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土木工程施工领域铁尾砂回收的分析研究

时间:2020-12-01 22:57 | 栏目:土木工程 | 浏览:

硕士论文网第2020-12-01期,本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇土木工程文章《土木工程施工领域铁尾砂回收的分析研究》,供大家在写论文时进行参考。
  本篇论文是一篇土木工程硕士论文,对铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用的技术可行性进行了分析。通过针对铁尾矿砂的基本性能分析和工程应用分析,证明了铁尾矿砂在土木工程建造领域的再生利用中具有技术可行性。针对铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用的环保性和经济性进行了定量化研究,进一步分析铁尾矿砂土木工程建造领域再生利用技术的适用性,并为铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用技术推广实施揭示了这两方面的工作要点。

  1  绪论

  1.1   研究背景、目的及意义
  建筑材料生产过程中消耗了数量巨大的能源。据世界观察研究所估计,每年全球建筑材料的生产约需数以十亿吨计的原材料,仅建筑材料生产过程中产生的能耗大约占全球总能耗的 46.7%。据欧洲建筑师协会估计,全球建筑相关产业造成 50%的空气污染、42%的温室气体、50%的水污染、48%的固体废弃物和 50%的氟氯化合物。所以,合理审慎使用建筑材料,寻求能够大幅度提高其生产中能源利用效率的方法,很大程度上缓解能源约束,减轻生态环境压力,为经济社会可持续发展提供保障已经成为当前社会对建设行业最为迫切的要求。矿产资源是重要的自然资源,具有非可再生性。它是人类社会生产发展不可或缺的物质基础,通常分为三大类:金属矿、非金属矿和能源矿。作为金属矿的铁尾矿是选矿厂在特定经济技术条件下,将铁矿石磨细、选取“有用组分”后所排放的废弃物,其中含有一定数量的有用金属和矿物,具有粒度细、数量大、成本低、可利用性差的特点,一般采用填埋处理,不仅占用大量土地,而且它的随意排放是造成环境污染的重要原因,也是资源损失常见的途径。同时,随着矿石资源的大量开采利用,矿石资源面临日益短缺、甚至枯竭的局面,因此铁尾矿作为二次资源再利用已被世界人民的关注和重视。据不完全统计显示,我国现有8000 多个国营矿山和 11 万多个乡镇集体矿山,因受选矿技术水平以及生产设备的制约,矿业生产的尾矿已达到 100 亿吨以上,并呈逐年增加的趋势,年排出尾矿量高达 5 亿吨以上,其中黑色冶金矿山年排放尾矿量达 1.5 亿吨,堆存的尾矿量近 50 亿吨,其中铁尾矿量高达十几亿吨,占全部尾矿堆存总量的近 1/3。而我国目前尾矿的综合利用率仅为 7%。随着开采矿数目和产量的猛增,铁尾矿的排出量也在急剧增加。由于铁尾矿具有颗粒细、表面积大、质量轻、能随水流、随风飘的特点,所以铁尾矿如若不及时处理会带来以下主要危害(如图 1.1 所示):
尾矿坝
  1)  大量尾矿长期堆放,形成潜在的地质灾害源,威胁人们财产和生命安全;  2)  受经济条件、技术水平、市场需求和设备性能等因素的限制,造成矿产资源的浪费;3)  易形成沙尘暴,对所在地区的生态环境影响严重;4)  耕地被占用,人多地少的矛盾越来越突出;5)  尾矿随意排放到江海湖或草原沙漠,导致环境污染;6)  影响自然景观和旅游资源,在很大程度上抑制地方经济发展。因此,铁尾矿砂的再生利用问题已受到社会的普遍关注。正视铁尾矿资源的现实存在,积极拓展资源综合利用途径,对提高经济发展效益,改善生态环境,维系社会健康发展有着十分重要的意义。铁尾矿在建筑工程领域再生利用中,缺乏相应的技术引导,有必要形成崭新的铁尾矿再生利用技术的研究路线,以促进铁尾矿在建筑工程领域中的再生利用。本课题预期达到如下目的:1)  通过调查研究,分析我国铁尾矿在建筑工程领域再生利用中的现状及存在的问题,并利用相关的基本理论找出相应的解决办法;2)  分析尾矿代砂后建筑材料组成、结构与性能之间的关系,研究尾矿代砂产品的物理和力学性能,提出尾矿代砂的技术途径,为大量采用尾矿砂的建筑砂浆产品提供技术支持和保证。3)  分别对铁尾矿在建筑工程领域中再生利用的技术可行性、经济属性及环保属性进行研究,并对其进行利用效果和适用性的评价;4)  建立铁尾矿建筑工程领域再生利用的评价指标体系,对技术本身三大属性、技术应用现状等方面作出定量评价;5)  初步提出铁尾矿建筑工程领域再生利用相关政策建议,推动建筑工程领域的可持续发展。
  1.2   研究边界及内容
  铁尾矿建筑工程领域中再生利用研究涉及方面很多,本研究无法处处尽到,特将研究边界限定如下:(1)  研究仅限于建筑领域。虽然研究对象是指在建筑领域范围内用做建筑材料被再生利用,但是是在根据大量的成分与性质分析、实验研究以及技术可行性分析的前提下,发现其矿物成分和性能与建筑材料相似,才被大量替代运用,而铁尾矿在其他如有价元素的综合回收、复垦植被、土壤改良剂及用做微量元素肥
料、矿山采空区填料、整体综合利用、污水处理等领域都是和在建筑领域运用类似的原理而被再利用。所以当在对其他领域再利用进行深入研究时,可适当借鉴本研究的研究成果。(2)  研究对象主要以铁尾矿替代细骨料为主。虽然研究对象在建筑领域中可代替多种建筑材料,如混凝土骨料、水泥掺料,也可参与制作微晶玻璃、制砖及制备轻质隔热保温建筑材料等,但由于实际中铁尾矿替代细骨料制备砂浆或混凝土的应用前景较好,不仅可以解决铁尾矿问题,而且有利于缓解细骨料开采用对环境的破坏问题,因此本研究暂未将其它替代建筑材料列入研究对象的范围之内,拟在今后的研究中进行针对性的专项研究。(3)  铁尾矿砂在土木工程建造领域中的再生利用适用性评定准则仅包括技术性、经济性和环保性等三方面。除上述三个准则之外,适用技术的确定尚应包括社会性准则,但是由于社会性准则涉及的不确定性因素很多,难以实现定量化研究,因此暂不考虑社会性准则。从我国铁尾矿资源再生利用实际现状出发,立足于可持续发展角度,以寻求铁尾矿资源综合利用的有效途径,论文在对大量有关研究文献分析汇总的基础上,结合实地考察与调研,分析铁尾矿砂再生利用中存在问题及产生的主要原因,展开对铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用的技术可行性、经济性、环保性、适用性以及推广应用等进行系列分析研究,研究的主要内容包括以下几方面:(1)  实地调查研究我国主要金属尾矿排放情况及利用现状。通过合理的取样及运用相关的分析手段,初步完成主要尾矿资源的成分和性质分析以及基本状态分析,并进行分类比较和统计处理,建立尾矿资源化利用的基础资料,最终掌握和确定用于铁尾矿再生利用技术的材料特性;(2)  以铁尾矿代替传统细骨料,制备铁尾矿砂浆为切入点,研究铁尾矿砂土木工程建造领域再生利用技术的适用性评价。研究工作主要包括:研究尾矿代砂后,颗粒细度、级配和掺量对普通建筑砂浆相关物理力学性能指标,如保水性、稠度、抗压强度、弹性模量、粘接强度、体积稳定性、抗冻性、耐酸碱性等指标的影响,掌握相关产品的最佳配比及参数;研究尾矿代砂后与水泥,尤其是化学外加剂之间适应性;研究尾矿代砂后,建筑砂浆长期性和耐久性能,如冻融循环、抗渗性、Cl-离子渗透性能等变化规律及工程应用性能试验。通过上述试验研究,阐明建筑尾矿砂浆的基本使用特点和主要应用方向,提出在建筑领域大规模使用铁尾矿的技术路线;(3)  根据通过试验研究所得的结果以及对铁尾矿在建筑领域中再生利用的技术属性、经济属性和环保属性的分析研究分章节进行阐述;并研究评价指标体系现状及存在的问题,确定其设计原则,建立评价指标体系,利用物元可拓模型和CCM 法对铁尾矿砂在土木工程建造领域再生利用效果和技术的适用性进行评价;(4)通过总结铁尾矿砂再生利用技术在推广及实施方面存在的不足,遵循再生利用技术推广工作的指导思想与基本原则,进行博弈分析,最终提出铁尾矿砂在土木工程建造领域再生利用推广工作的政策建议。

  2   调查研究及相关基本理论 

  本章首先介绍了与本课题有关的调查研究,然后对论文中用到的相关理论做了简单研究,包括技术集成理论和适用技术理论。
  2.1   调查研究
  矿产资源是一种具有利用巨大利用价值的的稀缺自然资源,它的开发与使用是维系人类社会生存和发展所不可缺少的。我国目前已探明的矿产资源储量总值在全世界排在第 3 位,但缺点是人均占有量不足,仅为世界平均水平的 1/2 左右。铁矿资源是一种重要的非再生性自然资源,是钢铁工业的主要原料。有记载称,全球铁矿资源储量大约在 8 000~15 000 亿吨,能充分满足人类生存发展的需要。在上个世纪里研究人员发现并探明前寒武纪的沉积变质为铁矿,约占世界铁矿总储量的 90%,其中富铁矿就占 70%以上,其最为铁矿勘查工作的重大成就,也具有十分重要的经济意义。进入 21 世纪,仅 2002 年,世界年产粗钢 9 亿吨,铁矿石 11.29 亿吨;世界矿产资源年评称 2003 年间探明铁矿金属储量 700 亿吨,其中中国有 70 亿吨,其世界储量基础为 3300 亿吨,中国为 460 亿吨。近年来,伴随着我国经济的迅猛发展及工业化、城镇化进程的不断加快,使得资源消耗量在工业领域也随之进一步加大,资源的开采和利用必将带来一系列的环境问题,同时由于过度依赖资源进口而引起的资源供应安全性问题也日渐突出,很多矿产资源甚至面临枯竭的局面,工业的发展将面临严峻的资源和环境问题的挑战,从而制约其发展,所以提高资源的综合循环利用水平这一问题迫在眉睫,而铁矿的开采利用而产生的铁尾矿的随意排放不但是造成环境污染的重要原因,也是资源损失常见的途径之一。铁尾矿是指选矿厂在特定的经济技术和合理工艺的条件下,用破碎机和磨粉机将矿石磨细并选取“有用组分”后所排放的废弃物,即铁矿经选出精矿后剩余的固体废弃物。它是一种复合矿物原料,其中含有少量的有用金属组分外,还含有一定数量的矿物组分,如石英、辉石、长石、角闪石及其蚀变矿物等脉石矿物。我国铁矿资源嵌布粒度相对较细,一般需要经过破碎机和磨粉机二段磨矿,少数还要进行三段磨矿及选别,所以除了预先选出并抛出部分粗粒尾矿外,剩下大部分选矿的排出和堆存的尾矿粒度较细,其粒度一般在<0.074mm,约占 50%-70%。铁尾矿作为一种排放量巨大的工业废渣,由于自身具有粒度细、粒度的差异性较大、数量大、成本低、可利用性差的特点,且附加值较低,使得尾矿的综合利用存在较大难度。所以铁尾矿的随意排放在国内外已引发严重的环境问题,成为制约地方经济发展,破坏人类生存环境的重要因素。据不完全统计,全世界尾矿及废石的年排出量在 100 亿吨以上,我国近 12万座矿山年排出尾矿量高达 5 亿吨以上,堆存的尾矿量近 50 亿吨,其中铁尾矿量高达十几亿吨,占尾矿堆存总量的近 1/3。目前,我国大宗工业固体废弃物综合利用率在 60%左右,而金属尾矿综合利用率却只有 7%,与粉煤灰、煤矸石等工业固体废弃物相比之下,铁尾矿的综合利用技术不但难度更大而且进度也大大滞后于其它工业固体废弃物,目前其已成为我国目前产出量最大、综合利用率最低的大宗工业固体废弃物。
  2.2   相关理论
  人类需求的多样化导致单个技术往往无法实现技术目的,技术集成理论由此应运而生。技术集成是按照一定的技术原理或功能目的,将两个或两个以上的单项技术通过重组而获得具有统一整体功能的新技术的一种技术管理和生产组织方式。Marco Iansiti  认为,技术集成是对那些在研究阶段开发出,在开发阶段中采用的一系列技术的评价和研究过程,被视作是一种相对而言更有效的创新管理方法和规程  。技术集成主要包括技术主线和管理主线两条研究主线:1)  技术主线,是对现有技术的整合过程,是从技术路线的角度分析技术集成;2)  管理主线,即把技术集成看作是一种技术管理和生产组织方式,通过研究管理变革以达到适应和促进集成开发方式的目的。(2)建筑节能技术集成的实现途径,建筑节能技术集成的研究主要涉及要素组成、结构关系和系统功能性等三个方面:从建筑节能技术集成的组成要素来看,建筑节能技术系统除了与建筑节能相关的设计、物理、构造、设备、施工等技术要素之外,还包括建筑节能标准研发体系法律、法规保障政策激励市场监管以及教育推广等管理层次要素。从结构关系来看,系统组成部分之间、组成部分与系统之间、组成部分内在各子要素之间都存在着相互联系和相互制约的关系。因此,构建不同的系统结构会产生不同的整体效能,合理的系统结构会使系统的总体效能优于各组成部分单个效能的累加。从系统功能性来看,系统在不牺牲基本追求的前提下降低能耗。建筑节能技术集成的实现途径主要包括要素集成途径、结构集成途径、技术层次与管理层次之间的集成、功能性集成途径和优化系统外部的生态环境等。

  3   铁尾矿砂再生利用的技术可行性分析研究 

  3.1   铁尾矿的成分与性质
  3.2   铁尾矿的稳定性分析 
  3.3   铁尾矿物理性能分析 
  3.4   铁尾矿砂浆试验研究 
  3.5   铁尾矿砂浆的工程应用特性研究 
  3.6   本章小结 

  4  铁尾矿砂再生利用的环保性与经济性分析研究

  4.1   铁尾矿砂再生利用的环保性和经济性分析的必要性 
  4.2   铁尾矿砂再生利用的环保性分析 
  4.3   铁尾矿砂再生利用的经济性分析 
  4.4   铁尾矿砂再生利用的环境经济效益分析
  4.5   本章小结

   5   铁尾矿砂再生利用的适用性评价研究 

   5.1   评价指标体系研究现状及存在的问题
   5.2   评价指标体系设计原则
  5.3   评价指标体系的建立
  5.4   评价指标权重的计算
  5.5   基于可拓物元模型的铁尾矿砂再生利用效果评价
  5.6   基于 CCM 法的铁尾矿砂再生利用的适用性评价 
  5.7   本章小结

  6   铁尾矿砂再生利用技术推广的分析研究 

  6.1   铁尾矿砂再生利用技术推广工作的指导思想和基本原则
  6.2   铁尾矿砂再生利用参与各方间的博弈分析
  6.3   铁尾矿再生利用技术推广的保障措施
  6.4   本章小结 

  7   结论和展望

  本研究通过对铁尾矿砂土木工程建造领域中再生利用技术的研究,运用相关评价模型对现阶段铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用技术进行了包括技术属性、经济属性和环境属性在内的三大属性研究并对其进行定量评价,将指标数值通过 AHP-RS 法进行处理,再利用物元可拓模型与 CCM 模型建立铁尾矿砂土木工程建造领域再生利用效果和适用性评价指标体系,对铁尾矿砂土木工程建造领域再生利用效果和适用性进行评价,并在此基础上提出了该技术在推广实施过程中的政策建议。研究的主要结论有以下几点:(1)针对我国铁尾矿利用现状,探讨铁尾矿再生利用技术存在的一些问题,并论证了在商品混凝土中应用铁尾矿进行细骨料替代的可能性。研究中,采用实地调研和查阅文献资料相结合的方式对我国铁尾矿再生利用现状进行了调研,掌握了国内主要金属矿区内尾矿排放现状,指出了国内铁尾矿再生利用的存在误区。(2)参照我国铁尾矿利用现状的调查研究,试验分析了当前条件下,铁尾矿替代建筑用细骨料的可能性。提出铁尾矿代砂制备各类建筑砂浆的技术路线。通过大量试验,充分论证了铁尾矿砂在建筑领域中再生利用的技术可行性。(3)利用动态适用性效益分析与排碳系数理论,构建减排价值评估因子体系对铁尾矿砂在土木工程建造领域再生利用的经济性和环保性进行了量化研究。(4)铁尾矿砂在土木工程建造领域再生利用技术的经济性和环保性受外部环境影响很大,不同地区应密切结合本地区特点进行技术选用。(5)分别建立了铁尾矿砂再生利用可拓物元效果评价模型和基于 CCM 法的铁尾矿砂再生利用技术的适用性评价模型,对铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用效果与适用性进行更加准确地评价。(6)根据博弈论对我国的铁尾矿建筑再生利用推广工作进行了政策性建议,提出了政府在推广铁尾矿代砂制备各类建筑砂浆技术所应当采取的必要保证措施。鉴于本研究中的不足,提出未来的研究中应重点解决的问题。(1)我国各地的情况相差很大,应在全国范围内选取更多地区进行调查研究,找出铁尾矿砂土木工程建造领域再生利用技术在不同地区推广应用的共性与差异,并针对不同地区的特点进行该技术适用性的评价。 (2)进行铁尾矿砂土木工程建造领域再生利用技术的经济性评价与环保性评价时,应更加注重全寿命的概念。 (3)  再生利用效果评价指标并未达到完整地评价铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用效果和适用性的目标,需要在此基础之上进行进一步研究以确定指标间的协同关系;本研究尚处于静态阶段,有必要将铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用的全过程划分为原材料收集、处理、再加工利用、销售运输等几个阶段,动态的研究各阶段对铁尾矿砂在土木工程建造领域中再生利用可持续发展性的影响作用。 (4)在市场现有的制度框架下,进一步探讨研究适合我国建筑业特点的制度运行机制。 

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