尾礦砂在道路工程中的應用

尾礦砂在道路工程中的應用

廢物砂是通過球磨機的加工和磁洗而成的產物。級設備通常相對均勻。主要在0.3.0.75mm之間，平均粒度為0.2mm。尾礦砂的主要化學成份是Fe2O3、Al2O3、FeO2等氧化物和SiO2長石、輝石類。尾礦砂中含有大量的活性鐵、鈣等物質。因此,通過選擇合適的穩(wěn)定類材料(或材料組合)激活鐵、鈣等化學成分,可有效提高尾礦砂混合料的強度。鐵礦磁選后的尾礦砂一般作為廢料排放,不僅侵占良田、河道,而且一旦受自然天氣影響,會對周圍的環(huán)境造成嚴重污染,并存在一定的安全隱患,目前我國發(fā)現(xiàn)的礦產有150多種,已開發(fā)建立了8000多座礦山。冶金礦山企業(yè)每生產1t鐵精礦,產生約2t尾礦廢棄物,其中堆存的鐵尾礦量占全部尾礦堆存總量的近1/3。據據數據統(tǒng)計,我國年產尾礦砂約4億t,在國外發(fā)達國家尾礦利用率高達60%左右,而目前國內尾礦利用率僅為7%。道路工程對尾礦砂的消耗量較大,因此,大力推廣尾礦砂的道路工程應用對于尾礦的廢物再利用、實現(xiàn)礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著很重要的意義。1尾礦砂路用性能在最近的幾年里,國內多家單位及高校針對尾礦砂的路用性能進行了研究,并取得了顯著成果,為尾礦砂的成功應用奠定了堅實的理論基礎,并且各個試點路段現(xiàn)場檢測數據均能達到規(guī)范要求,至今使用狀況良好。1.1路面結構工程野興公路施工中對尾礦砂進行了工程應用試驗研究,采用石灰、粉煤灰穩(wěn)定尾礦砂做18cm路面基層試驗段。野興公路設計等級為平原微丘區(qū)二級公路,路基寬度為9～12m,路面寬度為8.4m,兩側各設0.2m水泥混凝土路緣石和0.3m護坡道,路面結構設計為20cm石灰穩(wěn)定土底基層+16cm二灰碎石基層+5cm粗粒式瀝青混凝土下面層+3cm中粒式瀝青混凝土上面層。穩(wěn)定材料選用當地生產的水泥、石灰、粉煤灰及早強劑。依據野興公路設計等級及周圍尾礦砂生產情況,針對野興公路路面結構分別鋪筑3種不同無機結合料穩(wěn)定尾礦砂的試驗段:(1)石灰、粉煤灰穩(wěn)定尾礦砂基層試驗段:配合比為,石灰∶粉煤灰∶尾礦砂=5∶15∶80。(2)水泥穩(wěn)定尾礦砂基層試驗段:配合比為,水泥∶尾礦砂=6∶94。(3)石灰、粉煤灰、尾礦砂加固化劑穩(wěn)定混合料作基層試驗段:配合比為,石灰∶粉煤灰∶尾礦砂加固化劑=7∶14∶79。施工中結構成型過程正常、無松散,無沉降現(xiàn)象,經檢測強度均達到設計及規(guī)范要求,如表1所示。通過幾年的通車檢驗和現(xiàn)場觀察,尾礦砂基層路面整體狀況較好,外觀質量符合要求,路面無車轍、擁包等病害,僅部分路段出現(xiàn)少量裂縫。從以上結果可以看出,無機材料穩(wěn)定尾礦砂作為農村公路路面基層和高等級公路路面底基層,其各項指標均能達到規(guī)范要求,技術上具有推廣性。1.2研究施工結果平青樂線起點為冀蒙界北五十家子村北,終點為平鐵公路的起點,路線全長39.083km。道路等級為二級公路,路面寬11.4m。省道平青樂線改建工程采用水泥穩(wěn)定尾礦砂碎石集料基層,所用集料配比為,10～31.5mm碎石∶5～10mm碎石∶尾礦砂=42.9∶17.4∶39.7,水泥含量為5.0%。施工中壓路機碾壓充分、密實,確保97%的壓實度,并及時灑水養(yǎng)生。7天養(yǎng)生期后,鉆芯取樣得到的芯樣,芯樣高度為20cm,無斷裂、結合密實。7天無側限抗壓強度試驗結果如表2。均符合設計要求。由此可以看出,尾礦砂可以作為添加材料用于路面基層。1.3尾礦砂在低等級道路瀝青路面應用可行性老寬線位于建平縣內,是一條二級省級公路。根據2007年4月5日省局現(xiàn)場辦公會議精神,老寬線K40+479～K47+959段進行大修。為驗證鐵尾礦砂在低等級道路中應用的可行性,在該路上選擇一段100m和一段170m填方處做實驗段。經檢測老寬段試驗路得7天無側限抗壓強度、土基的綜合回彈模量及彎沉值,均能達到規(guī)范要求,道路至今運行狀況良好。尾礦砂的道路應用并不僅僅局限于道路的基層,室內試驗研究表明尾礦砂在低等級道路瀝青路面面層的應用同樣也取得很好的效果,這有待于進一步研究。國內在尾礦砂道路應用方面的成功經驗還有很多,這些成功經驗為尾礦砂的大力推廣應用奠定了基礎。2尾礦砂處理能力分析尾礦砂的應用帶來的經濟效益主要包括兩方面:第一尾礦砂的應用減少了礦方處理尾礦砂的投資;第二尾礦砂替代其他集料應用于道路建設降低了道路建設成本。以河北省某尾礦庫為例,詳細分析尾礦砂的處理成本。該尾礦庫估算總投資為2270.55萬元,其中:工程費用為1836.0萬元;其他費用為162.08萬元;預備費為272.47萬元。該尾礦庫的有效庫容為5724.09萬m3,堆積密度按1.87kg/m3計,該庫堆存尾礦砂量約為1億t。所以每使用1t尾礦砂可以為礦方節(jié)約廢料處理費2270.55×104/1×108≈0.23元。以野興公路為例進行成本分析:因為二灰碎石、石灰粉煤灰及水泥穩(wěn)定尾礦砂的攤鋪、碾壓程序基本相同,故在此只考慮材料價格變化。2.1材料的成本見表32.2計算混合混合材料的不同配合比(1)骨二甲酯混合料的比例為5:10085，每噸混合材料的成本為白灰310×5%+粉煤灰28×10%+碎石26×85%=40.4元/t(2)石灰和碳灰粉穩(wěn)定尾礦砂的基本試驗單元比例為5.18。80，每噸混合材料的成本為石灰310×5%+粉煤灰28×15%+尾礦砂0×80%=19.7元/t(3)水泥固定尾礦砂試驗的組成為6.94，每噸混合材料的成本為6.94水泥315×6%+尾礦砂0×94%=18.9元。(4)水泥穩(wěn)定粉的配合比為6.94，每噸混合材料的成本為水泥315×6%+碎石26×94%=43.34元/t。(5)石灰、粉煤灰和含砂泥漿的穩(wěn)定基礎比為7.14.79，固結量低，暫時不包括價格石灰310×7%+粉煤灰28×14%+尾礦砂0×79%=25.62元/t比較如表4。2.3直接經濟效益分析野興公路北段大修工程全長12.66km,路基寬度9.6～16m,路面底基層為2×16cm石灰土。工程部根據2001年度石灰穩(wěn)定尾礦砂的成功經驗,決定在野興線北段底基層施工中,全部使用石灰穩(wěn)定尾礦砂作底基層。施工自2002年4月18日開始至6月19日結束,共完成底基層247596m2,較原計劃提前近1個月。按照2010年建材價格進行施工成本分析,該項目所創(chuàng)直接經濟效益為(247596m2×0.32m×1.87kg/m3×0.8×40.4元/t-47596m2×0.32m×1.87kg/m3×0.8×19.7元/t)2453553.55元,同時還為礦方節(jié)省了(247596m2×0.32m×1.87kg/m3×0.8×0.23元/t)27261.70元的尾礦處理費用。節(jié)約土地(247.596m2×0.32畝/km2)79.2畝,工期提前1個月,經濟效益和社會效益均非常顯著。2.4尾礦砂的危害尾礦砂對社會造成的危害非常大,首先尾礦堆存需要占用大量土地。截至2005年,我國尾礦堆放占用土地達1300多萬畝,隨著老的尾礦庫畢庫,新的尾礦庫不斷增加,必將占用更多的土地。其次,尾礦砂對環(huán)境造成極大污染,礦石選礦過程中有的需要加入藥劑,這些藥劑會殘留在尾礦中。尾礦所含重金屬離子,甚至砷、汞等污染物質,會隨尾礦水流入附近河流或滲入地下,嚴重污染河流及地下水源。自然干涸后的尾礦砂,遇大風形成揚塵,吹到周邊地區(qū),對環(huán)境造成危害。第三,尾礦存在很大的安全隱患,很多尾礦庫超期或超負荷使用,甚至違規(guī)操作,使尾礦庫存在極大安全隱患。一旦發(fā)生事故,必將對下游地區(qū)人民的生命和財產造成巨大危害,對環(huán)境造成嚴重污染。建國以來,我國多次發(fā)生過尾礦庫潰壩事故,造成大量人員傷亡。因此合理地利用尾礦砂不僅有良好的經濟效益,而且有著很大的社會效益,可以減少占地,改善環(huán)境;同時解決因場地堆放帶來的安全隱患問題,最重要的是,可以消除環(huán)境污染,對社會的環(huán)境建設有著重大的意義。3尾礦砂在道路、政策、環(huán)境發(fā)展中的應用國家的金屬尾礦綜合利用專項規(guī)劃中明確提出:隨著我國經濟快速發(fā)展,傳統(tǒng)粗放型的經濟增長方式使得我國資源短缺的矛盾越來越突出,環(huán)境壓力越來越大。走中國特色新型工業(yè)化道路、大力發(fā)展循環(huán)經濟、提高資源利用率,是解決當前我國資源、環(huán)境對經濟發(fā)展制約的必由之路。用尾礦砂代替石屑,應用于道路建設中,對于采礦業(yè)來說能夠降低污染,提高資源利用率,同時還能減少對廢棄物的處理成本,對于道路建設來說不僅能夠解決材料緊缺的問題,加快工期,而且還能降低建設成本,因此,尾礦砂的應用是落實國家“十二五”規(guī)劃具體方針的體現(xiàn)?！笆濉逼陂g,我國的交通建設必將又要迎來一個新的熱