CN108117362A - 一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法 - Google Patents

一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法，以质量份数计，该路面基层材料组成包括：建筑垃圾再生骨料95～96份，胶凝材料4～5份，相对建筑垃圾再生骨料与胶凝材料组分之和为9.4～12.2份的水，相对于水质量3.5～5.5份的碱激发剂。本发明是以建筑垃圾和工业废渣为主要原材的路面基层材料，该材料具有强度高，干缩小，且施工工作时间长等优点。如大规模应用本发明成果，既能产生可观的经济效益，又能产生巨大的环保效益。

Description

一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路材料技术领域，具体涉及一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法。
背景技术
建筑业作为我国国民经济的支柱产业之一，在我国现代化建设的过程中扮演了重要的角色，但建筑业的繁荣发展也带来了大量的建筑垃圾。据统计我国2016年产生的建筑垃圾超过了26亿吨，而再生利用率仅5％左右，2020年时建筑垃圾的产量可能将达到峰值。建筑垃圾主要来源于：种植、回填、造景等土地挖掘、整理活动；建筑材料的生产；建筑施工过程中的余料、废料；旧建筑物的拆除；地震、海啸等自然灾害造成的房屋倒塌。水泥稳定碎石作为半刚性基层材料的一种，因其强度高、整体性好、耐久性好而广泛应用于沥青路面基层。在《公路路面基层施工技术细则》JTGT F20—2015中，高速公路和一级公路的基层、底基层抗压强度标准分别为3.0～5.0MPa、2.0～4.0MPa；二级和二级以下公路的基层、底基层抗压强度标准分别为2.0～4.0MPa、1.0～3.0MPa。抗压强度标准要求并不高，因此将建筑垃圾中的混凝土、砖块、砂浆块等分拣出来，破碎至合适的级配，制成再生集料，部分或完全代替天然集料做路面水泥稳定碎石基层或底基层具有现实的可行性。
由于建筑垃圾破碎而成的再生集料含泥量较大，用来做基层材料时通常做法是增大水泥掺量。已有研究表明，水泥掺量过大、骨料吸水率高都会使基层干缩增大，造成基层的早期裂缝增多，从而导致路面使用寿命降低。因此研究一种适用于再生骨料作基层材料的胶凝材料十分关键。国内外对碱激发胶凝材料的研究已经有半个多世纪，在现有技术中也曾将其代替水泥与大量沙石搅拌制备混凝土，但仅将其作为路面快速修补材料。
发明内容
本发明的目的在于针对建筑垃圾再生骨料做基层路面材料时干缩大，早期裂缝多以及路面使用寿命短的现状，提供一种强度高，干缩小，施工工作时间长，成本低，经济可行、环保的建筑垃圾路面基层材料。
本发明的另一目的在于提供一种制备过程简单，所制备得到的建筑垃圾路面基层材料性能优异，结构整体性强，使用寿命长的建筑垃圾路面基层材料的制备方法。
本发明的具体技术方案如下：
本发明涉及一种建筑垃圾路面基层材料，以质量份数计，该材料包括以下组分：
建筑垃圾再生骨料95～96份，
胶凝材料4～5份，
相对建筑垃圾再生骨料和胶凝材料之和为9.4～12.2份的水，
相对于水质量3.5～5.5份的碱激发剂；
其中，所述胶凝材料由矿渣、石膏和/或水泥组成，水泥掺量为0～36份，矿渣为60～96份，石膏为2～6份；
所述碱激发剂由水玻璃和氢氧化钠组成，其质量比为2:1～4:1。
本发明进一步包括以下优选的技术方案：
优选方案中，所述矿渣和石膏充分干燥，且细度与水泥接近。
优选方案中，所述碱激发剂制备过程为：向高模数的水玻璃溶液中加入氢氧化钠，通过控制其相对含量，调节碱激发剂水玻璃溶液模数为0.5～1.0。
优选方案中，所述建筑垃圾再生骨料为混凝土再生骨料和/或砖混再生骨料。
其中，所述建筑垃圾再生骨料分为两种：一种为混凝土再生骨料，骨料性能指标相对较好，按粒径大小分为四档，即为0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～31.5mm；另一种为砖混再生骨料，其中含有15％～20％的砖渣颗粒，骨料吸水率高，强度低，同样按破碎后粒径大小分为以上四挡。
两种再生骨料合成级配参考《公路路面基层施工技术细则》(JTGT F20-2015)中适用于公路基层底基层的推荐级配。
优选方案中，所述建筑垃圾再生骨料通过不同的建筑垃圾破碎后制得，按骨料粒径大小分为四档：0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～31.5mm。
优选方案中，所述水玻璃为液态水玻璃，所述氢氧化钠为片状氢氧化钠。
优选方案中，所述路面基层材料的压实度≥97％。
优选方案中，所述路面基层材料的干密度为1850～2130kg/m3。
上述建筑垃圾路面基层材料制备方法如下：
包括以下步骤：
步骤1)，将水玻璃和氢氧化钠混合，加水后搅拌，溶解，得到碱激发剂溶液；
步骤2)，将建筑垃圾再生骨料与胶凝材料混合，搅拌25～30s，然后将剩余的水加入其中，继续搅拌25～30s得到混合料；
步骤3)，将得到的碱激发剂溶液加入步骤2)所述混合料中，搅拌25～30s后，得到路面基层材料。
由建筑垃圾破碎而成的再生骨料一般可大致分为两类，一类为混凝土再生骨料，此类骨料由建筑物承重结构或旧路面面层、基层破碎而成，材料结构性能稳定、单一，骨料强度相对较高；另一类为砖混再生骨料，此类骨料大多由拆违建筑垃圾或装修垃圾等破碎而成，骨料组成复杂，砖渣等软石含量较多，含泥量大，吸水率高。本发明不仅可以将混凝土再生骨料回收利用，且能将回收和再利用难度非常大的砖混再生骨料重新回收利用，作为基层路面材料。具有非常重要的现实意义。
本发明针对这两类不同再生骨料，通过调节胶凝材料和碱激发剂各组分掺量，使含有这两类再生骨料的基层混合料结构强度、使用性能都能相应提高。另外，胶凝材料中加入一定比例的石膏，石膏具有膨胀性，能抵消混合料部分收缩变形，因此有效改善混合料干缩开裂问题。胶凝材料中水泥掺量较少，以矿渣为主要原材料，矿渣为工业废渣，成本比水泥低，因此本发明的方案不仅具有经济效益，还具有环保效益。
将碱激发胶凝材料用于再生骨料作基层材料具有较多优点：1、碱激发胶凝材料能替代大部分水泥，减少水泥的用量；2、矿渣或粉煤灰的掺入能填充再生骨料的孔隙，并且矿渣和粉煤灰具有火山灰活性，能与再生骨料表面老的浆体发生二次水化作用，增加骨料表面强度；3、由建筑垃圾破碎而成的再生骨料，砖渣含量一般较高，而砖渣细粉具有一定的火山灰活性，在碱激发剂的作用下能发生水化反应，从而增加混合料的整体强度。
本发明通过建筑垃圾再生骨料、胶凝材料以及碱激发剂的配合使用，并通过对其组分和含量进行严格控制，得到了综合性能优异的建筑垃圾路面基层材料。
本发明所制备的基于碱激发原理的建筑垃圾路面基层材料具有强度高、干缩小、耐久性能好、施工工作性好等特点，能作为各等级公路路面基层、底基层材料。目前我国天然矿石资源枯竭，但每年新建和翻修道路需要大量碎石，这严重阻碍我国道路设施建设的发展，通过运用本发明技术能极大改善建筑垃圾作基层材料质量差等问题，有效缓解道路工程建设中原材料紧缺的压力。
具体实施方式
下面结合具体实施例和比较例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
本发明的试验试件成型过程中所用的搅拌器为卧式强制搅拌机(SJD 30型，上海晓霄实验仪器设备有限公司)。
本发明的试验试件原材取样、材料组成配合比设计、成型和养护等试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的相关规定。
本发明的试验试件性能测试项目有7天无侧限抗压强度、7天劈裂抗拉强度、90天抗压回弹模量、90天干缩应变、28天冲刷质量损失率，具体试验步骤参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的相关规定。
本发明实施例和比较例所用的材料为：
A1：建筑垃圾混凝土再生骨料：骨料筛分粒径分为四档，分别为0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～31.5mm，来源于湖南云中再生科技建筑垃圾回收处理厂；
A2：建筑垃圾砖混再生骨料：骨料筛分粒径分为四档，分别为0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～31.5mm，骨料中含红砖颗粒质量15％～20％，来至湖南云中再生科技建筑垃圾回收处理厂；
B1：PC32.5复合硅酸盐水泥，来源于南方水泥有限公司；
B2：粒化高炉矿渣，来源于湖南华菱涟源钢铁有限公司；
B3：脱硫石膏，来源于南方水泥有限公司；
C1：液态水玻璃，模数2.9，质量分数33.3％，来源于长沙晟途化工贸易有限公司；
C2：工业片碱(NaOH)，纯度99.7％，来源于长沙晟途化工贸易有限公司；
D1：普通自来水。
实施例1
本实施例涉及一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法，所述方法材料由96％质量分数的混凝土再生骨料和4％胶凝材料，外掺相对于上述两种原材料之和为9.4％的水和水质量分数3.5％的碱激发剂组成。其中，混凝土再生骨料四档料的比例为0～4.75mm:4.75～9.5mm:9.5～19mm:19～31.5mm＝32:26:22:20；胶凝材料组成为矿渣：水泥：石膏＝60:36:4；碱激发剂组成为水玻璃:氢氧化钠＝4:1。
基层材料制备方法：先将总用水量分为两部分，在其中一部分水中按上述比例加入水玻璃和氢氧化钠，用玻璃棒搅拌溶液至片状氢氧化钠完全溶解，即为配制好的碱激发剂溶液，然后将再生骨料和胶凝材料按上述比例加入强制搅拌机中搅拌30s，后将没掺碱激发剂的那部分水加入搅拌机中，继续搅拌30s，最后将配制好的碱激发剂溶液加入搅拌机中，再搅拌30s后即得到所需的路面基层材料。
实施例2
本实施例涉及一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法，所述方法材料由96％质量分数的混凝土再生骨料和4％胶凝材料，外掺相对于上述两种原材料之和为9.4％的水和水质量分数4.3％的碱激发剂组成。其中，混凝土再生骨料四档料的比例为0～4.75mm:4.75～9.5mm:9.5～19mm:19～31.5mm＝32:26:22:20；胶凝材料组成为矿渣：水泥：石膏＝80:16:4；碱激发剂组成为水玻璃:氢氧化钠＝4:1。
基层材料制备方法与实施例1的制备方法相同。
实施例3
本实施例涉及一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法，所述方法材料由96％质量分数的混凝土再生骨料和4％胶凝材料，外掺相对于上述两种原材料之和为9.4％的水和水质量分数5.0％的碱激发剂组成。其中，混凝土再生骨料四档料的比例为0～4.75mm:4.75～9.5mm:9.5～19mm:19～31.5mm＝32:26:22:20；胶凝材料组成为矿渣：石膏＝96:4；碱激发剂组成为水玻璃:氢氧化钠＝4:1。
基层材料制备方法与实施例1的制备方法相同。
实施例4
本实施例涉及一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法，所述方法材料由95％质量分数的砖混再生骨料和5％胶凝材料，外掺相对于上述两种原材料之和为12.2％的水和水质量分数4.0％的碱激发剂组成。其中，混凝土再生骨料四档料的比例为0～4.75mm:4.75～9.5mm:9.5～19mm:19～31.5mm＝37:25:17:21；胶凝材料组成为矿渣：水泥：石膏＝60:36:4；碱激发剂组成为水玻璃:氢氧化钠＝4:1。
基层材料制备方法与实施例1的制备方法相同。
实施例5
本实施例涉及一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法，所述方法材料由95％质量分数的砖混再生骨料和5％胶凝材料，外掺相对于上述两种原材料之和为12.2％的水和水质量分数4.8％的碱激发剂组成。其中，混凝土再生骨料四档料的比例为0～4.75mm:4.75～9.5mm:9.5～19mm:19～31.5mm＝37:25:17:21；胶凝材料组成为矿渣：水泥：石膏＝80:16:4；碱激发剂组成为水玻璃:氢氧化钠＝4:1。
基层材料制备方法与实施例1的制备方法相同。
实施例6
本实施例涉及一种建筑垃圾路面基层材料及其制备方法，所述方法材料由95％质量分数的砖混再生骨料和5％胶凝材料，外掺相对于上述两种原材料之和为12.2％的水和水质量分数5.5％的碱激发剂组成。其中，混凝土再生骨料四档料的比例为0～4.75mm:4.75～9.5mm:9.5～19mm:19～31.5mm＝37:25:17:21；胶凝材料组成为矿渣：石膏＝96:4；碱激发剂组成为水玻璃:氢氧化钠＝4:1。
基层材料制备方法与实施例1的制备方法相同。
比较例1
为便于比较发明效果，针对实施例1、2、3，本比较例为纯水泥稳定混凝土再生骨料基层材料，所述材料由96％质量分数的混凝土再生骨料和4％胶凝材料，外掺相对于上述两种原材料之和为9.4％的水组成。其中，混凝土再生骨料四档料的比例为0～4.75mm:4.75～9.5mm:9.5～19mm:19～31.5mm＝32:26:22:20；胶凝材料为纯水泥。
水泥稳定混凝土再生骨料基层材料制备方法：先将再生骨料和水泥按上述比例加入强制搅拌机中搅拌30s，最后将所需量的水加入搅拌机中，继续搅拌60s，即得到所需水泥稳定再生骨料基层材料。
比较例2
为便于比较发明效果，针对实施例4、5、6，本比较例为纯水泥稳定砖混再生骨料基层材料，所述材料由95％质量分数的砖混再生骨料和5％胶凝材料，外掺相对于上述两种原材料之和为12.2％的水组成。其中，混凝土再生骨料四档料的比例为0～4.75mm:4.75～9.5mm:9.5～19mm:19～31.5mm＝37:25:17:21；胶凝材料为纯水泥。
水泥稳定砖混再生骨料基层材料制备方法与比较例1的制备方法相同。
实施效果：
从表1中比较例1、2可得，在延时成型6小时内，胶凝材料为纯水泥的试件7天无侧限抗压强度随延时时间增加而大幅下降，而从实例1～3可知，本发明的路面基层材料试件强度要比纯水泥试件(比较例1)强度高，且在6小时延时成型内强度下降较小。从实例4～6中可得，同样的规律体现在掺有砖混再生骨料的试件中。以上可以说明，本发明的路面基层材料混合料要比用纯水泥作为凝结材料的混合料强度高，且混合料的施工工作性能也相应提高。
表1：7天无侧限抗压强度测试结果/MPa
表2中通过实例1～3与比较例1比较、实例4～6与比较例2比较可得，相较于掺纯水泥的混合料试件，本发明的路面基层材料劈裂抗拉强度和抗压回弹模量都有明显的提高。从干缩试验测试结果可知，掺加纯水泥的试件干缩应变值较大，主要原因是再生骨料吸水率高，且粉料含量高，通过向混合料中掺入少量石膏可以减少混合料的收缩率，虽然石膏掺入有降低混合料强度的作用，但其他成分使混合料强度提高的效果明显大于石膏降低混合料强度的作用。从冲刷试验结果可得，使用本发明材料的试件被水冲刷后质量损失相对较少，这说明本发明所用的胶凝材料对再生骨料的粘结作用要大于水泥对再生骨料的粘结作用。
表2：综合性能测试结果
从上述结果可知，本发明使用的胶凝材料和碱激发剂能较好的适用于建筑垃圾再生骨料作基层材料。本发明的路面基层材料不仅强度高，而且抗冲刷、耐久性能较好。在实例中碱激发剂掺量条件下，本发明使用的原材料成本要比使用纯水泥作为胶凝材料的路面基层材料成本低，因此应用本发明方法还能节约工程项目原材料成本，需要指出的是应用本发明所产生的环保效益要大于其经济效益。
本发明的使用途径较多，以上实施例仅是本发明的优选实施方式，并且应当指出，其不能用于限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种建筑垃圾路面基层材料，其特征在于，以质量份数计，该材料包括以下组分：
建筑垃圾再生骨料 95～96份，
胶凝材料 4～5份，
相对建筑垃圾再生骨料和胶凝材料之和为9.4～12.2份的水，
相对于水质量 3.5～5.5份的碱激发剂；
其中，所述胶凝材料由矿渣、石膏和/或水泥组成，水泥掺量为0～36份，矿渣为60～96份，石膏为2～6份；
所述碱激发剂由水玻璃和氢氧化钠组成，其质量比为2:1～4:1。
2.根据权利要求1所述的路面基层材料，其特征在于，所述矿渣为高炉粒化矿渣，所述石膏为脱硫石膏。
3.根据权利要求1或2所述的路面基层材料，其特征在于，所述矿渣和石膏充分干燥，且细度与水泥接近。
4.根据权利要求1所述的路面基层材料，其特征在于，所述碱激发剂制备过程为：向高模数的水玻璃溶液中加入氢氧化钠，通过控制其相对含量，调节碱激发剂水玻璃溶液模数为0.5～1.0。
5.根据权利要求1所述的路面基层材料，其特征在于，所述建筑垃圾再生骨料为混凝土再生骨料和/或砖混再生骨料。
6.根据权利要求1或5所述的路面基层材料，其特征在于，所述建筑垃圾再生骨料通过不同的建筑垃圾破碎后制得，按骨料粒径大小分为四档：0～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～19mm、19～31.5mm。
7.根据权利要求1所述的路面基层材料，其特征在于，所述水玻璃为液态水玻璃，所述氢氧化钠为片状氢氧化钠。
8.根据权利要求1所述的路面基层材料，其特征在于，所述路面基层材料的压实度≥97％。
9.根据权利要求1或8所述的路面基层材料，其特征在于，所述路面基层材料的干密度为1850～2130kg/m3。
10.权利要求1～9任一项所述路面基层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)将水玻璃和氢氧化钠混合，加水后搅拌，溶解，得到碱激发剂溶液；
步骤2)将建筑垃圾再生骨料和胶凝材料混合，搅拌25～30s，然后将剩余的水加入其中，继续搅拌25～30s得到混合料；
步骤3)将得到的碱激发剂溶液加入步骤2)所述混合料中，搅拌25～30s后，得到路面基层材料。
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