CN104773977B - 一种用渣土复合煤矸石粉的道路铺筑材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渣土与煤矸石粉复配制造的道路填筑材料及其制备方法，基于该道路填筑材料的总重量计，包含1‑12重量％具有活性的微粉，10‑25重量％煤矸石，40‑70重量％渣土，和0.02‑0.06重量％的激发剂。本发明的道路填筑材料在满足道路指标要求的同时，使渣土和煤矸石得到充分利用。

Description

一种用渣土复合煤矸石粉的道路铺筑材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及渣土与煤矸石粉复配制造的道路填筑材料及其制备方法。

背景技术

目前，随着经济的发展和城镇化建设的进行，旧城改造、道路(地铁)建设、基坑开挖等每年产生的渣土数量非常巨大，且不易降解。往往一个城市的老旧城区改造、地铁开挖等产生的渣土可达到2500万立方米。我国城市中旧城区的改造整治产生大量建筑渣土，有资料表明，拆除1m²建筑物产生0.5-1m³建筑渣土，每1万m²建筑施工过程会产生500-600t建筑渣土。然而，大部分建筑垃圾未经任何处理，就被运往郊外或城市周边进行简单填埋或露天堆存，对环境保护造成了极大的不利影响。目前，我国包括渣土在内的建筑垃圾90％以上被非法处理，资源化利用率不到5％。建筑垃圾采用堆放和填埋的处理方式对环境产生了很大有害影响。

与其它城市垃圾相比，渣土具有低毒、无害、可资源化利用等特点，随着城市建设的迅猛发展，天然材料将日益枯竭，如果将渣土通过一定的技术进行有效再生利用，不仅可以解决这个矛盾，还能消除垃圾对环境的危害，实现经济的可持续发展。中国对渣土循环利用的研究比较晚，目前虽取得了一定初步研究成果，但仍缺乏较系统的研究，缺少完善的再生技术的标准和规程。在中国，建设各种道路需要大量的材料，如果能够将渣土用于道路工程中，则将会产生极大的经济价值。

然而，现行技术标准和规范中缺少建筑渣土作为筑路填料相关方面的内容，在城市道路建设中建筑渣土利用无标准和规范可遵循，如何利用城市建筑渣土达到较好的工程效果仍需要深入细致的研究。另外，道路铺筑材料日益严格的标准要求等因素，使得渣土在道路铺筑材料中的应用受到诸多限制，例如渣土利用率不高，道路铺筑材料中渣土所占的比例偏小。

煤矸石是在煤矿建设、煤炭开采和加工过程中排放的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色废弃岩石，是我国排放量最大的工业废渣之一，我国煤矸石产品约为原煤产量的15％-20％，导致积存约30亿吨，形成约1500座煤矸石山，目前正以年排放量约1.5亿吨的速度增长，每年新增占地面积约10万亩，我国煤矸石的利用率不高，远远低于国外水平。未利用的煤矸石的堆放侵占了大量土地和农田，对周围环境造成了极大的污染。对煤矸石污染和综合利用，越来越受到人们的重视。

目前对煤矸石的性质还缺乏深入系统的研究，煤矸石的化学成分随产地变化而有所不同，化学性能也有差异，而公路与道路建设规范要求比较高，煤矸石作为陆基填筑材料的基本性能、各项检测指标、检测方法及施工要求都没有相应的标准依据，现行规范及资料查不到所必须的数据和做法，因此其应用受到很大的限制，在公路上、尤其是高速公路上用作路基材料还没得到有效推广。煤矸石在道路工程路基填料的使用中存在着经验性和主观性，缺少系统的科学研究和理论总结。

在另一方面，渣土与其它城市垃圾相比，具有低毒、无害、可资源化利用等特点，随着城市建设的迅猛发展，天然材料将日益枯竭，如果将渣土通过一定的技术进行有效再生利用，不仅可以解决这个矛盾，还能消除垃圾对环境的危害，实现经济的可持续发展。中国对渣土循环利用的研究比较晚，目前虽取得了一定研究成果，但仍缺乏较系统的研究，缺少完善的再生技术的标准和规程。在中国，建设各种道路需要大量的材料，如果能够将渣土用于道路工程中，则将会产生极大的经济价值。

同时，渣土的多样性以及道路填筑材料日益严格的标准要求等因素，使得渣土在道路填筑材料中的应用受到诸多限制，例如渣土利用率不高，道路填筑材料中渣土所占的比例较小，等等。

CN1133269A开了一种用于道路工程及其它土建工程的胶凝材料及生产方法，其产品主要用于要求耐磨、耐腐蚀的工程及抗干缩要求较高、水化热较低的其它工程，其特征在于该产品(水泥)是由经预消解处理并磁选后的钢渣与矿渣、粉煤灰、硅酸盐熟料、含铝硫酸盐及硅酸盐矿物多种物质粉磨混合而成的。

CN101348343A公开了一种利用建筑垃圾生产的建材及其制备方法，要解决的技术问题是使材料配置简单、降低成本，其采用以下技术方案：一种利用建筑垃圾生产的建材，包括的重量比份数为：建筑垃圾85-97份、生石灰3-15份，所述建筑垃圾包括砖石和混凝土，所述生石灰中的有效CaO含量≥85％。该方法包括以下步骤：(1)对建筑垃圾进行初选；(2)粉碎原材料，将建筑垃圾原材料粉碎至粒度为大于0至4mm，将CaO含量≥85％的生石灰磨至小于100目；(3)原材料配合，将粉碎过的建筑垃圾和生石灰细粉按重量比建筑垃圾85-97份、生石灰3-15份混和均匀后运至消化仓，停留1-3小时；(4)成型，从消化仓出来的材料进入搅拌机，加入总干粉用量的5-8％水拌合后，输送至料仓，在压砖机上压制成各种形状的型材，使用的压力为200-1500吨，加压时间1-3秒钟；(5)压蒸养护，在温度为190-230℃，压力为7-10kg的条件下养护6-10小时，即为建材成品。在该专利文献中，主要是用于制造成型建材产品，不能够用作道路填筑材料，例如强度远远不够。

WO2006033561A1公开了一种分离建筑废弃物的方法。在所述方法中，将粉碎成预定尺寸的建筑废弃物加入到沉淀槽的液体中，并根据比重在槽中将其分离成各种组分，其中，所述液体具有比回收组分的比重低但比剩余组分的比重高的参考比重，从而仅使要回收的组分通过沉淀到所述沉淀槽的底部而进行分离。根据所述方法，可以容易地将包含在建筑废弃物中的其它杂质与优质的可重复利用的混凝料分离。具体地，对分离液体的参考比重进行适当的调整，从而甚至可以容易地将比水重的各种杂质(瓦片、红砖、沥青混凝土、水泥浆块等)与可重复利用的混凝料分离。该文献主要关注的是建筑垃圾的分选。

JP2006257681A公开了一种利用建筑垃圾制造矿物材料的方法，该方法能够有效减少建筑垃圾在高温处理时产生的挥发性有机化合物的挥发，其通过将贝壳燃烧并粉碎产生的多孔性贝壳碎料与所述材料接触来吸附建筑垃圾高温处理时产生的挥发性有机化合物，从而使建筑垃圾的再利用更加绿色和安全。该方法成本比较高。

KR100938212B1公开了一种用于筑路的组合物，该组合物包含10-30重量％树脂、22-27重量％环保集料、22-27重量％再循环碎片材料、13-18重量填料、1.5-5重量颜料和和1.5-3重量％常见添加剂。该组合物成本含有大量树脂，成本比较高且不耐老化，另外由于缺少水泥组分，至少强度严重不足。

非专利文献“建筑垃圾再生微粉利用的试验研究”，马纯滔等，宁夏工程技术，第8卷第1期，2009年3月公开了建筑垃圾再生微粉的制造和使用方法，其中再生微粉的原料是在混凝土再生骨料破碎、筛分等过程中，不可避免地会产生占再生骨料质量10％左右、粒径<0.16mm的细粉料，研磨获得微粉的最大比表面积仅为735.4m²/kg。

需要一种用渣土复合煤矸石粉的道路填筑材料，使得渣土和煤矸石的利用率高，且该道路填筑材料的性能能够达到目前所用道路填筑材料的性能，进一步地，可以使道路混凝土具有良好工作性和后期强度，并且可提高混凝土的早期耐磨性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明人经过深入研究，提出了一种新的解决方案，在该技术方案中，道路填筑材料的主要原料为渣土和煤矸石，能够使渣土和煤矸石得到综合利用、制备的道路填筑材料性能完全可达标。本发明提供了如下技术方案：

在一方面，提供了一种道路填筑材料，基于该道路填筑材料的总重量计，其包含1-12重量％具有活性的微粉，10-25重量％煤矸石粉，40-70重量％渣土，和0.02-0.06重量％的激发剂。

所述具有活性的微粉的含量优选为5-10重量％，更优选8-10重量％。

所述煤矸石粉的含量优选为15-25重量％，更优选15-20重量％。

所述渣土的含量优选为40-60重量％，更优选40-50重量％。

所述激发剂的含量优选为0.02-0.06重量％，更优选0.03-0.05重量％。

所述道路填筑材料优选不包含水泥、沥青或水泥混凝土。

所述具有活性的微粉可以为如下两种微粉(1)和(2)以1:5-5:1的重量比例混合制得的混合物：(1)通过将建筑垃圾中的红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃破碎、研磨至比表面积为750-2200m²/kg，优选1000-2200m²/kg，更优选1500-2200m²/kg获得的微粉；和(2)将废陶瓷破碎、研磨至比表面积为1000-3000m²/kg，优选1500-2600m²/kg，更优选1800-2600m²/kg获得的微粉。

渣土在建筑材料方面属于软质材料，建筑渣土在碾压过程中会发生比较严重的颗粒破碎并产生细颗粒，从而影响道路的铺筑施工以及路基填料CBR值。相比而言，煤矸石具有一定的强度，在碾压过程中不易发生颗粒破碎，从而与渣土粗料给路基材料提供有力的强度支承，而建筑渣土中的细料可以有效填充渣土粗料和煤矸石中的孔隙，减小孔隙比，使得在碾压次数较少的情况下也能够获得理想的整体强度与变形稳定性。本发明通过将渣土和煤矸石有机组合，使得既能够获得高抗剪切能力(抗剪切能力主要来自摩擦力，即颗粒之间的咬合力)，同时还不会使颗粒之间的咬合结构被破坏，从而不容易产生局部不均匀沉降。

本发明的渣土优选为改性建筑渣土，所述改性方法可以包括以下步骤：

(1)将建筑渣土进行风干，然后粉碎，过6mm筛，收集粒径大于6mm且小于30mm的建筑渣土作为粗料，粒径小于6mm的建筑渣土作为细料；

(2)将所述细料与石灰粉混合均匀，然后在自然条件下放置1-3天，制得第一混合料，其中基于第一混合料的总重量计，石灰粉的含量为5-15重量％，并且其中，石灰粉的粒径小于1mm；

(3)将所述粗料与火山灰、粉煤灰和硫酸钙依次混合均匀，然后在自然条件下放置3-5天，制得第二混合料，其中基于第二混合料的总重量计，火山灰的含量为1-5重量％，粉煤灰的含量为5-10重量％，硫酸钙的含量为0.2-1.0重量％，并且其中，火山灰的粒径小于0.50mm，粉煤灰的粒径小于1mm；和

(4)将第一混合料和第二混合料混合均匀，第一混合料与第二混合料的重量比为3:1至1.5:1，得到联合改性的建筑渣土。

所述硫酸钙可以为市售硫酸钙粉末，其可以在没有进一步处理的情况下直接使用。

本发明人发现，在碱性条件下，渣土在OH^-离子的强烈作用下克服了富钙相的分解活化能，首先使Ca-O、Mg-O键断裂，使富钙相的堆聚结构解体，生成大量的活性单元，这些活性单元是不稳定的新生态，既能相互链接，也能和溶液中的Ca²⁺结合成新的CSH凝胶体，富钙相被瓦解后，矿渣玻璃体的连续结构支离破碎，富硅相裸露出来，OH^-离子作用下，富硅相中Si-O-Si、Si-O-Al、Al-O-Al等键也发生断裂，玻璃体彻底瓦解。SiO₄ ^4-、AlO₄ ^5-、Ca²⁺离子进入溶液，重新组合，形成新的水化产物。

此外，火山灰和粉煤灰是一类高硅、高铝、低钙的玻璃体，聚合度大，网络严密，要充分激发其活性，必须破坏其Si-O、Al-O键，Si-O键的断裂主要受碱度的影响，Al-O键的断裂除了受OH^-离子的影响外，还与SO₄ ^2-有关，因此在本发明中选择硫酸钙可以同时激发火山灰、粉煤灰以及渣土。硫酸钙可以来自于火力发电厂石膏法废气处理后产生的硫酸钙废弃物，易于获得且价格便宜。

在本发明中，激发剂可以为复合生物激发剂，还可以为碱类激发剂和/或盐类激发剂。

在一个优选实施方案中，所述煤矸石粉的粒径为0.1-5cm，优选0.5-1.0cm，更优选0.5-0.8cm，并且表面包覆有火山灰。其制备方法包括：(1)将煤矸石原料破碎成粒径为0.5-5cm，优选0.5-1.0cm，更优选0.5-0.8cm的颗粒；(2)将所述颗粒与基于该颗粒总重量计0.01-0.05重量％，优选0.02重量％的生石灰(CaO)和0.1-1.0重量％，优选0.5重量％的火山灰粉混合至均匀，制得混合料；和(3)向所述混合料加入基于该混合料总重量计0.1-1.5重量％，优选1.0重量％的水，搅拌至均匀，然后在环境条件下放置1-5天。

所述煤矸石粉粒径的定义与本领域通常理解的不规则颗粒物的粒径含义相同，是指颗粒的最大粒径。

本发明人发现，煤矸石在空气和水的作用下，会继续发生物理和化学反应，例如其中的未氧化部分会继续发生氧化，因此性质不稳定，需要进行稳定化处理。本发明人经过深入研究发现，在煤矸石表面包覆一层火山灰后可以隔绝其与外界环境接触，防止其发生物理和化学反应，极大地提高稳定性。在本发明中，通过利用生石灰的反应能够使火山灰牢固地附着在煤矸石表面，起到了良好的包封作用。这种事先包封方式与施工时在煤矸石层的顶部和底部进行密封相比，密封效果要好很多，几乎可以完全隔绝外部环境。经试验发现，本发明的这种煤矸石包封方式，与施工时在煤矸石层的顶部和底部进行密封相比，能够使采用煤矸石的路基的寿命延长2倍以上，并且具有更大的施工灵活性。如前文所述，煤矸石粉随着产地不同而化学性质存在差异，因此给道路填筑带来了很大的不可预测性，然而，通过本发明的包封方式，可以消除这种性质差异带来的铺筑道路性能的不确定性。

在现有的以建筑垃圾为原料的再生微粉制备中，其采用的原料基本上均是废混凝土制备骨料中产生的细颗粒物质，并且制备的微粉难以获得较大的比表面积。更需要指出的是，在现有的以建筑垃圾为原料的再生微粉制备中，为了使制得的建筑或道路填筑材料满足要求，仅仅用再生微粉替代混凝土材料中部分水泥，而不能完全替代水泥。

本发明人出人意料的发现，通过将建筑垃圾中的红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃进行破碎、研磨，可以获得高表面积的性能非常优异的微粉，其在被本发明的激发剂激发后在某些性能方面超过了水泥，使得能够完全替代道路填筑材料中通常所用的水泥，且同时能够达到道路填筑所要求的性能指标。推测其原因，可能是因为建筑垃圾中的混凝土与建筑垃圾中的红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃相比，吸水性较大、强度较低、脆性较大，这些特点导致由再生废混凝土制备的微粉难以完全替代道路填筑材料中的水泥。相比之下，砖粉用作道路填筑材料在反应时，化学组成中的SiO₂和Al₂O₃等活性组分与激发剂中的组分例如氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等产物，从而形成水泥石强度。

本发明人还发现，具有活性的微粉(1)的比表面积只有在750-2200m²/kg的范围内才能够有效发挥水泥的替代作用，使道路填筑材料获得所需的抗压强度。当微粉的比表面积小于750m²/kg时，则该微粉的潜在活性不够，例如使道路的抗压强度、抗裂性能不足。而当比表面积大于2200m²/kg时，则性能提高不再显著并且制备成本增加。相比之下，当使用废弃混凝土进行微粉的研磨时，由于其吸水性大，易于导致潮湿，并且由于成分复杂，包含一定比例难以研磨的砂粒，即使通过研磨也难以获得500m²/kg以上的比表面积，再加之所述吸水性大、强度低等特点，导致在道路填筑材料中仅仅能够替代有限部分的水泥。本发明中红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃的研磨可以在研磨介质存在下进行。所述研磨可以在研磨介质存在下进行，所述研磨介质优选为硅酸锆球和的钇稳定氧化锆球的混合介质。

同样，发现具有活性的微粉(2)的比表面积只有在1000-3000m²/kg的范围内才能够有效使道路混凝土具有良好工作性和后期强度以及早期耐磨性。

两种微粉的复配可以使二者发挥协同作用，既具有微粉(1)的优异水化效果，又具有微粉(2)的强度，互相弥补各自的缺陷。

在施工垃圾中，红砖、青砖和瓦片占到垃圾组成的约7.0重量％，在拆除垃圾中，红砖占到垃圾组成的约5重量％，在建筑垃圾中还存在不少废陶瓷，这些都为本发明微粉的制备提供了充足的来源。

在本发明的道路填筑材料中，激发剂可以为复合生物激发剂，也可以为碱类激发剂和/或盐类激发剂。

所述复合生物激发剂可以为TerraZyme酶、β-葡糖苷酶和磷酸酶以(10～15):(1～2):(2～3)重量比的混合物。

通过该3种酶的组合，可以使其发现相互促进作用。当使用所述复合生物激发剂的道路填筑材料用作基层材料时，能够显著提高无侧限抗压强度、抗弯拉性能、抗压及抗弯拉模量，尤其能够使无侧限抗压强度相对于所述不添加所述复合生物激发剂或者使用单一生物激发剂(例如TerraZyme酶)的道路填筑材料，能够提高至少约17％。本发明的复合生物激发剂还可以增加了铺筑材料的稳定性，延长了道路的寿命，并且能够对长期存在基层中，能够长期保持固化效果。

在本发明的道路填筑材料中，关于所述碱类激发剂和/或盐类激发剂，优选为碱类激发剂和盐类激发剂的组合，即复合激发剂。碱激发主要是增加浆体的OH^-浓度.提高液相碱度，使液相的pH值保持大约12左右，这有利于钙矾石的形成和C₃S、C₂S水化速度的提高，从而激发了道路填筑材料中微粉的活性。

另外，由废陶瓷破碎、研磨至比表面积为1000-3000m²/kg获得的微粉通过与前述红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃破碎、研磨至比表面积为750-2200m²/kg获得的微粉相级配，二者可以起到相互协同促进作用，例如由废陶瓷获得的微粉可以使由红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃获得的微粉的激发速度提高近一倍。

所述激发剂可以为复合生物激发剂，也可优选为碱类激发剂和/或盐类激发剂。本发明人还发现，通过单一的碱激发剂可能难以使道路填筑材料达到最理想要求，激发剂与其它材料的匹配性较差，且道路填筑材料的稳定性不理想。本发明人经过大量研究和试验，寻求复合激发剂与所述微粉和渣土类原料的最佳匹配关系，最终发现通常还优选加入一定量的盐类激发剂。

所述复合激发剂为碱类激发剂A和盐类激发剂B的组合物，激发剂A与B的重量比为2:1-6:1；碱类激发剂A为基于碱类激发剂A的总重量计20-30重量％Ca(OH)₂、10-20重量％NaOH、10-30重量％Na₂CO₃和20-30重量％Na₂SiO₃·9H₂O的混合物；盐类激发剂B为基于盐类激发剂B的总重量计10-30重量％Na₂SO₄、20-30重量％CaSO₄·2H₂O、10-20重量％CaCl₂和20-30重量％Ca₂SO₄的混合物。

该道路填筑材料还可以包含1-5重量％来自建筑垃圾的改性和增强的木材纤维材料，其中所述改性和增强的木材纤维材料通过如下方法制得：

(1)将建筑垃圾中的废木材短切成最大直径为0.5-2cm的片段材料；

(2)将短切的片段材料置于搅拌罐内，加入表面改性剂的水溶液，搅匀，片段材料与表面改性剂的质量比为200:1-500:1，所述表面改性剂为聚乙烯聚吡咯烷酮，溶液中聚乙烯聚吡咯烷酮的浓度为20-30重量％；

(3)向表面改性后的片段材料中加入聚乙烯粉末、聚丙烯粉末或其混合物，混合均匀，使片段材料的表面附着聚乙烯粉末、聚丙烯粉末或其混合物，所述片段材料与聚乙烯、聚丙烯或其混合物的质量比为10:1-100:1；

(4)将步骤(3)得到的混合料在110℃-220℃，优选120℃-180℃，更优选130-170℃的条件下热处理30-60分钟，冷却至室温后得到改性和增强的木材纤维材料。

所述木材片段材料与聚乙烯粉末、聚丙烯粉末或其混合物的合适质量比，使得在热处理后，热熔的聚乙烯和/或聚丙烯恰好能够基本上完全包覆木材片段的表面，如果所述聚合物材料用量较少，则不能够完全覆盖木材片段的表面，使木材片段材料在作为路基材料使用过程中易于降解例如腐烂，而如果所述聚合物材料用量过大，则在成本方面不是有效的，并且使木材本身的性能例如韧性和一定强度难以发挥出来。

如前文所述，在目前的建筑垃圾回收利用中，建筑垃圾中的废旧木材没有得到有效利用，例如装修垃圾中包含相当比例的木材类建筑垃圾，都没有得到充分利用，往往是被焚烧掉，不仅没有有效利用其价值，还造成严重环境污染。针对该问题，本发明人经过研究发现，通过按照上述方法对木材进行改性和增强，可以特别有利地将其用作道路的水稳层、基层等中。以前的普遍认识是，木材易于腐烂，特别是在有水存在着的环境中，难以用在道路填筑材料中，更难以用在水稳层或底基层中。在本发明中，通过对其进行改性和增强处理，使其具有足够的耐水性，同时即使其在道路填筑中用在水稳层、底基层等中，也不会由于光的作用而导致改性材料老化。

所述聚乙烯、聚丙烯或其混合物优选来自垃圾中的废塑料。优选聚乙烯，更优选线性低密度聚乙烯(LLDPE)。本领域已知，垃圾例如建筑垃圾中的废塑料(如各种废塑料瓶)主要是线性低密度聚乙烯(LLDPE)，其具有强度高、韧性好、刚性强、耐热、耐寒、化学稳定性好等优点，还具有良好的耐环境应力开裂、耐撕裂强度等性能，并且可耐酸、碱、有机溶剂等。本发明人经过深入研究发现，所述这些性能与路基材料中所要求的材料性能非常吻合，因此优选使用来自垃圾中的废塑料的聚乙烯对木材纤维材料进行增强。通过本发明方法获得的木材纤维材料不仅进一步增强了木材纤维本身的韧性，还提供了高强度、高刚性、高耐热、高耐寒、高化学稳定性这样的所需性能。将建筑垃圾中的聚乙烯材质的废塑料粉碎成粉末即可用在所述方法中。

与此形成鲜明对比的是，一直以来，即使对废木材进行再利用，也通常是对木材进行防腐处理，然而这需要使用防腐剂，防腐剂通常是铬酸盐、硼酸盐、砷酸铜等盐，如果用在道路填筑材料的，会造成非常严重的环境污染，例如土壤污染。

此外，在本发明的木材纤维改性过程中，针对木材的表面物理和化学结构，从大量其它领域中使用的界面增容剂中筛选出聚乙烯聚吡咯烷酮作为界面增容剂，聚乙烯聚吡咯烷酮具有极性的侧基和疏水的主链，可以分别与木材和聚乙烯(或聚丙烯)接触，起到降低界面张力的增容作用，这种高分子增容剂的使用，避免了增容剂在使用过程中的迁移，有利于发挥出稳定的增容效果，同时有利于确保复合材料的性能稳定性。将聚乙烯聚吡咯烷酮配制成溶液，优选含水溶液使用，方法简便，不使用有机溶剂，进而还具有很好的环保性。

本发明还涉及上述道路填筑材料的制备方法，该方法包括以下步骤：将1-12重量％具有活性的微粉、10-25重量％煤矸石粉、40-70重量％渣土、0.02-0.06重量％的激发剂混合均匀，其混合顺序如下：

(1)将1-12重量％具有活性的微粉、10-25重量％煤矸石粉和0.02-0.06重量％的激发剂混合，充分搅拌至均匀；

(2)将步骤(1)得到的混合物与40-70重量％渣土混合，充分搅拌至均匀。

优选地，所述方法包括以下步骤：将1-12重量％具有活性的微粉，10-25重量％煤矸石粉，40-70重量％渣土，和0.02-0.06重量％的激发剂，以及可选的1-5重量％来自渣土的改性和增强的木材纤维材料和可选的0.01-2重量％的外加剂混合均匀，其混合顺序如下：

(1)将1-12重量％具有活性的微粉、10-25重量％煤矸石粉和0.02-0.06重量％的激发剂混合，充分搅拌至均匀；

(2)任选将步骤(1)得到的混合物与可选的1-5重量％来自渣土的改性和增强的木材纤维材料和0.01-2重量％的外加剂混合；和

(3)将步骤(2)得到的混合物与40-70重量％渣土混合，充分搅拌至均匀。

本发明人发现，与现有技术中常见的同时加料和混合的方法相比，激发剂更能够激发微粉的活性，其原因主要在于，如果在初始混合步骤中将比例非常低的激发剂与比例非常大的渣土材料混合，则容易被渣土包裹，从而使其难以和微粉材料接触；另外，煤矸石粉一般较为致密，可以在初始步骤中与活性微粉和激发剂混合，并且还可以提高混合料的密实性。

在一个优选实施方案中，建筑垃圾分拣步骤过程中分拣出的木材可以作为改性和增强的木材纤维材料的原料，由所述木材制备改性和增强的木材纤维材料的方法包括以下步骤：

(1)将渣土中的废木材短切成最大直径为0.5-2cm的片段材料；

(2)将短切的片段材料置于搅拌罐内，加入表面改性剂的水溶液，搅匀，片段材料与表面改性剂的质量比为200:1-500:1，所述表面改性剂为聚乙烯聚吡咯烷酮，溶液中聚乙烯聚吡咯烷酮的浓度为20-30重量％；

(3)向表面改性后的片段材料中加入聚乙烯粉末、聚丙烯粉末或其混合物，混合均匀，使片段材料的表面附着聚乙烯粉末、聚丙烯粉末或其混合物，所述片段材料与聚乙烯、聚丙烯或其混合物的质量比为10:1-100:1；

(4)将步骤(3)得到的混合料在110℃-220℃，优选120℃-180℃，更优选130-170℃的条件下热处理30-60分钟，冷却至室温后得到改性和增强的木材纤维材料。

当然，本领域技术人员可以意识到的是，如果建筑垃圾中的木材、废塑料得到的聚乙烯粉末的量不能够满足配料的需求，也任选可以从其它废物处理领域获取。

在另一个优选实施方案中，本发明的道路填筑材料中还可以包含0.01-5重量％，优选0.05-2重量％的混凝土外加剂。

本发明的混凝土外加剂优选包含或者是通过使如下单体(I)和单体(II)共聚获得的共聚物：

(I)

其中R¹为C1-C6的烷基，例如乙基，R²为C2-C6的烷氧基，例如乙氧基，n为2-10的整数；和

(II)α,β-不饱和羧酸或其盐；

其中单体(I)和(II)的重量比为50-95:5-50，所述共聚物的重均分子量为500-2000。

在所述结构中，重复乙氧基单元的存在进一步增强了铺筑混凝土的减水性能。

最优选地，所述α,β-不饱和羧酸具有如下化学结构式：

发现通过在苯环对位用F取代，可以进一步增强共聚物的减水性能，从而可以在道路填筑材料中加入低至0.01重量％的所述外加剂就可以实现所需减水性能。

本发明的这种具有优异减水性能的外加剂聚合物或其类似物尚未有报导。

聚合方法可以采用本领域常规的聚合方法来进行，例如本体聚合、溶液聚合、乳液聚合法或悬浮聚合。

本发明人经过研究发现，通过加入这样的外加剂，可以提供优异的减水性能，防止道路填筑材料的流动性随着时间降低，非常有利于在道路填筑中进行施工，并且使得能够有效避免水泥的使用，道路强度高。

具体实施方式

通过以下具体实施例和对比例，进一步描述本发明，但是实施例仅用于说明，并不能限制本发明的范围。

在本发明中，各项性能测试可以参照下列标准进行：1、GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》；2、GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》；3、混凝土减水剂质量标准和试验方法JGJ 56-84；4、GB 8076-2008；5、JTGE51-2009公路无机结合料稳定材料试验规程；和6、交通部颁发的《公路路面基层施工技术规范》。

实施例1

制备3吨重的道路填筑材料，基于该道路填筑材料的总重量计，其包含约10重量％具有活性的微粉，约20.94重量％煤矸石粉，约69重量％渣土，和约0.06重量％的激发剂。其中，所述具有活性的微粉通过在颚式粉碎机和研磨机中将建筑垃圾中的红砖破碎、研磨，获得的微粉的比表面积为2000m²/kg，通过在颚式粉碎机和研磨机中将废陶瓷破碎、研磨，获得的微粉的比表面积为2100m²/kg，将二者以1:2的重量比混合而成；所述渣土为来自钢混构筑物拆除产生的渣土；所述煤矸石粉为来自平顶山煤矿集团的煤矸石粉；激发剂为碱类激发剂A和盐类激发剂B的组合物，激发剂A与B的重量比为5:1；碱类激发剂A为基于碱类激发剂A的总重量计30重量％Ca(OH)₂、10重量％NaOH、30重量％Na₂CO₃和30重量％Na₂SiO₃·9H₂O的混合物；盐类激发剂B为基于盐类激发剂B的总重量计30重量％Na₂SO₄、25重量％CaSO₄·2H₂O、15重量％CaCl₂和30重量％Ca₂SO₄的混合物。

在所述道路填筑材料制备过程中，先将激发剂与微粉和煤矸石粉在搅拌器中充分混合，再与渣土混合。按照标准公路设计规范，取一定量的所述材料，制成Φ×h＝10cm×10cm的试件，测试其28d无侧限抗压强度。经测量，其28d的强度高达1.86MPa，完全满足高等级道路路基填筑材料的强度要求(0.8MPa)。

对比例1

按照与实施例1相同的操作程序制备3吨重的道路填筑材料，其与实施例1的不同之处仅在于红砖破碎、研磨获得的微粉用等重量的比表面积为约500m²/kg的建筑垃圾混凝土破碎、研磨获得的微粉替代。按照标准公路设计规范，取一定量的所述材料，制成Φ×h＝10cm×10cm的试件，按照与实施例1相同的方法测试其28d无侧限抗压强度。经测量，其28d的强度为0.81MPa，勉强满足高等级道路路基填筑材料的强度要求。

对比例2

按照与实施例1相同的操作程序制备3吨重的道路填筑材料，其与实施例1的不同之处仅在于红砖破碎、研磨获得的微粉的比表面积为500m²/kg，废陶瓷破碎、研磨获得的微粉的比表面积为600m²/kg。按照标准公路设计规范，取一定量的所述材料，制成Φ×h＝10cm×10cm的试件，按照与实施例1相同的方法测试其28d无侧限抗压强度。经测量，其28d的强度为0.74MPa，不满足高等级道路路基填筑材料的强度要求。

对比例3

按照与实施例1相同的操作程序制备3吨重的道路填筑材料，其与实施例1的不同之处仅在于不使用盐类激发剂B，其用等重量的碱类激发剂A替代。按照标准公路设计规范，取一定量的所述材料，制成Φ×h＝10cm×10cm的试件，按照与实施例1相同的方法测试其28d无侧限抗压强度。经测量，其28d的强度为0.82MPa，勉强满足高等级道路路基填筑材料的强度要求。

实施例2

改性和增强的木材纤维材料的制备

(1)将建筑垃圾中的废木材短切成最大直径为0.5-2cm不等的片段材料；

(2)将短切的片段材料置于搅拌罐内，加入25重量％的聚乙烯聚吡咯烷酮水溶液，用搅拌器搅拌均匀，片段材料与表面改性剂的质量比为300:1；

(3)向表面改性后的片段材料中加入聚乙烯粉末，充分混合，使其均匀，使片段材料的表面附着聚乙烯粉末，所述片段材料与聚乙烯的质量比为80:1；

(4)将步骤(3)得到的混合料在135℃的条件下热处理45分钟，冷却至室温后得到改性和增强的木材纤维材料。

实施例3

按照与实施例1相同的操作程序制备3吨重的道路填筑材料，其与实施例1的不同之处仅在于在实施例1的道路填筑材料的基础上加入为实施例1的道路填筑材料总重量的3重量％的实施例2制得的改性和增强的木材纤维材料。按照标准公路设计规范，取一定量的所述材料，制成Φ×h＝10cm×10cm的试件，按照与实施例1相同的方法测试其28d无侧限抗压强度。经测量，其28d的强度为2.30MPa，无侧限抗压强度强度提高24％，完全满足高等级道路路基填筑材料的强度要求，并且还满足高速公路的无侧限抗压强度要求。

实施例4：外加剂的制备

单体(I)的化学结构式为：

其中R¹为乙基，R²乙氧基，n为5，该单体可以通过将聚乙二醇和乙基丙烯酸按照常规酯化方法进行酯化、然后将酯化产物与乙氧基氯按照常规消除反应制得，或者可以直接商购自Sigma-Aldrich公司；

单体(II)的化学结构式为：

该单体可商购自上海化学试剂公司；

采用乳液聚合法，向500mL带有机械搅拌装置的圆底烧瓶中加入80g单体(I)和10g单体(II)以及200mL去离子水，搅拌下通氮气，然后加入0.1g过硫酸铵作为引发剂，升温至聚合温度，聚合温度为80℃，保持反应4小时，结束反应后回收聚合产物，经测量所得共聚物的重均分子量为约1500。

实施例5：

按照与实施例1相同的操作程序制备3吨重的道路填筑材料R’，其与实施例1的不同之处仅在于在实施例1的道路填筑材料的基础上加入为该道路填筑材料总重量的0.2重量％的实施例4制得的外加剂。按照标准公路设计规范，将所述材料作为公路基层进行铺筑，测试减水性和减水剂收缩率比。

对比例4：

按照与实施例1相同的操作程序制备3吨重的道路填筑材料R”，其与实施例1的不同之处仅在于在实施例1的道路填筑材料的基础上加入为该道路填筑材料总重量的0.3重量％的市售TH-928聚羧酸系高性能减水剂。TH-928聚羧酸系高性能减水剂是目前所认为性能较好的减水剂。按照标准公路设计规范，将所述材料作为公路基层进行铺筑，测试减水性和减水剂收缩率比。

表1：不同外加剂的性能对比

与常规减水剂相比，本发明的减水剂使减水性提高5％，并且收率降低18％，这反映在用量非常大的道路填筑材料中，能够减少水的用量、大大提高道路填筑材料的强度，通过所述减水性能的增强，可以获得高强道路填筑材料，避免水泥的使用。同时，所述减水剂的优异性能可以延长道路填筑材料的寿命可多达一倍以上，从而极大地延长道路的使用寿命。

最后应说明的是，显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种道路填筑材料，基于该道路填筑材料的总重量计，其包含1-12重量％具有活性的微粉，10-25重量％煤矸石粉，40-70重量％渣土，和0.02-0.06重量％的激发剂；

所述渣土为联合改性建筑渣土，所述改性方法包括以下步骤：

(1)将建筑渣土进行风干，然后粉碎，过6mm筛，收集粒径大于6mm且小于30mm的建筑渣土作为粗料，粒径小于6mm的建筑渣土作为细料；

(2)将所述细料与石灰粉混合均匀，然后在自然条件下放置1-3天，制得第一混合料，其中基于第一混合料的总重量计，石灰粉的含量为5-15重量％，并且其中，石灰粉的粒径小于1mm；

(3)将所述粗料与火山灰、粉煤灰和硫酸钙依次混合均匀，然后在自然条件下放置3-5天，制得第二混合料，其中基于第二混合料的总重量计，火山灰的含量为1-5重量％，粉煤灰的含量为5-10重量％，硫酸钙的含量为0.2-1.0重量％，并且其中，火山灰的粒径小于0.50mm，粉煤灰的粒径小于1mm；和

(4)将第一混合料和第二混合料混合均匀，第一混合料与第二混合料的重量比为3∶1至1.5∶1，得到联合改性的建筑渣土。

2.根据权利要求1所述的道路填筑材料，其中该道路填筑材料不包含水泥、沥青或水泥混凝土。

3.根据权利要求1或2所述的道路填筑材料，其中所述具有活性的微粉为如下两种微粉(1)和(2)以1∶5-5∶1的重量比例混合制得：(1)通过将建筑垃圾中的红砖、青砖、瓦和/或碎玻璃破碎、研磨至比表面积为750-2200m²/kg获得的微粉；和(2)将废陶瓷破碎、研磨至比表面积为1000-3000m²/kg获得的微粉。

4.根据权利要求1或2所述的道路填筑材料，其中所述激发剂为复合生物激发剂，该复合生物激发剂为TerraZyme酶、β-葡糖苷酶和磷酸酶以(10～15)∶(1～2)∶(2～3)重量比的混合物。

5.权利要求1-4中任一项所述的道路填筑材料的制备方法，该方法包括以下步骤：将1-12重量％具有活性的微粉、10-25重量％煤矸石粉、40-70重量％渣土、0.02-0.06重量％的激发剂混合均匀，其混合顺序如下：

(1)将1-12重量％具有活性的微粉、10-25重量％煤矸石粉和0.02-0.06重量％的激发剂混合，充分搅拌至均匀；

(2)将步骤(1)得到的混合物与40-70重量％渣土混合，充分搅拌至均匀。