基于环境安全应用的铁尾矿砂路用适应性研究

王绪旺，张豪

（商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛 726000）

铁尾矿堆存量的逐年增加需要大量尾矿库的建设与运营，不仅需要大量的人力物力和财力，而且尾矿库本身就是一个巨大的环境污染源，占用大量土地资源、形成巨大的安全隐患，严重威胁人民群众的生命财产安全，铁尾矿一般为细粒级，若用以代替级配碎石做路基，则一般不需要再加工，这样既可以降低工程造价，又能大量利用铁尾矿，还能创造较高的经济效益和社会效益，是非常值得推广的技术[1]。从国内外铁尾矿的室内研究和工程应用可以看出，铁尾矿具有作为道路材料的潜力，研究表明，稳定的铁尾矿混合料机械性能够达到二级及二级以下公路基层或底基层的标准，也可以达到一级及高速公路底基层设计标准，但要达到一级及高速公路基层设计标准还有一定的困难[2]。将固体废弃物再生材料作为道路建设材料使用，具有降低成本、改善铺面或铺装性能的优势，但再生材料要确保应用过程中不会引发长期的负面影响，如污染物、毒性化学品向土壤和地下水中浸出，道路工程固体废弃物产品环境污染的预防措施可基于源头控制和路径控制[3]。将铁尾矿资源化利用于绿色道路建设工程中，通过高效处理大量铁尾矿固体废弃物，使铁尾矿砂的有害物质符合规定外，还应符合我国环保和安全相关标准和规范，不应对人体、生物、环境及混凝土、砂浆性能产生有害影响[4]，因此，对铁尾矿用于道路建设的环境安全适应性进行研究，是判定铁尾矿能否作为环境友好型筑路材料而被大规模化应用于道路建设具有重要的意义。

1 铁尾矿路用试样的制备

1.1 铁尾矿取样

以商洛小岭镇同一厂矿业公司连续生产的大西沟铁尾矿不超过600 t 为一个批次进行取样研究，在铁尾矿堆存区将表层铲除后抽取铁尾矿试样10 份，每份铁尾矿试样质量为5±0.1 kg。

1.2 铁尾矿试样的处理

按各项试验的标准样品重量要求，将铁尾矿试样采用人工四分法[5]进行制备，制备样品过程中实验室环境温度保持在20±5 ℃。

2 铁尾矿路用环境安全适用性

2.1 矿物化学组成成分含量的测定

铁尾矿砂试样中矿物化学成分不仅决定于该成分的含量，而且决定于试样的粒度，标准样品的粒度要求不超过200 目的约占99%，因此必须使分析试样与分析标准样品基本上具有相同粒度或粒度分布[6]。利用勺取法，从混合均匀的样品中分4 点取样，将每次小勺中取得的样品全部导入循环池中，不得抖出或保留勺中的样品。用激光粒度仪按照仪器分析软件中预先设置好的折射率和吸收率进行测试，测量3 次取平均值[7]，经测定，铁尾矿砂试样的粒度分布结果见表1 所示。

表1 铁尾矿砂粒度组成

由表1 可以看出，铁尾矿砂样品的粒度不超过200 目（0.074 mm）的约占29.8%，没有达到标准样品的粒度要求。为保证铁尾矿砂试样中矿物化学成分检测的精确性，应先将铁尾矿砂试样磨细至规范要求，再用矿石X 射线荧光光谱定性半定量分析铁尾矿废渣各化学成分含量。在环境温度23 ℃，相对湿度50%的试验环境下，用X 射线荧光光谱仪（PW4400/40）测定其化学组成，结果见表2 所示。

表2 铁尾矿砂矿物主要化学组成成分

表2 中所测定铁尾矿砂中的硫化物及硫酸盐（按照SO3质量计）含量为2.89%，大于铁尾矿砂硫化物及硫酸盐（按照SO3质量计）含量不得大于0.5%的要求[8]。

2.2 放射性物质的检测

检测仪器为高纯锗多道γ 能谱仪GEM-30P，天平（感量0.1 g），随机抽取样品两份，试样处理后每份质量为2.2 kg。将检验样品破碎磨细至粒径不大于0.16 mm，称质量（精确至0.1 g）、密封。密封静置20 d 至待检试样中天然放射性衰变基本达到平衡稳定后，在环境温度22.4 ℃，湿度30%的试验条件，检测 Ra-226、Th-232、K-40 比活度（kg），计算内照射指数 IRa和外照射指数 Iγ[9]，如表 3 所示。

表3 铁尾矿砂放射性物质检测

根据文献[9]中规定，建筑主体材料应同时满足 IRa≤1.0 和 Iγ≤1.0；装饰装修材料 A 类同时满足 IRa≤1.3 和 Iγ≤1.9；C 类满足 Iγ≤2.8。

2.3 有害物质和泥土石粉含量的测定

铁尾矿砂中的有害物质主要是氯化物（以氯离子质量计）、硫酸盐、有机质、泥土石粉，测定以上有害物质含量的试验依据为《建设用砂》《公路工程集料试验规程》[10-11]。

表4 有害物质和泥土石粉的含量

表4 中所测定铁尾矿砂中氯离子含量、有机质含量、 泥土石粉含量满足环境安全应用指标，可以充当细集料用于工程建设； 但硫酸盐含量2.89%，超过细集料中硫酸盐指标限量的6 倍，当用作筑路材料时，应采取措施控制硫酸盐含量不超过0.50%。

2.4 亚甲蓝值和砂当量的测定

对铁尾矿砂试样采用四分法进行缩分，干燥后称量200 g 铁尾矿（精确至0.1 g），按照文献[11]的要求进行亚甲蓝试验，计算出亚甲蓝值MBV；将通过4.75 mm 方孔筛的铁尾矿砂试样采用四分法进行缩分并干燥，称量120 g 铁尾矿（精确至0.1 g），同样按照文献[11]的要求进行砂当量试验，计算出砂当量值SE，结果见表5 所示。

表5 亚甲蓝值和砂当量的测定

根据《公路沥青路面施工技术规范》中对高速、一级公路沥青混合料用细集料的砂当量、亚甲蓝值分别提出了不小于60%、不大于25 g·Kg－1的要求[12]，由表5 可知，所测定的铁尾矿砂亚甲蓝值为 0.5 g·Kg－1、砂当量 89%，砂当量、亚甲蓝值均能够满足细集料的指标要求，所以本组试样所代表的铁尾矿砂能够代替传统细集料应用于高速、一级公路中的沥青混合料中。

2.5 颗粒级配的测定及粗细程度评定

对铁尾矿砂试样干燥，称量500 g 铁尾矿（精确至0.1 g），按照文献[11]采用集料筛分析试验水洗法进行测定铁尾矿砂的颗粒级配，见表6 所示。

表6 铁尾矿砂级配组成

由表6 中的数据，计算铁尾矿砂的细度模数μf，精确至0.01。

式中：A0.15、A0.30、A0.60、…、A4.75分别为各筛上的累计筛余百分率（%）。

按照式(1)进行计算铁尾矿砂的细度模数[13]，经计算 μf=1.50，满足 0.7＜μf≤1.5，所以铁尾矿砂属于特细砂。

为了更直观地反映铁尾矿砂的颗粒级配情况，将表6 的累计筛余百分率数据绘制在以累计筛余百分率为纵坐标，筛孔尺寸为横坐标的标准Ⅰ区（粗砂）、Ⅲ区（细砂）级配范围（表7）的筛分析曲线图里，如图1 所示，由此判断该铁尾矿砂颗粒级配情况。

在图1 中，铁尾矿砂的累计筛余显示方孔筛筛孔尺寸为 4.75、2.36、1.18、0.6、0.3 mm 时均没有落在建筑用砂标准Ⅰ区、 Ⅲ区级配范围内；筛孔尺寸为0.15 mm 时位于Ⅲ区砂为细砂区范围内，显示铁尾矿砂属于特细砂。铁尾矿砂属于Ⅲ区外特细砂，说明铁尾矿含有细粒过多，细粒含有过多的混合料，密实度降低，变形积累过大，不宜用于修筑路面[14]。用铁尾矿配制的混凝土和易性里的粘聚性、保水性能够达到预期效果，但因颗粒较细使得混凝土表现为干缩性大，容易产生微裂缝[15]，所以在使用时候宜适当控制砂率，最好采用人工级配的方法掺加一定比例的粗砂进行改善颗粒级配，提高路用拌合料细集料的级配良好性。

表7 砂的Ⅰ区、Ⅲ区颗粒累计筛余百分率（GB/T 14684-2001）

图1 铁尾矿砂的筛分析

3 讨论与结论

为了能将铁尾矿资源化应用于道路建设中，对其环境安全适应性进行系列试验研究，通过各试验测定的指标数据与路用材料的环境安全应用指标要求进行比较分析，得出铁尾矿砂试样的筑路环境安全适应性表现如下。

1）铁尾矿的放射性 Ra-226、Th-232、K-40 活度浓度满足建筑主体材料、 装饰装修材料A 类的要求，可以用于生产各类建筑材料。

2）铁尾矿砂中氯离子含量、有机质含量、泥土石粉含量满足细集料环境安全应用指标；硫酸盐含量2.89%，超过细集料中硫酸盐指标限量的6 倍，当用作筑路材料时，应采取措施控制硫酸盐含量不超过0.50%。

3）铁尾矿的亚甲蓝值和砂当量满足高速、一级公路中的沥青混合料中关于细集料的环境安全应用指标，可用作路用混合料的细集料。

4）铁尾矿砂属于Ⅲ区外特细砂，细粒含有过多将导致混合料的密实度降低，变形积累过大，配制的混凝土和易性里的粘聚性、保水性能够达到预期效果，但因颗粒较细使得混凝土表现为干缩性大，容易产生微裂缝，所以在使用时候宜适当控制砂率，最好采用人工级配的方法掺加一定比例的粗砂进行改善颗粒级配，提高路用拌合料细集料的级配良好性。