CN115536350A - 一种利用多种固废协同的道路基层铺设材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用多种固废协同的道路基层铺设材料及其制备方法，涉及固废再生利用技术领域，包括如下干基质量份的组分：磷石膏100份、粉煤灰6.7份、电石渣1.39份、P·O 42.5水泥4～4.5份、碎石5～30质量份。本发明中的道路基层铺设材料所用磷石膏含量高达81～90％，能有效消耗现有磷石膏固废，得到的道路基层铺设材料便用于道路基层铺设。本发明用的磷石膏、电石渣和粉煤灰都是固体废物，充分利用三者固废自身的特性协同进行无害化，减少独自堆存对环境的污染，以废治废，变废为宝。

Description

一种利用多种固废协同的道路基层铺设材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及固废再生利用技术领域，具体涉及一种利用多种固废协同的道路基层铺设材料及其制备方法。
背景技术
磷石膏是用湿法工艺生产磷酸(P2O5)所产生的一种工业固体废弃物，其主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，还残存一些磷酸、氟化物、可溶性重金属离子、有机物和酸不溶物等杂质，整个体系呈酸性，pH在2～4左右。一般地，每生产1t磷酸产品约产生5～6t磷石膏。据中国磷复合肥工业协会统计数据显示，2019年我国磷肥总产量1610.2万t(折100％P2O5)，2020年我国磷肥总产量1589.1万t。依据以上数据保守估计我国每年产生磷石膏不少于7500万t，累计堆存量超过3亿t。目前磷石膏的综合利用率不超过20％，只有很少部分用于生产建筑材料、化工原料、土壤调理剂和矿井填充剂，其余剩余大量的磷石膏用于填埋堆存。这种处理方式不仅会占用大量土地，侵害土地的合理利用，而且磷石膏中有各种可溶性重金属离子会导致严重的生态环境污染。
电石渣是电石水解制备乙炔气产生的固体废渣。一般地，制备1t乙炔气会产生1.5～2t的电石渣。其主要成分为氢氧化钙(Ca(OH)2)，另含有一些金属氧化物、氢氧化物、磷化物和乙炔气，具有强碱性，pH高于12。目前其综合利用率也低，是作为另一种制约化工企业可持续发展的固体废物。
粉煤灰也称飞灰，是燃煤发电厂电力生产过程中产生的固体废物。我国具有丰富的煤炭资源，既是产煤大国也是耗煤大国。据近几年数据显示，我国产煤量逐年攀升，2020年我国煤产量高达39.02亿吨，而2021年则突破了40亿吨。燃煤1t大约产生0.25～0.3t的粉煤灰，目前的粉煤灰堆存量已超过数十亿吨，若不加以综合利用，也将严重制约国家的可持续性发展。
目前工业上主要采用填埋堆存的处理方式处理磷石膏、电石渣和粉煤灰，缺点是占地面积大、运营费用高且存在环境污染风险。此外，近年来的现有技术倾向于将固化剂用于磷石膏、电石渣和粉煤灰等固体废物进行固化处理。
如申请号为201510287161.8的专利申请文件提出采用8～15％的普硅水泥和含有0.05％～0.3％水硬性固化剂(内含40％～60％弹性苯丙乳液、20％～30％纳米铝溶胶、20％～30％纳米硅溶胶)处理磷石膏。申请号为202110569246.0的专利申请文件提出利用微硅粉6％、电石渣45％、聚合硅酸铝37％和氨基磺酸12％作为固化稳定剂，高岭土36％、海藻酸钠53％和乙硫氮11％作为补充剂，与磷石膏一同制备磷石膏基环保新型粉体材料。申请号为202110569246.0的专利申请文件则公开了将飞灰进行二噁英裂解后的水洗产物、粉煤灰、高岭土和硅酸盐水泥进行混合，再进行碱激发和发泡剂混合，共同制备地聚合多孔砖。
申请号为201210006623.0的专利申请文件提供了一种磷石膏电石渣体系加气混凝土及其制备方法，其组分及其组分含量按质量比为磷石膏：电石渣：P·O 42.5R水泥：粉煤灰：改性剂：发泡剂＝1:0.05～0.2:0.3～0.4:0.6～0.8:0.0005～0.001:0.01～0.03。该技术同时处理了的磷石膏、电石渣和粉煤灰，采用改性剂、发泡剂辅助。
不难看出，申请号为201510287161.8、202110569246.0、202110569246.0、201210006623.0等专利申请文件提出的磷石膏、电石渣和粉煤灰等固体废物的固化方案虽然具有一定的理论参考意义和实际试验意义，但缺点是工艺流程复杂，所加添加剂比较多，处理成本较高，鉴于其在实际施工中处理成本高、无害化处理难度大，不利于其在实际工程中的推广应用。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种利用多种固废协同的道路基层铺设材料及其使用方法，以解决现有技术在实际施工中处理成本高、无害化处理难度大的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用多种固废协同的道路基层铺设材料，包括如下干基质量份的组分：磷石膏100份、粉煤灰6.7份、电石渣1.39份、P·O 42.5水泥4～4.5份、碎石5～30质量份。
多种固废的协同无害化将添加一定量具有胶结能力的P·O 42.5水泥。水泥中含有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等具有胶结能力的矿物成分。整个体系会利用电石渣和粉煤灰的碱性性质，与磷石膏进行酸碱中和，提高混合体系的pH。水泥中的硅酸三钙等成分遇水后形成硅酸钙凝胶，可胶结磷石膏颗粒，使松散的颗粒直接形成板体性材料，磷石膏、电石渣和粉煤灰中的杂质及重金属离子等也将固结在里面。同时，粉煤灰中因含有活性氧化铝和活性氧化硅，在氢氧化钙的碱性条件下会产生“火山灰”反应，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙等具有水硬性的物质，并在磷石膏的硫酸根环境中加速混合体系形成钙钒石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，使得磷石膏(占主要体积)基混合料在养护7d后具有一定的无侧限抗压强度，添加一定比例的碎石后，其胶结性能更佳，力学强度也有较大提升。试验制备的砌块经过《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ 557—2010)测试后，发现最佳试验方法可促使有害重金属离子(As、Cd、Cr、Cu、Zn)及非金属离子(氟离子及磷酸根)都能满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的三类水标准。因此，以上多种固废协同无害化处理后具有可应用于道路基层铺设的潜力。
作为优选地，还包括2个干基质量份的硅酸钠，有助于无侧限抗压强度的提升。
作为优选地，所述磷石膏的主要成分为二水硫酸钙，呈强酸性，含水率为10％～15％，粒径≤0.3mm。
作为优选地，所述粉煤灰的主要成分氧化铝和二氧化硅，呈现弱碱性，含水率≤1％，粒径≤0.2mm。
作为优选地，所述电石渣主要成分为氢氧化钙，呈强碱性，固含量大于70％，含水率20％～30％，粒径≤0.3mm。
作为优选地，所述碎石的粒径为1～20mm。
上述任意一项所述的利用多种固废协同的道路基层铺设材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将磷石膏先在105℃的烘箱中烘干至恒重；
(2)将粉煤灰、电石渣与磷石膏按照配比进行均匀混合；
(3)将步骤(2)中的混合料放入球磨机中进行研磨15～30min，然后陈化6～12h；
(4)将步骤(3)中球磨好的细粒混合料用50～100目筛网进行筛分，去除粗粒料等杂质，保存粒径为0.15～0.3mm的磷石膏基混合料，备用；
(5)按照固液比＝1：12.5～25用水溶解搅拌P·O 42.5水泥，制成水泥溶液；
(6)先将水泥溶液倒入磷石膏基混合料，同时添加碎石，再继续添加去离子水至符合固液比＝1：0.34～0.38的要求，搅拌均匀，使混合料目测有一定的拌合稠度，搅拌好的混合料即为道路基层铺设材料。
综上所述，相比于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明中的道路基层铺设材料所用磷石膏含量高，可达81～90％，能有效消耗现有磷石膏固废。按照特定的粉煤灰、电石渣、磷石膏配比进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化获得酸碱中和后的50～100目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：12.5～25用去离子水溶解搅拌P·O 42.5水泥获得水泥溶液；按照固液比＝1：0.34～0.38将水泥溶液倒入磷石膏基混合料，同时添加碎石，再继续添加去离子水至以上固液比要求，得到的道路基层铺设材料便用于道路基层铺设。
2、本发明用的磷石膏、电石渣和粉煤灰都是固体废物，充分利用三者固废自身的特性共同无害化，减少独自堆存对环境的污染，以废治废，变废为宝。
3、本发明添加剂使用量少，制备成本低；
4、本发明提供的处理方法操作方便，工艺流程简单，无害化程度高，原料成本低。作为基层铺设材料，7d无侧限抗压强度最高可达7.17MPa，完全满足《公路路面基层施工技术细则》(JTGTF20-2015)中对二级及二级以下公路(中、轻交通)基层铺设后的强度要求(2～4MPa)。
附图说明
图1是实施例1的道路基层铺设材料工艺流程图，其中，配料为磷石膏；固化剂1为电石渣和粉煤灰；固化剂2为P·O 42.5水泥。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及各实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明利用多种固废协同的道路基层铺设材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将磷石膏先在105℃的烘箱中烘干至恒重；
(2)将粉煤灰、电石渣与磷石膏按照配比进行均匀混合；
(3)将步骤(2)中的混合料放入球磨机中进行研磨15～30min，然后陈化6～12h；
(4)将步骤(3)中球磨好的细粒混合料用50～100目筛网进行筛分，去除粗粒料等杂质，保存粒径为0.15～0.3mm的磷石膏基混合料，备用；
(5)按照固液比＝1：12.5～25用水溶解搅拌P·O 42.5水泥，制成水泥溶液；
(6)先将水泥溶液倒入磷石膏基混合料(如添加硅酸钠，可在加入水泥溶液后添加)，同时添加碎石，再继续添加去离子水至符合固液比＝1：0.34～0.38的要求，搅拌均匀，使混合料目测有一定的拌合稠度，搅拌好的混合料即为道路基层铺设材料。
(7)本发明对道路基层铺设材料的性能检测，利用步骤(6)所得道路基层铺设材料进行室内检测，用模具压实成型，制成50mm×50mm(直径×高)砌块，养护7d，检测其无侧限抗压强度，水稳性强度，干湿循环强度。具体内容可参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG-E51-2009)和《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)。
其中，水稳性试验步骤则是在步骤(7)中制成的砌块自然养护6天后，第7天开始进行水浸试验，第7天结束后一同和步骤(7)中制成的砌块进行无侧限抗压强度试验。干湿循环试验是步骤(7)中制成的砌块自然养护3天后，第4天开始进行水浸试验，水浸12h，50℃烘干12h，循环4次。
以下各实施例使用的原料情况如表1所示：
表1各原料组成情况表
Figure BDA0003857816400000041
Figure BDA0003857816400000051
实施例1
如图1所示，为本实施例制备道路基层铺设材料的工艺流程示意图，具体步骤如下：
按照粉煤灰：电石渣：磷石膏＝6.7：1.39：100(干基质量比)进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化6h获得酸碱中和后的50目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：12.5用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；先将水泥溶液倒入磷石膏基混合料，不添加碎石，添加去离子水至固液比＝1：0.34要求，得到所述磷石膏基综合稳定材料。
测试所述磷石膏基综合稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度3.64MPa，水稳性强度2.78MPa，干湿循环稳定强度2.77MPa。
实施例2
本实施例道路基层铺设材料的制备过程具体步骤如下：
按照粉煤灰：电石渣：磷石膏＝6.7：1.39：100(干基质量比)进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化6h获得酸碱中和后的50目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：13用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；先将水泥溶液倒入磷石膏基混合料，同时添加5％的1～4mm粒径碎石，再继续添加去离子水至固液比＝1：0.35要求，得到所述磷石膏基综合稳定材料。
测试所述磷石膏基综合稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度5.99MPa，水稳性强度4.00MPa，干湿循环稳定强度4.86MPa。
实施例3
本实施例道路基层铺设材料的制备过程具体步骤如下：
按照粉煤灰：电石渣：磷石膏＝6.7：1.39：100(干基质量比)进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化6h获得酸碱中和后的50目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：14.5用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；先将水泥溶液倒入磷石膏基混合料，同时添加10％的1～4mm粒径碎石，再继续添加去离子水至固液比＝1：0.36要求，得到所述磷石膏基综合稳定材料。
测试所述磷石膏基综合稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度6.51MPa，水稳性强度3.33MPa，干湿循环稳定强度4.77MPa。
实施例4
本实施例道路基层铺设材料的制备过程具体步骤如下：
按照粉煤灰：电石渣：磷石膏＝6.7：1.39：100(干基质量比)进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化6h获得酸碱中和后的50目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：16用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；先将水泥溶液倒入磷石膏基混合料，同时添加5％的8～20mm粒径碎石，再继续添加去离子水至固液比＝1：0.37要求，得到所述磷石膏基综合稳定材料。
测试所述磷石膏基综合稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度6.87MPa，水稳性强度3.93MPa，干湿循环稳定强度7.59MPa。
实施例5
本实施例道路基层铺设材料的制备过程具体步骤如下：
按照粉煤灰：电石渣：磷石膏＝6.7：1.39：100(干基质量比)进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化6h获得酸碱中和后的100目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：20用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；先将水泥溶液倒入磷石膏基混合料，同时添加10％的8～20mm粒径碎石，再继续添加去离子水至固液比＝1：0.36要求，得到所述磷石膏基综合稳定材料。
测试所述磷石膏基综合稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度7.17MPa，水稳性强度3.20MPa，干湿循环稳定强度7.00MPa。
实施例6
本实施例道路基层铺设材料的制备过程具体步骤如下：
按照粉煤灰：电石渣：磷石膏＝6.7：1.39：100(干基质量比)进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化6h获得酸碱中和后的50目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：12.5用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；将水泥溶液倒入磷石膏基混合料；同时添加5％的1～4mm粒径碎石，按照固液比＝1：5.0用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量2％的硅酸钠，将硅酸钠溶液也倒入磷石膏基混合料，再继续添加去离子水至固液比＝1：0.34要求，得到所述磷石膏基综合稳定材料。
测试所述磷石膏基综合稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度6.43MPa，水稳性强度3.67MPa，干湿循环稳定强度5.60MPa。
对比例1
本对比例的制备过程具体步骤如下：
取磷石膏，球磨，筛分，并陈化6h获得50目磷石膏细料；按照固液比＝1：0.34将去离子水倒入磷石膏细料，搅拌均匀，得到所述磷石膏基稳定材料。
测试所述磷石膏基稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度0.508MPa，水稳性强度0MPa，干湿循环稳定强度无法检测，试块遇水后直接分解崩塌，分解成稀泥。
对比例2
本对比例的制备过程具体步骤如下：
称取磷石膏，球磨，筛分，并陈化6h获得100目磷石膏细料；按照固液比＝1：20用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4.5％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；先将已配置好的水泥溶液倒入磷石膏细料，再继续添加去离子水至固液比＝1：0.36要求，得到所述磷石膏基水泥稳定材料。
测试所述磷石膏基水泥稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度2.37MPa，水稳性强度1.74MPa，干湿循环稳定强度未能检测。
对比例3
本对比例的制备过程具体步骤如下：
按照粉煤灰：生石灰：磷石膏＝3.058：1.39：100(干基质量比)进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化6h获得酸碱中和后的50目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：12.5用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；将水泥溶液倒入磷石膏基混合料；按照固液比＝1:50添加聚甲基氢硅氧烷：硅酸钠：十二烷基硫酸钠＝1.18：0.255：0.039于去离子水中，50℃加热溶解搅拌，将混合溶液也倒入磷石膏基混合料，再继续添加去离子水至总固液比＝1：0.34要求，得到所述磷石膏基综合稳定材料。
测试所述磷石膏基综合稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度2.30MPa，水稳性强度1.75MPa，干湿循环稳定强度未能检测。
对比例4
本对比例的制备过程具体步骤如下：
按照粉煤灰：生石灰：磷石膏＝3.058：1.39：100(干基质量比)进行均匀混合，球磨，筛分，并陈化6h获得酸碱中和后的50目无害化磷石膏基混合料；按照固液比＝1：12.5用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量4％的P·O 42.5水泥获得水泥溶液；将水泥溶液倒入磷石膏基混合料；不添加聚甲基氢硅氧烷和十二烷基硫酸钠，按照固液比＝1：5.0用去离子水溶解搅拌占磷石膏质量0.255硅酸钠于去离子水中，将硅酸钠溶液也倒入磷石膏基混合料，再继续添加去离子水至总固液比＝1：0.34要求，得到所述磷石膏基综合稳定材料。
测试所述磷石膏基综合稳定材料的物理性能为：7d无侧限抗压强度4.19MPa，水稳性强度2.41MPa，干湿循环稳定强度未能检测。
将对比例1与对比例2～3及实施例1～5进行对比，单独的磷石膏难以达到有效的水稳性，遇水直接崩坏，而加了固化剂(电石渣、粉煤灰、水泥)的试块则遇水不崩，说明固化剂的加入有利于提高磷石膏的水稳性，能达到一定的无侧限抗压强度要求。
将对比例3与对比例2和对比例4进行对比，发现添加防水剂聚甲基氢硅氧烷和乳化剂十二烷基硫酸钠对试块无侧限抗压强度提升没什么帮助，反而一定程度上会增加固体废物的处理成本。
将实例1与实施例2～5进行对比，发现添加碎石有助于试块无侧限抗压强度的提升。同时，添加较大粒径的碎石试块所对应的无侧限抗压强度更高。
将实施例6和实施例2进行对比，添加一定比例的硅酸钠将有助于无侧限抗压强度以及干湿循环稳定强度的提升。
对实施例1～6和对比例1～4制备的磷石膏基综合稳定材料进行物料检测，其结果分别如表2、表3所示：
表2实施例1～6制备的磷石膏基综合稳定材料检测结果表
Figure BDA0003857816400000081
表3对比例1～4制备的磷石膏基综合稳定材料检测结果表
Figure BDA0003857816400000082
Figure BDA0003857816400000091
从表2可以看出，通过磷石膏、电石渣和粉煤灰协同无害化处理后，其无侧限抗压强度完全满足水泥稳定材料用于道路基层材料铺设的《公路路面基层施工技术细则》(JTG-TF20-2015)标准的要求。浸出液pH值在7～9之间，符合各标准和规范的要求。同时，浸出砌块的有害成分测定表明可满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3—2007)中的限值要求。实施例2中的方法更是完全满足有害成分在《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的III类水限值要求。由此可见，此处理方法不仅可以同时处理三种固体废物，且方法简单，成本低廉，经济效益高。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用多种固废协同的道路基层铺设材料，其特征在于，包括如下干基质量份的组分：磷石膏100份、粉煤灰6.7份、电石渣1.39份、P·O 42.5水泥4～4.5份、碎石5～30质量份。
2.如权利要求1所述的利用多种固废协同的道路基层铺设材料，其特征在于，还包括0.255～2个干基质量份的硅酸钠。
3.如权利要求1所述的利用多种固废协同的道路基层铺设材料，其特征在于，所述磷石膏的主要成分为二水硫酸钙，呈强酸性，含水率为10％～15％，粒径≤0.3mm。
4.如权利要求1所述的利用多种固废协同的道路基层铺设材料，其特征在于，所述粉煤灰的主要成分氧化铝和二氧化硅，呈现弱碱性，含水率≤1％，粒径≤0.2mm。
5.如权利要求1所述的利用多种固废协同的道路基层铺设材料，其特征在于，所述电石渣主要成分为氢氧化钙，呈强碱性，固含量大于70％，含水率20％～30％，粒径≤0.3mm。
6.如权利要求1所述的利用多种固废协同的道路基层铺设材料，其特征在于，所述碎石的粒径为1～20mm。
7.如权利要求1～6任意一项所述的利用多种固废协同的道路基层铺设材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将磷石膏先在105℃的烘箱中烘干至恒重；
(2)将粉煤灰、电石渣与磷石膏按照配比进行均匀混合；
(3)将步骤(2)中的混合料放入球磨机中进行研磨15～30min，然后陈化6～12h；
(4)将步骤(3)中球磨好的细粒混合料用50～100目筛网进行筛分，去除粗粒料等杂质，保存粒径为0.15～0.3mm的磷石膏基混合料，备用；
(5)按照固液比＝1：12.5～25用水溶解搅拌P·O 42.5水泥，制成水泥溶液；
(6)先将水泥溶液倒入磷石膏基混合料，同时添加碎石，再继续添加去离子水至符合固液比＝1：0.34～0.38的要求，搅拌均匀，使混合料目测有一定的拌合稠度，搅拌好的混合料即为道路基层铺设材料。
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