一种改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法与流程

本发明属于路基填料技术，特别是涉及一种改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法。

背景技术：

碱厂使用传统氨碱法生产纯碱，过程中会排出白色固体废料——碱渣。碱渣是石灰工业废渣之一，碱渣的堆存使场地周围的土质产生盐渍化，水体受到污染，同时由于碱渣以粉粒为主，容易随风向周围扩散，对城市的空气影响很大。

磷矿尾矿砂是在磷矿原矿开采过程中，没有达到生产湿法磷酸的要求，经过选矿淘汰的废弃物，属于工业固体废弃物中的矿业固体废弃物。目前我国对尾矿砂的利用率较低，磷矿尾砂一般都堆置在磷尾矿库中，占用大量的土地资源。现存多数尾矿坝已严重超高，坍井、溃坝事故频发，安全隐患巨大。

近年来，国家经济飞速发展，道路工程建设数量急剧增加，这意味着需要大量的路基填料。然而随着国家对绿色生态的逐步重视，多数地区已经禁止开采传统碎石填料，导致道路修筑部门只能从湖南等地区购买碎石填料，在运费和购买填料方面的花费数额较大，这无疑会是一个巨大的经济负担。在传统路基填料日益缺乏且成本越来越高情况下，将工业废弃物作为路基填料成为一个可选项，这不仅切合绿色交通这一导向，也符合我国节能减排这一战略。

磷矿尾砂的工程性质不好，黏粒含量少、胶结作用弱、塑性弱、抗剪强度低、整体性较差，主要强度由内摩擦力提供。如果在沙中加入黏土，由于黏土本身就具有粘聚性，和砂混合后，两种材料的颗粒级配均得到改善、黏性成分镶嵌于磷尾矿砂颗粒间、尾矿砂与黏土接触面增多，使砂与黏土的混合料更加密实，形成由粘聚力和内摩擦力共同承担强度的整体，混合料会具有类似砂土的内嵌黏聚能力，强度和稳定性得到提高。碱渣含有大量的caco3，中量的cacl2,cao和caso4，所含钙量和生石灰基本一致，具备离子交换、火山灰反应、碳酸化反应和结晶反应所需的ca²⁺，并且能提供碱性激发环境使黏土释放活性的氧化硅、氧化铝黏粒以促进火山灰反应的进行。同时，碱渣比表面积比生石灰更大，利于促进上述物理化学反应的充分进行。通过一系列物理化学作用后，碱渣、黏土和磷矿尾砂的混合料能形成一种优良的路基填料。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术环境污染和土地占用以及目前传统路基填料缺乏的问题，本发明提供了充分发挥碱渣、磷矿尾砂这两种工业废弃物的剩余价值，并且工艺流程简单、质量可控的复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法。

技术方案：本发明所述的一种改性磷矿尾砂路基填料，包括以下质量百分含量的各个组分：碱渣10％～50％、基材50％～90％，其中，所述基材由25％～50％黏土和50％～75％磷矿尾砂组成，上述质量百分含量以干重计。

其中，所述碱渣为低液限粉土，所述磷矿尾砂为细沙，所述黏土为低液限黏土。

所述碱渣中，粉粒含量50～60％，黏粒含量10～20％、砂粒含量20～30％；所述磷矿尾砂中，砂粒含量70～80％，黏粒含量10～15％、粉粒含量5～10％；所述黏土中，砂粒含量1～3％、粉粒含量40～50％、黏粒含量40～50％。其中，所述碱渣为氨碱法制碱工业废渣，其主要化学成分为caco3、cacl2和cao，所述磷矿尾砂为生成磷酸的采矿过程中选矿废弃的矿渣。

所述改性磷矿尾砂路基填料的制备方法为，先将黏土和磷矿尾砂混合形成第一混合物砂黏土，然后将碱渣和第一混合物砂黏土混合形成第二混合物，即改性磷矿尾砂路基填料。

具体包括以下步骤：

(1)取碱渣、黏土、磷矿尾砂，分别干燥至含水率小于5％，剔除杂质后粉碎过筛，在搅拌机中搅拌均匀使各材料的含水率分布均匀，分别取各材料试样测量初始含水率，然后将试样烘烤称干重；

(2)以干重质量按照配比分别取步骤(1)搅拌均匀的磷矿尾砂和黏土，混合得到第一混合物砂黏土，搅拌使砂黏土含水率均匀，取砂黏土试样测量初始含水率，然后将砂黏土试样烘烤称干重；

(3)以干重质量按照配比分别取步骤(1)搅拌均匀的碱渣，和步骤(2)的砂黏土，搅拌混合，并调整含水率，形成第二混合物碱渣黏土复合改性磷矿尾砂，即改性磷矿尾砂路基填料。

步骤(1)中，对碱渣、磷矿尾砂、黏土采用场地摊铺、晾晒(环境温度>25℃)干燥，或在50～65℃模拟自然风干条件下干燥，或在100～150℃温度下干燥，使其含水率小于5％。

步骤(1)中，碱渣、黏土、磷矿尾砂粉碎直至无明显大颗粒并过2mm筛。

步骤(1)和步骤(2)中，每种材料采用四分法取10个平行试样测量含水率，取其平均值作为整体含水率，取样点需在材料摊铺范围中均匀分布，每个试样50～100g。若平行样数据分布过于离散，重新搅拌，并重复取样操作，直到数据分布稳定程度达到工程要求。

步骤(1)和步骤(2)中，试样在105～120℃烘箱内烘烤10～12h后称干重。

步骤(3)中，调整第二混合物碱渣黏土复合改性磷矿尾砂含水率为11～16％，最优选为12％。

步骤(3)中，复合改性磷矿尾砂的最优含水率按照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)重ⅱ-2型击实试验方法对第二混合物进行击实试验确定。

有益效果：相比较于现有技术，本申请利用碱渣和黏土代替传统固化剂水泥和石灰，作为磷矿尾砂的改性剂。其特点在于所需材料为工业废渣和黏土，价格低廉，且改性效果良好。本发明能将碱渣、磷矿尾砂和黏土“变废为宝”，在以磷矿尾砂为骨架的基础上，充分利用黏土本身的粘聚力，形成砂土内嵌结构，使得抗剪强度由粘聚力和内摩擦力共同承担，结合了尾砂和黏土的优点。在上述基础上，加入碱渣，生成碱性环境，释放ca²⁺进行离子交换作用，火山灰作用等，进一步加强土颗粒之间的胶结性。本项发明为碱渣、磷矿尾砂等大型工业废弃物在道路工程领域的利用奠定了基础，也可推广到其他石灰类工业废渣和尾矿砂等废弃物的再生利用。

附图说明

图1为本发明的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料中磷矿尾砂和黏土比例为50:50，碱渣掺量为10％、20％、30％、40％、50％的击实曲线图；

图2为本发明的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料中磷矿尾砂和黏土比例为75:25的，碱渣掺量为10％、20％、30％、40％、50％击实曲线图；

图3为参比的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料中磷矿尾砂和黏土比例为25:75的，碱渣掺量为10％、20％、30％、40％、50％击实曲线图；

图4为本发明的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料的制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

为了衡量碱渣和黏土在改性土中的含量对改性土性质的影响，采取如表1的试验配比和最优含水率进行改良。实施例制备流程如图4所示。

实施例1

1)对碱渣、磷矿尾砂、黏土采用场地摊铺，晾晒或在50～65℃模拟自然风干条件下烘干或在100～150℃温度下烘干，控制含水率达到较低水平(<5％)，然后剔除材料中杂质，将干燥的碱渣、磷矿尾砂、黏土使用粉碎机分别破碎，搅拌均匀；

2)对步骤1)中每种材料采用四分法取不少于10个平行样测量含水率，取其平均值作为整体含水率，取样点需均匀分布，每个试样50～100g，取样后需在105℃～120℃的烘箱内烘烤10～12h称重；

3)若步骤2)平行样数据分布过于离散，重新搅拌，并重复步骤2)，直到数据分布稳定程度达到工程要求；

4)计算步骤2)得到的黏土和磷矿尾砂的干重，将磷矿尾砂作为基材，按黏土干重掺量为25％将黏土与磷矿尾砂混合成第一混合物即砂黏土(注：磷矿尾砂也以干重混合)，测量各配比砂黏土混合料的含水率，具体步骤可参考步骤2)；

5)将步骤4)中获得的砂黏土混合物作为基材，按碱渣干重掺量为10％碱渣和第一混合物砂黏土进行第二混合并搅拌均匀后得到第二混合物即碱渣黏土复合改性磷矿尾砂混合料，测量该配比碱渣黏土复合改性磷矿尾砂混合料的含水率，具体步骤可参考步骤2)；

6)按照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)重ⅱ-2型击实试验方法对第二混合物进行击实试验，确定第二混合物的最优含水率为12％；

7)控制各配比改性材料含水率达到预设含水率12％(如表1所示)即可得到路基填料s1。

实施例2

本实施例用于说明本发明提供的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法

按照实施例1的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为20％，步骤7中预设含水率为13％，得到路基填料s2。

实施例3

本实施例用于说明本发明提供的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法

按照实施例1的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为30％，步骤7中预设含水率为14％，得到路基填料s3。

实施例4

本实施例用于说明本发明提供的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法

按照实施例1的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为40％，步骤7中预设含水率为15％，得到路基填料s4。

实施例5

本实施例用于说明本发明提供的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法

按照实施例1的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为50％，步骤7中预设含水率为16％，得到路基填料s5。

实施例6

1)对碱渣、磷矿尾砂、黏土采用场地摊铺，晾晒或在50～65℃模拟自然风干条件下烘干或在100～150℃温度下烘干，控制含水率达到较低水平(<5％)，然后剔除材料中杂质，将干燥的碱渣、磷矿尾砂、黏土使用粉碎机分别破碎，搅拌均匀；

2)对步骤1)中每种材料采用四分法取不少于10个平行样测量含水率，取其平均值作为整体含水率，取样点需均匀分布，每个试样50～100g，取样后需在105℃～120℃的烘箱内烘烤10～12h称重；

3)若步骤2)平行样数据分布过于离散，重新搅拌，并重复步骤2)，直到数据分布稳定程度达到工程要求；

4)计算步骤2)得到的黏土和磷矿尾砂的干重，将磷矿尾砂作为基材，按黏土干重掺量为50％将黏土与磷矿尾砂混合成第一混合物即砂黏土(注：磷矿尾砂也以干重混合)，测量各配比砂黏土混合料的含水率，具体步骤可参考步骤2)；

5)将步骤4)中获得的砂黏土混合物作为基材，按碱渣干重掺量为10％碱渣和第一混合物砂黏土进行第二混合并搅拌均匀后得到第二混合物即碱渣黏土复合改性磷矿尾砂混合料，测量各配比碱渣黏土复合改性磷矿尾砂混合料的含水率，具体步骤可参考步骤2)；

6)按按照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)重ⅱ-2型击实试验方法对第二混合物进行击实试验，确定第二混合物的最优含水率为11％；

7)控制各配比改性材料含水率达到预设含水率11％(如表1所示)即可得到路基填料s6。

实施例7

本实施例用于说明本发明提供的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法

按照实施例6的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为20％，步骤7中预设含水率为12％，得到路基填料s7。

实施例8

本实施例用于说明本发明提供的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法

按照实施例6的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为30％，步骤7中预设含水率为13％，得到路基填料s8。

实施例9

本实施例用于说明本发明提供的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法

按照实施例6的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为40％，步骤7中预设含水率为14％，得到路基填料s9。

实施例10

本实施例用于说明本发明提供的碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料及其制备方法

按照实施例6的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为50％，步骤7中预设含水率为15％，得到路基填料s10。

对比例1

1)对碱渣、磷矿尾砂、黏土采用场地摊铺，晾晒或在50～65℃模拟自然风干条件下烘干或在100～150℃温度下烘干，控制含水率达到较低水平(<5％)，然后剔除材料中杂质，将干燥的碱渣、磷矿尾砂、黏土使用粉碎机分别破碎，搅拌均匀；

2)对步骤1)中每种材料采用四分法取不少于10个平行样测量含水率，取其平均值作为整体含水率，取样点需均匀分布，每个试样50～100g，取样后需在105℃～120℃的烘箱内烘烤10～12h称重；

3)若步骤2)平行样数据分布过于离散，重新搅拌，并重复步骤2)，直到数据分布稳定程度达到工程要求；

4)计算步骤2)得到的黏土和磷矿尾砂的干重，将磷矿尾砂作为基材，按黏土干重掺量为75％将黏土与磷矿尾砂混合成第一混合物即砂黏土(注：磷矿尾砂也以干重混合)，测量各配比砂黏土混合料的含水率，具体步骤可参考步骤2)；

5)将步骤4)中获得的砂黏土混合物作为基材，按碱渣干重掺量为10％碱渣和第一混合物砂黏土进行第二混合并搅拌均匀后得到第二混合物即碱渣黏土复合改性磷矿尾砂混合料，测量各配比碱渣黏土复合改性磷矿尾砂混合料的含水率，具体步骤可参考步骤2)；

6)按按照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)重ⅱ-2型击实试验方法对第二混合物进行击实试验，确定第二混合物的最优含水率为13％；

7)控制各配比改性材料含水率达到预设含水率13％(如表1所示)即可得到路基填料d1。

对比例2

本对比例例用于说明参比的改良路基填料及其制备方法

按照对比例1的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为20％，步骤7中预设含水率为14％，得到路基填料d2。

对比例3

本对比例例用于说明参比的改良路基填料及其制备方法

按照对比例1的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为30％，步骤7中预设含水率为15％，得到路基填料d3。

对比例4

本对比例例用于说明参比的改良路基填料及其制备方法

按照对比例1的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为40％，步骤7中预设含水率为16％，得到路基填料d4。

对比例5

本对比例例用于说明参比的改良路基填料及其制备方法

按照对比例1的方式进行，但第二混合物中碱渣掺量为50％，步骤7中预设含水率为17％，得到路基填料d5。

测试例

本测试例用于说明实施例中碱渣黏土复合改性磷矿尾砂路基填料的效果

(1)最优含水率和最大干密度

按照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)进行

(2)cbr值和膨胀率

按照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)进行

(3)无侧限抗压强度

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtge51-2009)

测试结果列于表1、图1、图2和图3中

表1

从表1、图1、图2和图3中可以看出，和实施例相比，对比例的基材中黏土掺比超过磷矿尾砂，同样碱渣掺量的填料，填料膨胀率上升，主要强度cbr值下降，虽然无侧限抗压强度有所上升，但当碱渣掺量超过20％时，填料膨胀量过大，试样松散，无法测量无侧限强度，说明黏土掺量过大会降低填料的水稳性能。本发明的实施例中所得到的路基填料的cbr值和无侧限抗压强度大，膨胀率小，最大干密度大，水稳性好，对磷矿尾砂这种不良材料有明显的改良作用，能满足路基填料的要求。