CN105585261B - 地聚合物透水混凝土材料、制备方法及应用 - Google Patents

地聚合物透水混凝土材料、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了地聚合物透水混凝土材料、制备方法及应用，组分和质量百分比如下：煤矸石55％～70％，矿渣5％～10％，赤泥10％～25％，碱激发剂5％～15％，能在人行道工程和停车场工程中的应用。本发明的有益效果是：采用煤矸石和矿渣作为透水混凝土材料的主要材料，有效利用了生产的废料，提高了工业废气物的利用价值，且矿渣属于富钙物质，能有效提高材料的活性；通过煅烧的方式制备透水混凝土材料，能够显著提高地聚合物中的硅和铝的溶出率，从而提高透水混凝土材料的活性；透水混凝土中的各比例成分避免了混合物中硅铝含量不足情况的发生。

Description

地聚合物透水混凝土材料、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及道路工程建设，具体涉及地聚合物透水混凝土材料、制备方法及应用。
背景技术
现有城市道路所采用的混凝土多是不透水的，在雨季时节，经常会出现城市“看海”的情形，给城市居民出行造成一定的危害。透水混凝土是针对原城市道路的路面的缺陷，开发使用的一种能让雨水流入地下，有效补充地下水，缓解城市的地下水位急剧下降等等一些环境问题的新型道路混凝土。然而，制备透水混凝土所需要的水泥工业是高物耗、高能耗、高污染的产业，水泥生产过程对环境污染十分突出，每年向大气排放的烟尘粉尘和烟尘量近1000万吨，严重污染生态环境。水泥工业对资源的消耗也是巨大的，生产水泥所需的石灰石、粘土都是不可再生的资源，而且大量的黏土来自农田，每吨水泥需要消耗一吨石灰石，200千克粘土，浪费了资源又污染了环境。因此，有必要寻求一种在透水混凝土中替代部分水泥的新型物质，用来制作新型环保的透水混凝土。
地聚合物是一种由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，无定形到半晶态，属于非金属材料。地聚合物原料价格低廉储量丰富，其主要构成元素硅、铝、氧在地壳中储量分别为27％、8％、47％，可利用矿渣废物、建筑生产垃圾等为原料生产，且生产能耗低。研究发现生产1吨的地聚合物仅生产大约0.1吨的CO2，相较于水泥，其环保效应尤为明显。因此，以上优势决定了地聚合物可以被大量生产并运用于工程实际。与此同时，地聚合物具还有普通水泥所不具有的优良性质，如具有优良的机械性能、耐火、耐高温及耐化学腐蚀的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种以赤泥、煤矸石为原料的地聚合物透水混凝土材料、制备方法及应用。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
地聚合物透水混凝土材料，其组分和质量百分比如下：煤矸石60％～75％，矿渣5％～10％，赤泥10％～25％，碱激发剂5％～15％，采用煤矸石和矿渣作为透水混凝土材料的主要材料，有效利用了生产的废料，提高了工业废气物的利用价值，且矿渣属于富钙物质，能有效提高材料的活性。
进一步地，所述碱激发剂为氢氧化钠，采用的碱激发剂，模数高，激发后材料强度高。
进一步地，所述矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉。
进一步地，所述煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，粉磨后的比表面积为280～300㎡/kg。
地聚合物透水混凝土材料的制备方法，具体步骤如下：
1)将煤矸石、矿渣、赤泥的混合物进行研磨并过筛；
2)在步骤1)中过筛后的混合物中加入碱激发剂，混合均匀；
3)将步骤2)中混合后的混合物放置在设定温度下煅烧设定的时间，冷却后进行过筛，获取到混凝土材料微粒。
进一步地，所述步骤1)中煤矸石与赤泥的质量比大于等于3:1。
进一步地，所述步骤2)中过筛后的混合物与碱激发剂的质量比在1:9～1:5之间。
进一步地，所述步骤3)中煅烧温度为600～900℃，煅烧时间为1-2小时。
所述的混凝土材料在人行道工程和停车场工程中的应用，地聚合物透水混凝土材料与土体的质量比在1:8～1:9之间，湿法处理软土地基时，水与地聚合物透水材料的比例在0.40～0.60之间。
进一步地，在地聚合物透水混凝土材料与土体的混合物之间加入缓凝剂，缓凝剂为模数为2.5～2.8的水玻璃和模数为2.5～3.5的硅酸钠溶液的组合。
本发明的工作原理是：工业生产中产生的煤矸石、赤泥等垃圾内部通常含有大量的铝、硅、铁、钠、钙等金属与非金属元素的氧化物，尤其是煤矸石与赤泥中含量最多的铝、硅元素正是地聚合物的AlO4和SiO4四面体结构单元的基本元素。由于原始的煤矸石和赤泥中其铝硅酸盐活性差，在碱性溶液中溶解度低，导致其铝、硅含量不足，研究发现，经过高温煅烧后的煤矸石和赤泥其硅、铝的溶出率显著增加，活性明显升高。如图1所示为煤矸石和赤泥混合物煅烧后的X射线衍射分析(XRD)谱线图。从图中可以看出，高温煅烧后的煤矸石和拜耳法赤泥的XRD谱线主要在20°～40°之间，呈弥散的馒头状，这表明这两种地聚合物结构主要为无定形态，活性很高。
地聚合物是在碱水玻璃的激发下由硅氧四面体和铝氧四面体聚合形成的空间三维网络状结构，其反应过程中不存在水化反应，其最终产物以离子键和共价键为主，分子作用力为辅，而水泥则是以分子间作用力及氢键为主。正是由于地聚合物特殊的网络结构及其分子间化学键，使得地聚合物材料在许多方面具有优良的特性：高强度，主要的力学性能指标优于水泥；具有较强的耐腐蚀性和耐久性；较好的快硬固化性。地聚合物作为新型的胶凝材料，能够将沙粒及土颗粒进行包裹和胶结，硬化后形成一个共同工作的整体，具有与水泥相似但却优于水泥的功能特性。因此，研制以煤矸石和赤泥为基本原料的地聚合物透水混凝土及其制备方法，对现有建筑工程尤其是道路工程建设，具有重要作用。
本发明的有益效果是：
1)通过煅烧的方式制备透水混凝土材料，能够显著提高地聚合物中的硅和铝的溶出率，从而提高透水混凝土材料的活性。
2)透水混凝土中的各比例成分避免了混合物中硅铝含量不足情况的发生。
3)重新设计了地聚合物的配方，利用了工业中常见的大宗废物赤泥和煤矸石，环保、力学性能好，制作好的地聚合物可以直接使用，方便运用到实际工程中。
4)采用的碱激发剂，模数高，激发后材料强度高。
5)采用的拜尔法赤泥，煅烧制得的凝胶材料可做材料的活性混合成分，利用赤泥的同时也保护了环境。
6)本发明的地聚物透水混凝土早期强度较高，非常适用于工期紧凑天气条件不好的地段。
附图说明
图1是煤矸石和赤泥混合物煅烧后的X射线衍射分析(XRD)谱线图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
煤矸石中铝硅氧化物的含量要多于拜耳法赤泥的含量，但拜耳法赤泥中含有较多的生产地聚合物所需的碱金属氧化物。因此，煤矸石和拜尔法赤泥均匀混合物中为了防止混合物中硅铝含量不足情况的发生，煤矸石和赤泥的比例不小于3:1。然后将煤矸石和赤泥的混合物充分研磨并过筛，获取尺寸数小于0.15mm的微粒。经过过筛后获取的混合物按照质量比为1:9～1:5的比例添加氢氧化钠，混合均匀。针对拜耳法赤泥及煤矸石本身铝硅酸盐活性差，在碱性溶液中溶解度较低，及其硅含量不足的情况，对其混合物采用高温煅烧活化的方式，能够显著提高其中硅、铝的溶出率，从而提高其活性。因此将研磨过筛并混合均匀的煤矸石、赤泥、钠碱金属氧化物的混合物置于高温600～900℃下煅烧一至两个小时，自然冷却后过筛，将烧结在一起的大颗粒筛出后研磨重新过筛，获取0.15mm的微粒，装袋备用。
施工前进行拟处理土的室内配比试验，针对现场拟处理的最软弱土层的性质，选择合适的地聚合物及外掺剂的掺量；通常，地聚合物透水混凝土材料的掺量宜为10％～20％，湿法处理软土地基时，地聚合物浆的水灰比(地聚合物透水混凝土材料/水)宜选用0.40～0.60。使用地聚合物透配制地聚合物浆时，向水中添加适量的钠水玻璃，其质量宜为加固地基所用地聚合物透水混凝土质量的3％～10％，模数1.5～2.5。同时，根据工程需要和土质条件添加早强、减水等外掺剂。
针对地聚合物透水混凝土材料在实施例1和实施例2中的应用，具体施工步骤如下：
1)路基施工路基要根据现场情况和使用用途来确定。如果现场比较平坦，把现场平整然后碾压一下即可，碾压可用压路机或者打夯机人工打夯。如果现场不平整而且土质差，就要做路面垫层，垫层种类要根据实际情况选择。
2)面层施工：
(1)模板准备和钢筋设置
(2)地聚合物透水混凝土搅拌和运输
(3)地聚合物透水混凝土摊铺
(4)道路表面修整
(5)接缝的设置和施工
(6)拆模养护和封缝。
实例1：地聚合物透水混凝土在人行道工程中的应用
地聚合物透水混凝土有效地使雨水流入地下，补充了地下水，并能有效地消除地面上的油类化合物等对环境污染的危害。人行道中，交通荷载较小，且对路面的沉降变形要就较低。为了制备适用于道路建设的地聚合物透水混凝土，选用山东铝厂生产的拜耳法赤泥和山东兖矿生产的煤矸石，煤矸石和拜耳法赤泥比例为3:1，具体地，煤矸石占60％，赤泥为20％，矿渣为10％，充分研磨并过筛，获取尺寸数小于0.15mm的微粒，随后按照氢氧化钠与煤矸石质量比为1:9的比例添加氢氧化钠并混合均匀，氢氧化钠为10％，置于700℃的高温下煅烧一小时，自然冷却后过0.15mm的筛，装袋备用。
制作地聚合物透水混凝土时，地聚合物透水混凝土材料为10％，模数为2.5的钠水玻璃的添加量为地聚合物透水混凝土材料的5％。将钠水玻璃溶于水制取水灰比为0.38的地聚合物浆液，然后引入粗集料混合，待成型后用80℃蒸养8h的方法带膜养护24小时后脱膜养护28d，后进行抗压抗折实验，为了对比还制备了相同强度等级的硅酸盐水泥混凝土，经试验测得的结果如表1所示，所得强度符合要求。
表1 地聚合物用作人行道中的试验结果
实例2：地聚合物透水混凝土在停车场工程中的应用
地聚合物透水混凝土有效地使雨水流入地下，补充了地下水，并能有效地消除地面上的油类化合物等对环境污染的危害。在停车场工程中，交通荷载及流量都较大，且对路面的沉降变形要求高。为了制备适用于道路建设的地聚合物透水混凝土，选用山东铝厂生产的拜耳法赤泥和山东兖矿生产的煤矸石，煤矸石和拜耳法赤泥比例为5:1，具体地，煤矸石占70％，赤泥为14％，矿渣为10％，充分研磨并过筛，获取尺寸数小于0.15mm的微粒，随后按照氢氧化钠与煤矸石质量比为1:5的比例添加氢氧化钠并混合均匀，氢氧化钠为6％，置于700℃的高温下煅烧一小时，自然冷却后过0.15mm的筛备用。
制作地聚合物透水混凝土时，地聚合物透水混凝土材料为20％，模数为2.5的钠水玻璃的添加量为地聚合物透水混凝土材料的10％。将钠水玻璃溶于水制取水灰比为0.34的地聚合物浆液，然后引入粗集料混合，待成型后用80℃蒸养8h的方法带膜养护24小时后脱膜养护28d，后进行抗压抗折实验，为了对比还制备了相同强度等级的硅酸盐水泥混凝土，经试验测得强度符合要求，经试验测得的结果如表2所示，所得强度符合要求。
表2 地聚合物用作停车场工程中的试验结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.地聚合物透水混凝土材料，其特征在于，组分和质量百分比如下：煤矸石55%~70%，矿渣5%~10%，赤泥10%~25%，碱激发剂5%~15%，所述碱激发剂为氢氧化钠，所述矿渣为S95级粒化高炉矿渣粉，所述煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，粉磨后的比表面积为280~300㎡/kg，赤泥为拜尔法赤泥；
地聚合物透水混凝土材料的制备方法，具体步骤如下：
1）将煤矸石、矿渣、赤泥的混合物进行研磨并过筛，煤矸石与赤泥的质量比大于等于3:1；
2）在步骤1）中过筛后的混合物中加入碱激发剂，混合均匀，过筛后的混合物与碱激发剂的质量比在1:9~1:5之间；
3）将步骤2）中混合后的混合物放置在设定温度下煅烧设定的时间，冷却后进行过筛，获取到混凝土材料微粒，煅烧温度为600~900℃，煅烧时间为1-2小时。
2.如权利要求1所述的混凝土材料在人行道工程和停车场工程中的应用，其特征在于，地聚合物透水混凝土材料与土体的质量比在1:8~1:9之间，湿法处理软土地基时，水与地聚合物透水材料的比例在0.40~0.60之间，在地聚合物透水混凝土材料与土体的混合物之间加入缓凝剂，缓凝剂为模数为2.5~2.8的水玻璃。
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