CN111574121A - 道路基层混合料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种道路基层混合料，包括以下重量份组分：水泥1～2份，粉煤灰2～10份，炉渣5～15份，碎石30～45份，硅灰0.5～1份，激发剂1～2份。本发明的道路基层混合料中，炉渣主要成分是SiO2和Al2O3，硅灰的主要成分是SiO2，它们能与水泥水化反应产生的Ca(OH)2发生反应，生成化学性质稳定的C‑A‑H和C‑S‑H胶凝物质，使得混合料具有较高的强度。本发明在保证各项性能指标符合要求的前提下，尽可能提高粉煤灰和炉渣的利用率，降低水泥用量，使其经济效益最大化，并且使得各项性能指标达到最优化。本发明将粉煤灰和炉渣应用于道路基础建设中，不仅减少工业废料大量堆积对周边环境的污染，还可以减少对天然碎石的消耗，达到了变废为宝，可持续发展的目的。

Description

道路基层混合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及交通土建工程技术领域，具体地涉及一种道路基层混合料及其制备方法。
背景技术
道路路面结构层材料和路基基础处理是道路建设中至关重要的一环节，路基的好与坏关系到后期道路的使用安全和服役年限，因此需要保证基础质量。道路基层材料通常为二灰碎石混合料，砂土石方是任何建筑及公共建筑兴建过程中必须消耗的原料，近二十年来随着我国各项建筑的蓬勃发展，因此对于土石原料的需求殷切，全国百分之九十五以上的砂石来自河流山川，但是随着不断挖掘，砂石资源已逐渐枯竭。寻找可替代材料来减少砂石的消耗成为当务之急。
我国“富煤、缺油、少气”的资源配置导致火力发电长期以来一直占据我国电源结构的核心地位。煤炭应用及技术的发展充分利用了区内煤炭资源，丰富的煤炭资源促使宁夏地区大部分电厂采用火力发电，在生产活动中会产生大量的粉煤灰和炉渣。粉煤灰是指燃煤电厂以及煤矸石、煤泥资源综合利用电厂锅炉烟气经过除尘器收集后获得的细小飞灰。粉煤灰作为我国主要的工业废渣之一，通常每消耗2吨煤就会产生1吨粉煤灰，产生量逐年增加，但利用率一直较低，回收利用率不到30％。巨量堆放的粉煤灰不仅污染环境，而且造成资源浪费。炉渣是指烧烟煤的炉渣，即烧锅炉的炉渣，一般结成焦块，在生产中要用球磨机粉碎，过筛洗净之后使用。炉渣相对于粉煤灰，经过高温煅烧灭菌有害物质较少，对环境影响相对较小，但大量堆放的炉渣占用大片土地，影响附近植物的生长。
因此，充分了解粉煤灰和炉渣使用价值，将其应用到道路基础建设中，实现资源和土地的有效利用已成为一种趋势。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种道路基层混合料及其制备方法，粉煤灰和炉渣应用于道路基础建设中，不仅可以减少工业废料大量堆积对周边环境的污染，还可以减少对天然碎石的消耗，达到了变废为宝，可持续发展的目的。
一种道路基层混合料，包括以下重量份组分：水泥1～2份，粉煤灰2～10份，炉渣5～15份，碎石30～45份，硅灰0.5～1份，激发剂1～2份。
优选的，质量比水泥：粉煤灰＝(1：2)～(1：5)。
优选的，包括以下重量份组分：水泥1.5份，粉煤灰6份，炉渣10份，碎石38份，硅灰0.8份，激发剂1.5份。
优选的，所述碎石由以下重量份组成：粒径在19～31.5mm之间的碎石11～28份，粒径在9.5～19mm之间的碎石20～26份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石16～28份。
优选的，所述炉渣和粉煤灰中SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％，硅灰中SiO2的含量大于90％。
优选的，所述炉渣粒径≤4.75mm。
优选的，所述激发剂由Na2SO4和NaOH组成，质量比Na2SO4：NaOH＝1：1。
本发明还公开了一种道路基层混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对炉渣和粉煤灰进行XRD和XRF检测，测定其各成分含量及烧失量，选择SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％炉渣和粉煤灰作为掺合料；选择SiO2的含量大于90％硅灰；
(2)对碎石进行级配，碎石粒径小于31.5mm，其中，粒径在19～31.5mm之间的碎石11～28份，粒径在9.5～19mm之间的碎石20～26份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石16～28份；
(3)对炉渣进行筛分，选择炉渣粒径≤4.75mm；
(4)对搅拌机进行湿润，加入级配碎石搅拌30s，然后再加入水泥、粉煤灰、炉渣和硅灰搅拌30s得到混合干料；
(5)将激发剂充分与水混合得到激发剂水溶液，在搅拌混合干料的同时，向其中缓慢、均匀分散的加入激发剂水溶液，激发剂水溶液加入完毕后，再继续搅拌90s得到道路基层混合料。
优选的，所述步骤(5)中的激发剂通过以下步骤制备：将称量好的NaOH放于容器中，加入15～25℃的蒸馏水，充分搅拌均匀后，密闭并恢复至常温，再加入等质量的Na2SO4，搅拌均匀即得，激发剂中NaOH与Na2SO4的质量浓度分别为113g/L和113g/L
优选的，所述步骤(5)中水的温度及激发剂水溶液的温度控制在20～30℃，加入水的量按照每kg混合干料中加入108g水计量。
本发明中，首先对两种工业废料炉渣和粉煤灰的物理、化学性能分别进行检测及评价，发现粉煤灰细度模数较炉渣大，吸水率较大；发现炉渣外观粗糙，几何形状不规则，有棱角，多孔，呈灰黑色。此外，根据适用的道路等级和交通条件，对其硅铝含量及烧失量等提出要求，对粗、细集料的性能要求和级配要求确定了各掺料的配比，在保证各项性能指标符合要求的前提下，尽可能提高粉煤灰和炉渣的利用率，降低水泥用量，使其经济效益最大化，并且使得各项性能指标达到最优化。试件的各项性能指标如下：
1、收缩率：该制备方法下的试件收缩比传统的水泥稳定碎石小20～30％；
2、强度：同水泥掺量下的7d无侧限抗压强度比传统水泥粉煤灰稳定碎石高20～30％，水泥掺量为3.5％的试件7d无侧限抗压强度95％保证率代表值为3.6MPa，完全满足高速公路和一级公路重交通的标准；同水泥掺量下的劈裂强度比传统水泥粉煤灰稳定碎石高10～15％；
3、抗冻性能：传统水泥稳定碎石28d的无侧限抗压相比于7d的强度增长率为20～30％，而按照该配比及制备方法的制备的试件28d强度增长率为70～80％。
本发明的道路基层混合料中，粉煤灰和炉渣的主要成分是硅铝质材料，炉渣主要成分是SiO2和Al2O3，硅灰的主要成分是SiO2，它们能与水泥水化反应产生的Ca(OH)2发生反应，生成化学性质稳定的C-A-H和C-S-H胶凝物质，使得混合料具有较高的强度。本发明在保证各项性能指标符合要求的前提下，尽可能提高粉煤灰和炉渣的利用率，降低水泥用量，使其经济效益最大化，并且使得各项性能指标达到最优化。本发明的道路基层混合料及其制备方法，将粉煤灰和炉渣应用于道路基础建设中，不仅减少工业废料大量堆积对周边环境的污染，还可以减少对天然碎石的消耗，达到了变废为宝，可持续发展的目的。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：
一、道路基层混合料及其制备方法
实施例1：
本实施例的道路基层混合料，包括以下重量份组分：水泥1份，粉煤灰2份，炉渣5份，碎石45份，硅灰0.5份，激发剂2份，其中：
所述碎石由以下重量份组成：粒径在19～31.5mm之间的碎石11份，粒径在9.5～19mm之间的碎石26份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石16份。
所述炉渣和粉煤灰中SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％，硅灰中SiO2的含量大于90％；所述炉渣粒径≤4.75mm。
所述激发剂由Na2SO4和NaOH组成，质量比Na2SO4：NaOH＝1：1。
本实施例的路基层混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对炉渣和粉煤灰进行XRD和XRF检测，测定其各成分含量及烧失量，选择SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％炉渣和粉煤灰作为掺合料；选择SiO2的含量大于90％硅灰；
(2)对碎石进行级配，碎石粒径小于31.5mm，其中，粒径在19～31.5mm之间的碎石11份，粒径在9.5～19mm之间的碎石26份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石16份；
(3)对炉渣进行筛分，选择炉渣粒径≤4.75mm；
(4)对搅拌机进行湿润，加入级配碎石搅拌30s，然后再加入水泥、粉煤灰、炉渣和硅灰搅拌30s得到混合干料；
(5)将激发剂充分与水混合得到激发剂水溶液，在搅拌混合干料的同时，向其中缓慢、均匀分散的加入激发剂水溶液，激发剂水溶液加入完毕后，再继续搅拌90s得到道路基层混合料，水的温度及激发剂水溶液的温度控制在20℃，加入水的量按照每kg混合干料中加入90g水计量。激发剂通过以下步骤制备：将称量好的NaOH放于容器中，加入15℃的蒸馏水，充分搅拌均匀后，密闭并恢复至常温，再加入等质量的Na2SO4，搅拌均匀即得，激发剂中NaOH与Na2SO4的质量浓度分别为150g/L和150g/L
实施例2：
本实施例的道路基层混合料，包括以下重量份组分：水泥1份，粉煤灰3份，炉渣8份，碎石40份，硅灰0.7份，激发剂1.8份，其中：
所述碎石由以下重量份组成：粒径在19～31.5mm之间的碎石15份，粒径在9.5～19mm之间的碎石25份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石18份。
所述炉渣和粉煤灰中SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％，硅灰中SiO2的含量大于90％；所述炉渣粒径≤4.75mm。
所述激发剂由Na2SO4和NaOH组成，质量比Na2SO4：NaOH＝1：1。
本实施例的路基层混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对炉渣和粉煤灰进行XRD和XRF检测，测定其各成分含量及烧失量，选择SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％炉渣和粉煤灰作为掺合料；选择SiO2的含量大于90％硅灰；
(2)对碎石进行级配，碎石粒径小于31.5mm，其中，粒径在19～31.5mm之间的碎石15份，粒径在9.5～19mm之间的碎石25份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石18份；
(3)对炉渣进行筛分，选择炉渣粒径≤4.75mm；
(4)对搅拌机进行湿润，加入级配碎石搅拌30s，然后再加入水泥、粉煤灰、炉渣和硅灰搅拌30s得到混合干料；
(5)将激发剂充分与水混合得到激发剂水溶液，在搅拌混合干料的同时，向其中缓慢、均匀分散的加入激发剂水溶液，激发剂水溶液加入完毕后，再继续搅拌90s得到道路基层混合料，水的温度及激发剂水溶液的温度控制在22℃，加入水的量按照每kg混合干料中加入100g水计量。激发剂通过以下步骤制备：将称量好的NaOH放于容器中，加入22℃的蒸馏水，充分搅拌均匀后，密闭并恢复至常温，再加入等质量的Na2SO4，搅拌均匀即得，激发剂中NaOH与Na2SO4的质量浓度分别为135g/L和135g/L
实施例3：
本实施例的道路基层混合料，包括以下重量份组分：水泥1.5份，粉煤灰6份，炉渣10份，碎石38份，硅灰0.8份，激发剂1.5份，其中：
所述碎石由以下重量份组成：粒径在19～31.5mm之间的碎石20份，粒径在9.5～19mm之间的碎石23份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石20份。
所述炉渣和粉煤灰中SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％，硅灰中SiO2的含量大于90％；所述炉渣粒径≤4.75mm。
所述激发剂由Na2SO4和NaOH组成，质量比Na2SO4：NaOH＝1：1。
本实施例的路基层混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对炉渣和粉煤灰进行XRD和XRF检测，测定其各成分含量及烧失量，选择SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％炉渣和粉煤灰作为掺合料；选择SiO2的含量大于90％硅灰；
(2)对碎石进行级配，碎石粒径小于31.5mm，其中，粒径在19～31.5mm之间的碎石20份，粒径在9.5～19mm之间的碎石23份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石20份；
(3)对炉渣进行筛分，选择炉渣粒径≤4.75mm；
(4)对搅拌机进行湿润，加入级配碎石搅拌30s，然后再加入水泥、粉煤灰、炉渣和硅灰搅拌30s得到混合干料；
(5)将激发剂充分与水混合得到激发剂水溶液，在搅拌混合干料的同时，向其中缓慢、均匀分散的加入激发剂水溶液，激发剂水溶液加入完毕后，再继续搅拌90s得到道路基层混合料，水的温度及激发剂水溶液的温度控制在25℃，加入水的量按照每kg混合干料中加入108g水计量，激发剂通过以下步骤制备：将称量好的NaOH放于容器中，加入20℃的蒸馏水，充分搅拌均匀后，密闭并恢复至常温，再加入等质量的Na2SO4，搅拌均匀即得，激发剂中NaOH与Na2SO4的质量浓度分别为113g/L和113g/L
实施例4：
本实施例的道路基层混合料，包括以下重量份组分：水泥2份，粉煤灰8份，炉渣12份，碎石35份，硅灰0.9份，激发剂1.2份，其中：
所述碎石由以下重量份组成：粒径在19～31.5mm之间的碎石24份，粒径在9.5～19mm之间的碎石22份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石25份。
所述炉渣和粉煤灰中SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％，硅灰中SiO2的含量大于90％；所述炉渣粒径≤4.75mm。
所述激发剂由Na2SO4和NaOH组成，质量比Na2SO4：NaOH＝1：1。
本实施例的路基层混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对炉渣和粉煤灰进行XRD和XRF检测，测定其各成分含量及烧失量，选择SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％炉渣和粉煤灰作为掺合料；选择SiO2的含量大于90％硅灰；
(2)对碎石进行级配，碎石粒径小于31.5mm，其中，粒径在19～31.5mm之间的碎石24份，粒径在9.5～19mm之间的碎石22份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石25份；
(3)对炉渣进行筛分，选择炉渣粒径≤4.75mm；
(4)对搅拌机进行湿润，加入级配碎石搅拌30s，然后再加入水泥、粉煤灰、炉渣和硅灰搅拌30s得到混合干料；
(5)将激发剂充分与水混合得到激发剂水溶液，在搅拌混合干料的同时，向其中缓慢、均匀分散的加入激发剂水溶液，激发剂水溶液加入完毕后，再继续搅拌90s得到道路基层混合料，水的温度及激发剂水溶液的温度控制在28℃，加入水的量按照每kg混合干料中加入115g水计量。激发剂通过以下步骤制备：将称量好的NaOH放于容器中，加入18℃的蒸馏水，充分搅拌均匀后，密闭并恢复至常温，再加入等质量的Na2SO4，搅拌均匀即得，激发剂中NaOH与Na2SO4的质量浓度分别为95g/L和95g/L
实施例5：
本实施例的道路基层混合料，包括以下重量份组分：水泥2份，粉煤灰10份，炉渣15份，碎石30份，硅灰1份，激发剂1份，其中：
所述碎石由以下重量份组成：粒径在19～31.5mm之间的碎石28份，粒径在9.5～19mm之间的碎石20份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石28份。
所述炉渣和粉煤灰中SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％，硅灰中SiO2的含量大于90％；所述炉渣粒径≤4.75mm。
所述激发剂由Na2SO4和NaOH组成，质量比Na2SO4：NaOH＝1：1。
本实施例的路基层混合料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对炉渣和粉煤灰进行XRD和XRF检测，测定其各成分含量及烧失量，选择SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％炉渣和粉煤灰作为掺合料；选择SiO2的含量大于90％硅灰；
(2)对碎石进行级配，碎石粒径小于31.5mm，其中，粒径在19～31.5mm之间的碎石28份，粒径在9.5～19mm之间的碎石20份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石28份；
(3)对炉渣进行筛分，选择炉渣粒径≤4.75mm；
(4)对搅拌机进行湿润，加入级配碎石搅拌30s，然后再加入水泥、粉煤灰、炉渣和硅灰搅拌30s得到混合干料；
(5)将激发剂充分与水混合得到激发剂水溶液，在搅拌混合干料的同时，向其中缓慢、均匀分散的加入激发剂水溶液，激发剂水溶液加入完毕后，再继续搅拌90s得到道路基层混合料，水的温度及激发剂水溶液的温度控制在30℃，加入水的量按照每kg混合干料中加入120g水计量，激发剂通过以下步骤制备：将称量好的NaOH放于容器中，加入15℃的蒸馏水，充分搅拌均匀后，密闭并恢复至常温，再加入等质量的Na2SO4，搅拌均匀即得，激发剂中NaOH与Na2SO4的质量浓度分别为80g/L和80g/L
二、试件制备
利用本发明的道路基层混合料制作径高比为1：1的试件。制备方法为：①对搅拌机进行湿润；②加入级配碎石，搅拌30s；③再加入水泥、粉煤灰、炉渣和硅灰，搅拌30s得到混合干料；④将激发剂充分与混合料所需水量进行混合得到激发剂溶液，水的温度在20～30℃范围内；⑤在搅拌混合干料的同时，开始缓慢、均匀分散的加激发剂水溶液，激发剂水溶液加入完毕后，再搅拌90s；⑥通过静压法在1h内完成制件，并将成型后的试件用塑料袋包裹并在20±2℃，相对湿度≥95％的标准养护箱中进行养护。
三、性能表征
本发明中，在保证各项性能指标符合要求的前提下，尽可能提高粉煤灰和炉渣的利用率，降低水泥用量，使其经济效益最大化，并且使得各项性能指标达到最优化的最优配比。试件的各项性能指标如下：
1、收缩率表征：制备标准大梁试件并进行标准养护，测其7d、14d、28d、56d、91d、180d的收缩，并根据公式计算其收缩系数，评价其收缩性能。通过试验得到了该制备方法下的试件收缩比传统的水泥稳定碎石小20～30％。
2、强度表征：将标准养生试件的最后一天浸水，然后测定其7d无侧限抗压强度及7d劈裂强度，评价其力学性能。试验结果表明，同水泥掺量下的7d无侧限抗压强度比传统水泥粉煤灰稳定碎石高20～30％。水泥掺量为3.5％的试件7d无侧限抗压强度95％保证率代表值为3.6MPa，完全满足高速公路和一级公路重交通的标准。同水泥掺量下的劈裂强度比传统水泥粉煤灰稳定碎石高10～15％。
3、抗冻性能表征：通过得到的最优配比，制备径高比为1：1的标准试件，然后进行标准养护28d，进行冻融循环试验，分别测其1、3、6、10、15次冻融循环下的强度损失，并建立冻融循环下的强度折减公式y＝an2+bn+c(n为冻融次数，y为冻融循环中的无侧限抗压强度)，评价其抗冻性能。
通过试验得到了该配比及制备方法下5％水泥掺量的混合料，经过15次冻融循环试验得到其无侧限抗压强度为3.8MPa，优于7％水泥掺量的传统水泥稳定碎石的抗冻性能。原因是：随着反应时间的增长，粉煤灰、炉渣和硅灰中的SiO2和Al2O3开始逐渐与水泥水化反应生成的Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝物质，大大提高了混合料的抗压强度。传统水泥稳定碎石28d的无侧限抗压相比于7d的强度增长率为20～30％，而按照该配比及制备方法的制备的试件28d强度增长率为70～80％。
根据上述试验，综合评价其路用性能，并确定各配比的混合料适用的道路等级和交通等级。

Claims (10)

1.一种道路基层混合料，其特征在于，包括以下重量份组分：水泥1～2份，粉煤灰2～10份，炉渣5～15份，碎石30～45份，硅灰0.5～1份，激发剂1～2份。
2.根据权利要求1所述的道路基层混合料，其特征在于，质量比水泥：粉煤灰＝(1：2)～(1：5)。
3.根据权利要求1所述的道路基层混合料，其特征在于，包括以下重量份组分：水泥1.5份，粉煤灰6份，炉渣10份，碎石38份，硅灰0.8份，激发剂1.5份。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的道路基层混合料，其特征在于，所述碎石由以下重量份组成：粒径在19～31.5mm之间的碎石11～28份，粒径在9.5～19mm之间的碎石20～26份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石16～28份。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的道路基层混合料，其特征在于，所述炉渣和粉煤灰中SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％，硅灰中SiO2的含量大于90％。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的道路基层混合料，其特征在于，所述炉渣粒径≤4.75mm。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的道路基层混合料，其特征在于，所述激发剂由Na2SO4和NaOH组成，质量比Na2SO4：NaOH＝1：1。
8.根据权利要求1至3任意一项所述道路基层混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对炉渣和粉煤灰进行XRD和XRF检测，测定其各成分含量及烧失量，选择SiO2和Al2O3总质量分数＞75％、烧失量≤10％炉渣和粉煤灰作为掺合料；选择SiO2的含量大于90％硅灰；
(2)对碎石进行级配，碎石粒径小于31.5mm，其中，粒径在19～31.5mm之间的碎石11～28份，粒径在9.5～19mm之间的碎石20～26份，粒径在4.75～9.5mm之间碎石16～28份；
(3)对炉渣进行筛分，选择炉渣粒径≤4.75mm；
(4)对搅拌机进行湿润，加入级配碎石搅拌30s，然后再加入水泥、粉煤灰、炉渣和硅灰搅拌30s得到混合干料；
(5)将激发剂充分与水混合得到激发剂水溶液，在搅拌混合干料的同时，向其中缓慢、均匀分散的加入激发剂水溶液，激发剂水溶液加入完毕后，再继续搅拌90s得到道路基层混合料。
9.根据权利要求8所述的道路基层混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中的激发剂通过以下步骤制备：将称量好的NaOH放于容器中，加入15～25℃的蒸馏水，充分搅拌均匀后，密闭并恢复至常温，再加入等质量的Na2SO4，搅拌均匀即得，激发剂中NaOH与Na2SO4的质量浓度分别为113g/L和113g/L。
10.根据权利要求8所述的道路基层混合料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中水的温度及激发剂水溶液的温度控制在20～30℃，加入水的量按照每kg混合干料中加入108g水计量。
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