基于固廢利用的礦區(qū)道路抑塵研究

田 野，張 瞻，薛遠(yuǎn)建

(1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤(rùn)礦業(yè)分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014040)

0 引 言

國(guó)內(nèi)露天礦山多采用重型自卸汽車運(yùn)輸方式，運(yùn)輸?shù)缆窞榉切拗访?，僅為平整壓實(shí)的土路[1-3]。礦物道路運(yùn)輸中，空氣中的粉塵濃度每立方米可高達(dá)幾十到幾百毫克，大大超過(guò)國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。路面揚(yáng)塵污染周圍環(huán)境，損害人員身體健康，縮短汽車使用壽命，且使行車速度受到限制，影響行車安全，降低生產(chǎn)效率。道路揚(yáng)塵嚴(yán)重影響了礦山的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此露天礦道路揚(yáng)塵抑制是迫切需要解決的難題[4]。金屬礦山在選礦環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量尾礦泥、甩尾碎石等固體廢棄物，不僅占用大量空間資源還造成礦區(qū)的固體廢棄物二次污染。合理實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的有效利用是急需解決的礦山資源綠色利用難題[5]。

在分析包鋼集團(tuán)白云鄂博巴潤(rùn)礦業(yè)公司礦區(qū)路面塵源及類型的基礎(chǔ)上，基于就地取材直接利用，最大限度降低成本的原則，研究利用礦山選礦廠尾礦泥和甩尾碎石采用固結(jié)手段解決礦區(qū)道路揚(yáng)塵抑制和修筑道路問(wèn)題，參照碾壓混凝土的配制工藝和施工方法制作具有水硬性的剛性路面，從源頭治理?yè)P(yáng)塵，并實(shí)現(xiàn)礦區(qū)固體廢棄物直接綠色利用。

1 礦區(qū)道路揚(yáng)塵及固廢分析

包鋼集團(tuán)白云鄂博巴潤(rùn)礦業(yè)公司鐵礦是世界罕見(jiàn)的多金屬共生礦床，鐵礦石中富含稀土元素。因采用百噸級(jí)自卸汽車進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，所以自卸汽車分散于整個(gè)露天礦區(qū)、坑內(nèi)以及路面，且環(huán)境干旱多風(fēng)，礦區(qū)路面行車揚(yáng)塵是全礦最大的粉塵污染源，揚(yáng)塵量占全礦總產(chǎn)塵量的70%～90%。礦區(qū)產(chǎn)塵量大、范圍廣,造成能見(jiàn)度降低,影響安全生產(chǎn)，并威脅人體健康，尤其在風(fēng)的影響下更為嚴(yán)重。

包鋼集團(tuán)白云鄂博巴潤(rùn)礦業(yè)公司選礦環(huán)節(jié)每年拋棄數(shù)百萬(wàn)噸的尾礦泥、甩尾碎石等固體廢棄物，堆放在礦區(qū)周邊，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成巨大環(huán)保壓力。

2 整體方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)固廢的二次直接利用，解決礦區(qū)揚(yáng)塵問(wèn)題，借鑒公路路面結(jié)構(gòu)型式，原材料選用包括選礦廠尾礦泥、甩尾碎石、水泥、生石灰、工業(yè)副產(chǎn)石膏，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試配，以7 d、28 d強(qiáng)度作為考核指標(biāo)，尋找最佳配方，用于礦區(qū)路面結(jié)構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)抑塵和修筑較高等級(jí)路面。

選礦尾礦泥細(xì)度為0.08 mm，篩余18.2%，全鐵含量11.35%，用磁選管確定磁鐵礦含量1%左右，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。選礦車間甩尾碎石，最大粒徑40 mm，全鐵含量13.52%。生石灰的有效氧化鈣65%；脫硫石膏取自包頭第三熱電廠，CaSO4·2H2O含量約為94.53%。

采用砂漿試模進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，將原材料按一定比例配制，加水?dāng)嚢?，采用壓力成型或振?dòng)成型，放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，達(dá)到規(guī)定齡期測(cè)定強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 尾礦泥主要化學(xué)成分Table 1 Main components of tailings mud

表2 實(shí)驗(yàn)室砂漿和混凝土試驗(yàn)配比和結(jié)果Table 2 Laboratory mortar and concrete test mix and results

由試驗(yàn)結(jié)果可知，尾礦泥粒度雖然很細(xì)，但活性低，用生石灰、電石泥均不能激發(fā)其活性，配制的試樣強(qiáng)度都比較低，若用其固結(jié)路面，不能承受礦區(qū)重型運(yùn)輸車輛的碾壓，必然導(dǎo)致路面使用壽命縮短，滿足不了礦區(qū)路面防塵要求。采用10%～14%的32.5級(jí)水泥配制的試樣強(qiáng)度高，綜合成本較低，尾礦泥取代砂后，試件強(qiáng)度并沒(méi)有大幅度降低，因此擬采用32.5級(jí)硅酸鹽水泥做膠凝材料，尾礦泥代替砂作細(xì)骨料，選礦車間甩尾碎石作粗骨料，進(jìn)行碾壓混凝土配合比初步設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，根據(jù)結(jié)果確定試驗(yàn)路段鋪設(shè)方案。

根據(jù)砂漿試件強(qiáng)度結(jié)果優(yōu)化配比，按碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行碾壓混凝土性能檢測(cè)。碾壓混凝土所用粗骨料最大粒徑不得超過(guò)20 mm，對(duì)于本次試驗(yàn)?zāi)雺夯炷?，如選用粗骨料最大粒徑越小，必然導(dǎo)致破碎和篩分工作量增加，基于成本考慮，最大粒徑選為40 mm，粗骨料所占的比例下線不低于65%；試驗(yàn)選擇碾壓混凝土稠度宜為40S左右；抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為15～20 MPa；使用尾礦泥為細(xì)骨料，并加大用水量，根據(jù)前期工作，結(jié)合稠度試驗(yàn)選擇碾壓混凝土用水量為8%～10%；表觀密度按2 450 kg/m3選取。

根據(jù)已取配合比參數(shù)，求解每立方米碾壓混凝土各材料用量。表3為尾礦泥碾壓混凝土配合比及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表3 實(shí)驗(yàn)室砂漿和混凝土試驗(yàn)配比和結(jié)果Table 3 Laboratory mortar and concrete test mix and results

3 工業(yè)實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，制定了工業(yè)試驗(yàn)實(shí)施方案。

原料選擇：水泥：復(fù)合32.5級(jí)水泥；尾礦泥：含水量小于10%；甩尾碎石：最大粒徑小于40 mm?；炷僚浜媳葹樗唷梦驳V泥∶甩尾碎石=12.5∶25∶62.5(質(zhì)量比)，根據(jù)試驗(yàn)用攪拌機(jī)每次的拌合量，每罐混凝土用料為：水泥2袋，尾礦泥200 kg，甩尾碎石500 kg，并盡量選用粒徑小的碎石。用水量根據(jù)稠度選擇，以不超過(guò)維勃稠度40S為宜。

施工工藝流程為放樣清底、配料拌合、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓、養(yǎng)護(hù)、開(kāi)放交通。共做四塊路面，編號(hào)為1、2、3、4。路面總長(zhǎng)66.5 m，寬9.0 m，面積約550 m2，用料量共計(jì)165 t，實(shí)測(cè)密度為每2 450 kg/m3，路面平均厚度約12 cm。兩條橫向縫，一條縱向縫，每塊路面均形成自然斜坡。

為確定試驗(yàn)路面的強(qiáng)度，進(jìn)行鉆芯取樣，一次性碾壓的路面每組取3塊，共取樣四組12塊。取樣位置及編號(hào)如圖1所示。

工業(yè)試驗(yàn)路面方案總結(jié)見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

圖1 取樣位置及編號(hào)Fig.1 Sampling location and number

表4 工業(yè)試驗(yàn)路面方案總結(jié)
Table 4 Industrial test pavement plan summary

試樣編號(hào)配比(水泥∶尾礦粉∶甩尾碎石)用料量/t長(zhǎng)∶寬/m厚度/mm芯樣強(qiáng)度/MPa112.5∶25∶62.536.020.0∶4.91508.23212.5∶18.8∶68.740.031.1∶4.915014.50312.5∶25∶62.544.531.1∶4.116015.70412.5∶25∶62.544.535.4∶4.1160-

表5 實(shí)驗(yàn)室砂漿和混凝土試驗(yàn)配比和結(jié)果Table 5 Laboratory mortar and concrete test mix and results

本次試驗(yàn)的尾礦泥碾壓混凝土平均強(qiáng)度在18 MPa以上，路面強(qiáng)度超過(guò)了該項(xiàng)目規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。從芯樣照片可見(jiàn)，尾礦泥碾壓混凝土比較密實(shí)，結(jié)構(gòu)均勻，表觀密度達(dá)到2 450 kg/m3以上。從鋪筑路面平整度以及強(qiáng)度結(jié)果可見(jiàn)選用尾礦泥、甩尾碎石為粗細(xì)骨料、水泥做膠凝材料，采用碾壓混凝土工藝進(jìn)行路面固結(jié)抑塵在技術(shù)上完全可行，既避免揚(yáng)塵又改善了路況，有利于提高運(yùn)輸效率和安全行車。

4 結(jié) 論

研究利用礦山選礦廠尾礦泥和甩尾碎石，采用固結(jié)手段解決礦區(qū)道路揚(yáng)塵抑制和修筑道路，參照碾壓混凝土配制工藝和施工方法制作具有水硬性的剛性路面，從源頭治理?yè)P(yáng)塵，并實(shí)現(xiàn)礦區(qū)固體廢棄物的直接綠色利用。

1) 設(shè)計(jì)研發(fā)驗(yàn)證以尾礦泥為細(xì)骨料、甩尾碎石為粗骨料、水泥為輔材的碾壓混凝土配方，從理論上、實(shí)踐上都具有科學(xué)可行性。

2) 實(shí)現(xiàn)粒徑為20～40 mm甩尾碎石的直接使用，突破碾壓混凝土粒徑不超過(guò)20 mm的限制，極大降低了成本，實(shí)現(xiàn)選礦大粒固廢的綠色利用。

3) 尾礦泥碾壓混凝土平均強(qiáng)度在18 MPa以上，結(jié)構(gòu)密實(shí)均勻，表觀密度達(dá)到2 450 kg/m3以上，路面強(qiáng)度和組織全都達(dá)標(biāo)，既避免揚(yáng)塵又改善了路況，有利于提高運(yùn)輸效率和安全行車。