CN104003638A

CN104003638A - 一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料

Info

Publication number: CN104003638A
Application number: CN201410171525.1A
Authority: CN
Inventors: 李军; 卢忠远; 牛云辉; 彭洪
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN104003638B

Abstract

本发明公开了一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，其特征是：主要由重量百分比为30～90％的固硫灰与10～70％的高钛矿渣混合组成。将固硫灰、高钛矿渣与水进行搅拌混合、成型并养护，即制得固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层。本发明提供的复合稳定路面基层材料全部利用目前难于处置且排放量较高的工业废渣固硫灰和高钛矿渣，不掺加石灰和粉煤灰，性能优于传统石灰-粉煤灰二灰稳定路面基层材料；本发明提供的复合稳定路面基层材料成本低、无需消耗天然资源，制备方法简单易行，特别适于传统道路工程材料较为匮乏的地域使用，有显著的经济效益和广阔的市场前景，实用性强。

Description

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料

技术领域

本发明属于道路的铺面--道路工程材料领域，涉及一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料。该固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料适用作道路工程中的路面基层材料。

背景技术

道路工程中的路面结构分为路面基层和铺设于路面基层上路面面层。作为路面结构中的重要层位，路面基层材料承受了由面层传来的车辆荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和路基中去。传统路面基层材料分为三大类:柔性基层材料(包括级配型集料、嵌锁型碎石以及沥青碎石和沥青贯入式等)、半刚性基层材料(包括水泥稳定土、石灰稳定土和石灰工业废渣稳定土)和刚性基层材料(水泥混凝土、强度高的贫混凝土和碾压混凝土)。目前，我国公路建设广泛采用的是水泥稳定类和石灰粉煤灰(二灰)稳定类的半刚性路面基层材料，这种传统的路面基层材料对资源和能源的消耗很大，且性能还有待进一步改善。以高速公路为例，路面基层厚度一般为56cm、宽为24m，则每公里需基层材料约3万吨。每生产1m³的路面基层材料需消耗2吨左右的天然土石料和80kg～160kg的水泥或石灰。这些土石料和胶凝材料原料在开采过程中会对山体植被和农田造成破坏。水泥稳定粒料虽然早期强度高、抗冲刷性和水稳性较好，但其抗裂性差、延迟碾压时间短、施工过于紧凑；而二灰稳定粒料虽然抗裂性较好，但其早期强度过低，且早期水稳性和抗冲刷性差、施工对季节依赖性大，且易起灰，与面层的粘结性能差。长期以来，国内外为提高石灰粉煤灰类基层材料的早期强度做了很多研究工作，比如掺入1％～3％的碱或碱金属盐或1％～2％的水泥，或用生石灰粉代替消石灰，但至今尚未找到有效提高二灰稳定基层性能的经济实用方法，导致其应用范围逐年降低。因此，传统的路面基层材料已不能较好地适应当前社会的可持续发展，也不遵循可持续发展对大宗材料的发展要求。

随着经济社会高速发展，资源、能源和环境问题凸显。一方面电力生产、钢铁冶炼等工业生产过程中产生大量工业废渣，难于处理，堆积如山；另一方面，道路工程建设所需的原材料量大、且部分区域供应紧张，价格居高不下。将大宗工业废渣用于道路工程材料领域，不仅能解决道路工程的原料供应，而且将工业废渣进行了综合利用，减少堆存量，有利于资源综合利用和环境保护。

固硫灰是循环流化床锅炉燃煤脱硫产物，目前，固硫灰多以堆存为主，堆存量估计上亿吨，且每年还以数百万吨的排放速度增长。高钛矿渣是我国西南地区使用钒钛磁铁矿炼铁产生的水淬高炉矿渣，与传统水淬高炉矿渣相似；但因其钛含量较高，用于水泥混凝土中活性不高，限制了其大宗应用。目前，固硫灰和高钛矿渣的处理处置以及综合利用已经成为政府和企业共同关注的重点问题。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料。从而提供一种变废为宝，抗压强度等性能优于传统石灰粉煤灰(粉煤灰-石灰二元体系)稳定路面基层材料，不掺加石灰(消石灰)、粉煤灰或水泥的固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料。

本发明的内容是：一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，其特征是：主要由重量百分比为30～90％的固硫灰与10～70％的高钛矿渣混合组成。

本发明的内容中：所述高钛矿渣的主要化学成分和重量百分比例组成为：CaO18～30％、MgO6～8％、SiO₂15～27％、Al₂O₃10～17％、Fe₂O₃5～9％、以及TiO₂15～21％。

本发明的内容中：所述高钛矿渣为钒钛磁铁矿炼铁厂产生的水淬高炉高钛矿渣，较好的是经球磨处理，使其粒度D50为30～35μm、比表面积大于 350kg/m²。

本发明的内容中：所述固硫灰的主要化学成分和重量百分比例组成为：CaO10～21％、SO₃10～12％、SiO₂35～43％、Al₂O₃11～21％、以及Fe₂O₃10～14％。

本发明的内容中：所述固硫灰为循环流化床燃煤电厂产生的现场干法排放飞灰，较好的是经预处理工艺处理，使其粒度D50为13～20μm。

本发明的内容还包括：一种以固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料制备稳定路面基层的方法，该方法是：按重量百分比为30～90％的固硫灰与10～70％的高钛矿渣取固硫灰和高钛矿渣混合、加入固硫灰和高钛矿渣的总重量27～30％的水进行混合、搅拌均匀，再成型为路面基层并经养护(至7d或28d龄期)，即制成固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层。

与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果：

(1)采用本发明，固硫灰含有火山灰反应所需的活性SiO₂、Al₂O₃，作为固硫产物，还含有CaO和SO₃，使得固硫灰既具有自硬性和火山灰活性，又可自生组成Ca-Si-Al-S的胶凝体系，产生一定强度；因其硫含量较高，在自生水化过程中会产生钙矾石和二水石膏等水化产物，因此也具有一定膨胀性；高钛矿渣含有硅酸二钙等水泥熟料矿物以及玻璃体等，将其磨细，将赋予其一定水化活性；将固硫灰与高钛矿渣复合，一方面固硫灰中的硫酸盐组分能够有效激发矿渣活性，产生较高强度，另一方面，通过高钛矿渣的掺入，能够减少固硫灰水化膨胀；而传统的粉煤灰-石灰二元体系，因水化速度较慢，早期强度低，一般需靠蒸压养护提高强度；固硫灰-高钛矿渣二元体系的Ca、Si、Al、S等组分能够完全取代粉煤灰-石灰体系，不需蒸压养护来提高强度；

(2)采用本发明，将固硫灰和高钛矿渣复合应用于道路工程，特别是用作稳定路面基层材料，首先能够获得较粉煤灰-石灰二灰体系更高的早期和后期强度，有利于缩短工程期限；其次，固硫灰-高钛矿渣体系的微膨胀性能够降低路面基层材料干缩开裂；最后，固硫灰-高钛矿渣复合稳定路面基层材料能够大量吸纳难于处理处置的工业固体废弃物，缓解废渣长期堆放占用土地资源，“变废为宝”；用固硫灰和高钛矿渣复合替代石灰和粉煤灰或水泥组分，不仅能发挥固硫灰和高钛矿渣各自优良特性，而且弥补了各自性能的缺点，且可进一步减少天然矿产资源开采，降低建设成本，拓宽了固硫灰和高钛矿渣的资源化利用途径，具有良好的社会、经济和环保效益；

(3)本发明提供的固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料性能指标优于传统二灰(石灰-粉煤灰)稳定路面基层材料；经检测，固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料7d无侧限抗压强度R_7d为2.49～3.20MPa、28d无侧限抗压强度R_28d为7.75～12.35MPa，高于传统石灰粉煤灰稳定路面基层材料R_7d的1.72MPa和R_28d的6.45MPa；抗干缩方面，固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料28d体积线性变化率在(-15～15)×10^-4之间，略有微膨胀，而传统石灰粉煤灰稳定材料28d体积线性变化率为-21×10^-4；与现有二灰稳定路面基层材料相比，本发明易于就地取材，大量利用难于利用且堆存量较大的工业废渣，制备成本较低，制备方法简单易行，适于传统道路工程材料较为匮乏的地域使用，有显著的经济效益和广阔的市场前景，实用性强。

具体实施方式

下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，固硫灰含量为30重量％，高钛矿渣含量为70重量％。固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料的检测实测值：最大干密度ρ为1.429g/cm³，最佳含水量ω为27.0％，7天无侧限抗压强度R_7d为2.49MPa，28天无侧限抗压强度R_28d为10.04MPa，28d体积线性变化率为-14.91×10^-4。

实施例2：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，固硫灰含量为40重量％，高钛矿渣含量为60重量％。固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料的检测实测值：最大干密度ρ为1.425g/cm³，最佳含水量ω为27.2％，7天无侧限抗压强度R_7d为2.70MPa，28天无侧限抗压强度R_28d为10.87MPa，28d体积线性变化率为-6.12×10^-4。

实施例3：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，固硫灰含量为50重量％，高钛矿渣含量为50重量％。固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料的检测实测值：最大干密度ρ为1.421g/cm³，最佳含水量ω为27.4％，7天无侧限抗压强度R_7d为3.20MPa，28天无侧限抗压强度R_28d为12.35MPa，28d体积线性变化率为0.17×10^-4。

实施例4：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，固硫灰含量为70重量％，高钛矿渣含量为30重量％。固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料的检测实测值：最大干密度ρ为1.401g/cm³，最佳含水量ω为28.4％，7天无侧限抗压强度R_7d为2.81MPa，28天无侧限抗压强度R_28d为8.13MPa，28d体积线性变化率为11.35×10^-4。

实施例5：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，固硫灰含量为90重量％，高钛矿渣含量为10重量％。固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料的检测实测值：最大干密度ρ为1.394g/cm³，最佳含水量ω为29.8％，7天无侧限抗压强度R_7d为2.79MPa，28天无侧限抗压强度R_28d为7.75MPa，28d体积线性变化率为14.11×10^-4。

实施例6：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，主要由重量百分比为30％的固硫灰与70％的高钛矿渣混合组成；

以固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料制备稳定路面基层的方法，该方法是：按重量百分比为30％的固硫灰与70％的高钛矿渣取固硫灰和高钛矿渣混合、加入固硫灰和高钛矿渣的总重量27％的水进行混合、搅拌均匀，再成型为路面基层并经养护(至7d或28d龄期)，即制成固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层。

实施例7：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，主要由重量百分比为90％的固硫灰与10％的高钛矿渣混合组成；

以固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料制备稳定路面基层的方法，该方法是：按重量百分比为90％的固硫灰与10％的高钛矿渣取固硫灰和高钛矿渣混合、加入固硫灰和高钛矿渣的总重量30％的水进行混合、搅拌均匀，再成型为路面基层并经养护(至7d或28d龄期)，即制成固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层。

实施例8：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，主要由重量百分比为60％的固硫灰与40％的高钛矿渣混合组成；

以固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料制备稳定路面基层的方法，该方法是：按重量百分比为60％的固硫灰与40％的高钛矿渣取固硫灰和高钛矿渣混合、加入固硫灰和高钛矿渣的总重量28％的水进行混合、搅拌均匀，再成型为路面基层并经养护(至7d或28d龄期)，即制成固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层。

实施例9：

一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，主要由重量百分比为30～90％的固硫灰与10～70％的高钛矿渣混合组成；

以固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料制备稳定路面基层的方法，该方法是：按重量百分比为30～90％的固硫灰与10～70％的高钛矿渣取固硫灰和高钛矿渣混合、加入固硫灰和高钛矿渣的总重量27～30％的水进行混合、搅拌均匀，再成型为路面基层并经养护(至7d或28d龄期)，即制成固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层。

实施例10—16：

以固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料制备稳定路面基层的方法，该方法是：按重量百分比为30～90％的固硫灰与10～70％的高钛矿渣取固硫灰和高钛矿渣混合、加入固硫灰和高钛矿渣的总重量27～30％的水进行混合、搅拌均匀，再成型为路面基层并经养护(至7d或28d龄期)，即制成固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层；

各实施例中各原料组分的具体重量百分比用量见下表：

注：表中：“水”是指加入固硫灰和高钛矿渣总重量的水的重量百分比。

上述实施例中：所述高钛矿渣的主要化学成分和重量百分比例组成为：CaO18～30％、MgO6～8％、SiO₂15～27％、Al₂O₃10～17％、Fe₂O₃5～9％、以及TiO₂15～21％；

所述高钛矿渣为钒钛磁铁矿炼铁厂产生的水淬高炉高钛矿渣，经球磨处理，使其粒度D50为30～35μm、比表面积大于350kg/m²。

上述实施例中：所述固硫灰的主要化学成分和重量百分比例组成为：CaO10～21％、SO₃10～12％、SiO₂35～43％、Al₂O₃11～21％、以及Fe₂O₃10～14％；

所述固硫灰为循环流化床燃煤电厂产生的现场干法排放飞灰，经预处理工艺处理，使其粒度D50为13～20μm。

上述实施例中：所采用的百分比例中，未特别注明的，均为重量(质量)百分比例或本领域技术人员公知的百分比例；所述重量(质量)份可以均是克或千克。

上述实施例中：各组分用量数值(重量百分比)等为范围的，任一点及对应组合均可适用。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims

1.一种固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，其特征是：主要由重量百分比为30～90％的固硫灰与10～70％的高钛矿渣混合组成。

2.按权利要求1所述固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，其特征是：所述高钛矿渣的主要化学成分和重量百分比例组成为：CaO18～30％、MgO6～8％、SiO₂15～27％、Al₂O₃10～17％、Fe₂O₃5～9％、以及TiO₂15～21％。

3.按权利要求2所述固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，其特征是：所述高钛矿渣为钒钛磁铁矿炼铁厂产生的水淬高炉高钛矿渣，经球磨处理，使其粒度D50为30～35μm、比表面积大于350kg/m²。

4.按权利要求1、2或3所述固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，其特征是：所述固硫灰的主要化学成分和重量百分比例组成为：CaO10～21％、SO₃10～12％、SiO₂35～43％、Al₂O₃11～21％、以及Fe₂O₃10～14％。

5.按权利要求4所述固硫灰和高钛矿渣复合稳定路面基层材料，其特征是：所述固硫灰为循环流化床燃煤电厂产生的现场干法排放飞灰，经预处理工艺处理，使其粒度D50为13～20μm。