CN105884298B - 一种混凝土路面用高硬度复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种混凝土路面用高硬度复合材料及其制备方法，由复合增强剂、硅酸盐水泥、强化粉、石英砂、速凝剂和添加剂组成，复合增强剂由单质硅粉、氧化铝微粉、硅微粉、骨粉、铁矿废渣、金属粉烧结后与火山灰混合粉磨而成，强化粉由高岭土、黏土、煤矸石、铝灰、赤泥、钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉烧结后粉磨而成，添加剂由淀粉、碳酸钠和羧甲基淀粉钠组成。在使用时，将该复合材料与砂石、水拌合形成混凝土进行施工，与现有的普通水泥混凝土相比，具有更高的强度和耐磨性，能够大幅度提高所铺设水泥路面的使用寿命。

Description

一种混凝土路面用高硬度复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及到建筑材料领域的水泥混凝土，具体的说是一种混凝土路面用高硬度复合材料及其制备方法。
背景技术
由于水泥混凝土具有高强度、耐侵蚀以及原料来源广泛等优点，现有技术中被广泛应用于道路的施工，形成传统意义上的水泥混凝土路面。由于水泥混凝土路面是一种刚度较大、扩散荷载应力能力强、稳定性好和使用寿命长的路面结构，它与其他路面相比，具有强度高、稳定性好、耐久性好、养护费用低、抗滑性能好和利于夜间行车等优点。但是由于施工时采用的是普通的水泥拌合砂石形成的混凝土，其强度有一定的上限，在反复通行大型运输车时间长之后，很容易导致局部产生裂纹或塌陷等缺陷，这些缺陷一旦产生修复起来十分困难。
发明内容
为解决现有的水泥混凝土铺路时存在的强度不足导致通行大型运输车时间长之后产生裂纹或塌陷的问题，本发明提供了一种混凝土路面用高硬度复合材料及其制备方法，在使用时，将该复合材料与砂石、水拌合形成混凝土进行施工，与现有的普通水泥混凝土相比，具有更高的强度和耐磨性，能够大幅度提高所铺设水泥路面的使用寿命。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种混凝土路面用高硬度复合材料，按照重量比，由18-20%的复合增强剂、60-62%的硅酸盐水泥、10-12%的强化粉、4-6%的石英砂、0.6-0.8%的速凝剂和3.2-3.4%的添加剂制成，按照重量比，所述复合增强剂由8-9份的单质硅粉、7-8份的氧化铝微粉、16-18份的硅微粉、2-3份的骨粉、7-8份的铁矿废渣、3-5份的金属粉烧结后与12-16份的火山灰混合粉磨而成，所述强化粉由16-18份的高岭土、6-7份的黏土、12-13份的煤矸石、12-13份的铝灰、8-9份的赤泥、0.8-1.2份的钼铁粉、0.8-1.2份的镍铁粉和0.8-1.2份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由4-8份的淀粉、2-3份的碳酸钠和9-10份的羧甲基淀粉钠组成。
所述金属粉为铝粉、镁粉和铁粉按照重量比2:1:1的比例混合而成。
所述复合增强剂和强化粉的粒径不超过150微米。
上述混凝土路面用高硬度复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基淀粉钠混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、硅微粉、骨粉、金属粉和铁矿废渣，首先将单质硅粉按照重量比分成1:1的两部分，然后将金属粉、硅微粉和其中一部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度2-3h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、铁矿废渣和另一部分单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度3-4h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到复合增强剂；
4）选取步骤1）称量好的高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结2-3h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度3-5h，冷却后粉磨即得到强化粉；
5）将步骤1）称量好的石英砂、步骤3）得到的复合增强剂和步骤4）得到的强化粉混合后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结4-5h后降温冷却，然后将其与硅酸盐水泥混合、粉磨后装袋，再将其与装有添加剂的袋子和装有速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以100-200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
所述步骤4）中的冷却是指以100-200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）本发明的复合增强剂中含有的氧化铝、硅微粉、单质硅粉和铝粉、镁粉、铁粉组成的金属粉，在1800℃高温下进行初次烧结，其中的氧化铝、金属粉氧化产生的氧化铁、氧化镁与氧化硅产生SiO2- Fe2O3、Mg- Fe2O3及类似SiO2与Fe2O3结合的玻璃相，从而大幅度提高了强度和密实度，增强了抗热震性能和耐侵蚀性；之后，加入的另一部分单质硅粉在二氧化碳环境中烧结，仍保留单质形态，并在高温下与骨粉形成粘塑性相，弥散分布在材料中，提高材料的韧性，改善材料的抗热震性，铁矿废渣在高温下熔融，充分融入到熔融物中，进一步增强强度和硬度，而且也提高了材料的整体均一性；最后，氧化铝与氧化硅反应生成针、柱状的莫来石晶体，从而进一步改善了强度和硬度；
2）本发明将石英砂、复合增强剂与强化粉混合后再次进行烧结，未参与反应的氧化硅和石英砂熔融条件下，能改善熔融态体系中颗粒的紧密堆积，氧化铝微粉活性大，作为填充料粒度易于分散，大大提高其填充率，三种物料实现复合火山灰效应，对提高材料的抗压强度和抗侵蚀性能具有很强的作用；
3）本发明的强化粉中含有的高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥在1600℃烧结，使得含有的氧化铁（赤泥中含有）、氧化铝（铝灰中含有）和氧化硅（煤矸石）反应，形成SiO2-Fe2O3及针、柱状的莫来石晶体，大幅度提高强化粉的强度和抗热震性能；而后，通过在其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，由于烧结温度和烧结时间的原因，少部分钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉会弥散于还未彻底成型的SiO2- Fe2O3及针、柱状的莫来石结构中，从而进一步提高了强度，绝大部分的钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉仍保持其形态和性能融合于增强粉中，形成类似于金属陶瓷的结构和性能，大幅度提高其耐侵蚀性和强度；
4）本发明将复合增强剂与强化粉混合后再次进行烧结，可以使得以上两种不同的增强相有机结合，进一步提高上述增强相的含量，同时，采用烧结后急速冷却的方式，可以使物料中的增强相之间产生裂隙缺陷，从而在不破坏增强相的前提下易于粉碎。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述，各实施例中所用的物料组分，均为本领域常规原料。
实施例1
一种混凝土路面用高硬度复合材料，按照重量比，由18%的复合增强剂、62%的硅酸盐水泥、12%的强化粉、4%的石英砂、0.6%的速凝剂和3.4%的添加剂制成，按照重量比，所述复合增强剂由8份的单质硅粉、7份的氧化铝微粉、16份的硅微粉、2份的骨粉、7份的铁矿废渣、3份的金属粉烧结后与12份的火山灰混合粉磨而成，所述强化粉由16份的高岭土、6份的黏土、12份的煤矸石、12份的铝灰、8份的赤泥、0.8份的钼铁粉、1.2份的镍铁粉和1份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由4份的淀粉、2份的碳酸钠和9份的羧甲基淀粉钠组成；所述金属粉为铝粉、镁粉和铁粉按照重量比2:1:1的比例混合而成。
上述混凝土路面用高硬度复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基淀粉钠混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、硅微粉、骨粉、金属粉和铁矿废渣，首先将单质硅粉按照重量比分成1:1的两部分，然后将金属粉、硅微粉和其中一部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度2h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、铁矿废渣和另一部分单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度3h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到复合增强剂；
4）选取步骤1）称量好的高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结2h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度3h，冷却后粉磨即得到强化粉；
5）将步骤1）称量好的石英砂、步骤3）得到的复合增强剂和步骤4）得到的强化粉混合后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结4h后降温冷却，然后将其与硅酸盐水泥混合、粉磨后装袋，再将其与装有添加剂的袋子和装有速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述复合增强剂和强化粉的粒径不超过150微米；
又如，所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以100℃/min的降温速率急速冷却至室温；
再如，所述步骤4）中的冷却是指以100℃/min的降温速率急速冷却至室温。
实施例2
一种混凝土路面用高硬度复合材料，按照重量比，由20%的复合增强剂、60%的硅酸盐水泥、10%的强化粉、6%的石英砂、0.8%的速凝剂和3.2%的添加剂制成，按照重量比，所述复合增强剂由9份的单质硅粉、8份的氧化铝微粉、18份的硅微粉、3份的骨粉、8份的铁矿废渣、5份的金属粉烧结后与16份的火山灰混合粉磨而成，所述强化粉由18份的高岭土、7份的黏土、13份的煤矸石、13份的铝灰、9份的赤泥、1.2份的钼铁粉、1份的镍铁粉和0.8份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由8份的淀粉、3份的碳酸钠和10份的羧甲基淀粉钠组成；所述金属粉为铝粉、镁粉和铁粉按照重量比2:1:1的比例混合而成。
上述混凝土路面用高硬度复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基淀粉钠混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、硅微粉、骨粉、金属粉和铁矿废渣，首先将单质硅粉按照重量比分成1:1的两部分，然后将金属粉、硅微粉和其中一部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度3h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、铁矿废渣和另一部分单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度4h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到复合增强剂；
4）选取步骤1）称量好的高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结3h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度5h，冷却后粉磨即得到强化粉；
5）将步骤1）称量好的石英砂、步骤3）得到的复合增强剂和步骤4）得到的强化粉混合后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结5h后降温冷却，然后将其与硅酸盐水泥混合、粉磨后装袋，再将其与装有添加剂的袋子和装有速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述复合增强剂和强化粉的粒径不超过150微米；
又如，所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以200℃/min的降温速率急速冷却至室温；
再如，所述步骤4）中的冷却是指以200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
实施例3
一种混凝土路面用高硬度复合材料，按照重量比，由19%的复合增强剂、61%的硅酸盐水泥、11%的强化粉、5%的石英砂、0.7%的速凝剂和3.3%的添加剂制成，按照重量比，所述复合增强剂由8.5份的单质硅粉、7.5份的氧化铝微粉、17份的硅微粉、2.5份的骨粉、7.5份的铁矿废渣、4份的金属粉烧结后与14份的火山灰混合粉磨而成，所述强化粉由17份的高岭土、6.5份的黏土、12.5份的煤矸石、12.5份的铝灰、8.5份的赤泥、1份的钼铁粉、0.8份的镍铁粉和1.2份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由6份的淀粉、2.5份的碳酸钠和9.5份的羧甲基淀粉钠组成；所述金属粉为铝粉、镁粉和铁粉按照重量比2:1:1的比例混合而成。
上述混凝土路面用高硬度复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基淀粉钠混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、硅微粉、骨粉、金属粉和铁矿废渣，首先将单质硅粉按照重量比分成1:1的两部分，然后将金属粉、硅微粉和其中一部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度2.5h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、铁矿废渣和另一部分单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度3.5h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到复合增强剂；
4）选取步骤1）称量好的高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结2.5h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度4h，冷却后粉磨即得到强化粉；
5）将步骤1）称量好的石英砂、步骤3）得到的复合增强剂和步骤4）得到的强化粉混合后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结4.5h后降温冷却，然后将其与硅酸盐水泥混合、粉磨后装袋，再将其与装有添加剂的袋子和装有速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
以上为本实施例的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的限定：
如，所述复合增强剂和强化粉的粒径不超过150微米；
又如，所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以150℃/min的降温速率急速冷却至室温；
再如，所述步骤4）中的冷却是指以150℃/min的降温速率急速冷却至室温。
除了以上方案之外，为了进一步增强本发明的水泥基复合材料的性能，可以在添加剂中额外再加入7-9份的聚丙烯晴纤维或芳纶纤维，聚丙烯晴纤维或芳纶纤维具有高强度、高模量、耐光、耐高温、耐磨、耐酸碱腐蚀、抗疲劳、抗蠕变的优异性能，其强度是钢纤维的5-6倍，模量是钢纤维的2-3倍，韧性是钢纤维的2倍，聚丙烯晴纤维或芳纶纤维大大的减少了材料中毛细孔的尺度和连通毛细孔的数量，有效地提高了材料的耐久性、抗渗性和抗冻融性；
当然，也可以在添加剂中再加入1-2份的熟石膏、1-2份的膨润土、3-4份的蛇纹石细粉、2-3份的铬铁矿粉和3-4份的钛铁矿粉，从而更进一步提高本发明所铺设混凝土路面的强度和硬度，且蛇纹石细粉、铬铁矿粉和钛铁矿粉的粒径均不超过0.074mm。

Claims (5)

1.一种混凝土路面用高硬度复合材料，其特征在于：按照重量比，由18-20%的复合增强剂、60-62%的硅酸盐水泥、10-12%的强化粉、4-6%的石英砂、0.6-0.8%的速凝剂和3.2-3.4%的添加剂制成，按照重量比，所述复合增强剂由8-9份的单质硅粉、7-8份的氧化铝微粉、16-18份的硅微粉、2-3份的骨粉、7-8份的铁矿废渣、3-5份的金属粉烧结后与12-16份的火山灰混合粉磨而成，所述强化粉由16-18份的高岭土、6-7份的黏土、12-13份的煤矸石、12-13份的铝灰、8-9份的赤泥、0.8-1.2份的钼铁粉、0.8-1.2份的镍铁粉和0.8-1.2份的硅铁粉烧结后粉磨而成，所述添加剂由4-8份的淀粉、2-3份的碳酸钠和9-10份的羧甲基淀粉钠组成；
上述混凝土路面用高硬度复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1）按照上述的比例称取各物料，备用；
2）选取步骤1）称量好的淀粉、碳酸钠和羧甲基淀粉钠混合均匀后配制成添加剂，并将其与市售的速凝剂分别装袋储存；
3）选取步骤1）称量好的单质硅粉、氧化铝微粉、硅微粉、骨粉、金属粉和铁矿废渣，首先将单质硅粉按照重量比分成1:1的两部分，然后将金属粉、硅微粉和其中一部分单质硅粉混合均匀后置于1800℃的烧结炉内，待其完全熔融后将氧化铝微粉加入到其中并保持该温度2-3h，而后向烧结炉内鼓入二氧化碳气体降温，待炉内温度降低至1600℃时，将骨粉、铁矿废渣和另一部分单质硅粉加入到熔融物中，在保持烧结炉内二氧化碳氛围的条件下将炉温升高到1800℃，并保持该温度3-4h，而后冷却、粉磨得到混合粉末，将该混合粉末与火山灰混合均匀，即得到复合增强剂；
4）选取步骤1）称量好的高岭土、黏土、煤矸石、铝灰和赤泥混合均匀送入烧结炉内，在1600℃的条件下烧结2-3h，然后向其中加入钼铁粉、镍铁粉和硅铁粉，继续升温至1900℃，而后保持该温度3-5h，冷却后粉磨即得到强化粉；
5）将步骤1）称量好的石英砂、步骤3）得到的复合增强剂和步骤4）得到的强化粉混合后送入烧结炉，在1800℃的温度下烧结4-5h后降温冷却，然后将其与硅酸盐水泥混合、粉磨后装袋，再将其与装有添加剂的袋子和装有速凝剂的袋子包装在一起即制得产品。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土路面用高硬度复合材料，其特征在于：所述金属粉为铝粉、镁粉和铁粉按照重量比2:1:1的比例混合而成。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土路面用高硬度复合材料，其特征在于：所述复合增强剂和强化粉的粒径不超过150微米。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土路面用高硬度复合材料，其特征在于：所述步骤5）中的降温冷却是指：先以0.5℃/min的降温速率降温至1700℃，而后再以100-200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的一种混凝土路面用高硬度复合材料，其特征在于：所述步骤4）中的冷却是指以100-200℃/min的降温速率急速冷却至室温。
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