一种干法脱泥尾泥的改性方法及其应用与流程

本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种干法脱泥尾泥的改性方法及其应用。

背景技术：

剥岩尾矿是露天矿开采过程中产生的一种固体废弃物。在露天矿开采矿石之前，需要将覆盖在矿石上的那层岩石(矿物含量较小的贫矿)和地表的土壤剥去，这个过程称为剥岩。大型矿山剥下来的岩石和泥土的混合物作为尾矿堆积起来，未被有效利用，常年累月的积累后形成了几十米高的剥岩尾矿山，可作为重要的石料二次资源。现有的剥岩尾矿开采工艺通常直接将挖掘的剥岩尾矿进行破碎和筛分。在破碎、筛分过程中伴随的机械外力的冲击下，大部分的岩石可与泥土自然分离并分选出碎石产品和尾泥。但是，实践表明，始终有部分碎石表面黏附有少量泥土，分离不彻底，影响碎石产品的整体含泥量，含泥量不达标是制约碎石产品售价的重要因素。

近年来公开了一种剥岩尾矿干法脱泥方法，该方法将一种特殊的脱泥剂使用于剥岩尾矿开采工艺工程中大大降低了碎石产品的含泥量，满足GB/T14685-2011，JGJ52-2006等相关标准要求。其中涉及的脱泥剂是一种冶金工业固体废弃物。它的粒度比较小，其中位径d50约为5.78μm(如图1)，其中约18％的微粒尺寸小于2μm。该脱泥剂具有一定的反应活性，它能与土壤中的粘土矿物发生反应，从而产生脱泥效果。但是，它对脱泥尾泥作为路基材料产生了一定的负面影响，主要体现在以下三个方面。(1)脱泥工艺过程中，脱泥剂破坏了一部分粘粒，从而使得土壤中粘粒含量降低，塑性指数降低；(2)脱泥剂颗粒微观形貌类似球形(如图2)，表面光滑无棱角，且粒度较小，大量颗粒与土壤中粘粒的大小相当；这类物质在土体中用作路基材料时，不利于微观颗粒之间互相穿插，形成镶嵌结构以提高路基材料的宏观压实性能和强度，反而容易使材料微观上容易产生滑移而使路基材料强度降低；(3)由于脱泥剂中存在一定量的CaSO₃，在路基材料中可能产生膨胀作用，对路基材料的长期体积安定性造成影响，影响路基质量。此外，在脱除下的粒度小于5mm的尾泥中，由于脱泥剂的混入使得尾泥的性质与不使用脱泥剂相比有一定的改变，对尾泥后续进一步用于路基材料造成不利影响。

基于以上原因，上述干法脱泥技术所得脱泥尾泥应看作为一种固体废弃物，而不能看作普通的天然土壤。天然的低塑性土壤(如粘质粉土和砂质粉土)成型性能虽不好，但通过适当的技术处理后用作路基材料，其水稳定性和体积稳定性好、强度高，主要用于高等级道路。与天然的低塑性土壤相比，虽然脱泥尾泥在表观上塑性低与低塑性土壤相似，但粒度小于2μm的颗粒含量较高，不易压实，压制成型后材料内部微观上容易产生滑移，材料整体强度不佳，同时还具有潜在的体积膨胀性，因此脱泥尾泥不适合作为高等级道路路基材料使用。

更糟糕的情况是，依据现有的主流工程技术方法，常使用测量塑性来判断土体性能，确定后续路基材料制造和施工方法。当脱泥尾泥流入市场时，容易被认为是一般的低塑性土而用作高等级道路，对我国高等级道路质量造成不利影响和重大损失。因此，对干法脱泥技术所得脱泥尾泥进行进一步改性和处理，使其适用于作为路基材料，具有重要的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种干法脱泥尾泥的改性方法及其应用，针对干法脱泥尾泥用作路基材料存在的潜在问题，提出了对干法脱泥尾泥的润湿和催化改性方法，并进一步提出了将改性脱泥尾泥用作路基材料的加工方法，技术指标满足高等级道路需求，具有重要的经济和环境效益。

本发明实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种干法脱泥尾泥的改性方法，它包括以下步骤：

1)将催化剂与干法脱泥尾泥混合均匀，得混合尾泥；

2)将酸化剂混入水中形成润湿溶液，将润湿溶液喷洒入混合尾泥中，混合均匀，得润湿尾泥；

3)将润湿尾泥采用塑料布进行覆盖处理；

4)将塑料布撤去，继续进行陈放处理，即得改性脱泥尾泥。

上述方案中，所述干法脱泥尾泥为剥岩尾矿干法脱泥方法中最终产生的尾泥。

上述方案中，所述干法脱泥工艺为根据尾矿前期开采情况估算尾矿中泥土总量，加入脱泥剂并混合均匀，经过洒水润湿，静置陈放，破碎筛分等工艺过程可获得含泥量达标碎石，具体见专利CN106045359A。

上述方案中，所述剥岩尾矿干法脱泥工艺的具体工艺步骤为：(1)根据剥岩尾矿历史开采加工过程中产生的碎石总量和尾泥总量，估算开挖尾矿区域的泥土总质量；(2)向所述开挖尾矿区域加入脱泥剂，所述脱泥剂的总质量为所述开挖尾矿区域的泥土总质量的5～20％；(3)将开挖的尾矿与所述脱泥剂混合并造堆，向造堆的混合物喷洒预设量的水，以对所述混合物进行润湿，所述预设量为所述开挖尾矿区域的泥土总质量的10～15％；(4)将喷洒过水的所述混合物放置2～6小时，以使所述脱泥剂与所述尾矿中的土壤颗粒反应；(5)将放置过的所述混合物装入破碎机进行破碎；将破碎后的所述混合物过筛，过筛过程中直径不大于5mm的部分作为尾泥收集；所得脱泥尾泥中脱泥剂呈球状特征。

上述方案中，所述脱泥剂为一种冶金工业固体废弃物，其成分重量含量特征为：25％≤Ca(OH)₂≤40％，25％≤CaSO₃·0.5H₂O≤40％，10％≤CaSO₄·2H₂O≤20％，5％≤CaCO₃≤15％，2％≤CaCl₂≤5％；其粒度特征为200目以下颗粒的质量≥80.0％。

上述方案中，所述催化剂为氧化铁红，其粒度特征为≤150目颗粒质量大于80％，其成分特征为Fe₂O₃≥90wt％，SiO₂≤10wt％。

上述方案中，所述氧化铁红为冷轧氧化铁红或硅钢氧化铁红。

上述方案中，所述氧化铁红由冷轧薄板厂或冷轧硅钢片厂提供。

上述方案中，所述催化剂的添加量为脱泥尾泥质量的2～5％。

优选的，所述催化剂的添加量为脱泥尾泥质量的3％。

上述方案中，所述酸化剂为甲酸、乙酸、乙醇酸、丙酸、乳酸、正丁酸、异丁酸、3-丁烯酸、异丁烯酸中的一种或几种。

上述方案中，步骤2)中所述酸化剂与水的体积比为1:(1～20)。

优选的，步骤2)中所述酸化剂与水的体积比为1:10。

上述方案中，所述步骤2)中酸化剂的添加量为脱泥尾泥质量的8～14％。

优选的，所述所述酸化剂的添加量为脱泥尾泥质量的10％。

上述方案中，所述覆盖处理时间为12～48h。

优选的，所述覆盖处理时间为24h。

上述方案中，所述陈放处理时间为7天以上。

优选的，所述所述陈放处理时间为7～30天。

更优选的，所述陈放时间为14天。

上述方案中，步骤4)中将改性脱泥尾泥与0～10倍体积的施工地土壤混合均匀，用作路基材料。

上述方案中，所述施工地土壤为干法脱泥技术的实施地，如未使用干法脱泥剂的一般土壤或实际道路工程施工地所用填土等。

上述一种脱泥尾泥的改性方法所得改性脱泥尾泥的应用，包括如下步骤：测定改性脱泥尾泥的塑性指数，并按照JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》；及JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》等标准制成相应的路基材料。

目前，矿山产生的各种尾泥、尾矿作为路基材料是一种很常用的利用方法。在干法脱泥工艺中产生的脱泥尾泥虽然在表观上与低塑性土相似，但其土工力学性能与天然的低塑性土不同，且具有潜在危害性，因此应看成是一种固体废弃物而非普通的低塑性土壤。本发明提出了该固体废弃物(脱泥尾泥)的改性和应用方法，通过酸化和催化处理改变了脱泥剂颗粒的微观形貌，并消除了潜在的膨胀因素，适用于作为路基材料使用。

本发明涉及的原理如下：

1)采用酸化剂对干法脱泥尾泥中的脱泥剂进行改性：脱泥剂本身几乎不溶于水，在微观上具有球状特征。但是，脱泥剂整体上呈碱性，在酸性环境中，脱泥剂颗粒能够发生反应，从而破坏其原有的微观结构。将脱泥剂加入润湿溶液中24h后，改性后脱泥剂的粒度与未改性前相比有所降低，且原有的球状特征消失，颗粒具有一定的多面体形状，有利于颗粒在压实条件下的堆积作用；脱泥尾泥仍保持了原土壤本身一定的保水性能，将酸化剂用水稀释后可直接用作润湿水与脱泥尾泥混合，调节脱泥尾泥中土壤溶液的pH值为弱酸性，对尾泥中残余的脱泥剂进行改性。

2)使用甲酸、乙酸等有机酸作为酸化剂：这些物质呈弱酸性，其水溶液具有缓冲溶液性能，试验表明，溶液pH值在4～6的条件下即可实现对脱泥尾泥中脱泥剂的改性；若使用强酸，由于脱泥剂中存在一定量的CaSO₃，在强酸性(pH＜2)条件下，生成的H₂SO₃容易分解释放出SO₂，从而对环境造成污染。而在弱酸性条件下，CaSO₃溶解后，在溶液中主要产生以HSO₃^-离子，不会对环境造成污染。另外，这些有机酸在土体中可很快被微生物自然降解，不会改变土壤本身的一些性能并造成进一步的污染。

3)本发明采用的催化剂的作用是催化脱泥剂中的CaSO₃氧化为CaSO₄，其反应原理为：

Fe₂O₃+6H⁺＝2Fe³⁺+3H₂O (1)

CaSO₃+H⁺＝Ca²⁺+HSO₃^- (2)

HSO₃^-+2Fe³⁺+H₂O＝SO₄^2-+2Fe²⁺+3H⁺ (3)

4Fe²⁺+O₂+4H⁺＝4Fe³⁺+2H₂O (4)

Ca²⁺+SO₄^2-＝CaSO₄ (5)

2CaSO₃₊O₂＝CaSO₄ (6)

在弱酸性条件下，CaSO₃和催化剂(氧化铁红)中的Fe₂O₃部分溶解于脱泥尾泥中的土壤溶液中，并释放出HSO₃^-和Fe³⁺离子(式1和式2)，Fe³⁺具有较强的氧化性，它能够将HSO₃^-快速的氧化为SO₄^2-，本身转化为Fe²⁺(式3)。Fe²⁺又被氧气再次快速的氧化为Fe³⁺(式4)，从而实现催化循环，而SO₄^2-与Ca²⁺结合生成CaSO₄(式5)。最后土壤溶液中的总反应是CaSO₃被空气中的O₂氧化为CaSO₄(式6)；因此，使用2～5％的催化剂，可有效消除脱泥剂中的CaSO₃对路基材料体积安定性的影响；且步骤4)中使得CaSO₃有足够时间在步骤2)和3)营造的酸性润湿条件下与空气中的O₂进行充分反应。

4)本发明所得改性脱泥尾泥在用作路基材料之前，可选择(但不是必须)将其混入一定数量的正常土壤(施工地土壤)之中，用于调节所得土壤混合物的塑性指数。虽然低塑性或无塑性土通过水泥稳定后适合用作高等级道路用材，但由于尾泥数量有限，而市场对材料的实际需求数量和品质要求可能不同，可通过灵活调整土壤混合物中改性脱泥尾泥的含量，获得平均化的土工力学性能，以选择合适的技术方案，保障路基施工质量。

本发明的有益效果为：本发明提出了一种干法脱泥尾泥的改性和应用方法，通过酸化和催化处理改变了脱泥尾泥中脱泥剂颗粒的微观形貌，有利于颗粒在压实条件下的堆积作用并消除了其潜在的膨胀因素，适用于作为路基材料使用，该技术可解决脱泥尾泥固体废弃物的资源化利用问题，避免了脱泥剂的二次污染，涉及的处理工艺简单，每立方尾泥外售约20元，具有重要的经济和环境效益。

附图说明

图1为实施例1采用的干法脱泥尾泥中脱泥剂的微观形貌图。

图2为实施例1中所得润湿尾泥中脱泥剂的微观形貌图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的脱泥尾泥为剥岩尾矿干法脱泥工艺中产生的脱泥尾泥，具体脱泥工艺步骤为：(1)根据剥岩尾矿历史开采加工过程中产生的碎石总量和尾泥总量，估算开挖尾矿区域的泥土总质量；(2)向所述开挖尾矿区域加入脱泥剂，所述脱泥剂的总质量为所述开挖尾矿区域的泥土总质量的10％；(3)将开挖的尾矿与所述脱泥剂混合并造堆，向造堆的混合物喷洒约泥土总质量12％的水，以对所述混合物进行润湿；(4)将喷洒过水的所述混合物静置4小时，以使所述脱泥剂与所述尾矿中的土壤颗粒反应；(5)将静置过的所述混合物装入破碎机进行破碎；将破碎后的所述混合物过筛，过筛过程中直径不大于5mm的部分作为尾泥收集；所得干法脱泥尾泥中脱泥剂呈球状特征(见图1)。

所述脱泥剂的成分重量含量特征为：25％≤Ca(OH)₂≤40％，25％≤CaSO₃·0.5H₂O≤40％，10％≤CaSO₄·2H₂O≤20％，5％≤CaCO₃≤15％,2％≤CaCl₂≤5％；其粒度特征为200目以下颗粒的质量≥80.0％。

以下实施例中，采用的催化剂为氧化铁红，其粒度特征为≤150目的颗粒质量大于80％；其成分特征为Fe₂O₃≥90wt％，SiO₂≤10wt％。

实施例1

一种干法脱泥尾泥的改性方法，它包括以下步骤：

1)将催化剂(氧化铁红)与干法脱泥尾泥混合均匀，得混合尾泥，其中催化剂占干法脱泥尾泥质量的3％；

2)将1体积的酸化剂(乙酸)混入10体积的水中形成润湿溶液，将占干法脱泥尾泥质量10％的润湿溶液喷洒入混合尾泥中，再次混合均匀，使得尾泥处于润湿状态，得润湿尾泥，将所得润湿尾泥进行扫描电镜观察，结果表明所得改性后的脱泥剂的粒度与未改性前(图1)相比有所降低，且原有的球状特征消失，颗粒具有一定的多面体形状；

3)将所得润湿尾泥采用塑料布覆盖24小时；

4)将塑料布撤去，继续进行陈放处理14天，即得改性脱泥尾泥。

将本实施例所得改性脱泥尾泥应用于用作路基材料，具体步骤如下：

某一级道路工程需路基底基层材料1000方，现有改性脱泥尾泥1500方；首先测定改性脱泥尾泥的塑性指数为3，满足施工需求，按照JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》及JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》等标准，确定使用6wt％的水泥为稳定材料，按规程将所得混合料按99％的压实度制成水泥稳定土，测量其7天浸水无侧限抗压强度为3.2Mpa，满足工程需求，可消纳尾泥1000方。

实施例2

一种干法脱泥尾泥的改性方法，它包括以下步骤：

1)将催化剂(氧化铁红)与干法脱泥尾泥混合均匀，得混合尾泥，其中催化剂占干法脱泥尾泥质量的4％；

2)将1体积的酸化剂(丙酸)混入12体积的水中形成润湿溶液，将占干法脱泥尾泥质量10％的润湿溶液喷洒入混合尾泥中，再次混合均匀，使得尾泥处于润湿状态，得润湿尾泥；

3)将所得润湿尾泥采用塑料布覆盖18小时；

4)将塑料布撤去，继续进行陈放处理30天，即得改性脱泥尾泥。

将本实施例所得改性脱泥尾泥应用于用作路基材料，具体步骤如下：

某二级道路工程需路基底基层材料3000方，现有改性脱泥尾泥600方，将步骤4)所得改性脱泥尾泥(600方)与4倍体积的当地土壤混合，形成共3000方的土壤混合物；首先测定改性脱泥尾泥的塑性指数为13，满足施工需求，按照JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》及JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》等标准，确定使用3wt％的水泥和3wt％的消化石灰为稳定材料，按规程将所得混合料按97％的压实度制成水泥石灰综合稳定土，测量其7天浸水无侧限抗压强度为1.8Mpa，满足工程需求，可消纳尾泥600方。

实施例3

一种干法脱泥尾泥的改性方法，它包括以下步骤：

1)将催化剂(氧化铁红)与干法脱泥尾泥混合均匀，得混合尾泥，其中催化剂占干法脱泥尾泥质量的5％；

2)将1体积的酸化剂(甲酸：乙酸＝1：1)混入9体积的水中形成润湿溶液，将占干法脱泥尾泥质量8％的润湿溶液喷洒入混合尾泥中，再次混合均匀，使得尾泥处于润湿状态，得润湿尾泥；

3)将所得润湿尾泥采用塑料布覆盖26小时；

4)将塑料布撤去，继续进行陈放处理20天，即得改性脱泥尾泥。

将本实施例所得改性脱泥尾泥应用于用作路基材料，具体步骤如下：

某三级道路工程需路基底基层材料2000方，现有改性脱泥尾泥2000方；首先测定改性脱泥尾泥的塑性指数为5，满足施工需求，按照JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》及JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》等标准，确定使用4wt％的水泥为稳定材料，按规程将所得混合料按95％的压实度制成水泥稳定土，测量其7天浸水无侧限抗压强度为1.0Mpa，满足工程需求，可消纳尾泥2000方。

实施例4

一种干法脱泥尾泥的改性方法，它包括以下步骤：

1)将催化剂(氧化铁红)与干法脱泥尾泥混合均匀，得混合尾泥，其中催化剂占干法脱泥尾泥质量的2％；

2)将1体积的酸化剂(乙酸：乳酸＝1：1)混入10体积的水中形成润湿溶液，将占干法脱泥尾泥质量12％的润湿溶液喷洒入混合尾泥中，再次混合均匀，使得尾泥处于润湿状态，得润湿尾泥；

3)将所得润湿尾泥采用塑料布覆盖26小时；

4)将塑料布撤去，继续进行陈放处理20天，即得改性脱泥尾泥。

将本实施例所得改性脱泥尾泥应用于用作路基材料，具体步骤如下：

某三级道路工程需路基底基层材料4000方，现有改性脱泥尾泥500方，将步骤4)所得改性脱泥尾泥(500方)与7倍体积的施工地土壤混合，形成共4000方的土壤混合物；首先测定改性脱泥尾泥的塑性指数为19，满足施工需求，按照JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》及JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》等标准，确定使用6wt％的生石灰和3wt％的粉煤灰为稳定材料，按规程将所得混合料按95％的压实度制成二灰稳定土，测量其7天浸水无侧限抗压强度为1.2Mpa，满足工程需求，可消纳尾泥500方。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。