铁尾矿作为智能化道路材料的应用研究

解决的问题：

（1）针对铁尾矿的物理、力学特性进行室内试验，对铁尾矿填料性能进行分析，明确铁尾矿填料分类标准与分类方法。

（2）采用离心机对铁尾矿填料进行试验，模拟在堤坝中的受力情况，对其变形特性， 渗透特性以及稳定性规律进行研究。

（3）采用有限单元模型等方法，对铁尾矿路堤以及堤坝的变形规律进行研究。

（4）提出铁尾矿路堤以及堤坝基于“稳定控制与变形控制”的合理结构体系，为铁尾矿填料的设计及施工提供理论指导。

（5）针对不同来源、品质的铁尾矿砂，提出可用于路面养护材料的矿砂技术要求。

根据矿砂的自身特点，结合目前道路养护材料的技术要求，提出适用于河北省铁尾矿砂特点的技术指标，技术指标与标准的提出有利于指导废弃铁尾矿砂的工程化再生利用。

（6）结合铁尾矿砂的物理特性，提出合理的封层及罩面级配范围。

由于铁尾矿砂加工工艺不同，因而粗细不尽相同，为了能够使设计更加适应铁尾矿砂颗粒的物理特性，需要对建设的封层及罩面设计级配范围进行改进。

（7）针对不同来源、品质的铁尾矿，提出可用于沥青道路自我修复智能化材料的技术要求。

  根据铁尾矿砂的自身特点及铁尾矿的导磁、导电特性，结合智能化道路材料的技术要求，提出适用于我省铁尾矿特点的技术指标，提出合理的适用于智能化道路材料指标要求，技术指标与标准的提出有利于指导废弃铁尾矿的工程化再生利用，具有重要的指导意义。

预期目标：

1、继续推进铁尾矿作为建筑骨料在混凝土的研究和开发，增加市场开拓力度，将铁尾矿作为新材料应用到城市建设工程中。

2、本次研究通过室内试验、现场试验、数值分析等手段，并在室内采用离心机对铁尾矿填料进行试验，对铁尾矿路堤及堤坝的稳定特性、变形特性等力学行为及合理结构体系进行系统研究，提出合理铁尾矿路基及堤坝结构体系概念，并对铁尾矿路堤堤坝技术的应用效果进行分析。

3、本研究将通过室内试验结合现场试验的实施，对铁尾矿固体废弃矿砂应用于道路养护时的原材料技术要求，混合料设计方法、施工工艺特点等问题进行系统研究。提出用于指导铁尾矿固体废弃矿砂应用的技术手段与措施，结合现场试验路，对其应用效果与长期性能进行评价。

4、本研究将调查在雨水径流减排设施中应用铁尾矿来减少水污染的可行性。其中重点关注透水铺装设施中去除营养物的能力。在中国海绵城市建设中大规模应用铁尾矿可以为减少铁尾矿的堆放以及减轻河北铁尾矿的环境以及公共安全危害提供一个思路。

5、本研究通过室内试验结合现场试验路实施，对铁尾矿作为智能化道路材料的应用时的原材料技术要求，混合料设计方法、施工工艺特点等问题进行系统研究。提出用于指导铁尾矿作为智能化道路材料的应用的技术手段与措施，结合现场试验路，对其应用效果与长期性能进行评价。

6、由于铁尾矿成因类型不同，导致其导磁、导电性能不尽相同。为了能够使铁尾矿更加适应智能化道路材料的技术要求，需对不同铁尾矿进行试验分析，并对于不同路面电磁加热设备进行匹配性试验，并最终提出合理的适用于智能化道路材料吸波材料指标要求。

    铁尾矿是铁选厂在特定经济技术条件下，将铁矿石磨细，选取“有用组分”后排放的废弃物。据不完全统计，目前我国发现的矿产有150多种，开发建立8000多座矿山，累计生产尾矿59.7亿吨其中，堆存铁尾矿量高达十几亿吨，占全部尾矿堆存总量的近1/3，而且，每年排出铁尾矿近3亿吨，综合利用率还不到20%。铁尾矿大量堆存不仅占用了土地造成了资源浪费，而且也给人类生活环境 带来严重污染和危害，破坏了生态平衡。

美、俄等一些矿业发达的国家早在20 世纪60 年代初期就开始了对尾矿进行回收利用的研究工作，目前一些矿山已实现了无尾工艺生产。国外重视铁尾矿的综合利用，注重有价成分的回收，广泛地给铁尾矿寻找各种不同的利用途径。

我国利用尾矿作建筑材料的研究起于20世纪80年代。因产地和选矿工艺不同，尾矿成分及含量不尽相同，主要含硅、铝、钙、镁氧化物还有少量钾、钠、铁、硫的氧化物。其中硅、铝含量较高，与建筑材料十分相近，只要掺加少量其他原料，进行适当调配，便可用作许多建筑材料的原料，为尾矿在建材业的广泛应用提供了前提条件。

以铁尾矿做原料制作各种建材产品，成本较低，尾矿利用率高，用量大，既利用了废物，减少了环境污染，又节约了大量土地。不仅为建材行业提供了一种较为理想的原料，也为选矿工艺向少尾矿和无尾矿方向发展创造了条件。

本项目已有研究：

（1）根据铁矿成因类型及生产工艺对河北省分布的铁尾矿分类研究，从化学成分、矿物组成、粒型等方面确定不同铁尾矿材料性能特点，研究其作为建筑骨料的技术和经济可行性。并且用铁尾矿固体废弃物做混凝土骨料代替天然砂石配制了C60以下的混凝土，适用于建筑工程和市政工程。

（2）通过对沉积变质型、岩浆型、接触交代型、沉积型铁尾矿石混凝土工作性能、力学性能、耐久性能研究，并和普通碎石混凝土性能进行对比研究，找到不同类型铁尾矿石混凝土特性。

（3）通过对铁尾矿特细砂、细砂和普通中粗砂复配，形成铁尾矿混合砂，改善其颗粒级配，并对用其制备的混凝土工作性能、力学性能、耐久性能研究，确定其最经济合理掺量。

（4）编制了我国首部铁尾矿混凝土应用技术地方标准，对我省铁尾矿砂石的推广利用和铁尾矿综合利用起到了积极促进作用。

项目将进一步研究：

铁尾矿用于路堤以及堤坝填料、用于道路智能材料技术和用于海绵城市建设三个方面都有广泛的应用前景，本项目将对其进行系统研究。

（1）铁尾矿用于路堤以及堤坝填料的应用研究

对我省铁尾矿固体废弃物的研究表明，铁尾矿类型较多，可分为粗砂，细沙和特细砂，化学成分和矿物组也不同。虽然类型不同，但其物理和化学性能均是稳定的，强度也能满足要求，这为铁尾矿用于路堤以及堤坝填料的应用提供了基础。

为了避免取土对耕地、农田的破怀，各种可替代路基以及堤坝填料不断被应用于工程实践，其中细砂作为可替代路基填料在沿江沿海地区得到较为广泛的应用。铁尾矿作为一种砂石，可应用于细砂路堤和堤坝技术，对于提高道路工程建设水平、保护耕地、保护生态环境意义重大。另一方面，由于铁尾矿为无粘性的散粒体材料，其力学性能与传统路堤及堤坝填料有较大差异。粘土的抗剪强度由内摩擦角和粘聚力组成，渗透性很差。铁尾矿的粘聚力几乎为零，其抗剪强度主要由内摩擦角组成，渗透性很好，与普通粘土的物理力学性质不同，因此，其作为路基和堤坝填料的适用性、压实、路堤堤坝的稳定性等方面需要引起高度重视。铁尾矿填料粘结性小，易松散，因此填料压实是施工中的难题，压实技术成为铁尾矿应用于路堤堤坝工程的关键所在。

 （2）铁尾矿作为沥青道路自我修复智能化材料的应用研究

根据《河北省铁尾矿固体废弃物做建筑骨料的性能研究及其在混凝土中的应用》课题的研究成果，我省铁尾矿类型较多，化学成分和矿物组成也不同，但其基本的物理、化学性能是稳定的。从颗粒粒径看，不同区域的铁尾矿砂粒径分布有所差别，如唐山铁尾矿砂多为粗砂细度模数一般在2.3～3.0之间；承德其他地区铁尾矿砂细度模数多在1.6～2.1之间，多为细砂；邯郸、邢台等地多为尾矿库原砂，细度模数在0.8～1.5之间，多为特细砂。由于铁尾矿砂粒径分布范围较广，粒级较窄，粒型棱角较多，因此将铁尾矿砂作为人工砂石代替天然砂石用于筑路材料是一个较为理想选择。而道路建筑材料消耗资源量较大，因此也将成为处理大量尾矿固体废弃物的有效方式。

沥青路面在交通载荷和气候影响的作用下，随着时间的推移，路面状况和服务能力将逐渐恶化。为了保持沥青路面的使用性能和延长其使用寿命，在寿命周期各个不同阶段需要采用不同的养护维修措施。其中最常用的预防性养护技术为表面封层以及薄层罩面。由于封层和薄层罩面的功能性要求，对材料尤其是集料具有较高的技术要求，如耐磨性等。现有研究成果表明，铁尾矿砂具有良好的坚固性、抗压碎能力，同时活性成分较低，化学稳定性能良好，因此是作为道路养护的理想选择。

开发一种智能化能自我修复的沥青道路，将延长道路的使用寿命，大幅降低维护成本，并将改善道路质量。此种智能化道路拟采用电磁修复的原理，将吸波材料作为路面建筑材料进行施工，通过高导磁、导电材料形成的空间结构，使电磁场能量转换成热能。利用特定波长，特定频率的电磁波对需加热区域形成有效电磁场，吸波材料吸收辐照到其微团上的电磁波，将其转化为热能，从而达到修复老化沥青混凝土的目的。本次研究拟分析河北省各种类型铁尾矿的电阻率和介电常数特性，确定适用于智能化能自我修复的沥青道路的铁尾矿材料。

（3）铁尾矿作为新材料在海绵城市建设中的应用研究

①铁尾矿作为骨料在透水混凝土中的应用研究

国务院办公厅2015年10月印发《关于推进海绵城市建设的指导意见》，部署推进海绵城市建设工作。建海绵城市就要有“海绵体”，即低影响开发雨水技术。透水铺装、下沉式绿地、生物滞留等下渗减排设施，是城市“海绵体”重要组成部分。雨水通过这些“海绵体”下渗、滞蓄、净化、回用，最后剩余部分径流通过管网、泵站外排，从而可有效提高城市排水系统的标准，缓减城市内涝的压力。

铁尾矿做混凝土骨料代替天然砂石配制了C60以下的混凝土，适用于建筑工程和市政工程；在技术和经济上的可行性，在课题的前期研究中已取得了阶段性成果并在项目上得到了应用，为其作为骨料在透水混凝土中的应用提供了理论基础和工程实践。

②铁尾矿作为污水过滤材料的应用研究

磷化物是我国河流富营养污染的一个主要来源，研究表明，铁尾矿中含有吸附磷化物的主要成分氧化铁和氧化铝，其吸收磷化物的能力为8.2 - 12.6 mg/g，这充分说明铁尾矿具有水污染控制能力。铁尾矿作为主要材料制作“污水过滤体”在污水处理方面的应用，将在海绵城市建设中发挥重要作用。

已合作过的相关国外专家：

张玉卿，Yuqing Zhang, PHD，Prof. Aston University, Birmingham, UK

黄宝山，教授，美国田纳西大学（诺克斯维尔校区）