％左右，与 发达国家接近1 0 0 ％的利用铁尾矿差距依然十分显著。总结起来，我国铁尾矿资 源化利用方面仍存在着下述几个问题 l 、技术落后，整体利用率偏低 虽然我国一些矿山企业与研究院在尾矿再利用方面做了许多工作，但由于开 展时间较晚，很多尾矿直接采用了堆存的方式处置，整体利用率仍然远远低于世 界水平。而且由于技术水平有限，导致尾矿利用率低，这也造成了较低的整体利 用率。 2 、铁尾矿成分复杂，缺乏