CN106904919B - 一种改性矿渣棉增强水泥混凝土路面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改性矿渣棉增强水泥混凝土路面制备方法，属于普通道路工程材料，包括水泥、石子、河砂、改性矿渣棉、粉煤灰、FDN减水剂和水，其中改性矿渣棉掺量不超过水泥用量的2％。通过在水泥混凝土中添加呈三维随机分布的改性矿渣棉及粉煤灰，可以在一定程度上改善水泥混凝土的韧性、干缩性能、抗裂性能，限制微裂纹的产生和发展，提高其抗折、抗压强度。其次，本发明利用了工业固废，即粉煤灰、矿渣水泥以及由矿渣生产的矿渣棉，为固体废弃物的综合利用寻找了一条新的途径，符合国家当前倡导的固废资源循环利用政策。

Description

一种改性矿渣棉增强水泥混凝土路面的制备方法
技术领域
本发明属于道路工程领域中的路面建设材料，具体涉及一种改性矿渣棉增强水泥混凝土路面的制备方法。
背景技术
我国公路路面主要采用沥青铺设，而水泥混凝土路面只占一小部分。水泥混凝土材料具有承载力强、稳定性好、耐久性优异、日常养护费用少等优点。对于沥青资源有限，而水泥生产量大的我国而言，采用水泥混凝土铺设路面不失为解决问题的关键。但是普通的水泥混凝土路面因水泥混凝土材料自身的特点，存在脆性大，抗拉、抗折强度低，易收缩开裂，韧性差，抗冲击性能较低等固有缺陷，从而会降低水泥混凝土路面的耐久性能。
为改善水泥混泥土材料的性能，目前人们常用的方法有加强路面结构、采取修补技术以及在水泥混凝土基体中掺合纤维等途径。较常用的纤维有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、维纶纤维及聚丙烯纤维等，如混合纤维水泥混凝土(申请号201010116108.9)，就是在水泥混凝土中掺入钢丝型钢纤维、铣削型钢纤维和聚丙烯纤维。但钢纤维在水泥混凝土中易腐蚀，聚丙烯纤维强度和模量低，在一定的外界条件下易发生化学反应，丧失一定的使用性能，碳纤维价格昂贵，工程应用中受到一定的限制。
矿渣棉的主要原料是高炉废渣，成本较低。高炉渣是钢铁冶炼过程产生的主要副产品，是冶金废渣中数量最多的一种。目前高炉废渣的主要利用途径，使其附加值较低。大部分高炉废渣为水淬高炉渣，主要用于水泥和混凝土的掺合料，每吨售价只有30～50元，其次是生产矿渣骨料和透水砖，少量的用于生产膨珠、矿渣棉、矿渣微晶玻璃、无机涂料和无机胶凝材料等。研究表明，把废渣制成纤维棉用于混凝土的增强材料，能够在一定程度上改善混凝土性能方面的缺陷。但矿渣棉在水泥中不仅易被水泥水化时产生的碱性物质所腐蚀、粉化，导致基体内的纤维断裂，而且矿渣棉在与混合料搅拌过程中也易被石子所破坏，出现纤维表层被划伤、甚至断裂的现象，造成其性能的下降，失去了纤维增强增韧的作用。
发明内容
本发明的目的在于针对水泥混凝土材料性能的不足及缺陷，提供一种适用于普通路面的纤维增强水泥混凝土材料。通过添加由高炉废渣制备的改性矿渣棉纤维来增强和改善水泥混凝土材料的强度、韧性以及耐久性，同时也能有效的抑制早期微裂纹的产生和扩展。其中由高炉废渣生产而来的矿渣棉，来源于工业固体废弃物，因此原料不仅来源广泛，且成本低廉，变废为宝。
本发明所述的基准混凝土配合比：每立方的组成为水泥370kg～430kg、河砂645kg～800kg、石子1100kg～1270kg，改性矿渣棉12kg～60kg、粉煤灰18kg～85kg、水150～190kg、减水剂2.5kg～4.3kg。
上述所用的粉煤灰化学成分SiO2的含量为45wt％～65wt％，Al2O3含量为22wt％～35wt％，其他成分的含量不大于33wt％。
上述所用的水泥为矿渣硅酸盐水泥，SiO2含量为20wt％～30wt％，CaO含量为40wt％～60wt％，Al2O3含量为5wt％～15wt％，MgO含量为1wt％～wt 8％，Fe2O3含量为1wt％～3wt％。
上述所用的矿渣棉酸度系数为1.1～1.4，单丝直径为3μm～7μm，长度为5cm～20cm，弹性模量为20GPa～30GPa，抗拉强度为30MPa～60MPa；
为改善矿渣棉的耐碱性能，通过用一定溶度的粉煤灰溶液对其进行表面改性，其改性方法及步骤如下进行：
矿渣棉由高炉废渣经重熔、调质、离心制得，将矿渣棉放入固体浓度为15wt％～45wt％的粉煤灰溶液中进行搅拌混合，矿渣棉与粉煤灰溶液的固液比是1g：20mL～1g：10mL，搅拌转速为200～1000r/min，搅拌5min～10min后，将矿渣棉打捞出进行低温烘干，烘干温度为75℃～105℃，保温时间为40min～100min，烘干后进行煅烧，煅烧温度为500℃～650℃，保温时间20min～60min后即得到改性的矿渣棉。
而且为了避免石子在搅拌过程中对矿渣棉造成损害，采用先添加矿渣棉后加石子的方式，使添加石子之前，矿渣棉已经均匀分布于混合料中，且加石子时同时加水，增加混合料的流动性，减小石子与纤维的摩擦机率和强度，使其保持原状态，发挥其增强的作用，具体的操作步骤为：首先，将胶凝材料、细骨料加到搅拌机中，搅拌2min～3min；然后，将改性矿渣棉加入后再搅拌2min～4min，使纤维尽量均匀分布混合料内；最后，再将混合均匀的水和减水剂，以及石子同时加入搅拌机中，搅拌2min～3min，待搅拌均匀后即得到改性矿渣棉增强水泥混凝土的路面材料。
此外，本发明还掺合了一定含量的粉煤灰，利用粉煤灰优良的流动性，更好地填充了骨料之间的表面间隙，且粉煤灰成分中SiO2、Al2O3含量超过65％，能够对水泥水化过程中产生的Ca(OH)2起到稀释作用，降低水泥浆体的碱性，减缓其对矿渣棉的腐蚀；两者的协同作用增强水泥混凝土性能，使得明混凝土材料抗压、抗折能力都显著改善。本发明所用的原材料都很常见，加工工艺也较为简单，材料成本、加工成本低；为矿渣棉增强水泥混凝土材料的应用奠定了基础。
本申请重点在于使用了改性的矿渣棉。在本领域中，普通矿渣棉可以增强水泥性能，但是，水泥为碱性环境，在水泥那样的减溶液中，矿渣棉容易碱化腐蚀，本申请首先将普通矿渣棉通过用粉煤灰高温改性，形成一个致密的保护膜，其次，通过改变添加顺序和搅拌顺序，防止改性矿渣棉断裂。在现有技术中，并未发现通过粉煤灰改性矿渣棉的公开报道，同时也未发现有如本申请技术方案相同的制备工艺。
附图说明
图1为本发明实施的工艺流程图。
图2实施例1使用本发明所述的方法制备的实验样品的SEM照片。
图3实施例2使用本发明所述的方法制备的实验样品的SEM照片。
图4实施例3使用本发明所述的方法制备的实验样品的SEM照片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明的内容进行进一步阐述说明。
下面三个实施例所用的粉煤灰均为二级粉煤灰，其化学成分如1表：
表1粉煤灰化学成分分析(％)
实施例中所用的河砂细度模数为2.36，密度为2650kg/m3；
所用石子粒径为5mm～15mm，其中5mm～10mm占90％，10mm～15mm占10％，密度为2680kg/m3；
所用水泥为矿渣硅酸盐水泥，标号为P·S·B 32.5，其化学成分矿渣棉的化学成分为CaO含量52.15％，Al2O3含量7.84％，SiO2含量27.31％，MgO含量6.93％；实施例1：本实施例涉及一种改性矿渣棉增强水泥混凝土路面，所述发明所采用的技术方案是：
第一步：改性矿渣棉的制备。试验所用的矿渣棉由高炉废渣经重熔、调质、离心制得，离心所得矿渣棉的酸度系数为1.4，单丝均直径为5μm，均长度为15cm，弹性模量为30GPa，抗拉强度50MPa。矿渣棉的化学成分为CaO含量30.10wt％；MgO含量7.80wt％；Al2O3含量15.45wt％；SiO2含量41.74wt％；Fe2O3含量1.39wt％；TiO2含量1.33wt％；MnO含量0.24wt％；Na2O含量0.71wt％；K2O含量1.02wt％；S含量0.31wt％；P含量0.020wt％。将上述矿渣棉放入固体浓度为20wt％的粉煤灰溶液中进行搅拌混合，矿渣棉与粉煤灰溶液的固液比是1g：15mL，搅拌转速为200r/min，搅拌7min后，打捞出进行烘干，烘干温度为100℃，保温时间为50min，烘干后进行煅烧，煅烧温度为550℃，保温时间50min后即可得到改性矿渣棉。
第二步，混合料制备。将矿渣硅酸盐水泥420kg、河砂760kg、粉煤灰80kg倒入搅拌机中，搅拌2min后，掺入改性矿渣棉12kg，干式搅3min以保证纤维均匀分布，均匀后再往搅拌机中加入水170kg与减水剂3kg的混合物以及石子1270kg，搅拌2min，即得到改性矿渣棉增强水泥混凝土材料。
实施效果：本实施例制备的单掺改性矿渣棉增强的水泥混凝土在7d后，与相同配合比的素水泥混凝土相比，抗压强度提升7.04％，抗折强度提升7.27％；28d后，与相同配合比的素水泥混凝土相比，抗压强度提升20.61％，抗折强度提升17.42％。
实施例2：本实施例涉及一种改性矿渣棉与粉煤灰复合材料增强的水泥混凝土路面，所述发明所采用的技术方案是：
第一步：改性矿渣棉的制备。试验所用的矿渣棉由高炉废渣经重熔、调质、离心制得，离心所得矿渣棉的酸度系数为1.2，单丝均直径为4μm，均长度为10cm，弹性模量为25GPa，抗拉强度45MPa。矿渣棉的化学成分为CaO含量29.15wt％；MgO含量8.10wt％；Al2O3含量15.04wt％；SiO2含量42.25wt％；Fe2O3含量1.28wt％；TiO2含量1.34wt％；MnO含量0.27wt％；Na2O含量0.68wt％；K2O含量1.02wt％；S含量0.33wt％；P含量0.010wt％。将上述矿渣棉放入固体浓度为30wt％的粉煤灰溶液中进行搅拌混合，矿渣棉与粉煤灰溶液的固液比是1g：15mL。搅拌转速为700r/min，搅拌6min后，打捞出进行烘干，烘干温度为95℃，保温时间为50min，烘干后进行煅烧，煅烧温度为600℃，保温时间45min后即可得到改性矿渣棉。
第二步，混合料制备。将矿渣硅酸盐水泥400kg、河砂700kg、粉煤灰20kg倒入搅拌机中，搅拌4min后，掺入改性矿渣棉30kg，干式搅3min以保证纤维均匀分布，均匀后再往搅拌机中加入水170kg与减水剂3.5kg的混合物以及石子1100kg，搅拌2.5min，即得到改性矿渣棉增强水泥混凝土材料。
实施效果：本实施例制备的改性矿渣棉及粉煤灰复合材料增强的水泥混凝土在7d后，与相同配合比的素水泥混凝土相比，抗压强度提升18.29％，抗折强度提升34.23％；28d后，与相同配合比的素水泥混凝土相比，抗压强度提升21.94％，抗折强度提升23.29％。
实施例3：本实施例涉及一种改性矿渣棉与粉煤灰复合材料增强的水泥混凝土路面，所述发明所采用的技术方案是：
第一步：改性矿渣棉的制备。试验所用的矿渣棉由高炉废渣经重熔、调质、离心制得，离心所得矿渣棉的酸度系数为1.4，单丝均直径为5μm，均长度为15cm，弹性模量为30GPa，抗拉强度50MPa。矿渣棉的化学成分为CaO含量30.10wt％；MgO含量7.80wt％；Al2O3含量15.45wt％；SiO2含量41.74wt％；Fe2O3含量1.39wt％；TiO2含量1.33wt％；MnO含量0.24wt％；Na2O含量0.71wt％；K2O含量1.02wt％；S含量0.31wt％；P含量0.020wt％。将上述矿渣棉放入固体浓度为15wt％的粉煤灰溶液中进行搅拌混合，矿渣棉与粉煤灰溶液的固液比是1g：20mL。搅拌转速为300r/min，搅拌6min后，打捞出进行烘干，烘干温度为100℃，保温时间为60min，烘干后进行煅烧，煅烧温度为500℃，保温时间55min后即可得到改性矿渣棉。
第二步，混合料制备。将矿渣硅酸盐水泥380kg、河砂780kg、粉煤灰56kg倒入搅拌机中，搅拌2.5min后，掺入改性矿渣棉17kg，干式搅2.5min以保证纤维均匀分布，均匀后再往搅拌机中加入水170kg与减水剂3kg的混合物以及石子1270kg，搅拌2min，即得到改性矿渣棉增强水泥混凝土材料。
实施效果：本实施例制备的改性矿渣棉及粉煤灰复合材料增强的水泥混凝土在7d后，与相同配合比的素水泥混凝土相比，抗压强度提升9.30％，抗折强度提升18.87％；28d后，与相同配合比的素水泥混凝土相比，抗压强度提升21.33％，抗折强度提升18.21％。

Claims (5)

1.一种改性矿渣棉增强水泥混凝土路面的制备方法，其特征在于：所述混凝土路面包括水泥、石子、河砂、水、减水剂、粉煤灰组成的水泥混凝土基体，及掺入的改性矿渣棉，所述制备方法步骤如下：
a、改性的矿渣棉制备：矿渣棉由高炉废渣经重熔、调质、离心制得，将制备出的矿渣棉放入固体浓度为15wt％～45wt％的粉煤灰溶液中进行搅拌混合，矿渣棉与粉煤灰溶液的固液比是1g：20mL～1g：10mL；
搅拌转速为200r/min～1000r/min，搅拌5min～10min后，将矿渣棉打捞出进行低温烘干，烘干温度为75℃～105℃，保温时间为40min～100min，烘干后进行煅烧，煅烧温度为500℃～650℃，保温时间20min～60min，即得到改性矿渣棉；
b、混合料制备：首先，将水泥、粉煤灰、河砂加到搅拌机中，搅拌2min～3min；然后，将改性矿渣棉加入后再搅拌2min～4min，使纤维尽量在混合料内均匀分布；最后，再将混合均匀的水和减水剂，以及石子同时加入到搅拌机中，搅拌2min～3min，待搅拌均匀后即得到改性矿渣棉增强水泥混凝土的路面材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述混凝土路面每立方的组成为水泥370kg～430kg、河砂645kg～800kg、石子1100kg～1270kg，改性矿渣棉12kg～60kg、粉煤灰18kg～85kg、水150～190kg、减水剂2.5kg～4.3kg。
3.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于：矿渣棉酸度系数为1.1～1.4，单丝直径为3μm～7μm，长度为5cm～20cm，弹性模量为20GPa～30GPa，抗拉强度为30MPa～60MPa。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的粉煤灰的化学成分SiO2的含量为45wt％～65wt％，Al2O3含量为22wt％～35wt％，其他成分的含量不大于33wt％。
5.如权利要求1所述的一种制备方法，其特征在于：所述的水泥为矿渣硅酸盐水泥，SiO2含量为20wt％～30wt％，CaO含量为40wt％～60wt％，Al2O3含量为5wt％～15wt％，MgO含量为1wt％～8wt％，Fe2O3含量为1wt％～3wt％。
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