CN109180081A - 复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料及其制备方法 - Google Patents

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李振霞
魏华
戚佳飞
方晓兵
郭腾腾
王朝辉
赵旭
刘科锋
赵艳辉
张军奇
贾得来
石彦龙
张梦晗
冯纪兵
边雪伟
黄飞虎
张明堂
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Abstract

本发明公开了一种复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料及其制备方法。该混合料由以下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料55～65份、煤矸石细集料45～35份、水泥4～6份、粉煤灰11～15份、抗裂纤维0.02～0.04份、补强纤维0.02～0.04份、改善剂0.12～0.18份。本发明所述方法制备得到的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料路用性能优良、具有优异的抗压强度、抗裂性能和耐久性，对其应用于高等级路面基层具有重大意义；本发明复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料属于无毒无腐蚀类复合材料，原材料来源广泛，成本低，生产过程环保节能，具有良好的经济、社会效益。

Description

复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料及其制备方法。
背景技术
高速发展的道路工程建设需要大量的石料开采，随着石料的不断开采，其资源短缺问题日益突出。将煤矸石替代石料应用于道路工程建设既能解决石料短缺问题，又能解决因煤矸石堆积而引起环境污染问题。煤矸石集料具有类似岩石集料的物理性能，具有良好的承载能力，坚固性好，稳定性高等优点。然而，由于煤矸石具有较多的空隙及较差的耐久性，导致水泥稳定煤矸石混合料只能用于低等级道路上，不能大规模的使用。我国部分水泥稳定煤矸石混合料道路在建成运营后，容易出现收缩开裂现象，这大大缩短了道路的使用年限，导致该道路提前进入大修或改造期，造成了大量的经济损失。因此，开发一种新型改性水泥稳定煤矸石混合料来提高水泥稳定煤矸石混合料道路的基层承载能力、抗裂性能和耐久性，显得尤为关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新型改性水泥稳定煤矸石混合料及其制备方法，在保证水泥稳定煤矸石混合料的路用性能的同时，解决现有技术中路面基层收缩开裂严重和耐久性差的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于，由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料55～65份，煤矸石粗集料45～35份、水泥4～6份、粉煤灰11～15份、抗裂纤维0.02～0.04份、补强纤维0.02～0.04份和改善剂0.12～0.18份。
优选的，所述复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料60份、煤矸石细集料40份、水泥5份、粉煤灰13份、抗裂纤维0.03份、补强纤维0.03份、改善剂0.15份。
优选的，所述煤矸石集料全部由煤矸石组成，所述煤矸石集料满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）C-B-2级配要求。
优选的，所述粉煤灰为硅铝粉煤灰、高钙粉煤灰中的至少一种。
优选的，所述硅铝粉煤灰或高钙粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量≥70%，烧失量＜20%，所述硅铝粉煤灰或高钙粉煤灰粒径范围为0.3mm筛孔通过率≥90%，0.075mm筛孔通过率≥70%，硅铝粉煤灰或高钙粉煤灰比表面积≥2500cm2/g。
优选的，所述抗裂纤维为聚丙烯丝状纤维，单丝比重0.90～0.95，长度9～12mm，，直径0.030～0.045mm，抗拉强度＞450Mpa。
优选的，补强纤维为聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维或至少其中一种。
优选的，所述聚乙烯醇纤维或玄武岩纤维长度7～10mm，直径0.014～0.025mm，抗拉强度＞1300Mpa。
优选的，所述改善剂纳米二氧化硅。
优选的，所述复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料为骨架空隙结构。
上述复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料的制备方法，包括下列步骤：
（1）按照重量份数称取各原料；
（2）将水泥与改善剂硅混合，搅拌25～30min，得到复合改性胶凝材料；
（3） 将抗裂纤维和补强与煤矸石集料混合，搅拌45～50min后，再添加粉煤灰、步骤（2）所得复合改性胶凝材料和水进行搅拌均匀，得到复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1. 本发明复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其材料中加入了粉煤灰，硅铝粉煤灰和高钙粉煤灰可与煤矸石集料中的碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的物质，使得路面基层具有良好的水稳定性；硅铝粉煤灰和高钙粉煤灰的水化热较低，降低路面基层的干缩系数，提高路面基层的抗冲刷性能，从而增强路面基层的耐久性能。
2. 本发明复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其材料中加入了抗裂纤维和补强纤维，聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维具有较好的亲水性且表面粗糙，能够均匀的分散于路面基层且能够与水泥浆、粗细集料良好粘结，进而改善路面基层内部结构，增强路面基层各单元的结合能力；聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和玄武岩纤维较高的抗拉强度可抵抗内部结构因干缩、温缩而产生的应力徐变，抑制裂缝的产生与发展，从而提高路面基层的抗裂性能。
3. 本发明复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其材料中加加入了纳米二氧化硅，纳米二氧化硅具有较高活性，能够与煤矸石集料中的碱土金属氢氧化物及水泥发生水化反应后产生的氢氧化物发生二次水化反应，生成具有胶凝性能强度高的水化硅酸物质，提升路面基层的抗压强度，使得复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料可承受更高等级的路面荷载。
4. 本发明煤矸石原料来源广泛，利用煤矸石变废为宝，同时复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料属于无毒无腐蚀类复合材料，制备过程环保节能，具有良好的经济、社会效益。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料如无特别说明，均为市售常规工业原料。
实施例1：一种复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料55份、煤矸石细集料45份、水泥5份、硅铝粉煤灰13份、聚丙烯纤维0.03份、聚乙烯醇纤维0.03份、纳米二氧化硅0.15份。
其中，煤矸石集料级配满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）C-B-2级配要求，具体粒径范围见表1；硅铝粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量≥70%，烧失量＜20%；硅铝粉煤灰比表面积≥2500cm2/g，硅铝粉煤灰粒径范围为0.3mm筛孔通过率≥90%，0.075mm筛孔通过率≥70%；聚丙烯纤维单丝比重0.90～0.95，长度9～12mm，直径0.030～0.045mm，抗拉强度＞450Mpa；聚乙烯醇纤维长度7～10mm，直径0.014～0.025mm，抗拉强度＞1300Mpa。
复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）按照实施例1的重量份数称取各原料；
（2）将水泥与纳米二氧化硅混合，搅拌25～30min，得到复合改性胶凝材料；
（3） 将聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维与煤矸石集料混合，搅拌45～50min后，再添加硅铝粉煤灰、步骤（2）所得复合改性胶凝材料和水进行搅拌均匀，即得到复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料。
表1 煤矸石粗细集料粒径分布范围
筛孔尺寸 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
筛孔通过率 100 90.5 81 65.5 40 26.5 17.5 11.5 7.5 5 3.5
实施例2：除以下内容外，与实施例1基本相同。复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料55份、煤矸石细集料45份、水泥6份、硅铝粉煤灰15份、聚丙烯纤维0.04份、聚乙烯醇纤维0.04份、纳米二氧化硅0.18份。
实施例3：除以下内容外，与实施例1基本相同。复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料60份、煤矸石细集料40份、水泥5份、硅铝粉煤灰11份、聚丙烯纤维0.03份、玄武岩纤维0.03份、纳米二氧化硅0.15份。
玄武岩长度7～10mm，直径0.014～0.025mm，抗拉强度＞1300Mpa。
实施例4：除以下内容外，与实施例1基本相同。复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料60份、煤矸石细集料40份、水泥5份、硅铝粉煤灰13份、聚丙烯纤维0.02份、玄武岩纤维0.03份、纳米二氧化硅0.15份。
玄武岩长度7～10mm，直径0.014～0.025mm，抗拉强度＞1300Mpa。
实施例5：除以下内容外，与实施例1基本相同。复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料65份、煤矸石细集料35份、水泥5份、高钙粉煤灰13份、聚丙烯纤维0.03份、聚乙烯醇纤维0.02份、纳米二氧化硅0.15份。
高钙粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量≥70%，烧失量小于20%，高钙粉煤灰比表面积≥2500cm2/g，高钙粉煤灰粒径范围0.3mm筛孔通过率≥90%，0.075mm筛孔通过率≥70%。
实施例6：除以下内容外，与实施例1基本相同，复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料65份、煤矸石细集料35份、水泥5份、高钙粉煤灰13份、聚丙烯纤维0.03份、聚乙烯醇纤维0.03份、纳米二氧化硅0.12份。
高钙粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量≥70%，烧失量小于20%，高钙粉煤灰比表面积≥2500cm2/g，高钙粉煤灰粒径范围为0.3mm筛孔通过率≥90%，0.075mm筛孔通过率≥70%。
对照实施例：除以下内容外，与实施例1基本相同。普通水泥稳定煤矸石混合料，由如下重量份数的原料制成：煤矸石集料100份、水泥5份。
将实施例1-6所得的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料和对照实施例得到的普通水泥稳定煤矸石混合料进行性能检测，具体检测方法如下：按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中的无机结合料稳定材料振动压实试验方法（T0842——2009）进行最大干密度和最佳含水率检测；试件经过成型养护后进行路用性能试验，试验项目包括无侧限抗压强度试验、干缩试验、温缩试验和抗冲刷试验，用以测试本发明复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料的路用性能，具体试验结果见表2所示：
表2不同实施例所得水泥稳定煤矸石混合料的路用性能试验数据对比表
。
从表2可知，本发明复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料满足交通部颁标准《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）的相关要求，其抗压强度、干缩性能、温缩性能、抗冲刷能力等指标明显高于普通水泥稳定煤矸石混合料，表明本发明复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料的路用性能优越，具有优异的抗压强度、抗裂性能和耐久性。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更以及材料的等同替代，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于，由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料55～65份，煤矸石粗集料45～35份、水泥4～6份、粉煤灰11～15份、抗裂纤维0.02～0.04份、补强纤维0.02～0.04份和改善剂0.12～0.18份。
2.根据权利要求1所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于：由如下重量份数的原料制成：煤矸石粗集料60份、煤矸石细集料40份、水泥5份、粉煤灰13份、抗裂纤维0.03份、补强纤维0.03份、改善剂0.15份。
3.据权利要求1或2所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于：所述煤矸石集料全部由煤矸石组成，所述煤矸石集料满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF20-2015）C-B-2级配要求。
4.据权利要求1或2所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于：所述粉煤灰为硅铝粉煤灰、高钙粉煤灰中的至少一种。
5.据权利要求4所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于：所述硅铝粉煤灰或高钙粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量≥70%，烧失量＜20%；粒径范围为0.3mm筛孔通过率≥90%，0.075mm筛孔通过率≥70%；比表面积≥2500cm2/g。
6.根据权利要求1或2所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于，所述抗裂纤维为聚丙烯丝状纤维，单丝比重0.90～0.95，长度9～12mm，，直径0.030～0.045mm，抗拉强度＞450Mpa。
7.根据权利要求1或2所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于，所述补强纤维为聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维或至少其中一种。
8.根据权利要求7所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维或玄武岩纤维长度为7～10mm，直径为0.014～0.025mm，抗拉强度＞1300Mpa。
9.根据权利要求1或2所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料，其特征在于：所述改善剂为纳米二氧化硅。
10.一种如权利要求1所述的复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按照权利要求1配比称取各原料；
（2）将水泥与改善剂混合，搅拌25～30min，得到复合改性胶凝材料；
（3）将抗裂纤维和补强纤维与煤矸石集料混合，搅拌45～50min后，再添加粉煤灰、步骤（2）所得复合改性胶凝材料和适量水搅拌均匀，即得到所述复合外加剂改性水泥稳定煤矸石混合料。
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