CN109503056B - 乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料及其制备方法 - Google Patents

乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料及其制备方法，路基注浆材料由A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合而成。其中A组分由阳离子乳化沥青、水泥、早强剂和减水剂组成，B组分由高炉渣、煤渣组成。本发明通过的注浆材料节能环保，在性能方面具有早期强度高、固化时间短、强度可调可控，与原路基及路面的相容性好的特点；在施工方面，具有施工简单，操作方便，可有效减少施工所需人员数量，提高效率，降低路基修复成本，具有较大的经济效益和社会效益。

Description

乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程材料领域，具体涉及一种以乳化沥青、高炉渣、煤渣等为主要原料制备注浆材料的方法，主要适用于道路基层的注浆加固或修补。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
注浆技术主要是通过采用液压或气压的方式，将浆液注入到地下工程或道路基层中，以提高其强度、防渗透能力及稳定性，从而改善地下工程或道路基层相关力学性能。通过注浆技术，可以有效解决在目前常用路面路基修补过程中需要将路面掀起、废渣清理、补料、压平等步骤引起的施工复杂、影响交通、费时费力、经济成本高等缺点。而在注浆技术中，注浆材料是该方法的关键。为了达到优良的改善效果，注浆材料应具备较好的流动性、强度及稳定性等。
高炉渣是在高炉炼铁过程中，由矿石中的脉石、燃料中的灰分和溶剂(一般是石灰石)中的非挥发组分形成的固体废物。主要成分为含钙、硅、铝、镁、铁的氧化物和少量硫化物。一般每炼1吨铁会产生0.3～1吨高炉渣。
煤渣是在火力发电厂、工业和民用锅炉及其他设备燃煤后排出的废渣。主要成分是二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等。主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO及少量镁、硫、碳等。
高炉渣和煤渣年产量巨大，若弃置堆积，不仅占用土地，危害土壤，还会释放出硫化物，污染大气，对环境产生不利影响。因此开发高炉渣和煤渣的有效利用途径，最大限度的减少其产量和存量，符合国家对环境保护和绿色发展的要求。
在改善注浆材料性能方面已有较多的专利报道，专利CN103643680A公布了一种乳化沥青注浆工艺，其中所采用的为乳化沥青和水泥两种主要成分。专利CN102701653A公布了一种水泥混凝土脱空板注浆专用水泥基乳化沥青复合材料，主要由32.5水泥、水、阳离子乳化沥青和保护剂组成。专利CN107352851A公布了一种无水泥防渗注浆材料组合物，由不包含水泥的干粉料和乳化沥青液料组成，其中干粉料和乳化沥青液料的质量比为30～70:100；干粉料包括有骨料、无机活性粉料和膨润土。CN108383471A利用含水赤泥协同高炉矿渣制备注浆材料的方法，包括赤泥汤、高炉矿渣粉、复合碱激发剂、减水剂和早强剂。以水泥基为主的注浆材料是我国使用最广泛的注浆材料，但其存在可注性差，早期强度低，凝结时间长的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料及其制备方法，能够有效利用工业固废。该注浆材料节能环保，在性能方面具有早期强度高、固化时间短、强度可调可控，与原路基及路面的相容性好的特点；在施工方面，具有施工简单，操作方便，可有效减少施工所需人员数量，提高效率，降低路基修复成本，具有较大的经济效益和社会效益。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明一方面提供了乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料，由A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合而成。其中A组分由阳离子乳化沥青、水泥、早强剂和减水剂组成，B组分由高炉渣、煤渣组成。
本发明中：1.煤渣具有潜在的水硬胶凝性能；2.高炉渣可以增强注浆材料的抗压、抗拉性能，并改善其和易性。当选用高炉渣和煤渣两种材料，经过高温活化，可以有效的发挥两者的协同改善作用。
本发明另一方面提供了上述路基注浆材料的制备方法，步骤如下：
(1)制备阳离子乳化沥青：将沥青加热至150～160℃使得沥青达到良好的流动状态；在搅拌方式下，将阳离子表面活性剂、酸度调节剂和水混合均匀，为使膏状的表面活性剂可以均匀地溶于水中，混合时应保持温度40～60℃，获得混合液，将加热后的沥青与混合液混合乳化后获得阳离子乳化沥青；
(2)将(1)制得的阳离子乳化沥青冷却，然后加入水泥、早强剂和减水剂，搅拌后得到A组分；
(3)分别将高炉渣粉和煤渣粉破碎；
(4)将步骤(3)破碎后的高炉渣粉和煤渣粉加热至500～600℃使其活化被高温激发，混合后即得B组分；
(5)在施工过程中，将A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合搅拌均匀后，通过注浆管注入到需要修补的路面基层处。
本发明的有益效果
(1)本发明提供的注浆材料配方及制备工艺中，通过调节A组分中阳离子乳化沥青及B组分中高炉渣粉和煤渣粉的组分比例，可以有效的实现注浆材料强度的可调可控。因该注浆材料中既含有沥青组分，也含有高炉渣粉和煤渣粉，经充分的分散作用，可以有效的提高与原路基和路面之间的相容性，从而保障修补效果。
(2)本发明提供的注浆材料中采用高炉渣粉和煤渣粉等工业固废，价格低廉，储量较大，在有效降低注浆材料成本的同时还解决了我国面临的大量工业固废的处理问题，节能环保，符合国家对环境保护的发展要求。
(3)本发明所述的注浆材料，通过乳化沥青和早强剂的作用，可以实现早期强度高、固化时间短的特点。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于以水泥基为主的注浆材料存在可注性差、早期强度低、凝结时间长的问题，本公开提出了乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料及其制备方法。
本公开的一种典型实施方式，提供了乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料，由A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合而成。其中A组分由阳离子乳化沥青、水泥、早强剂和减水剂组成，B组分由高炉渣、煤渣组成。
本公开中：1.煤渣具有潜在的水硬胶凝性能；2.高炉渣可以增强注浆材料的抗压、抗拉性能，并改善其和易性。当选用高炉渣和煤渣两种材料，经过高温活化，可以有效的发挥两者的协同改善作用。
该实施方式的一种或多种实施例中，以质量份数计，A组分中，阳离子乳化沥青40～65份，水泥10～35份，早强剂1～3.5份，减水剂2～4.5份；B组分中，高炉渣粉50～100份、煤渣粉50～100份。
该实施方式的一种或多种实施例中，阳离子乳化沥青由以下组分按重量份配比制成：沥青55～65份，阳离子表面活性剂1.5～3份，酸度调节剂2.5～4.5份，水35～45份。所述沥青为重交道路沥青AH-30、AH-50、AH-70中的任意一种。所述阳离子表面活性剂为胺盐类阳离子表面活性剂、烷基咪唑啉盐类阳离子表面活性剂、季铵盐类阳离子表面活性剂、木质素类阳离子表面活性剂中的一种或多种的混合物。所述酸度调节剂为盐酸或醋酸中的一种。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的至少一种。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述早强剂为氯化钙、氯化钠、氯化铝、氯化锂中的一种或多种的混合物。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述减水剂为木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物、多环芳香族盐或聚羧酸中的一种或多种的混合物。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述高炉渣粉是指高炉渣经研磨处理后比表面积范围处于360～430m2/kg内。当高炉渣粉比表面积为360～430m2/kg时，经济性能最好，可以有效的作为注浆材料的组分。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述煤渣粉是指煤渣经研磨处理后比表面积范围处于300～430m2/kg内。当煤渣粉比表面积为300～430m2/kg时，经济性能最好，可以有效的作为注浆材料的组分。
本公开的另一种实施方式，提供了上述路基注浆材料的制备方法，步骤如下：
(1)制备阳离子乳化沥青：将沥青加热至150～160℃使得沥青达到良好的流动状态；在搅拌方式下，将阳离子表面活性剂、酸度调节剂和水混合均匀，为使膏状的表面活性剂可以均匀地溶于水中，混合时应保持温度40～60℃，获得混合液，将加热后的沥青与混合液混合乳化后获得阳离子乳化沥青；
(2)将(1)制得的阳离子乳化沥青冷却，然后加入水泥、早强剂和减水剂，搅拌后得到A组分；
(3)分别将高炉渣粉和煤渣粉破碎；
(4)将步骤(3)破碎后的高炉渣粉和煤渣粉加热至500～600℃使其活化被高温激发，混合后即得B组分；
(5)在施工过程中，将A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合搅拌均匀后，通过注浆管注入到需要修补的路面基层处。
本实施方式中的一种或多种实施例中，步骤(3)中，将破碎后的高炉渣粉和煤渣粉分别进行研磨。能够获得比表面积为360～430m2/kg的高炉渣粉和比表面积为300～430m2/kg的煤渣粉。
本公开提供的制备方法，效果较佳的使步骤如下：
(1)制备阳离子乳化沥青：按量称取沥青，并将沥青加热维持到150～160℃；按量称取阳离子表面活性剂、酸度调节剂和水，在搅拌方式下混合均匀并维持温度在40～60℃；将沥青与上述混合液在胶体磨下加工乳化3～5min，其中胶体磨的转速设置为4000～8000rpm。
(2)将(1)制得的阳离子乳化沥青冷却至20～45℃，然后加入相应量的水泥、早强剂和减水剂，搅拌5～10min，得到A组分。
(3)按量称取高炉渣粉和煤渣粉，分别进行初步破碎，然后利用球磨机研磨15-30分钟，筛分后取比表面积为360～430m2/kg的高炉渣粉和比表面积为300～430m2/kg的煤渣粉。
(4)将高炉渣粉和煤渣粉置于高温炉(500℃-600℃)中加热6-8h，冷却至室温，搅拌混合均匀即得B组分。
(5)在施工过程中，将A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合搅拌均匀后，通过注浆管注入到需要修补的路面基层处。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
实施例1：
(1)称取重交道路沥青AH-50 600g，并将沥青加热维持到160℃；称取木质素阳离子表面活性剂20g、酸度调节剂醋酸46g和水380g，在搅拌方式下混合均匀并维持温度在45℃；将沥青与上述混合液在胶体磨下加工乳化3min，其中胶体磨的转速设置为5000rpm。
(2)将(1)制得的阳离子乳化沥青冷却至30℃，然后加入300g水泥、氯化铝早强剂12g和10g木质素磺酸盐减水剂，搅拌10min，得到A组分。
(3)按量称取高炉渣粉600g和煤渣粉600g，分别进行初步破碎，然后利用球磨机研磨15-30分钟，筛分后取比表面积为360～430m2/kg的高炉渣粉和比表面积为300～430m2/kg的煤渣粉。
(4)将高炉渣粉和煤渣粉置于高温炉(550℃)中加热6h，冷却至室温，搅拌混合均匀即得B组分。
(5)现场施工，将A组分和B组分按照1:2.2混合搅拌均匀后，通过注浆管注入到需要修补的路面基层处。
实施例1性能指标：
初凝时间/min 终凝时间/min 7d抗压强度/MPa 28d抗压强度/MPa
80 210 12.5 21.6
实施例2：
(1)称取重交道路沥青AH-30 600g，并将沥青加热维持到155℃；称取阳离子表面活性剂烷基咪唑啉硫酸甲酯盐24g、酸度调节剂盐酸(浓度为37％)22g和水450g，在搅拌方式下混合均匀并维持温度在55℃；将沥青与上述混合液在胶体磨下加工乳化5min，其中胶体磨的转速设置为8000rpm。
(2)将(1)制得的阳离子乳化沥青冷却至30℃，然后加入340g火山灰质硅酸盐水泥、氯化钙早强剂12g和10g萘磺酸盐甲醛聚合物减水剂，搅拌12min，得到A组分。
(3)按量称取高炉渣粉800g和煤渣粉400g，分别进行初步破碎，然后利用球磨机研磨15-30分钟，筛分后取比表面积为360～430m2/kg的高炉渣粉和比表面积为300～430m2/kg的煤渣粉。
(4)将高炉渣粉和煤渣粉置于高温炉(550℃)中加热7h，冷却至室温，搅拌混合均匀即得B组分。
(5)现场施工，将A组分和B组分按照1:1.8混合搅拌均匀后，通过注浆管注入到需要修补的路面基层处。
实施例2性能指标：
初凝时间/min 终凝时间/min 7d抗压强度/MPa 28d抗压强度/MPa
69 180 14.8 25.6
实施例3
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤(1)中，将沥青加热维持到140℃。难以获得乳化沥青。
实施例4
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤(1)中，木质素阳离子表面活性剂、醋酸和水混合均匀后，温度维持在35℃。木质素阳离子表面活性剂短时间内难以溶解，从而难以获得稳定的乳化沥青。
实施例5
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤(3)中，将高炉渣粉和煤渣粉置于高温炉(350℃)中加热6h。得到的注浆材料效果较差。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料的制备方法，其特征是，乳化沥青复合高炉渣、煤渣的路基注浆材料由A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合而成，其中A组分由阳离子乳化沥青、水泥、早强剂和减水剂组成，B组分由高炉渣、煤渣组成；所述路基注浆材料以质量份数计，A组分中，阳离子乳化沥青40～65份，水泥10～35份，早强剂1～3.5份，减水剂2～4.5份；B组分中，高炉渣粉50～100份、煤渣粉50～100份；
所述路基注浆材料制备步骤如下：
(1)制备阳离子乳化沥青：将沥青加热至150～160℃；在搅拌方式下，将阳离子表面活性剂、酸度调节剂和水混合均匀，并维持温度40～60℃，获得混合液，将加热后的沥青与混合液混合乳化后获得阳离子乳化沥青；
(2)将(1)制得的阳离子乳化沥青冷却，然后加入水泥、早强剂和减水剂，搅拌后得到A组分；
(3)分别将高炉渣粉和煤渣粉破碎；
(4)将步骤(3)破碎后的高炉渣粉和煤渣粉加热至500～600℃活化，混合后即得B组分；
(5)在施工过程中，将A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合搅拌均匀后，通过注浆管注入到需要修补的路面基层处。
2.如权利要求1所述的路基注浆材料的制备方法，其特征是，所述阳离子乳化沥青由以下组分按重量份配比制成：沥青55～65份，阳离子表面活性剂1.5～3份，酸度调节剂2.5～4.5份，水35～45份。
3.如权利要求2所述的路基注浆材料的制备方法，所述沥青为重交道路沥青AH-30、AH-50、AH-70中的任意一种。
4.如权利要求2所述的路基注浆材料的制备方法，所述阳离子表面活性剂为胺盐类阳离子表面活性剂、烷基咪唑啉盐类阳离子表面活性剂、季铵盐类阳离子表面活性剂、木质素类阳离子表面活性剂中的一种或多种的混合物。
5.如权利要求2所述的路基注浆材料的制备方法，所述酸度调节剂为盐酸或醋酸中的一种。
6.如权利要求1所述的路基注浆材料的制备方法，其特征是，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的至少一种。
7.如权利要求1所述的路基注浆材料的制备方法，其特征是，所述早强剂为氯化钙、氯化钠、氯化铝、氯化锂中的一种或多种的混合物。
8.如权利要求1所述的路基注浆材料的制备方法，其特征是，所述减水剂为木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物、多环芳香族盐或聚羧酸中的一种或多种的混合物。
9.如权利要求1所述的路基注浆材料的制备方法，其特征是，所述高炉渣粉是指高炉渣经粉磨处理后比表面积范围处于360～430m2/kg内。
10.如权利要求1所述的路基注浆材料的制备方法，其特征是，所述煤渣粉是指煤渣经粉磨处理后比表面积范围处于300～430m2/kg内。
11.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，步骤(3)中，将破碎后的高炉渣粉和煤渣粉分别进行研磨。
12.权利要求1～11任一所述的路基注浆材料的制备方法，其特征是，步骤如下：
(1)制备阳离子乳化沥青：按量称取沥青，并将沥青加热维持到150～160℃；按量称取阳离子表面活性剂、酸度调节剂和水，在搅拌方式下混合均匀并维持温度在40～60℃；将沥青与上述混合液在胶体磨下加工乳化3～5min，其中胶体磨的转速设置为4000～8000rpm；
(2)将(1)制得的阳离子乳化沥青冷却至20～45℃，然后加入相应量的水泥、早强剂和减水剂，搅拌5～10min，得到A组分；
(3)按量称取高炉渣粉和煤渣粉，分别进行初步破碎，然后利用球磨机研磨15-30分钟，筛分后取比表面积为360～430m2/kg的高炉渣粉和比表面积为300～430m2/kg的煤渣粉；
(4)将高炉渣粉和煤渣粉置于温度为500～600℃的高温炉中加热6-8h，冷却至室温，搅拌混合均匀即得B组分；
(5)在施工过程中，将A组分和B组分按照1:1～3的重量分数混合搅拌均匀后，通过注浆管注入到需要修补的路面基层处。
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