CN111056808A - 一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，由干料加水均匀拌合制备而成，所述干料包括胶结料、钢渣集料；其中胶结料、钢渣集料总质量的百分数为：胶结料3.4％～5.0％、钢渣集料95.0％～96.6％；所述胶结料为水泥与钢渣微粉按一定比例混合制备而成，水泥与钢渣微粉的质量百分数为：水泥70％～90％、钢渣微粉10％～30％；水占干料总质量的5％～6％。本发明所述基层材料利用了钢渣优异的物理特性和潜在胶凝活性，无需外加剂，便可制备得到强度高、水泥用量小、干缩小的基层材料，适用于重载路面中，延长重载路面的服役寿命；而且实现了全粒径钢渣在基层材料中的应用，有效节约了天然资源，减少了钢渣处理不当导致的环境污染等问题，降低了生产成本，具有显著的社会经济环境效益。

Description

一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料。
背景技术
在沥青路面结构中，基层主要是承受道路荷载并将力均匀的传导到路基，面层的作用主要是抗滑、耐磨、防水、保证行车安全等功能。调查显示，目前我国的很多路面处于重载交通的环境中，这种路面往往不久就会出现严重的早期破坏现象，这些破坏与基层材料的性能密切相关。重载路面的交通量高、载荷重，对其基层材料的强度、干缩性能有更高的要求。另外，无论是路面面层、基层，都要消耗大量石料，而我国现用的集料大多为不可再生的天然集料，这些集料的采集会破坏生态环境，不符合我国可持续发展的战略方针，因此寻求天然集料的替代品对我国经济发展和环境保护有很重要的现实意义。
钢渣是炼钢过程中排出的熔渣，是冶炼行业的主要固体副产品，且产量十分巨大。大量的钢渣若不科学处理利用，会带来很多不利影响。首先，钢渣的堆积会占用大量的土地，影响土地有效利用，其次，钢渣中含有一定量有害的重金属元素，长期的露天堆置会造成水体和土壤的污染。大量研究表明，钢渣具有优异的力学性质：钢渣的比重高于天然集料，钢渣坚硬耐磨，表面一般呈多孔结构，纹理丰富，比表面积与吸水率通常较天然集料高，棱角性好。经过处理后制成的不同粒径粒状渣，有作为优质集料的潜质。转炉钢渣的主要矿物成分包含：C2S、C2F、Fe1-xO、C4AF、CaO、Ca(OH)2、CaCO3。其C2S、C2F、C4AF的存在，使得钢渣具有潜在的胶凝活性，对比天然集料有很大优势。
利用钢渣优异的物理化学性能，将钢渣应用在基层材料中制备钢渣路面基层材料，用于重载路面，可延长重载路面的使用寿命，提高钢渣的利用率。中国专利CN105948639A“一种高强低收缩抗裂路面基层材料”提出了水泥、钢渣砂、细粒土、外加剂体系和水制备的基层材料，虽然得到强度较高，干缩量较低的基层材料，但钢渣的使用率较低，且使用了成分较为复杂的外加剂；CN102491703A“一种钢渣水稳基层材料”提出了一种水泥、钢渣集料、外加剂体系加水制备的水稳基层材料，虽然集料使用了钢渣，但是其水泥用量为4％～6％，用量较高，并且使用了缓凝阻裂剂外加剂，使得成本上升，另外使用的钢渣粒径范围也较小，为0.5～20mm，未使用钢渣微粉。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，选取符合规范YB/T 4184-2009《钢渣混合料路面基层施工技术规程》中钢渣要求的热闷钢渣用做半刚性基层的集料，并且使用水泥—钢渣微粉复合胶结料用于基层材料中，充分发挥钢渣的物理和化学特性，制备出强度高、干缩小的道路基层材料，适用于重载路面中。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，由干料加水均匀拌合制备而成，所述干料包括胶结料、钢渣集料；其中胶结料、钢渣集料总质量的百分数为：胶结料3.4％～5.0％、钢渣集料95.0％～96.6％；所述胶结料为水泥与钢渣微粉按一定比例混合制备而成，水泥与钢渣微粉的质量百分数为：水泥70％～90％、钢渣微粉10％～30％；水占干料总质量的5％～6％。
作为上述技术方案的优选，本发明提供的用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，所述胶结料中水泥为P.C 32.5复合硅酸盐水泥。
作为上述技术方案的改进，所述胶结料中钢渣微粉为磨细的具有一定胶凝活性的转炉钢渣粉，比表面积不低于400m2/kg，粒径0.075mm筛孔通过率90％以上，f-CaO(游离氧化钙)的含量不超过3.0wt％。
作为上述技术方案的改进，所述干料中钢渣集料是炼钢厂排出的废渣按照热闷法处理破碎，磁选所得的热闷钢渣，其表观密度不低于3.2g/cm3；按4.75mm筛孔将钢渣分为钢渣粗集料与钢渣细集料；钢渣的级配为：19mm～26.5mm：15wt％～18wt％，9.5mm～19mm：20wt％～24wt％，4.75mm～9.5mm：19wt％～21wt％，2.36mm～4.75mm：13wt％～15wt％，0～2.36mm：23wt％～27wt％。
作为上述技术方案的改进，所述钢渣粗集料与钢渣细集料的浸水膨胀率不超过2.0％。
作为上述技术方案的改进，所述钢渣集料中f-CaO(游离氧化钙)含量不超过3.0wt％。
作为上述技术方案的改进，所述f-CaO(游离氧化钙)含量按照甘油乙醇法测定得到。
作为上述技术方案的改进，所述水为普通饮用水。
所述用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，由以下方法制备而成：
1)胶结料、钢渣集料总质量的百分数为：胶结料3.4％～5.0％、钢渣集料95.0％～96.6％，其中胶结料为水泥与钢渣微粉按一定比例混合制备而成，水泥与钢渣微粉质量百分数为：水泥70％～90％、钢渣微粉10％～30％；钢渣集料的级配为：19mm～26.5mm：15wt％～18wt％，9.5mm～19mm：20wt％～24wt％，4.75mm～9.5mm：19wt％～21wt％，2.36mm～4.75mm：13wt％～15wt％，0～2.36mm：23wt％～27wt％；按照上述要求分别选取胶结料、钢渣集料；
2)将钢渣集料分别置于105℃±5℃环境中烘干至恒重，一般不少于4～6h；
3)按质量比取所述适量干料5份，并预先设定5组含水量，依次相差0.5％-1.5％；然后将水分别加入干料中搅拌至均匀为止；然后进行重型击实，测试实际含水量和最大干密度，最后绘制干密度曲线，得到最佳含水量和最大干密度；重型击实的实验方法参照规范JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》中T0804-1994方法进行；
4)按一定质量比取所述适量干料，加入浸润所需的水，然后混合干料和水，进行搅拌5～10分钟，至均匀为止；将拌合均匀的物料放入密闭容器进行浸润，浸润时间为6～12h；其中所加入的水的含量应比步骤3)中的最佳含水量低1～2％；
5)取步骤4)所述经过浸润的物料，再加入适量水以达到最佳含水量，搅拌5～10分钟，然后加入均匀混合的胶结料，二次搅拌5～10分钟，至搅拌均匀为止；
6)在加入胶结料1h之内，将搅拌后的物料均匀地填入模具中，控制密度，静压成型，得到基层材料试样。成型工艺按照规范JTG E51-2009《公路工程无机结合料稳定材料实验规程》中T0843-2009方法进行。
本发明的原理为：
1、钢渣微粉的掺入具有微集料效应，可改善集料的级配；钢渣集料表面有较多微孔，集料棱角性好，使得水泥颗粒与钢渣集料具有更好的黏结性；钢渣有潜在的胶凝活性，随着时间的增加，钢渣的活性得到激发。在这三个因素的共同作用下，钢渣集料、钢渣微粉、水泥形成致密的材料体系，得到强度较高的钢渣基层材料。
2、钢渣具有膨胀性，利用钢渣基层的微膨胀特性对其干缩进行补偿，减小基层材料的干缩量。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
1、利用了钢渣优异的物理特性和其潜在胶凝活性，无需使用外加剂，便可制备得到强度高、水泥用量小、干缩小的基层材料，适用于重载路面中，延长重载路面的服役寿命。
2、实现了全粒径钢渣在基层材料中的应用，有效节约了天然资源，减少了钢渣处理不当导致的环境污染等问题，降低了生产成本，具有显著的社会经济环境效益。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明各优选实施例的基层材料无侧限抗压强度图；
图2是本发明各优选实施例的基层材料60d总干缩系数实验结果图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
以下实例中，所用钢渣微粉的比表面积为450m2/kg；粒径0.075mm筛孔通过率为91％，游离氧化钙含量为2.1w％。
以下实例中，所用钢渣集料为热闷钢渣，陈化时间12个月以上。其表观相对密度为3.6～3.7g/cm3，压碎值为12.1％。按4.75mm筛孔分为钢渣粗集料和钢渣细集料，钢渣细集料游离氧化钙含量为1.12w％，钢渣粗集料氧化钙含量为1.51w％。
以下实例中，所用水为普通饮用水。
实施例1：
一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，干料中胶结料、钢渣集料总质量的百分数为：胶结料4.8％、钢渣粗集料95.2％，其中胶结料为水泥与钢渣微粉混合制备而成，水泥与钢渣微粉的质量比为9：1。钢渣的级配为：19mm～26.5mm：17wt％；9.5mm～19mm：23wt％：4.75mm～9.5mm：20wt％；2.36mm～4.75mm：15wt％；0～2.36mm：25wt％。
上述一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)按照上述配合比称取钢渣集料和胶结料，钢渣集料其合成级配见表1。
2)将钢渣集料置于105℃±5℃的环境中烘干至恒重(一般不少于4～6h)；
3)按质量比取所述适量干料5份，预先设定3％、4％、5％、6％、7％含水量。后将水分别加入干料中搅拌至均匀为止。然后进行重型击实，测试实际含水量和最大干密度，最后绘制干密度曲线，得到最佳含水量。最佳含水量见表2。
4)按一定质量比取所述适量干料，取浸润所需的水(此时所加入的水的含量应比步骤3)所述最佳含水量低1～2％)，然后混合干料和水，进行搅拌5～10分钟，至均匀为止。将拌合均匀的物料放入密闭容器进行浸润，浸润时间为6～12h。
5)取步骤4)所述经过浸润的物料，再加入适量的水以达到最佳含水量，搅拌5～10分钟。后加入均匀混合的胶结料，二次搅拌5-10分钟，至搅拌均匀为止；
6)在加入胶结料1h之内，将搅拌后的物料均匀地填入模具中，控制密度，静压成型，得到基层材料试样。
实施例2：
一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，干料中胶结料、天然集料、钢渣集料总质量的百分数为：胶结料4.3％、钢渣粗集料95.7％，其中胶结料为水泥与钢渣微粉混合制备而成，水泥与钢渣微粉的质量比为7：3。钢渣的级配为：19mm～26.5mm：16wt％；9.5mm～19mm：24wt％：4.75mm～9.5mm：20wt％；2.36mm～4.75mm：14wt％；0～2.36mm：26wt％。
上述一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其制备方法与实施例1中所述制备方法相同。
实施例3：
一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，干料中胶结料、天然集料、钢渣集料总质量的百分数为：胶结料3.4％、钢渣集料96.6％，其中胶结料为水泥与钢渣微粉混合制备而成，水泥与钢渣微粉的质量比为9：1。钢渣的级配为：19mm～26.5mm：16wt％；9.5mm～19mm：24wt％：4.75mm～9.5mm：20wt％；2.36mm～4.75mm：15wt％；0～2.36mm：25wt％。
上述一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其制备方法与实施例1中所述制备方法相同。
对比例：
一种纯天然集料路面基层材料，由纯水泥与天然集料以质量百分比为4.7％和95.3％混合制备而成。天然集料的级配为：19mm～26.5mm：18wt％；9.5mm～19mm：24wt％：4.75mm～9.5mm：20wt％；2.36mm～4.75mm：12wt％；0～2.36mm：26wt％。
上述对比例基层材料，其制备方法与实施例1中所述制备方法相同。
表1 C-B-1筛分及合成级配
Figure BDA0002350283360000071
表2 最佳含水率与最大干密度表
Figure BDA0002350283360000072
对三个实例和对比例的基层材料按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG/E51-2009)规范中要求进行7d和28d无侧限强度实验，实验结果如图1所示。
由图1可以看出，三个实例的7d、28d无侧限抗压强度远高于对比例，表明本发明所提供的钢渣集料基层材料具有高强度的特点，适用于重载路面。
对三个实例的基层材料以及对比例按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG/E51-2009)规范中要求进行干缩实验，其60d总干缩系数实验结果如图2所示。
由图2可以看出，三个实例的总干缩系数值明显低于对比例，表明本发明所提供的全粒度钢渣集料基层材料具有干缩小的特点。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其特征在于：由干料加水均匀拌合制备而成，所述干料包括胶结料、钢渣集料；其中胶结料、钢渣集料总质量的百分数为：胶结料3.4％～5.0％、钢渣集料95.0％～96.6％；所述胶结料为水泥与钢渣微粉按一定比例混合制备而成，水泥与钢渣微粉的质量百分数为：水泥70％～90％、钢渣微粉10％～30％；水占干料总质量的5％～6％。
2.如权利要求1所述的用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其特征在于：所述胶结料中水泥为P.C 32.5复合硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其特征在于：所述胶结料中钢渣微粉为磨细的具有一定胶凝活性的转炉钢渣粉，比表面积不低于400m2/kg，粒径0.075mm筛孔通过率90％以上，游离氧化钙f-CaO的含量不超过3.0wt％。
4.如权利要求1所述的用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其特征在于：所述干料中钢渣集料是炼钢厂排出的废渣按照热闷法处理破碎，磁选所得的热闷钢渣，其表观密度不低于3.2g/cm3；按4.75mm筛孔将钢渣分为钢渣粗集料与钢渣细集料；钢渣的级配为：19mm～26.5mm：15wt％～18wt％，9.5mm～19mm：20wt％～24wt％，4.75mm～9.5mm：19wt％～21wt％，2.36mm～4.75mm：13wt％～15wt％，0～2.36mm：23wt％～27wt％。
5.如权利要求1所述的用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其特征在于：所述钢渣粗集料与钢渣细集料的浸水膨胀率不超过2.0％。
6.如权利要求1所述的用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其特征在于：所述钢渣集料中游离氧化钙f-CaO含量不超过3.0wt％。
7.如权利要求1所述的用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其特征在于：所述水为普通饮用水。
8.如权利要求1所述的用于重载路面的全粒度钢渣路面基层材料，其特征在于：由以下方法制备而成：
1)胶结料、钢渣集料总质量的百分数为：胶结料3.4％～5.0％、钢渣集料95.0％～96.6％，其中胶结料为水泥与钢渣微粉按一定比例混合制备而成，水泥与钢渣微粉质量百分数为：水泥70％～90％、钢渣微粉10％～30％；钢渣集料的级配为：19mm～26.5mm：15wt％～18wt％，9.5mm～19mm：20wt％～24wt％，4.75mm～9.5mm：19wt％～21wt％，2.36mm～4.75mm：13wt％～15wt％，0～2.36mm：23wt％～27wt％；按照上述要求分别选取胶结料、钢渣集料；
2)将钢渣集料分别置于105℃±5℃环境中烘干至恒重，一般不少于4～6h；
3)按质量比取所述适量干料5份，并预先设定5组含水量，依次相差0.5％-1.5％；然后将水分别加入干料中搅拌至均匀为止。然后进行重型击实，测试实际含水量和最大干密度，最后绘制干密度曲线，得到最佳含水量和最大干密度；
4)按一定质量比取所述适量干料，加入浸润所需的水，然后混合干料和水，进行搅拌5～10分钟，至均匀为止；将拌合均匀的物料放入密闭容器进行浸润，浸润时间为6～12h；其中所加入的水的含量应比步骤3)中的最佳含水量低1～2％；
5)取步骤4)所述经过浸润的物料，再加入适量水以达到最佳含水量，搅拌5～10分钟，然后加入均匀混合的胶结料，二次搅拌5～10分钟，至搅拌均匀为止；
6)在加入胶结料1h之内，将搅拌后的物料均匀地填入模具中，控制密度，静压成型，得到基层材料试样。
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