CN111039604A - 一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料及其制备方法，以砂砾作为支撑材料提高材料整体强度，加入煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰，通过碱性激发剂激发将其制备成具有胶凝能力的材料，通过砂砾作为填充材料支撑路面脱空区域，煤矸石粉等粉料可渗透至砂石的细小孔隙能够渗透至砂石的细小孔隙，使灌浆材料与路面结构通过细料的渗透达到粘结一体的作用；水玻璃溶液和NaOH固体制备得到的溶液，水玻璃溶液和KOH将煤矸石粉、矿渣粉和粉煤灰中的活性硅、铝、钙物质溶解之后重聚，形成C‑S‑H水化硅酸钙、C‑S‑A‑H水化硅铝酸钙水化产物，水玻璃溶液和KOH组成的溶液使煤矸石粉和矿渣粉中的氧化铝先反应，能够防止粉煤灰过多导致凝结过快，提高了注浆材料的工作性能。

Description

一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及公路灌浆材料领域，具体涉及一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料及其制备方法。

背景技术

随着道路建设的发展，我国在各级公路中修建相当数量的水泥混凝土路面，水泥路面具有其耐久性好、承载力大、施工机械简单等诸多优点。由于水泥路面接缝的存在，使得水分容易进入水泥路面板底，同时在车辆荷载重复作用，板底水形成高压动水对路面板和基层不断冲刷，导致基层材料中的细小颗粒从板间缝隙喷出，而形成唧浆病害。唧浆病害会导致病害处的基层不断冲刷而形成的脱空，如不及时处理会导致路面板应力集中而产生断裂。

目前处治板底脱空的灌浆材料主要是水泥灌浆材料。但是每生产1吨水泥就要释放1吨的CO₂，而且伴随着排放大量的NO_x、SO_x和粉尘，生产水泥耗能大，对生态环境造成巨大破坏。水泥浆材的泌水率较高，容易造成析出水分进入基层加剧水损害。

另一方面，我国每年产生大量的工业废弃物，如高炉矿渣粉、粉煤灰、钢渣等，堆放不仅侵占大量土地，而且容易发生自燃污染环境。而且，目前对于煤矸石的综合利用远远不足，导致大量的煤矸石无法有效利用而大量堆放。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料及其制备方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，按质量份数计，包括80-100份煤矸石粉，40-60份粉煤灰，30-60份矿渣粉，60-90份水，200-400份砂，54-80份水玻璃溶液，8-20份KOH固体，消泡剂1-2份，膨胀剂3-5份，缓凝剂1-2份，可再分散性乳胶粉1-2份。

进一步的，煤矸石粉比表面积≥400㎡/kg，SiO₂和Al₂O₃总质量份数≥70％。

进一步的，高炉矿渣粉比表面积≥400㎡/kg，玻璃体含量(质量份数)≥85％。

进一步的，粉煤灰细度45微米方孔筛余≤30％，粉煤灰细度中SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃总质量占比≥70％。

进一步的，水玻璃溶液水玻璃模数3.3，水玻璃溶液中SiO₂含量≥26％，水玻璃溶液中Na₂O含量大于8.2％。

进一步的，KOH固体采用片状氢氧化钾固体，纯度99％。

进一步的，膨胀剂采用石膏粉。

进一步的，缓凝剂采用酒石酸。

进一步的，减水剂采用聚羧酸高效减水剂；可再分散性乳胶粉采用二乙烯基二醇交联的丙烯酸均聚物。

一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料的制备方法，包括下述具体步骤：

步骤1)、按质量份数计称取以下原料，80-100份煤矸石粉，40-60份粉煤灰，30-60份矿渣粉，60-90份水，200-400份砂，54-80份水玻璃溶液，8-20份KOH固体，消泡剂1-2份，膨胀剂3-5份，缓凝剂1-2份，可再分散性乳胶粉1-2份；

步骤2)、将称取好的水玻璃溶液和KOH固体，将KOH固体倒入水玻璃溶液缓慢搅拌直至完全溶解；

步骤3)、将称好的煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂、消泡剂、可再分散性乳胶粉、膨胀剂和缓凝剂混合均匀，然后加水搅拌均匀得到A混合物；

步骤4)，将制备的B液倒入A混合物中混合均匀即可制得煤矸石粉基灌浆材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料及其制备方法，采用煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂砾作为混合主体材料，以砂砾作为支撑材料提高材料整体强度，然后加入煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰，通过碱性激发剂激发将其制备成具有胶凝能力的材料。煤矸石粉基灌浆材料，一方面通过砂砾作为填充材料支撑路面脱空区域，另一方面，煤矸石粉等粉料可渗透至砂石的细小孔隙能够渗透至砂石的细小孔隙，使灌浆材料与路面结构通过细料的渗透达到粘结一体的作用；；通过水玻璃溶液和NaOH固体制备得到的溶液，利用水玻璃溶液和KOH将煤矸石粉、矿渣粉和粉煤灰中的活性硅、铝、钙物质溶解之后重聚，形成C-S-H水化硅酸钙、C-S-A-H水化硅铝酸钙水化产物，利用水玻璃溶液和KOH组成的溶液使煤矸石粉和矿渣粉中的氧化铝先反应，能够防止粉煤灰过多导致凝结过快，确保后期材料强度的增长，从而有效提高煤矸石粉、粉煤灰和矿渣粉的使用率，同时提高了注浆材料的工作性能。通过加入膨胀剂，使反应产生钙矾石，减少微裂缝和体积干缩；本发明使用煤矸石粉作为注浆材料的原料，一方面为煤矸石的综合利用提供了一种新方法，另一方面有效利用了煤矸石、矿渣粉、粉煤灰的工业废弃物，通过水玻璃溶液和KOH复合激发手段，实现工业废渣变废为宝的目的。本发明制备得到的灌浆材料流动性好、析水率低、结石率高。通过加入缓凝剂，延长凝结时间，增加注浆工作可注时间；以煤矸石粉、高炉矿渣粉、粉煤灰作为主要原料，实现了对工业废渣的有效利用，相比水泥材料造价更低，且材料来源广泛，具有良好的经济、环保和社会效益，尤其是大量使用了煤矸石粉，为煤矸石的有效利用提供了新的途径。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细描述：

一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，按质量份数计，包括80-100份煤矸石粉，40-60份粉煤灰，30-60份矿渣粉，60-90份水，200-400份砂，54-80份水玻璃溶液，8-20份KOH固体，消泡剂1-2份，膨胀剂3-5份，缓凝剂1-2份，可再分散性乳胶粉1-2份。

所述煤矸石粉采用煤矸石磨细过筛后所得，煤矸石粉比表面积≥400㎡/kg，SiO₂和Al₂O₃总质量份数≥70％；煤矸石粉的活性程度相对较低，需要其他材料复合才可以有效提高激发程度；

所述高炉矿渣粉采用S95级以上的高炉矿渣粉，高炉矿渣粉比表面积≥400㎡/kg，玻璃体含量(质量份数)≥85％；矿渣粉的CaO含量较高，为体系的后期强度增长提供帮助；

所述粉煤灰采用Ⅱ级以上F类粉煤灰，粉煤灰细度45微米方孔筛余≤30％，SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃总质量占比≥70％；粉煤灰在碱激发过程中反应较快，加入粉煤灰可以提高体系的前期强度增长；

所述水玻璃溶液水玻璃模数3.3，SiO₂含量≥26％，Na₂O含量大于8.2％；

所述KOH固体采用片状氢氧化钾固体，纯度99％；

所述膨胀剂采用石膏粉；

所述缓凝剂采用酒石酸；

所述砂采用天然河砂。

所述减水剂采用聚羧酸高效减水剂；

所述可再分散性乳胶粉采用二乙烯基二醇交联的丙烯酸均聚物。

一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料的制备方法，包括下述具体步骤：

第一步，按质量份数计称取以下原料，80-100份煤矸石粉，40-60份粉煤灰，30-60份矿渣粉，60-90份水，200-400份砂，54-80份水玻璃溶液，8-20份KOH固体，消泡剂1-2份，膨胀剂3-5份，缓凝剂1-2份，可再分散性乳胶粉1-2份；

第二步，制备B液：将称取好的水玻璃溶液和KOH固体，将KOH固体倒入水玻璃溶液缓慢搅拌直至完全溶解，由于KOH固体溶于水玻璃溶液会释放热量，搅拌时需缓慢搅拌；

第三步，制备A混合物：将称好的煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂、消泡剂、可再分散性乳胶粉、膨胀剂、缓凝剂依次放入搅拌机进行干拌3-5min使其混合均匀，然后放入水以50-100r/min慢拌10min，得到A混合物；

第四步，双液混合。将制备的B液倒入A混合物中以200-300r/min快拌2-3min，得到煤矸石粉基灌浆材料，将煤矸石粉基灌浆材料适用于路面脱空结构，减少微裂缝和体积干缩。

实施例1

步骤1)、按质量份数计称取原材料：

煤矸石粉80份，矿渣粉40份，粉煤灰60份，水70份，砂砾200份，水玻璃溶液55份，KOH固体8份，消泡剂1份，膨胀剂3份，缓凝剂1份，可再分散性乳胶粉1份；

步骤2)、将称取好的KOH固体混合在水玻璃溶液，搅拌至KOH固体完全溶解，得到B组分；

步骤3)、将称好的煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂放入搅拌机进行干拌混合均匀，使粉料充分混合，增加煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂之间的接触面积，然后依次将煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂、消泡剂、膨胀剂、缓凝剂、可再分散性乳胶粉放入搅拌机进行干拌3-5min使其混合均匀，增加各组分之间的接触面积；然后放入水以50-100r/min慢拌10min，得到A组分；

步骤4)、将制备的A组分倒入B组分中以300r/min搅拌2min，即可得到灌浆材料。

实施例2

步骤1)、按质量份数计称取原材料：

煤矸石粉80份，矿渣粉60份，粉煤灰60份，水90份，砂砾200份，水玻璃溶液80份，KOH固体16份，消泡剂1份，膨胀剂5份，缓凝剂2份，可再分散性乳胶粉1份；

步骤2)、将称取好的KOH固体混合在水玻璃溶液，搅拌至KOH固体完全溶解，得到B组分；

步骤3)、将称好的煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂放入搅拌机进行干拌混合均匀，使粉料充分混合，增加煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂之间的接触面积，然后依次将煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂、消泡剂、膨胀剂、缓凝剂、可再分散性乳胶粉放入搅拌机进行干拌3-5min使其混合均匀，增加各组分之间的接触面积；然后放入水以50-100r/min慢拌10min，得到A组分；

步骤4)、将制备的A组分倒入B组分中以300r/min搅拌2min，即可得到灌浆材料。

实施例3

步骤1)、按质量份数计称取原材料：

煤矸石粉100份，矿渣粉60份，粉煤灰60份，水80份，砂砾300份，水玻璃溶液72份，KOH固体10份，消泡剂1份，膨胀剂3份，缓凝剂1份，可再分散性乳胶粉1份；

步骤2)、将称取好的KOH固体混合在水玻璃溶液，搅拌至KOH固体完全溶解，得到B组分；

步骤3)、将称好的煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂放入搅拌机进行干拌混合均匀，使粉料充分混合，增加煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂之间的接触面积，然后依次将煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂、消泡剂、膨胀剂、缓凝剂、可再分散性乳胶粉放入搅拌机进行干拌3-5min使其混合均匀，增加各组分之间的接触面积；然后放入水以50-100r/min慢拌10min，得到A组分；

步骤4)、将制备的A组分倒入B组分中以300r/min搅拌2min，即可得到灌浆材料。

实施例4

步骤1)、按质量份数计称取原材料：

煤矸石粉90份，矿渣粉50份，粉煤灰40份，水80份，砂砾200份，水玻璃溶液65份，KOH固体8份，消泡剂0.5份，膨胀剂4份，缓凝剂1份，可再分散性乳胶粉0.6份；

步骤2)、将称取好的KOH固体混合在水玻璃溶液，搅拌至KOH固体完全溶解，得到B组分；

步骤3)、将称好的煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂放入搅拌机进行干拌混合均匀，使粉料充分混合，增加煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂之间的接触面积，然后依次将煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂、消泡剂、膨胀剂、缓凝剂、可再分散性乳胶粉放入搅拌机进行干拌3-5min使其混合均匀，增加各组分之间的接触面积；然后放入水以50-100r/min慢拌10min，得到A组分；

步骤4)、将制备的A组分倒入B组分中以300r/min搅拌2min，即可得到灌浆材料。

实施例5

步骤1)、按质量份数计称取原材料：

煤矸石粉90份，矿渣粉50份，粉煤灰40份，水60份，砂砾300份，水玻璃溶液65份，KOH固体8份，消泡剂0.5份，膨胀剂4份，缓凝剂1份，可再分散性乳胶粉0.6份；

步骤2)、将称取好的KOH固体混合在水玻璃溶液，搅拌至KOH固体完全溶解，得到B组分；

步骤3)、将称好的煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂放入搅拌机进行干拌混合均匀，使粉料充分混合，增加煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰和砂之间的接触面积，然后依次将煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂、消泡剂、膨胀剂、缓凝剂、可再分散性乳胶粉放入搅拌机进行干拌3-5min使其混合均匀，增加各组分之间的接触面积；然后放入水以50-100r/min慢拌10min，得到A组分；

步骤4)、将制备的A组分倒入B组分中以300r/min搅拌2min，即可得到灌浆材料。

按照上述方法，以表1中原料配比关系，制备多组不同配比下的注浆填充材料，具体配比如表1所示；

表1不同配比得到的注浆填充材料性能

由以上结果可知，本申请得到的注浆填充材料相比于水泥灌浆材料，以煤矸石粉、粉煤灰、矿渣粉等工业废渣为基料，能有效提高工业废渣在道路工程中的利用率，具有良好的环境效益和经济价值；同时，使用一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，具有速凝早强、低泌水、高流动性、力学性能优异等特点，膨胀剂和消泡剂等添加有利于减少硬化过程的收缩开裂，并优化结石体空隙结构，可再分散性乳胶粉保证了灌浆材料具有良好的稳定性。在实际使用时，可根据路基病害的具体位置、具体状况和注浆条件进行综合分析，通过合理调整各原料的配比，满足实际的使用需求。

Claims (10)

1.一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，按质量份数计，包括80-100份煤矸石粉，40-60份粉煤灰，30-60份矿渣粉，60-90份水，200-400份砂，54-80份水玻璃溶液，8-20份KOH固体，消泡剂1-2份，膨胀剂3-5份，缓凝剂1-2份，可再分散性乳胶粉1-2份。

2.根据权利要求1所述的一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，煤矸石粉比表面积≥400㎡/kg，SiO₂和Al₂O₃总质量份数≥70％。

3.根据权利要求1所述的一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，高炉矿渣粉比表面积≥400㎡/kg，玻璃体含量(质量份数)≥85％。

4.根据权利要求1所述的一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，粉煤灰细度45微米方孔筛余≤30％，粉煤灰细度中SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃总质量占比≥70％。

5.根据权利要求1所述的一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，水玻璃溶液水玻璃模数3.3，水玻璃溶液中SiO₂含量≥26％，水玻璃溶液中Na₂O含量大于8.2％。

6.根据权利要求1所述的一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，KOH固体采用片状氢氧化钾固体，纯度99％。

7.根据权利要求1所述的一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，膨胀剂采用石膏粉。

8.根据权利要求1所述的一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，缓凝剂采用酒石酸。

9.根据权利要求1所述的一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料，其特征在于，减水剂采用聚羧酸高效减水剂；可再分散性乳胶粉采用二乙烯基二醇交联的丙烯酸均聚物。

10.一种用于路面脱空的煤矸石粉基灌浆材料的制备方法，其特征在于，包括下述具体步骤：

步骤1)、按质量份数计称取以下原料，80-100份煤矸石粉，40-60份粉煤灰，30-60份矿渣粉，60-90份水，200-400份砂，54-80份水玻璃溶液，8-20份KOH固体，消泡剂1-2份，膨胀剂3-5份，缓凝剂1-2份，可再分散性乳胶粉1-2份；

步骤2)、将称取好的水玻璃溶液和KOH固体，将KOH固体倒入水玻璃溶液缓慢搅拌直至完全溶解；

步骤3)、将称好的煤矸石粉、矿渣粉、粉煤灰、砂、消泡剂、可再分散性乳胶粉、膨胀剂和缓凝剂混合均匀，然后加水搅拌均匀得到A混合物；

步骤4)，将制备的B液倒入A混合物中混合均匀即可制得煤矸石粉基灌浆材料。