利用尾矿砂制备的具有高延性纤维水泥防渗墙及制备方法

摘要

本发明公开了一种利用尾矿砂制备的具有高延性纤维水泥防渗墙，所述的防渗墙的浇筑材料为高延性水泥浆，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：水泥：10‑24%，尾矿砂：20‑25%，粉煤灰：35‑55%，水：5‑16%，减水剂：0.2‑0.5%，氧化镁：2‑3%，以及PVA纤维，PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的1‑2%。该防渗墙利用含有尾矿砂的浇注材料制成，极大的利用了尾矿砂，变废为宝，且该浇注材料具有高延性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水泥防渗墙，具体的说，涉及一种利用尾矿砂制备的具有高延性纤维水泥防渗墙及制备方法。

背景技术

中国是一个矿业大国。据统计，我国矿山产生尾矿总量超56.2亿吨。小部分尾矿直接作为矿山充填或综合性再利用，其余部分均堆存于尾矿库。不完全统计，我国尾矿库共有12655余座，且每年以300多座的规模增加。尾矿库直接暴露可直接造成环境污染，主要表现如：某些尾矿直接携带超标污染物质，如放射性元素及其它有害组分；选矿生产过程使用的化学药剂残存于尾矿并与其中某些组分反应，产生新的污染源；自然曝化条件下，尾矿发生氧化、水解和风化等表生变化，使原本无污染的组分转变为污染组分，如有色金属矿山普通存在的某些重硫化物；排入尾矿库的尾矿浆里的水分向周围地下环境渗漏，污染地下水系；尾矿库中泥浆水分向地下水渗透、流经尾矿库的地表水，通过与尾矿相互作用，溶解某些有害组分并携带转移，造成大范围污染；尾矿库事故泄露直接导致尾矿浆污染周围环境。

尾矿库同时也是巨大的危险源。如2008年山西省襄汾尾矿坝溃坝事故，流失尾矿26.8万m³，流经长度达2>2，造成278人死亡和严重的环境污染。2010年福建上杭县紫金矿业发生强酸性渗滤液泄漏事件，9100m³的渗滤液顺着排洪涵洞流入汀江，导致汀江部分河段污染及大量鱼类死亡。

尾矿泥的处理处置已成为矿山环境岩土工程中的重要问题之一。尾矿库经雨水淋滤出的污染液中含有高浓度重金属化合物。每一座尾矿库都是一个潜在的集中污染源，可能对周边土体和地下水造成严重的污染。尾矿库需设立水平或垂直防渗系统，其多采用注浆帷幕或混凝土连续墙，浆材主要为水泥砂浆、黏土浆或水泥、黏土混合浆或化学浆等，以形成止水帷幕或止水隔墙，隔阻尾矿库内污染液向周边地下环境渗透扩散。

酸尾矿废弃液具有强酸性（pH小于2.5）、硫酸盐浓度高、氯离子浓度高、其含多种其他重金属金属离子的特征。因此其工程屏障期望能达到长期墙体完整性、抗震性、低渗透性、化学兼容性。

高延性的纤维增强水泥基复合材料是基于微观力学原理优化设计的具有伪应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型土木工程材料。其中聚乙烯醇纤维体积掺量通常在2-3%左右，其拉应变是普通混凝土的几百倍。在实际的墙体建设过程中，墙体需要及时的硬化，但是普通水泥基复合材料的养护时间又太长，对工程的影响较大。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种利用尾矿砂制备的具有高延性纤维水泥防渗墙及制备方法，该防渗墙利用含有尾矿砂的浇注材料制成，极大的利用了尾矿砂，变废为宝，且该浇注材料具有高延性。

技术方案：为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

一种利用尾矿砂制备的具有高延性纤维水泥防渗墙，所述的防渗墙的浇筑材料为高延性水泥浆，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：

水泥 10-24%，

尾矿砂 20-25%，

粉煤灰 35-55%，

水 5-16%，

减水剂 0.2-0.5%，

氧化镁 2-3%，

以及PVA纤维，

其中，PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的1-2%。

作为优选方案，所述的水泥、尾矿砂、粉煤灰、水、减水剂及氧化镁的质量比为：15:20:47.5:15:0.5:2。

作为优选方案，所述的水泥为普通#42.5硅酸盐水泥；所述的尾矿砂的最大粒径小于0.5mm；所述的粉煤灰为1级粉煤灰；所述的氧化镁为轻质氧化镁；所述的减水剂为聚羧型减水剂。

作为优选方案，所述的氧化镁为质量含量为70-88%的工业级轻质氧化镁。

作为优选方案，所述的尾矿砂采用以下方法浸润冲洗制备而成：

将尾矿砂经35目标准筛筛分；

制备浸润冲洗溶液，每升该溶液中含有0.5—1.0 mol纯醋酸、0.1—0.2mmol的乙二胺四乙酸溶液、0.5—0.8mol的氢氧化钠粉末和0.2—0.4mol的纯盐酸溶液；

将过筛的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌，形成固液混合物；

将固液混合物过滤，并用水冲洗，在100-105摄氏度烘箱内烘干，形成经过浸润冲洗的尾矿砂。

作为优选方案，所述的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌时，搅拌速度为30转/min，搅拌时间为20-24小时；所述的浸润冲洗溶液的pH值为1.32—3.55。

本发明实施例还提供一种利用尾矿砂制备的具有高延性纤维水泥防渗墙的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

制备高延性纤维水泥浆：将水泥、尾矿砂、粉煤灰拌合均匀后加入水进行第一次搅拌；然后加入氧化镁、水和减水剂进行第二次搅拌；最后加入PVA纤维和水进行第三次搅拌，得到高延性纤维水泥浆；

将制成的高延性纤维水泥浆通过浇筑设备浇筑到防渗位置，形成防渗墙。

作为优选方案，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：

水泥 10-24%，

尾矿砂 20-25%，

粉煤灰 35-55%，

水 5-16%，

减水剂 0.2-0.5%，

氧化镁 2-3%，

以及PVA纤维，

其中，PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的1-2%。

作为优选方案，所述的制备高延性纤维水泥浆过程中，第一次搅拌、第二次搅拌和第三次搅拌中加入的水的质量比为15:2:3。

作为优选方案，所述的第一次搅拌中，尾矿砂经过浸润冲洗法处理，具体过程为：

将尾矿砂经35目标准筛筛分；

制备浸润冲洗溶液，每升该溶液中含有0.5—1.0 mol纯醋酸、0.1—0.2mmol的乙二胺四乙酸溶液、0.5—0.8mol的氢氧化钠粉末和0.2—0.4mol的纯盐酸溶液；

将过筛的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌，形成固液混合物；

将固液混合物过滤，并用水冲洗，在100-105摄氏度烘箱内烘干，形成经过浸润冲洗的尾矿砂。

有益效果：与现有的水泥防渗墙相比，本发明实施例的含尾矿砂的高延性纤维水泥防渗墙墙具有如下的优点：该防渗墙利用含有尾矿砂的浇注材料制成，极大的利用了尾矿砂，变废为宝，且该浇注材料具有高延性。使用该材料，可有效提高水泥防渗墙的强度和变形性能，提高结构的承载力和延性。

附图说明

图1为ECC墙体材料在拉伸开裂状态下的渗透系数与开裂宽度的对应关系图。

图2为尾矿砂ECC和常规水泥墙体材料，在拉伸条件下，变行量与拉伸强度的关系图。

具体实施方式

下面对本发明实施例进行详细的说明。

本发明实施例的一种利用尾矿砂制备的具有高延性纤维水泥防渗墙，所述的防渗墙的浇筑材料为高延性水泥浆，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：

水泥 10-24%，

尾矿砂 20-25%，

粉煤灰 35-55%，

水 5-16%，

减水剂 0.2-0.5%，

氧化镁 2-3%，

以及PVA纤维，

其中，PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的1-2%。

由于常规水泥浆形成的墙体材料的延展性，完全依据水泥水化产物之间的凝聚力而成。而常规纤维水泥材料主要依据水泥、粉煤灰、石英砂和纤维组成，高延性来源于水泥产物和纤维的桥接作用。本发明实施例中采用尾矿砂替代石英砂之后，尾矿砂将作为水化产物的核部，有利于水泥及粉煤灰的水化产物形成墙体内部的框架结构。尾矿砂属于选矿废弃物，其含有大量的二氧化硅和二氧化钙等物质，能够充分作为水泥和粉煤灰水化反应的内核，与水化产物水化硅酸钙形成致密空间结构。同时尾矿砂内部含有的钙高于石英砂，可更有效提供水化反应所需要的钙和铝，并充分利用PVA纤维的桥接作用，实现ECC（英文全称Engineeredcementitious composite，中文译文高延展性水泥基复合材料）墙体材料应变硬化和高延展性。添加PVA纤维可实现ECC墙体材料应变硬化和高延展性，主要源于：1）PVA纤维在砂浆中分散性好，不会因为纤维过细或者过长而造成拌合时结团；2）PVA 纤维抗拉强度和弹性模量高，充分加大了材料的抗拉强度，相应地减少了材料的开裂，提高了耐久性；3）与水泥有良好的相容性；4）亲水性好，PVA纤维能均匀地分散在水泥基质中。

本发明实施例的纤维水泥防渗墙，是由含有尾矿砂的纤维水泥浇筑而成，充分利用高延性纤维水泥的早高强度和高韧性，提高混凝土防渗墙的抗变形能力和渗透特性，进而提高防渗墙的抗震性能和阻滞污染物能力。

在上述实施例中，作为优选，所述的水泥为普通#42.5硅酸盐水泥。所述的尾矿砂的最大粒径小于0.5mm。所述的粉煤灰为1级粉煤灰。工业上将通过325目的粉煤灰分为一级、二级和三级。88%以上粉煤灰通过325目的为一级粉煤灰， 70%以上粉煤灰通过325目的为二级粉煤灰，55%以上粉煤灰通过325目的为三级粉煤灰。即，粉煤灰等级与其粒度有关，一级粉煤灰颗粒平均更细。所述的减水剂为聚羧型减水剂。所述的氧化镁为轻质氧化镁。更为优选的，所述的氧化镁为质量含量为70-88%的工业级轻质氧化镁。轻质氧化镁活性高，与重烧氧化镁相比，能提高快速硬化效果和与粉煤灰的反应效果。

PVA纤维的长度为6—10mm、直径为20—30um、抗拉强度为1200MPa以上、弹性模量为30GPa以上。

在上述实施例中，尾矿砂是经过浸润冲洗处理的尾矿砂。浸润冲洗处理的目的在于除去尾矿砂表面富集的重金属等抑制水泥水化反应的物质。具体来说，尾矿砂采用以下方法浸润冲洗制备而成：

步骤10）将尾矿砂经35目标准筛筛分。

步骤20）制备浸润冲洗溶液，每升该溶液中含有0.5—1.0 mol纯醋酸、0.1—0.2mmol的乙二胺四乙酸溶液、0.5—0.8mol的氢氧化钠粉末和0.2—0.4mol的纯盐酸溶液；作为优选，制备的浸润冲洗溶的pH值为1.32—3.55。调节pH至1.32—3.55，有益于尾矿砂表面重金属的析出和EDTA的使用。

步骤30）将过筛的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌，形成固液混合物。作为优选，搅拌速度为30转/min，搅拌时间为20-24小时。

步骤40）将固液混合物过滤，并用水冲洗，在100-105摄氏度烘箱内烘干，形成经过浸润冲洗的尾矿砂。

在步骤30）中，纯醋酸与氢氧化钠形成缓慢释放酸根离子的醋酸钠溶液，纯盐酸可有效调节增大酸根离子浓度，形成pH为1.32—3.55之间的溶液可以有效促使尾矿砂表面富集的重金属（如铅、铁、锌、铜等）析出。同时，存在于酸性环境下EDTA（中文译文为：乙二胺四乙酸，英文全称为：Ethylenediaminetetraacetic acid），可与析出的重金属发生络合反应。步骤30）可以有效预防金属重新团聚在尾矿砂表面。经过浸润液体冲洗后，尾矿砂中的重金属含量急剧降低，有益于其与水泥混合时不会抑制水泥水化反应，进而提高水化产物，加大水泥的凝聚效果，增加延展性和抗渗性。

上述实施例的防渗墙的制备方法，包括以下步骤：

制备高延性纤维水泥浆：将水泥、尾矿砂、粉煤灰拌合均匀后加入水进行第一次搅拌；然后加入氧化镁、水和减水剂进行第二次搅拌；最后加入PVA纤维和水进行第三次搅拌，得到高延性纤维水泥浆；

将制成的高延性纤维水泥浆通过浇筑设备浇筑到防渗位置，形成防渗墙。

在该实施例中，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：

水泥 10-24%，

尾矿砂 20-25%，

粉煤灰 35-55%，

水 5-16%，

减水剂 0.2-0.5%，

氧化镁 2-3%，

以及PVA纤维，

其中，PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的1-2%。

作为优选方案，所述的制备高延性纤维水泥浆过程中，第一次搅拌、第二次搅拌和第三次搅拌中加入的水的质量比为15:2:3。该比例适宜于搅拌和水泥浆混合。

在上述制备方法中，所述的第一次搅拌中，尾矿砂是经过浸润冲洗法处理的，具体过程为：

步骤10）将尾矿砂经35目标准筛筛分。

步骤20）制备浸润冲洗溶液，每升该溶液中含有0.5—1.0 mol纯醋酸、0.1—0.2mmol的乙二胺四乙酸溶液、0.5—0.8mol的氢氧化钠粉末和0.2—0.4mol的纯盐酸溶液；作为优选，制备的浸润冲洗溶的pH值为1.32—3.55。

步骤30）将过筛的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌，形成固液混合物。作为优选，搅拌速度为30转/min，搅拌时间为20-24小时。

步骤40）将固液混合物过滤，并用水冲洗，在100-105摄氏度烘箱内烘干，形成经过浸润冲洗的尾矿砂。

下面通过试验验证本发明实施例的防渗墙具有良好的高延性和防渗性能。

实例1

制备防渗墙的过程：制备高延性纤维水泥浆：将水泥、尾矿砂、粉煤灰拌合均匀后加入水进行第一次搅拌；然后加入氧化镁、水和减水剂进行第二次搅拌；最后加入PVA纤维和水进行第三次搅拌，得到高延性纤维水泥浆；将制成的高延性纤维水泥浆通过浇筑设备浇筑到防渗位置，形成防渗墙。防渗墙的长、高、厚为5*3*05m。

在该实例中，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：

水泥 15%，

尾矿砂 20%，

粉煤灰 46%，

水 14%，

减水剂 0.5%，

氧化镁 2%。

PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的2%。

另外，在该实例中，尾矿砂的处理过程为：

步骤10）将尾矿砂经35目标准筛筛分。

步骤20）制备浸润冲洗溶液，每升该溶液中含有0.5mol纯醋酸、0.2mmol的乙二胺四乙酸溶液、0.7mol的氢氧化钠粉末和0.3mol的纯盐酸溶液；作为优选，制备的浸润冲洗溶的pH值为2.15。

步骤30）将过筛的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌，形成固液混合物。作为优选，搅拌速度为30转/min，搅拌时间为24小时。

步骤40）将固液混合物过滤，并用水冲洗，在100摄氏度烘箱内烘干，形成经过浸润冲洗的尾矿砂。

实例2

制备防渗墙的过程与实例1相同，所不同的是：

在该实例中，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：

水泥 10%，

尾矿砂 21%，

粉煤灰 55%，

水 9.6%，

减水剂 0.2%，

氧化镁 3%，

以及PVA纤维，

其中，PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的1%。

另外，在该实例中，尾矿砂的处理过程为：

步骤10）将尾矿砂经35目标准筛筛分。

步骤20）制备浸润冲洗溶液，每升该溶液中含有1.0mol纯醋酸、0.1mmol的乙二胺四乙酸溶液、0.8mol的氢氧化钠粉末和0.2mol的纯盐酸溶液；作为优选，制备的浸润冲洗溶的pH值为1.32。

步骤30）将过筛的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌，形成固液混合物。作为优选，搅拌速度为30转/min，搅拌时间为20小时。

步骤40）将固液混合物过滤，并用水冲洗，在105摄氏度烘箱内烘干，形成经过浸润冲洗的尾矿砂。

实例3

制备防渗墙的过程与实例1相同，所不同的是：

在该实例中，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：

水泥 24%，

尾矿砂 20.5%，

粉煤灰 35%，

水 16%，

减水剂 0.4%，

氧化镁 2.1%，

以及PVA纤维，

其中，PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的2%。

另外，在该实例中，尾矿砂的处理过程为：

步骤10）将尾矿砂经35目标准筛筛分。

步骤20）制备浸润冲洗溶液，每升该溶液中含有0.9mol纯醋酸、0.15mmol的乙二胺四乙酸溶液、0.7mol的氢氧化钠粉末和0.25mol的纯盐酸溶液；作为优选，制备的浸润冲洗溶的pH值为3.55。

步骤30）将过筛的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌，形成固液混合物。作为优选，搅拌速度为30转/min，搅拌时间为22小时。

步骤40）将固液混合物过滤，并用水冲洗，在104摄氏度烘箱内烘干，形成经过浸润冲洗的尾矿砂。

实例4

制备防渗墙的过程与实例1相同，所不同的是：

在该实例中，所述的高延性水泥浆按照质量百分比，包括以下组分：

水泥 15%，

尾矿砂 25%，

粉煤灰 50.5%，

水 5%，

减水剂 0.5%，

氧化镁 2.5%，

以及PVA纤维，

其中，PVA纤维的体积掺量为高延性水泥浆总体积的1.5%。

另外，在该实例中，尾矿砂的处理过程为：

步骤10）将尾矿砂经35目标准筛筛分。

步骤20）制备浸润冲洗溶液，每升该溶液中含有0.8mol纯醋酸、0.18mmol的乙二胺四乙酸溶液、0.5mol的氢氧化钠粉末和0.4mol的纯盐酸溶液；作为优选，制备的浸润冲洗溶的pH值为3.05。

步骤30）将过筛的尾矿砂与浸润冲洗溶液进行搅拌，形成固液混合物。作为优选，搅拌速度为30转/min，搅拌时间为21小时。

步骤40）将固液混合物过滤，并用水冲洗，在103摄氏度烘箱内烘干，形成经过浸润冲洗的尾矿砂。

对比例1

采用现有的水泥材料，其组分包括水泥、砂和水，且按照质量比，水泥：砂：水=1:1:0.5。

防渗试验

试验过程：采用国标号为GB-T50082-2009的普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准进行试验。

试验结果如图1所示。未开裂时就能达到抗渗要求（10^-9m/s）

由图1可知，利用尾矿砂的高延展性纤维水泥防渗墙渗透系数略微高于常规ECC材料，但在为开裂状态时，渗透系数仍然满足渗透要求。随着实例1—实例4的材料配比发生改变，有如下变化规律：在相同开裂条件下，渗透系数大小排列为实例3＜实例1＜实例4＜实例2。

高延性试验

试验过程：采用国标号为GB/T 50081-2002 的普通混凝土力学性能试验方法标准进行试验。

试验结果如图2所示。由图2可知，利用尾矿砂的高延展性纤维水泥防渗墙抗拉伸能力明显高于常规水泥防渗材料。这表明利用尾矿砂的高延展性纤维水泥防渗墙具有较高的抗拉伸能力。本实施例的尾矿砂ECC在高变形条件下仍然具有极高的拉伸强度，而常规水泥在随着变形量增大的情况下，强度衰减十分严重。随着实例1—实例4的材料配比发生改变，有如下变化规律：在相同拉伸变量条件下抗拉伸能力大小排列为实例3＞实例1＞实例4＞实例2。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。