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哈萨克斯坦天然壤土的高效路基料，由石灰生产废料活化的地面冷却铁渣强化而成
Efficient Mymrina,*,Elaman K.Aibuldinovb,Kirill Alekseeva,Valerii Petukhovc,Monica A.Avancia,Aleksey Kholodovc,Andrei Taskinc,Rodrigo E.Cataia,Alfredo Iarozinski N a
（ a 巴西库里提巴联邦理工大学 ,b 哈萨克斯坦阿斯塔纳哈萨克斯坦科技和商业大学, c 俄罗斯符拉迪沃斯托克远东联邦大学）
摘 要
以科学为基础处置所有工业和城市废物是解决环境污染和相关气候变化迅速和不断增加问题的唯一办法，对我们这个星球造成不可避免的灾难性后果。 本研究提出了这种科学的方法来使用两种类型的工业废料e铁金属地面冷却渣和石灰生产废料e作为天然壤土的粘合剂，用于道路基础建设，完全取代传统的天然砂和碎石层。 在3天龄期样品中，所开发的材料的轴压强度达到3.27MPa，在28天内达到6.95MPa，180天内达到13.39MPa，550天内达到16.44MPa，非常高的耐水性和抗冻性，而且线性膨胀较低，满足了哈萨克规范对1级建筑材料的要求。 它是通过一套现代互补方法(X射线衍射测量分析、X射线荧光分析、扫描电子显微镜、能量色散光谱、原子吸收光谱激光微质量分析)，合成了新的地层，主要是非晶，它们与初始组分的颗粒结合。 所获得的力学性能使这些复合材料也能作为建筑材料，如未烧砖和砌块，具有较高的环境和经济效率。
关键词：地面冷却铁渣石灰生产废料;天然土壤高效强化机械性能;公路基层材料;环境/经济效率高
1 引言
人口的稳步增长和社会的工业化伴随着工业和城市废物生产的增长。 根据宇宙学家的计算，这些现象不可否认地导致了大气温度的升高和我们文明在未来300年的死亡。 霍金（2018） 环境污染对公众健康也有负面影响（ Olmo等人，2011年）。
铁冶金渣是全球最重要的环境污染物之一。 年产铁熔渣近4亿(世界钢铁协会，2015年）。我国年产矿渣已达1亿多吨，利用率仅为29.5%。利用率日本为98.4%，欧洲为87.0%，美国为84.4%( 郭 等人，2018年 ）。“危险废物的利用”一词通常被理解为将此类废物作为原料加以利用（再循环利用），然后这些废物变得对环境安全。因此，利用所有的废物，特别是铁渣，成为对整个地球上的人口( Zouboulis，2004年)减轻全球环境威胁最重要的战略任务。一小部分铁渣用于水泥生产（Santamaria等人，2018年）和水泥掺入（Tsakirid is等人，2008年）、多相熟料烧结（曹 等人，2019年）、天然壤土作为道路和机场的粘结、掺入沥青材料（艾哈迈德扎德 和Sengoz，2009年a，b）和天然石的替代品。它还应用于玻璃陶瓷生产（ Liu等人，2014），在瓷砖公司（赵等人，2015年），提供一个纯金属铸造环境（博乐康，2019年），回收和生产多晶硅（ Li等人，2019年），并作为一个通量，具有最高的潜力，Cd(I I)吸附（捷克等人，2018年）。 石灰生产废物(LPW)是指在温度不足的情况下燃烧的碳酸盐岩或石灰在进入潮湿空气的地方储存后，因此在成分上再次变得类似于碳酸盐岩。 石灰和LPW对于黑色金属和有色金属冶金工艺是必不可少的，巴西石灰生产者协会（ABPC，2014年），用于波特兰水生产（ Bhatty和Gajda，2004年 Al-Saued等人，2004年）。 Mymrin（2012年） 用LPW进行多种类型工业和杂种的粘接具有较高的环境和经济效率的IPAL废物。
关于工程和技术的世界文献包含了大量不同的土壤稳定方法，这取决于土壤类型、污染水平和类型以及局部稳定潜力。 例如，研究了中国三峡库区的自然和加强的土壤保持能力。Xiaoa等人（2017）Chang等人（2015）开发了热凝胶生物聚合物的组成和技术，以加强两种类型的土壤（粘性和砂质）在不同的数量和处理条件。 Hataf等人（2018）用生物相容性壳聚糖溶液研究了从虾壳废料中合成的粘土土的潜在稳定性。在三轴压缩试验()中，采用生物沉积法提高了压实粉土的抗剪强度。Grabiec等人，2017年法特希等人(2018) 开发了替代生态友好型材料，使用酪蛋白和酪蛋白酸钠生物聚合物来稳定沙丘沙。Cuia等人（2018） 以煤矿排水污泥、牛骨废料、炼钢渣为原料，制备了新型复合材料，用于农业土壤稳定化和有毒重金属固定化。 燃料油粉煤灰（FFA）是在沙特阿拉伯王国燃烧原油的发电厂和脱水厂生产的，成功地用于稳定两种靛蓝土壤，即沙子和泥灰，浓度分别为5%、10%和15%，并且不添加硅酸盐水泥。Al-Malack等人（2016） 在印度观察了20%、40%和60%粉煤灰稳定的柴油污染土壤的压实特性。 George等人（2015）伊朗泥炭土壤样品与沙子混合，百分比为0-20%。
Rahgozar和Saberia，2016年提高无侧限抗压强度、有效内聚力、内摩擦角和渗透系数. Rokade等人（2017） Ahmed（2014）用粉煤灰和尼龙纤维稳定有问题的黑棉土。以苏丹为例，对城市道路基层的建设过程中，随着其力学性能和耐久性的提高，通过焦炭粉煤灰稳定粘土进行了研究。减少粘合剂含量（石灰）和最大密度是为粘土稳定（Rocha等人，2016年）创造更可持续剂量的主要策略。
对本研究中使用的所有三种原料的处置方法进行了非常简短的文献综述，表明了所开发材料的独创性。与这项研究最接近的是1976年至1991年期间Mymrin V在前苏联进行的研究的结果，该研究的目的是从主要的铁冶金工艺（高炉、露天、转炉、电炼钢）中用地面冷却的磨渣加固不同类型的天然土壤，但未在国外发表。本研究与苏联MymrinV的结果的主要区别在于所有成分的化学成分和矿物成分的差异很大，它们在所开发的材料中的百分比以及由于这些差异而获得的结果。
在刚果民主共和国境内试点路段的建设和维护期间，核实了大量研究项目的成果。苏联的所有道路气候区（Mymrin，1987年）。对其性能的评估表明，这些路段的机械性能和耐久性显著提高，同时将道路基地的建设成本从3倍降低到25倍，这取决于炉渣和活化剂的范围。苏联陆军工兵部队经济部进行了许多民用建筑，如公路、机场、桥梁、建筑物的非官方计算表明，如果该国所有道路都按照这种方法建造，这种建造的经济效果将等于苏联的国民生产总值，并将在长期的免维护行动中远远超过它。目前，本研究与试验路段建设在哈萨克斯坦共和国进行。
本研究的目的是：1.以哈萨克斯坦天然壤土为原料，以石灰生产废料活化的铁渣为原料，采用新型路基，取代传统的两层路基（图 1），使其具有与国家建筑规范相适应的力学性能；2.研究发达材料结构形成的物理化学过程，负责这些性能的实现。
这些研究的主要新颖性是实验证明了使用良好的结合特性的地面冷却碱性亚铁渣的可能性及其碱性活化通过添加石灰；这允许用单层强化土壤取代传统的两层道路基础。这些复合材料还可用于生产砖、砌块和类似的建筑材料，提高其力学性能。铁渣在工业层面的利用应显著改善钢厂附近的环境状况。
这一研究和类似研究的相关性和紧迫性是，随着大气温度的升高，工业废物对环境的污染程度不断增加，这就造成了地球各个区域最近的环境灾难。
2 方法和材料
阿列克塞夫(2017) 巴西铁渣的初步研究（Mymrin，1987年）证实了水合渣硬化过程中的溶胶-凝胶过程。 这项研究的科学假设是检验类似过程发生的可能性，在哈萨克斯坦原料的组成和性质上有很大差异，其百分比与以前开发的有很大差异。
条件方案 |
拟议方案 |
细粒沥青混凝土 |
细粒沥青混凝土 |
粗粒沥青 |
粗粒沥青混凝土 |
天然石材（瓦砾） |
当地土壤的均匀水化混合物，石墨渣和碱渣作活化剂 |
天然砂 |
|
土壤 |
土壤 |
图 1道路基地的传统方案和拟议方案的比较
2.1 试验方法
采用各种方法对所研究的原料和开发的材料进行了表征。 采用激光分析仪、LA-950E HORIBA和筛分法测定了颗粒尺寸。 采用XRF方法，用PW2400飞利浦/分析仪对化学成分进行了研究。 用XRD方法用PW1830Philips鉴定了矿物学成分。 用SEM显微照片分析了颗粒的形态结构，采用JeolJSM-6360LV；用JeolJSM-5410LV进行了EDS分析。 用LAMMA-1000完成了同位素组成的激光微质量分析(LAMMA).. 用AAS法用PerkinElmer4100谱仪对液态酸提取物中金属的溶解和浸出进行了研究。 研究了材料的下列物理性能：轴向阻力强度(使用EMICDL-10)、线性收缩和吸水率。
试验样品的制备采用以下步骤：根据成分含量混合初始组分，水化，在4MPa下压缩2020毫米圆柱形样品，并在室外储存3、7、14、28、60、90、180、365和550天。 通常生产的测试样品量约为1200件。
2.2 试验计算
吸水率(W A )是根据哈萨克标准（ CN2574）来测量的，该标准使用以下方程式：WA=[(RSAT-RD)/RD]*100（1）其中R SAT 是浸水24h后水饱和试样的质量，RD是干燥试样在100°C干燥24h后的质量℃。
耐水系数(C WR )是在第28天运用该等式计算的：C WR =R W /R D （2）其中R W水饱和度和R24h后的轴向抗压强度R D 是干样品的轴向抗压强度。
抗冻系数(C FR )使用90天的旧测试样本计算，并附有等式：C FR =R F/ RSAT（3）其中R F是经过25次冻融循环后的轴向抗压强度，其中每次冻结发生在负25℃处为8小时；在水中解冻也需要8小时℃；R SAT水饱和24h后的抗压强度为20°-25℃。
2.2.1 原材料
GOST25100-2011 强化天然土壤(N L)是轻壤土(在哈萨克斯坦领土上最常见；它是在阿斯塔纳-帕夫洛达尔的国道上收集的。 卡拉甘达冶金公司(KMC)的转炉渣(CS)，一家股份公司“Arcelor Mittal Temirtau”，在工厂中被粉碎在颚式破碎机上，在球磨机中研磨到比表面积1.200厘米2 /g. 用实验室磁铁提取的铁的磁性分数约为炉渣重量的9.4%。 石灰生产废物(LP W)是从巴西库里提巴的一家石灰生产工厂获得的。
3 原材料定性
所研究的原材料的粒度分布、化学成分、矿物成分和形态微观结构是研究其对所开发材料性能影响的最重要因素。
3.1 原材料粒度分布
利用筛子和激光分析仪测定了所有原料的粒度分布（表1）。 对这些分析结果的比较表明，最均匀的组分是LPW，其颗粒的77.22%在0.29到0.01mm之间，其次是天然壤土，其大小为66.04%。 高炉矿渣是一种较粗的材料，因为它的绝大多数颗粒（61.39%）的尺寸为0.29-0.15毫米。
石灰生产废料的抽头密度（1.36克/cm3 )明显低于壤土（1.58克/cm3 )，而且比转炉渣低一倍多（2.75克/cm3 )。 用100度烘干法测定原料的水分值○ C作24小时。 车床和矿渣的湿度水平相当低（相应为2.10和4.35%）；LPW含有更多的湿度（9.24%）。 然而，在现实中，由于最近燃烧的石灰对水的吸收非常强烈，并迅速过渡到Ca(OH)2和Mg（OH）2<!-- 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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