CN101486538A - 自水化激活型路面基层 - Google Patents

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Abstract

本发明用钢渣、矿渣或电厂炉渣作为自水化激活型路面基层的原料，通过各废弃物间的相应嵌锁作用和钢渣自身的水化活性，激活矿渣的潜在水化活性或电厂炉渣的火山灰活性，形成水化C－S－H、C－S－A－H或C－S－A－F－H、钙矾石及氢氧化钙水化产物，构成路面基层初期强度，并保证后期强度的持续增长；按重量份计，各原料的配比为钢渣40～65份，矿渣和/或电厂炉渣35～60份。该路面基层为性能优良的无水泥基层，其制备方法是：将上述原料拌和后运输至施工现场，经摊铺、碾压和保湿养护至规定龄期即可。本发明使用工业废弃物，可节省土地和资源，降低成本，利于环境保护，施工简单，适合于一般道路和高等级公路基层和底基层的修筑。

Description

自水化激活型路面基层
技术领域
本发明涉及自水化激活型路面基层，特别是一种无水泥钢渣-电厂炉渣-矿渣体系的自水化激活型路面基层。所谓自水化激活型路面基层指的是在整个基层体系中，采用的原材料均为工业固体废弃物，不外掺水泥，通过工业固体废弃物自身部分组分的微弱水化，形成碱性环境，来激活其它具有潜在水化活性或火山灰活性的工业固体废弃物组分的活性，即通过体系自身的水化产物来激活体系整体的活性，通过各组分间相互反应，形成水化C-S-H、C-S-A-H或C-S-A-F-H、钙矾石及氢氧化钙等反应产物，进而构成基层强度，并保证后期强度的持续增长。
背景技术
随着我国经济的持续快速增长，工业固体废弃物的排放量也同步增长。尽管目前工业固体废弃物的利用呈稳步增长趋势，但利用率依旧很低，且主要集中在几种能大量在建筑材料领域直接利用的工业固体废弃物上，如粒化高炉矿渣、干排粉煤灰等，大多数工业固体废弃物目前的利用率还很低。如钢渣，其在路面中的研究应用虽有报道，但大多也仅简单地作为一种集料应用于路面基层中，并未充分利用其自身的水化活性。因此，开发钢渣和电厂炉渣作路面基层材料，对提高工业固体废弃物利用率、循环利用技术水平以及改善生态环境具有十分重大的实用价值。
对于钢渣，其在路面基层材料中的应用主要有三类：
1.钢渣代替砾石、碎石集料，用于二灰稳定类基层。西安公路学院和西安市政研究院，利用陕西钢厂的电炉钢渣，与石灰、粉煤灰按比例(钢渣掺量75％)混合形成二灰钢渣混合料做路面基层材料。研究表明该二灰钢渣混合料路用性能优于二灰砾石和二灰碎石。二灰钢渣混合料配合比比例，二灰用量为20％、石灰4～5％、粉煤灰15～16％、集料80％，按此种比例配制的混合料，既具有一定数量的支撑骨架(达60％以上)，又具有结合料密实填充裹覆的特点。
2.用水泥或石灰对其进行稳定，制备出类似于水泥稳定或石灰稳定粒料的路面基层。该类型基层在武汉钢铁(集团)公司和首都钢铁公司进行过一些研究和应用，武汉理工大学也对钢渣碎石复合路面基层材料路用性能进行过研究。研究表明，当用粉煤灰直接稳定钢渣碎石时，最佳配比为粉煤灰：钢渣碎石复合集料＝20：80；当用水泥粉煤灰稳定钢渣碎石时，最佳配比为水泥：粉煤灰：钢渣碎石复合集料＝4：10：90。
3.钢渣级配型、嵌锁型基层：将具有一定级配的钢渣代替碎石，构成类似级配碎石型的柔性基层，由于我国以半刚性基层为主流，这种基层的研究与应用很少。
虽然钢渣路面基层材料已有所应用，但其在使用中还存在一些问题，主要表征在以下三个方面：
1)钢渣的安定性不良：钢渣在实际应用中有一个最大的问题，是钢渣体积安定性问题。如果钢渣一旦没有很好的组合使用，其自身的缓慢膨胀将导致基层的开裂及其基层的破坏。因此，如何控制钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁含量，或者如何有效利用钢渣的微膨胀性，减少基层的开裂是使钢渣得以真正大面积使用的关键问题。
2)钢渣的密度过大：钢渣的密度为3.4g/cm3左右，是普通石料的1.2～1.4倍。钢渣用于道路工程中，其运输、搅拌、摊铺时的能耗要增加10％左右。另外，由于钢渣的密度较大，在地基承载力不足的软土地区不宜使用。
3)钢渣微弱水化活性的有效发挥：目前钢渣在路面基层中的应用研究中没有充分利用钢渣的活性，并大部分都简单的把钢渣当成了一种集料用于路面基层中。其实钢渣有微弱的水硬性，其细颗粒(粉料)可以起到一定的胶凝作用，形成碱性水化环境，从而可激活矿渣微粉的潜在水化活性及电厂炉渣的火山灰活性，且钢渣粗颗粒表面的水化，可增加集料和基质的胶凝效果，进而可提高基层的界面胶结强度。
对于在燃煤发电的过程煤燃烧后形成的电厂炉渣，其属火山灰质活性混合材料。目前电厂炉渣大部分用于水泥的生产，掺入电厂炉渣的水泥后期强度有一定的增长。在路面工程中电厂炉渣应用较少，其实电厂炉渣作路面基层材料具有明显优势，具体体现在：
1)电厂炉渣的火山灰活性可在钢渣水化形成的碱性环境下被激活，反应生成水化铝酸钙、水化硅酸钙等胶凝产物，发挥胶凝作用。
2)电厂炉渣在水淬的过程中，形成极其不规则、棱角分明的表面，且含有少量微细玻璃丝，可极大的增大集料与填充料之间的嵌锁力，进而大幅提高基层初期的机械压实强度。
3)电厂炉渣含有一定的孔隙，能部分消除钢渣膨胀所产生的应力，从而减缓钢渣基层的开裂，即可解决钢渣安定性不良的问题。
由此可见，钢渣和电厂炉渣在道路工程中虽然有应用，但一般与水泥或者石灰粉煤灰复合使用，全部用工业废弃物组合而成的自水化激活型路面基层尚无相关专利报道。本专利可充分利用我国待处理的钢渣和电厂炉渣，用其代替集料，并通过钢渣的自身水化来激活电厂炉渣的火山灰活性和矿渣的潜在水化活性，形成足够的力学强度，构成相应的底基层和基层，从而保证基层的强度要求且降低工程造价，进而实现自水化激活型路面基层的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种节能环保和低成本的无水泥钢渣-电厂炉渣-矿渣白水化激活型路面基层，以及适于该基层的施工方法。
本发明提供了利用不同工业废弃物自身水化活性、潜在水化活性和火山灰活性、及各废弃物间的相应嵌锁作用设计出自水化激活型路面基层的思路和方法，并提供了按该设计思路设计的基层材料组分范围。该发明设计思路为采用电厂炉渣或钢铁水淬渣等玻璃态工业废弃物作嵌锁基质，利用其机械咬合晶态和非晶态共存的颗粒状钢渣和粉状细矿质掺和料，形成初始强度。同时利用钢渣自身的水化活性，激活矿渣的潜在水化活性和电厂炉渣的火山灰活性，形成水化C-S-H、C-S-A-H或C-S-A-F-H、钙矾石及氢氧化钙等水化产物，构成基层初期强度，并保证后期强度的持续增长，从而设计出满足各等级公路用的半刚性基层和底基层。该半刚性基层实现了大量、高附加值利用钢渣和电厂炉渣的目的。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的自水化激活型路面基层，是用钢渣、矿渣或电厂炉渣作为所述路面基层的原材料，通过各废弃物间的相应嵌锁作用和利用钢渣自身的水化活性，激活矿渣的潜在水化活性或电厂炉渣的火山灰活性，形成水化C-S-H、C-S-A-H或C-S-A-F-H、钙矾石及氢氧化钙水化产物，构成路面基层初期强度，并保证后期强度的持续增长；按重量份计，各原材料的配比为钢渣40～65份，矿渣和/或电厂炉渣35～60份。
本发明提供了制备上述自水化激活型路面基层的方法。该路面基层采用集中厂拌法来施工，具体是：先将检测合格的钢渣、电厂炉渣或/和粒状矿渣由装载机从堆场运入拌和机料仓，再按组成比例计量由皮带机送入拌和机，矿渣粉直接由储料罐计量入拌和机与钢渣、电厂炉渣或/和粒状矿渣均匀拌和；然后，将拌和好的混合料运输至施工现场，并且在1.30～1.37的松铺系数下进行摊铺找平，经碾压后采用保湿养护，养护至规定龄期形成所述路面基层。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
其一.结合我国工业废弃物资源优势，采用价格低廉的钢渣取代资源有限的碎石和天然砂，充分利用工业废弃物，达到节约资源、环保利废的目的。另外，由于主要原材料为工业固体废弃物，利用它们作路面基层材料使用，不仅可使这些难利用的工业废弃物得以循环使用，而且能节省堆存土地。
其二.充分利用钢渣具有的自身微水化能力，提供了利用钢渣的自身水化活性、矿渣潜在水化活性和电厂炉渣的火山灰活性作用设计出无水泥自水化激活型路面基层的思路和方法，并提供了按该设计思路设计的无水泥自水化激活型路面基层组分范围。本发明以钢厂排放的工业废弃物钢渣、电厂炉渣及矿渣等为原材料，结合材料学原理，以钢渣、电厂炉渣及矿渣各自的矿物特性为基础，利用钢渣的自身水化活性，激活其它工业废弃物的潜在水化活性和火山灰活性，从而形成初期强度，进而设计出性能优良的无水泥自水化激活型路面基层。
其三.自水化激活型路面基层以钢渣为主，并辅以电厂炉渣或矿渣，在无水泥的情况下构成路面基层，强度可达路面底基层所需强度1.5MPa或高等级公路基层所需强度3.5MPa以上。且该自水化激活型路面基层材料具有良好的强度递延性、自愈合特性、很好的抗裂性能，且劈裂抗拉强度高，是一种刚性很好路面基层材料。在本发明中基层各项指标均满足国家标准对相应路面底基层和基层的要求。
其四.节能环保成本低。相对于水泥稳定碎石的生产而言，无水泥自水化激活型路面基层由于不使用水泥，且所用材料均为工业废弃物，具有极低的环境负荷。相应由于工业废弃物价格低，而使该路面基层成本低廉。
其五.施工工艺简单，可靠，适合于一般道路路面和高等级公路基层和底基层的修筑。
综上所述：本发明提供的自水化激活型路面基层为性能优良的无水泥半刚性路面基层，所用原材料主要为工业固体废弃物，利用它们作道路材料使用，不仅可使这些难利用的工业废弃物得以循环使用，而且能节省堆存土地，降低成本，利于自然资源和环境保护，并且施工工艺简单、可靠，适合于一般道路路面和高等级公路基层和底基层的修筑。
附图说明
图1是自水化激活型路面基层7天无侧限抗压强度随矿渣粉掺量变化而变化趋势图。
图2是自水化激活型路面基层的干缩性能曲线。
图3是在扫描电镜下观测养护90天后自水化激活型路面基层中钢渣与基质界面的形貌。
图4是在扫描电镜下观测到的养护90天后自水化激活型路面基层中电厂炉渣与基质界面的形貌。
图5是在扫描电镜下观测到的养护90天后自水化激活型路面基层中水化产物Ca(OH)2晶体形貌。
图6是在扫描电镜下观测到的养护90天后自水化激活型路面基层中水化产物C-S-A-H凝胶产物和针棒钙钒石AFt晶体形貌。
具体实施方式
本发明提供的自水化激活型路面基层，是用钢渣、矿渣或电厂炉渣作为所述路面基层的原材料，通过各废弃物间的相应嵌锁作用，并利用钢渣自身的水化活性，激活矿渣的潜在水化活性或电厂炉渣的火山灰活性，形成水化C-S-H、C-S-A-H或C-S-A-F-H、钙矾石及氢氧化钙水化产物，构成路面基层初期强度，并保证后期强度的持续增长；按重量份计，各原材料的配比为钢渣40～65份，矿渣和/或电厂炉渣35～60份。
所述的钢渣为粒径小于等于31.5mm颗粒状的钢渣，其化学成份按重量份计为：SiO28.8～32.8份，Fe2O31.2～8.8份，Al2O31.1～9.6份，CaO 16.5～52.7份，MgO 4.5～20.0份，MnO 0.6～4.6份，FeO 7.9～36.9份，P2O5 0.1～4.7份，f-CaO 0.01～5.0份，另还有少量其它微量组分(如磷、硫、铬、钒等的化合物)。
所述矿渣的化学成份按重量份计为：SiO23 1.6～35.9份，Fe2O3 0.4～2.6份，Al2O3 7.7～18.1份，CaO 32.8～43.0份，MgO 3.4～9.8份，MnO 0.04～1.4份，另还有少量其它微量组分(如磷、硫、铬、钛等的化合物)。矿渣为粒状矿渣和/或矿渣粉，粒状矿渣为钢铁厂高炉液态渣水淬后得到的颗粒状的矿渣，矿渣粉为过0.080mm筛筛余不大于10％的磨细矿渣细粉料。
所述的电厂炉渣为粒径小于等于5mm颗粒状的电厂炉渣，其化学成份按重量份计为SiO221.0～62.5份，Fe2O3 4.3～24.9份，Al2O3 12.2～35.2份，CaO 0.7～41.3份，MgO 0.4～3.9份，K2O 0.3～2.8份，残留炭1.0～30.2份，另还有少量其它微量组分(如磷、硫、钠等的氧化物)。
本发明提供了制备上述自水化激活型路面基层的方法。该路面基层采用集中厂拌法来施工。先将钢渣、电厂炉渣、粒状矿渣和矿渣粉进行检测，控制颗粒状钢渣中游离氧化钙在5％以下；按筛分试验结果进行级配设计，确定矿质混合料组分，按该组分进行击实试验，确定最佳含水量和最大干密度。再将检测合格的钢渣、电厂炉渣或/和粒状矿渣由装载机从堆场运入拌和机料仓，在拌和楼按设计组成比例称量，并控制含水量比最佳含水量高出0.5-1.0％，再由皮带机送入拌和机，矿渣粉直接由储料罐计量入拌和机与钢渣、电厂炉渣或/和粒状矿渣均匀拌和；在拌和机中拌和均匀后，拌和好的混合料即可运输至施工现场。然后，将混合料在1.30～1.37的松铺系数下进行摊铺找平，按控制的施工压实度要求进行碾压，并进行保湿养护，养护至规定龄期形成所述路面基层，即可完成相应自水化激活型路面基层的施工。
在所述的拌和过程中，可以将混合料的含水量控制为最佳含水量的0.5～1.0％。
在所述的保湿养护的过程中，可以采用薄膜保湿养护。
本发明提供的上述自水化激活型路面基层，其所用的生产设备、运输设备、摊铺设备、碾压设备及施工方式皆与水泥稳定碎石基层相同。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1.
武汉钢渣粗集料基层：先将武汉钢渣和电厂炉渣按合理级配进行矿质混合料的设计，然后按设计组分称量(各原材料所占重量份见表1)，进行击实试验，确定最佳含水量和最大干密度，按控制的压实度成型试件并测定其无侧限抗压强度。钢渣采用武钢自然渣，粒径小于等于31.5mm，电厂炉渣和粒状矿渣粒径小于等于5mm，改变矿渣粉掺量，按97％压实度进行无侧限抗压强度试验，其7天(养生6天，浸水1天)无侧限抗压强度具体结果见表1。
由表1的性能指标可以看出：在改变钢渣和电厂炉渣的组分时，其强度可达6MPa以上。而在固定武钢钢渣和电厂炉渣掺量的情况下，通过调整粒状矿渣和矿渣粉的比例，可制备出满足路面底基层和基层性能指标的无水泥钢渣粗集料基层。适合于一般道路路面和高等级公路基层和底基层的修筑。
实施例2.
武钢钢渣细集料基层：钢渣采用武钢自然渣，粒径小于等于4.75mm，掺量为50％，电厂炉渣掺量为35％，改变粒状矿渣掺量(配比中粒状矿渣和矿渣粉所占重量份见表2)，按97％压实度进行无侧限抗压成型试验，其7天(养生6天，浸水1天)无侧限抗压强度结果见表2和图2所示。
从表2和图2中可以看出：在固定钢渣和电厂炉渣掺量的情况下，随着矿渣粉掺量的降低，7天无侧限抗压强度呈有规律递减趋势，即对钢渣细集料，通过调整粒状矿渣和矿渣粉的比例，同样可以配制出适宜于路面底基层和基层用自水化激活型路面基层混合料组分。当矿渣粉引入量为5％时，可满足路面底基层7天无侧限抗压强度大于2.0MPa的要求；当矿渣粉引入量为8％时，可满足路面基层7天无侧限抗压强度大于3.5MPa的需要。
实施例3.
鄂钢钢渣粗集料基层：鄂钢钢渣和电厂炉渣按合理级配进行矿质混合料的设计，然后按设计组分称量进行试验。实验中鄂钢自然渣粒径小于等于19mm，掺量为50％，电厂炉渣掺量为35％，改变矿渣粉掺量(配比中粒状矿渣和矿渣粉所占重量份见表3)，压实度按97％进行的无侧限抗压成型试验，其7天(养生6天，浸水1天)无侧限抗压强度具体结果见表3。
由表3的性能指标可见，可以看出：采用鄂钢钢渣，通过调整矿渣粉掺量，同样可制备出满足路面底基层和基层性能指标的自水化激活型路面基层。
实施例4.
自水化激活型路面基层不同养护方式对比：对该系列基层，采取的养护方式分为室内标准养生、薄膜覆盖养生、和室外自然养生。此系列中各原材料所占重量份及其相应基层在不同养护方式下的7天无侧限抗压强度结果如表4所示。由表4可见：
1.从鄂钢钢渣Z4和武汉钢渣Z5系列来看，不同钢渣与电厂炉渣混合作为混合料时，在引入外掺剂后其7天强度均可达到规范对基层强度的要求，且强度值均高达3.50MPa以上。
2.比较不同的养护条件可知，在室外持续较高温度条件下，室外薄膜养护是最佳养护方式、标准养护次之、自然养护是较差养护方式。但尽管如此，钢渣试样在自然养护的条件下其最低强度还是达到了3.95MPa，达到了基层设计强度要求。
3.标准养护条件下，采用武钢钢渣比鄂钢钢渣的7天强度略微高一些，说明钢渣的不同处理工艺对其性能有一定的影响。
同时，作为路面的基层材料必须具有较好的其它性能，如长期无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度。为此以Z5-1为例，对自水化激活型路面基层材料的长期无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度进行研究。其结果见表5。
由表5可见：自水化激活型路面基层材料的强度(不论是无侧限抗压强度还是劈裂抗拉强度)随着龄期的增长而增长，即强度具有很好的递延性。另外，也考察了基层的干缩性能，因为干缩性能直接反映基层的抗开裂能力。图2显示了钢渣-电厂炉渣-矿渣粉体系Z4-1基层的干缩性能。由图2可见，自水化激活型路面基层的干缩率均非常小，最大仅为0.4‰。因此钢渣的引入对提高基层的抗干燥收缩具有一定的作用。
综合所有实施实例可见，在无水泥的情况下，通过调整各组分的重量份，可制备出适合于一般等级公路和高等级公路用路面基层和底基层。该自水化激活型路面基层的强度形成主要是由混合料的前期机械压实嵌锁、钢渣的水化、潜在活性和火山灰反应激活等方面综合作用形成。钢渣具有微弱的水化能力，该微弱水化提供了含Ca(OH)2等的碱性环境。该碱性环境可激活矿渣的潜在活性和电厂炉渣的火山灰活性，从而为基层材料的早期和后期强度提供了保障。一般情况下，基层的强度薄弱环节在碎石与基质的界面上，由图3和图4可见，钢渣和电厂炉渣在缓慢的水化进程中，发生了反应。图3中钢渣和基质之间无明显界面，界面模糊，钢渣表面水化层包裹在钢渣颗粒表面并与基质绞结在一起。图4中电厂炉渣的表面同样发生了水化反应，该水化产物填充在界面与基质的孔隙中，同样提高了界面的粘结强度，使得基层整体强度得以提高。同时，由图5和图6可见，通过体系缓慢的水化反应，在体系中形成了水化C-S-H、C-S-A-H或C-S-A-F-H等水化凝胶产物，以及钙矾石及氢氧化钙等水化产物。这些水化产物的形成是自水化激活型路面基层强度形成并在长期强度稳定发展的主要原因。
附表
表1 武钢粗钢渣自水化激活型路面基层性能指标
Figure A200910060851D00081
表2 不同矿渣粉掺量下武钢细钢渣自水化激活型路面基层性能指标
Figure A200910060851D00091
表3 鄂钢粗钢渣自水化激活型路面基层性能指标
Figure A200910060851D00092
表4 不同养护方式下无水泥钢渣电厂炉渣外掺剂系列基层无侧限抗压强度
Figure A200910060851D00093
表5 自水化激活型路面基层材料的综合性能指标
Figure A200910060851D00094

Claims (9)

1.一种自水化激活型路面基层，其特征是用钢渣、矿渣或电厂炉渣作为所述路面基层的原材料，通过各废弃物间的相应嵌锁作用和利用钢渣自身的水化活性，激活矿渣的潜在水化活性或电厂炉渣的火山灰活性，形成水化C-S-H、C-S-A-H或C-S-A-F-H、钙矾石及氢氧化钙水化产物，构成路面基层初期强度，并保证后期强度的持续增长；按重量份计，各原材料的配比为钢渣40～65份，矿渣和/或电厂炉渣35～60份。
2.根据权利要求1所述的自水化激活型路面基层，其特征是钢渣为粒径小于等于31.5mm颗粒状的钢渣，其主要化学成份按重量份计为：SiO2 8.8～32.8份，Fe2O3 1.2～8.8份，Al2O3 1.1～9.6份，CaO 16.5～52.7份，MgO 4.5～20.0份，MnO 0.6～4.6份，FeO 7.9～36.9份，P2O5 0.1～4.7份，f-CaO 0.01～5.0份。
3.根据权利要求1所述的自水化激活型路面基层，其特征是矿渣的主要化学成份按重量份计为：SiO2 31.6～35.9份，Fe2O3 0.4～2.6份，Al2O3 7.7～18.1份，CaO3 2.8～43.0份，MgO 3.4～9.8份，MnO 0.04～1.4份。
4.根据权利要求1或3所述的自水化激活型路面基层，其特征是矿渣为粒状矿渣和/或矿渣粉，粒状矿渣为钢铁厂高炉液态渣水淬后得到的颗粒状的矿渣，矿渣粉为过0.080mm筛筛余不大于10％的磨细矿渣细粉料。
5.根据权利要求1所述的自水化激活型路面基层，其特征是：电厂炉渣为粒径小于等于5mm颗粒状的电厂炉渣，其主要化学成份按重量份计为SiO2 21.0～62.5份，Fe2O34.3～24.9份，Al2O3 12.2～35.2份，CaO 0.7～41.3份，MgO 0.4～3.9份，K2O 0.3～2.8份，残留炭1.0～30.2份。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的自水化激活型路面基层，其特征是按重量份计，各原材料的配比为：钢渣集料50份，电厂炉渣为35份，粒状矿渣10份，矿渣粉5份。
7.一种权利要求1至6中任一权利要求所述自水化激活型路面基层的制备方法，其特征是所述路面基层采用集中厂拌法来施工，具体是：先将检测合格的钢渣集料、电厂炉渣或/和粒状矿渣由装载机从堆场运入拌和机料仓，再按组成比例计量由皮带机送入拌和机，矿渣粉直接由储料罐计量入拌和机与钢渣、电厂炉渣或/和粒状矿渣均匀拌和；然后，将拌和好的混合料运输至施工现场，并且在1.30～1.37的松铺系数下进行摊铺找平，经碾压后采用保湿养护，养护至规定龄期形成所述路面基层。
8.根据权利要求7所述的自水化激活型路面基层的制备方法，其特征是：在拌和过程中控制混合料的含水量为最佳含水量的0.5～1.0％。
9.根据权利要求7所述的自水化激活型路面基层的制备方法，其特征是：采用薄膜保湿养护。
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