CN113135727A - 一种用于路基水稳层的赤泥基材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑材料领域,具体涉及一种用于路基水稳层的赤泥基材料及其制备方法。用于路基水稳层的赤泥基材料包括:赤泥80‑95份,炉渣10‑20份,固废石膏20‑30份;重金属固化剂1‑5份,激发剂4‑8份,保水剂6‑10份,质量份数。赤泥与固废石膏协同热活化,加入炉渣,提升赤泥本身的胶凝活性,同时在水化反应过程中,三者协同互补,生成新的胶凝,材料结构伴随水化时间越来越致密,从而提高赤泥基材料强度。另一方面选用特定的重金属固化剂、激发剂和保水剂,进一步降低赤泥基材料的碱性,并且使赤泥基材料具有较低重金属溶出度。

Description

一种用于路基水稳层的赤泥基材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域,具体涉及一种用于路基水稳层的赤泥基材料及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的红色固体粉状废弃物。每生产1t氧化铝就要附带产生赤泥1~2t。全部露天堆存,并且大部分堆场坝体用赤泥构筑。赤泥的堆置不但浪费土地资源,由于其高碱性的性质,赤泥的化学成分还会渗入土壤和地下水中,严重污染赤泥堆置场地周边的生态环境,给环保带来巨大危害,严重损害人们的生产、生活,造成直接或间接影响。炉渣作为燃煤后产出的主要固体废弃物因长期堆积占用了大量的土地资源,如果不加大力度对其进行合理的资源化利用,不仅会造成大量的资源浪费,而且大量的堆积势必会造成对土壤的侵占,污染环境等问题。目前固废石膏的排放量已经超过了天然石膏的开采量,造成了固废石膏的大量堆积,极大影响了生态环境,不仅占用土地资源,且污染土壤。故大宗消纳赤泥、炉渣、固废石膏是目前急需解决的问题。
路基是轨道或者路面的基础,是经过开挖或填筑而形成的土工构筑物。道路水稳层由水泥和级配碎石构成,是位于沥青面层下用高质量材料铺筑的基层,承受着本身的岩土自重和路面重力,以及由路面传递而来的行车荷载,是整个公路构造的重要组成部分。因其对路基材料的巨大消耗,对固废消纳量大和材料转化率高,因此逐步成为了大宗工业固废再利用研究与应用的主战场。
目前工业固废广泛用于路基材料,如一种用于路基水稳层的赤泥基材料,主要原料为赤泥、熟石灰、粉煤灰、矿渣、五水偏硅酸钠、水泥、级配碎石等。一种含电解锰渣抗开裂道路水稳层材料,主要原料为电解锰渣、赤泥、复合相变材料。一种再生纤维增强建筑固体废弃物再生细骨料的水稳层材料,主要原料为建筑固体废弃物再生细骨料,硅酸盐,再生纤维。一种大掺量磷石膏复合稳定路基材料,主要原料为磷石膏、硅酸盐水泥、超细钢渣粉、高炉矿渣粉、水玻璃和阳离子苯丙乳液。
发明人研究以上技术后发现,虽然上述固废在路基材料领域的应用取得了一定的进展,但将工业固废经分选和稳定化处置后,取代集料、矿粉等天然原材料用于道路工程中,存在性能波动大和环境潜在危害等问题,赤泥等固废用于路基材料还存在重金属溶出、高碱性等问题,而且无法兼顾路基水稳层材料强度要求。
发明内容
为了解决现有技术存在的路基材料性能波动大、存在重金属溶出、高碱性等问题,本发明提出一种用于路基水稳层的赤泥基材料及其制备方法,一方面由于赤泥原料中含有大量钙-硅-铝盐类及碱性激发物质,进行碳酸化,降低赤泥本身的碱性,提高活性,再加上赤泥具有一定的胶凝性,但其凝结性差,与固废石膏协同热活化,加入炉渣,提升赤泥本身的胶凝活性,同时在水化反应过程中,三者协同互补,生成新的胶凝,材料结构伴随水化时间越来越致密,从而提高赤泥基材料强度。另一方面选用特定的重金属固化剂、激发剂和保水剂,进一步降低赤泥基材料的碱性,并且使赤泥基材料具有较低重金属溶出度。
具体地,本发明是通过如下所述的技术方案实现的:
本发明第一方面,提供一种用于路基水稳层的赤泥基材料,包括:赤泥80-95份,炉渣10-20份,固废石膏20-30份;重金属固化剂1-5份,激发剂4-8份,保水剂6-10份,质量份数。
本发明第二方面,提供一种用于路基水稳层的赤泥基材料的制备方法,包括:
工序一:将赤泥进行预处理,进行碳酸化;
工序二:先将赤泥、固废石膏协同热活化,然后加入炉渣;
工序三:掺加激发剂及重金属固化剂、保水剂;
工序四:将各种原料按照比例搅拌制成浆液,进行养护固化即得。
本发明第三方面,提供一种用于路基水稳层的赤泥基材料在路基水稳层或道路材料领域中的应用。
本发明第四方面,提供一种路基水稳层,包括用于路基水稳层的赤泥基材料。
本发明第五方面,提供一种道路材料,包括用于路基水稳层的赤泥基材料。
本发明一个或多个实施例具有以下有益效果:
1)由于赤泥原料中含有大量钙-硅-铝盐类及碱性激发物质,进行碳酸化,降低赤泥本身的碱性,提高其活性,有助于后期增强赤泥基材料的力学性能。
2)赤泥具有一定的胶凝性,但其凝结性差,因此将其与固废石膏协同热活化,加入炉渣,提升赤泥的胶凝活性,同时在水化反应过程中,三者协同互补,生成新的胶凝,材料结构伴随水化时间越来越致密,从而提高赤泥基材料强度,满足性能需求。
3)采用重金属固化剂,充分考虑了赤泥本身的重金属含量,解决了赤泥基路基材料重金属的问题。
4)实验研究发现,采用特定的重金属固化剂、激发剂和保水剂,可以进一步降低赤泥基材料的碱性,并且使赤泥基材料具有较低重金属溶出度和更高的力学性能。
5)在400-900℃条件下进行赤泥和固废石膏协同热活化,在炉渣的作用下,材料结构更加致密,从而提高赤泥基材料强度。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
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。
发明人研究现有路基水稳层材料后发现,现有路基水稳层材料存在性能波动大和环境潜在危害等问题,使用赤泥等固废用于路基材料还存在重金属溶出、高碱性等问题,而且无法兼顾路基水稳层材料强度要求。
为了解决这些问题,本发明提出一种用于路基水稳层的赤泥基材料及其制备方法,一方面由于赤泥原料中含有大量钙-硅-铝盐类及碱性激发物质,进行碳酸化,降低赤泥本身的碱性,提高活性,再加上赤泥具有一定的胶凝性,但其凝结性差,与固废石膏协同热活化,加入炉渣,提升赤泥本身的胶凝活性,同时在水化反应过程中,三者协同互补,生成新的胶凝,材料结构伴随水化时间越来越致密,从而提高赤泥基材料强度。另一方面选用特定的重金属固化剂、激发剂和保水剂,进一步降低赤泥基材料的碱性,并且使赤泥基材料具有较低重金属溶出度。
具体地,本发明是通过如下所述的技术方案实现的:
本发明第一方面,提供一种用于路基水稳层的赤泥基材料,包括:赤泥80-95份,炉渣10-20份,固废石膏20-30份;重金属固化剂1-5份,激发剂4-8份,保水剂6-10份,质量份数。
赤泥亦称红泥,从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物。赤泥是一种不溶性残渣,可分为烧结法赤泥、拜尔法赤泥和联合法赤泥,主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等。由于赤泥中含有大量的强碱性化学物质,稀释10倍后其pH值仍为11.25~11.50,极高的pH值决定了赤泥对生物和金属、硅质材料的强烈腐蚀性。高碱度的污水渗入地下或进入地表水,使水体pH值升高,以致超出国家规定的相应标准,同时由于pH值的高低常常影响水中化合物的毒性,因此还会造成更为严重的水污染。
因此本申请通过将赤泥进行碳酸化预处理,以降低赤泥本身的碱性,同时提高活性,为与固废石膏、炉渣的混合做准备,所述赤泥选自拜耳赤泥、烧结赤泥、联合法赤泥中的一种或多种。
所述碳酸化具体为:湿度为20%-80%,温度为50-100℃,CO2压力强度1-2.5MPa,时间为120-180min,优选为180min;
本发明所用炉渣为粉煤燃烧分离出来的炉底灰,粉煤在燃烧产生的物质中,80-90%为飞灰,10-20%为炉底灰,飞灰是进入烟道气灰尘中最细的部分,炉底灰是分离出来的比较粗的颗粒或是炉渣。
如果单独使用炉渣或固废石膏活化赤泥时,对赤泥碱性以及活化效果较差,直接体现在赤泥基路基水稳层材料力学性能差。
因此在本发明中,使用炉渣与固废石膏协同活化赤泥发现比单独使用炉渣或固废石膏活化赤泥,对活化效果和力学性能的改善上明显高于二者的叠加,说明炉渣、固废石膏、赤泥三者协同互补,生成新的胶凝,材料结构伴随水化时间越来越致密,从而提高赤泥基材料强度,满足本发明中的性能需求。
虽然现有技术有公开是有重金属固化剂固化重金属离子,但是功能单一,发明人研究发现,在碱性激发剂以及保水剂作用下,重金属固化剂不仅能起到固化重金属离子的作用,而且与碱性激发剂以及保水剂配合还能进一步降低赤泥基材料的碱性,并且使赤泥基材料具有较低重金属溶出度。所述重金属固化剂选自磷酸盐、硅酸盐、改性矿物材料、石灰石、硫酸亚铁、铁屑、偏亚硫酸盐中一种或多种;
为了进一步减少外界水对路基水稳层的影响,并为了进一步提高原料间的混合均匀性和混合效率,本发明一个或多个实施例选用赤泥含水率小于1%,粉磨至比表面积为440-500m2/kg。
本发明通过多次实验研究发现,当所述固废石膏选自磷石膏、脱硫石膏、钛石膏、氟石膏、柠檬酸石膏、芒硝石膏、盐石膏中的一种或多种时,其与赤泥、炉渣的协同效果最佳。
在本发明一个或多个实施例中,所述激发剂选自水玻璃、水泥、氢氧化钠、氢氧化钾、电石渣中一种或多种,本发明所用激发剂为碱性激发剂,相对于其他种类的激发剂,碱性激发剂可以营造出碱性环境,有助于发挥重金属固化剂的固化作用,激发剂浓度为1.8-2.0mol/L。
一些路基水稳层材料添加减水剂,目的是维持混凝土坍落度基本不变的条件下,能减少拌合用水量的混凝土外加剂。大多减水剂属于阴离子表面活性剂,有木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物等。加入混凝土拌合物后对水泥颗粒有分散作用,能改善其工作性,减少单位用水量,改善混凝土拌合物的流动性;或减少单位水泥用量,节约水泥。
但是本发明研究发现,当体系中含有赤泥、炉渣、固废石膏、重金属固化剂和碱性激发剂时,选用保水剂才能进一步降低赤泥基材料的碱性,并且使赤泥基材料具有较低重金属溶出度,并提高力学性能。在本发明中所述保水剂选自聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵、淀粉接枝丙烯酸盐中一种或多种。
在本发明一个或多个实施例中,赤泥90-95份,炉渣18-20份,固废石膏25-30份;重金属固化剂1-5份,激发剂4-8份,保水剂6-10份,质量份数。在该配比条件下,路基水稳层在第28天的抗压强度能达到40.23-41.33MPa,弯沉值能达到23.9-25.8,力学性能较为优异。
当赤泥90份,炉渣18份,固废石膏25份;重金属固化剂5份,激发剂8份,保水剂9份时,路基水稳层不仅pH值较低,说明碱性控制的比较耗,而且在第28天的抗压强度能达到40.23MPa,弯沉值能达到23.9,满足使用需求。
当赤泥95份,炉渣20份,固废石膏30份;重金属固化剂5份,激发剂8份,保水剂10份时,路基水稳层在第28天的抗压强度最高,能达到41.33MPa,弯沉值能达到25.8,满足使用需求。
本发明第二方面,提供一种用于路基水稳层的赤泥基材料的制备方法,包括:
工序一:将赤泥进行预处理,即进行碳酸化;
工序二:将预处理后的赤泥、固废石膏协同热活化,然后加入炉渣;
工序三:掺加激发剂及重金属固化剂、保水剂;
工序四:将各种原料按照比例搅拌制成浆液,进行养护固化即得。
所述碳酸化具体条件为:湿度为20%-80%,温度为50-100℃,CO2压力强度1-2.5MPa,时间为120-180min,优选为180min。碳酸化目的是降低赤泥本身的碱性,提高活性。
赤泥、固废石膏协同热活化温度为400-900℃,时间为60-90min,在该条件下使用炉渣与固废石膏协同活化赤泥发现比单独使用炉渣或固废石膏活化赤泥,对活化效果和力学性能的改善上明显高于二者的叠加。
当协同热活化温度为600-900℃,时间为60-90min时,炉渣、固废石膏、赤泥三者协同互补,生成新的胶凝,材料结构伴随水化时间越来越致密,从而提高赤泥基材料强度,满足本发明中的性能需求。
更进一步优选的,所述协同热活化温度为600、700、800、900℃,时间为60min时,在该温度下,路基水稳层在第7天的抗压强度能达到12.08-13.18MPa,弯沉值能达到23.3-24.5,在第28天的抗压强度能达到40.23-41.33MPa,弯沉值能达到23.9-25.8,力学性能较为优异。
先将赤泥、固废石膏协同热活化,然后加入炉渣简单混合,几种固废成体系发挥作用。
优选的,将各种原料按照比例加入到无重力搅拌机中进行搅拌。
无重力混合机是充分利用对流混合原理,即利用物料在混合器内的上抛运动形成流动层,产生瞬间失重,使之达到最佳混合效状态。使用无重力搅拌机可以使原料混合更加均匀。
优选的,搅拌时间为5-20min,优选为10min。
搅拌时间影响原料混合程度,进而影响各成分之间的相互作用,如果搅拌时间过短,原料未均匀混合,反应不充分,无法发挥成分间的相互作用。如果搅拌时间过长,混合料很有可能在无重力搅拌机中发生初凝,影响最终使用效果。
本发明第三方面,提供一种用于路基水稳层的赤泥基材料在路基水稳层或道路材料领域中的应用。
本发明第四方面,提供一种路基水稳层,包括用于路基水稳层的赤泥基材料。
本发明第五方面,提供一种道路材料,包括用于路基水稳层的赤泥基材料。
本发明制备的路基水稳层的赤泥基材料具有优异的抑制重金属离子析出的性能,在第28天的抗压强度能达到40.23-41.33MPa,弯沉值能达到23.9-25.8,力学性能较为优异。因此本发明路基水稳层的赤泥基材料用于路基水稳层和/或道路材料都有助于提升道路质量、安全性和稳定性。
下面结合具体的实施例,对本发明做进一步的详细说明,应该指出,所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。其中固化养护方式为标准养护箱养护,PH值测定采用PH值测定仪,抗压强度测定采用压力机,弯沉值测定采用路面弯沉仪,方法为贝克曼梁法。
实施例1
1)取拜耳赤泥80份,预处理,进行碳酸化处理,湿度为40%,温度为100℃,CO2压力强度1MPa,时间为180min;
2)取炉渣10份,脱硫石膏20份;
3)将预处理得到的赤泥和脱硫石膏协同热活化,温度为600℃,时间为60min,并加入炉渣;
4)取磷酸盐3份,水玻璃1.8M、6份,聚丙烯酰胺8份,质量份数;
5)将各种原料混合搅拌,搅拌10min。
表1.实施例1路基水稳层的赤泥基材料的性能表征
实验数据表明,随时间延长,用于路基水稳层的赤泥基材料pH值有一定上升,但明显低于单纯赤泥的pH值,说明本实施例各成分协同作用确实能降低材料的pH值,并能维持相对稳定的状态。路基水稳层在第7天的抗压强度为8.89MPa,弯沉值为21.2,在第28天的抗压强度能达到36.8MPa,弯沉值能达到22.6,力学性能较为优异。
实施例2
1)取拜耳赤泥85份,预处理,进行碳酸化处理,湿度为50%,温度为80℃,CO2压力强度1.5MPa,时间为180min;
2)取炉渣15份,脱硫石膏20份;
3)将预处理得到的赤泥和脱硫石膏协同热活化,温度为700℃,时间为60min,并加入炉渣;
4)取石灰石4份,水玻璃2.0M、8份,淀粉接枝丙烯酸盐6份,质量份数;
5)将各种原料混合搅拌,搅拌10min。
表2.实施例2路基水稳层的赤泥基材料的性能表征
3d 7d 28d
PH值 9.10 9.34 10.02
抗压强度/MPa 5.01 9.67 38.9
弯沉值/0.01mm 21.5 22.3 23.4
实验数据表明,相对于实施例1,本实施例制备得到的用于路基水稳层的赤泥基材料初始pH值高于实施例1,28天后pH低于实施例1,说明本实施例在维持pH值稳定的性能上优于实施例1,这可能是由于热活化阶段,温度升高,有助于提高赤泥的活化程度,进一步提高pH稳定性,这一效果也体现在力学性能上。
实施例3
1)取拜耳赤泥90份,预处理,进行碳酸化处理,湿度为60%,温度为60℃,CO2压力强度2MPa,时间为180min;
2)取炉渣18份,脱硫石膏25份;
3)将预处理得到的赤泥和脱硫石膏协同热活化,温度为800℃,时间为60min,并加入炉渣;
4)取硅酸盐5份,水玻璃2.2M、8份,聚丙烯酸钾9份,质量份数;
5)将各种原料混合搅拌,搅拌10min。
表3.实施例3路基水稳层的赤泥基材料的性能表征
3d 7d 28d
PH值 9.12 9.33 9.88
抗压强度/MPa 4.99 12.08 40.23
弯沉值/0.01mm 22.2 23.3 23.9
实验数据表明,相对于实施例1和2,本实施例制备得到的用于路基水稳层的赤泥基材料初始pH值高于实施例1和2,28天后pH低于实施例1和2,进一步说明用于路基水稳层的赤泥基材料原料以及处理参数的选择影响其性能。
本实施例路基水稳层不仅pH值较低,说明碱性控制的比较耗,而且在第28天的抗压强度能达到40.23MPa,弯沉值能达到23.9,满足使用需求。
实施例4
1)取拜耳赤泥95份,预处理,进行碳酸化处理,湿度为80%,温度为50℃,CO2压力强度2.5MPa,时间为180min;
2)取炉渣20份,脱硫石膏30份;
3)将预处理得到的赤泥和脱硫石膏协同热活化,温度为900℃,时间为60min,并加入炉渣;
4)取改性矿物材料5份,水玻璃2.2M、8份,聚丙烯酰胺10份,质量份数;
5)将各种原料混合搅拌,搅拌10min。
表4.实施例4路基水稳层的赤泥基材料的性能表征
3d 7d 28d
PH值 9.06 9.55 10.03
抗压强度/MPa 5.03 13.18 41.33
弯沉值/0.01mm 23.4 24.5 25.8
实验数据表明,相对于实施例1-3,路基水稳层在第28天的抗压强度最高,能达到41.33MPa,弯沉值能达到25.8,说明在实施例4的实验条件下,制备得到的用于路基水稳层的赤泥基材料性能最佳,具有良好的应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于路基水稳层的赤泥基材料,其特征在于,包括:赤泥80-95份,炉渣10-20份,固废石膏20-30份;重金属固化剂1-5份,激发剂4-8份,保水剂6-10份,质量份数。
2.根据权利要求1所述用于路基水稳层的赤泥基材料,其特征在于,所述赤泥为预处理后赤泥,预处理方法包括:将赤泥进行碳酸化;
所述碳酸化具体为:湿度为20%-80%,温度为50-100℃,CO2压力强度1-2.5MPa,时间为120-180min,优选为180min;
所述赤泥选自拜耳赤泥、烧结赤泥、联合法赤泥中的一种或多种;
所述赤泥含水率小于1%,粉磨至比表面积为440-500m2/kg。
3.根据权利要求1所述用于路基水稳层的赤泥基材料,其特征在于,所述炉渣为粉煤燃烧分离出来的炉底灰。
4.根据权利要求1所述用于路基水稳层的赤泥基材料,其特征在于,所述固废石膏选自磷石膏、脱硫石膏、钛石膏、氟石膏、柠檬酸石膏、芒硝石膏、盐石膏中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述用于路基水稳层的赤泥基材料,其特征在于,所述重金属固化剂选自磷酸盐、硅酸盐、改性矿物材料、石灰石、硫酸亚铁、铁屑、偏亚硫酸盐中一种或多种;
优选的,所述激发剂选自水玻璃、水泥、氢氧化钠、氢氧化钾、电石渣中一种或多种;
优选的,所述保水剂选自聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵、淀粉接枝丙烯酸盐中一种或多种;
优选的,赤泥90-95份,炉渣18-20份,固废石膏25-30份;重金属固化剂1-5份,激发剂4-8份,保水剂6-10份,质量份数;
优选的,赤泥90份,炉渣18份,固废石膏25份;重金属固化剂5份,激发剂8份,保水剂9份,质量份数;
优选的,赤泥95份,炉渣20份,固废石膏30份;重金属固化剂5份,激发剂8份,保水剂10份,质量份数。
6.权利要求1至5中任一项所述用于路基水稳层的赤泥基材料的制备方法,其特征在于,包括:
工序一:将赤泥进行预处理,进行碳酸化;
工序二:将赤泥、固废石膏协同热活化,然后加入炉渣;
工序三:掺加激发剂及重金属固化剂、保水剂;
工序四:将各种原料按照比例搅拌制成浆液,进行养护固化即得。
7.权利要求6所述用于路基水稳层的赤泥基材料的制备方法,其特征在于,所述碳酸化具体条件为:湿度为20%-80%,温度为50-100℃,CO2压力强度1-2.5MPa,时间为120-180min,优选为180min;
优选的,所述协同热活化温度为400-900℃,时间为60-90min;
优选的,所述协同热活化温度为600-900℃,时间为60-90min;
更进一步优选的,所述协同热活化温度为600、700、800、900℃,时间为60min;
优选的,将各种原料按照比例加入到无重力搅拌机中进行搅拌;
优选的,搅拌时间为5-20min,优选为10min。
8.权利要求1所述用于路基水稳层的赤泥基材料在路基水稳层或道路材料领域中的应用。
9.一种路基水稳层,其特征在于,包括权利要求1所述用于路基水稳层的赤泥基材料。
10.一种道路材料,其特征在于,包括权利要求1所述用于路基水稳层的赤泥基材料。
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