CN113582636A - 一种赤泥基水稳骨料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于路基材料领域，具体涉及一种赤泥基水稳骨料及其制备方法与应用。所述赤泥基水稳骨料，原料包括或由以下成分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料10～30份、赤泥60～75份、垃圾灰渣：10‑15份，水胶比0.30‑0.35。本发明以赤泥作为主要原料，并辅助以固废基硫铝酸盐胶凝材料和垃圾灰渣制备得到水稳骨料，该材料能够实现优异的强度和耐久性，符合水稳骨料的施用标准，同时能够有效利用固废降低制备成本。

Description

一种赤泥基水稳骨料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于路基材料领域，具体涉及一种赤泥基水稳骨料及其制备方法与应用。
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。
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。路基的主要作用是为轨道或者路面铺设及列车或行车运营提供必要条件，并承受轨道及机车车辆或者路面及交通荷载的静荷载和动荷载，同时将荷载向地基深处传递与扩散。在纵断面上，路基必须保证线路需要的高程；在平面上，路基与桥梁、隧道连接组成完整贯通的线路。
水稳层是水泥稳定碎石层的简称，即采用水泥固结级配碎石，通过压实，养护完成。而路基的水稳层不但要稳定碎石层，还需要承受、传递静荷载和动荷载，故其对于防剥落性能、韧性、强度等均有较高要求。目前主要采用天然碎石作为水稳层骨料，但随着矿产资源的枯竭，碎石供应紧张，成本偏高，也不利于自然环境的保护。
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，因含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，故被称为赤泥。因矿石品味、生产方法和技术水平的不同，大约每生产1吨氧化铝要排放1.0～1.8吨赤泥。中国作为氧化铝生产大国，每年排放的赤泥高达数百万吨。随着赤泥的堆存量越来越大以及对环境造成的污染越来越严重，最大限度地资源化利用赤泥已刻不容缓。
国内外学者对赤泥的综合利用进行了大量的研究工作，提出了多种关于赤泥综合利用的途径与方法，如采用碳焙烧还原法从拜耳法赤泥中回收铝和铁；在常压下用稀硫酸对赤泥中钛溶出研究；利用赤泥的多孔结构和较大的比表面积所具有较强吸附作用，以及赤泥中的所含的铁等重金属元素具有的催化作用，对废气废液进行综合处理；利用赤泥含有多种成分，如铁、镍以及一些重金属元素，赤泥用作化学反应的催化剂；根据赤泥中大部分组成属粘土质硅铝酸盐，被用于土壤修复添加料，促进作物生长与发育等。因此，将赤泥用于路基水稳层的主体材料，来替代现有的水稳层材料中的碎石，是一种绿色有效的方案。然而，目前所公开的赤泥基水稳材料，一般要一起引入大量的水泥，一方面水泥的使用所带来的高成本和资源浪费，难以满足绿色发展的需求，另一方面，与水泥配合作用的赤泥基水稳层材料的后期强度、耐久性不高，难以满足实际应用需求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种赤泥基水稳骨料及其制备方法与应用，本发明以赤泥作为主要原料，并辅助以固废基硫铝酸盐胶凝材料和垃圾灰渣制备得到水稳骨料，该材料能够实现优异的强度和耐久性，符合水稳骨料的施用标准，同时能够有效利用固废降低制备成本。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种赤泥基水稳骨料，其原料包括或由以下成分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料20～30份、赤泥60～75份、垃圾灰渣10-15份，水胶比0.30-0.35。
本发明第二方面提供一种赤泥基水稳骨料的制备方法，具体为：
按照比例将固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣搅拌，再加水搅拌混合均匀，形成干硬性混合料，而后摊铺至模具中的适当位置，最后按设计成型参数干压成型为赤泥基水稳骨料。
本发明第三方面提供一种上述的赤泥基水稳骨料在道路工程中的应用。
本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：
(1)本发明的水稳骨料以赤泥作为主要原料，并引入固废基硫铝酸盐胶凝材料与赤泥协同复配，协同提升了水稳骨料的强度和耐久性，使得该赤泥基水稳骨料能够满足目前的施用标准。
(2)本发明所提供的赤泥基水稳骨料，实现了将大批量的固废资源化利用，包括赤泥、垃圾灰渣等，能够减少工业固废的堆积，绿色环保。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为赤泥基水稳骨料制备工艺流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。
正如背景技术所介绍的，目前所公开的赤泥基水稳材料，一般要引入硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥作为辅助胶黏剂，一方面水泥的使用所带来的高成本和资源浪费，难以满足绿色发展的需求，另一方面，与水泥配合作用的赤泥基水稳层材料强度、耐久性不高，难以满足实际应用需求。
为了解决如上的技术问题，本发明第一方面提供一种赤泥基水稳骨料，其原料包括或由以下成分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料20～30份、赤泥60～75份、垃圾灰渣10-15份，水胶比0.30-0.35。
其中，赤泥尽管是一种可以替代碎石的有效成分，但与常规的骨料(如：碎石)相比，强度和耐久性还有一点差距。现有技术中，一般是在将赤泥作为水稳骨料的同时，一起引入大量的水泥进行胶黏，造成较高的制备成本，而且，在水泥水化胶粘赤泥的同时，能够提供一定的强度，但大量水泥的使用只能够维持早期的力学性能，随着使用时间的延长，会出现抗冻性差、容易产生收缩裂缝的问题，耐久性较差的问题
鉴于此，针对水稳骨料的强度要求和耐久性要求，本发明提出一种全固废的赤泥基水稳骨料，通过向赤泥骨料中引入固废基硫铝酸盐胶凝材料，赤泥和固废基硫铝酸盐胶凝材料协同发挥作用形成高强度、高耐久性的水稳骨料，所得到的赤泥基水稳骨料具备可比拟常规碎石水稳骨料的性能优势，符合施用标准。固废基硫铝酸盐胶凝材料的引入主要具有以下三方面的优势：
第一，固废基硫铝酸盐胶凝材料中的熟料中含有大量的含钙物相，加水后，这些物相很快与水发生水化作用，使得固废基硫铝酸盐胶凝材料具有胶黏性，这种胶黏性能够使得赤泥颗粒间相互粘连，提升强度；
第二，胶凝材料中含有大量的重金属离子，如铝、钛、钒、铬、锰等，这些重金属离子的存在能够在水稳骨料中起到增强相的作用，与赤泥中的重金属离子协同在水稳骨料使用过程中固化，能够有效提高耐久性(包括抗冻性和耐腐蚀性)；
第三，胶凝材料中含有大量碱性的脱硫石膏，脱硫石膏能够对赤泥中的重金属离子进行稳定固定化，强化重金属对于水稳骨料的增强作用；
第四，固废基硫铝酸盐胶凝材料中含有大量的氧化铝(26％左右)，大概是普通硫铝酸盐水泥(6.5左右)的4倍，如此高含量的氧化铝物相不仅能够提高水稳骨料的强度，而且能够有效提升水稳骨料的耐腐蚀性、抗冻性。
因此，本发明在以赤泥作为主要原料制备水稳骨料时，固废基硫铝酸盐胶凝材料不仅仅能够发挥基础的胶凝作用，还弥补了常规水泥材料所存在的后期强度低、耐久性差的问题，实现了高性能赤泥基水稳骨料的制备。
另外，本发明还引入垃圾灰渣作为功能性添加剂进行辅助，垃圾灰渣富含Na,K,Si,Ca,Fe,Al等主要元素、稳定性好、颗粒级配分布较好，能够进一步提升赤泥基水稳骨料的性能。
本发明所提供的赤泥基水稳骨料，是一种以全固废理念合理设置组分的水稳骨料，目的在于能够达到施用标准的前提下，最大程度将现有的工业固废资源化利用于水稳骨料的制备中，复合目前绿色可持续发展路基材料的制备趋势。
在本发明的一种或多种实施方式中，所述固废基系硫铝酸盐胶凝材料包括或由以下成分组成：赤泥15-25wt％、脱硫石膏20-30wt％、电石渣35-40wt％、铝灰20-25wt％、减水剂占胶凝材料的0.2份。
进一步的，所述固废基系硫铝酸盐胶凝材料的制备方法为：将赤泥、15-25wt％脱硫石膏、电石渣、铝灰原料按照比例进行混合，然后进行干燥、粉磨、均化，形成生料，再将生料置于窑炉内煅烧，得到熟料，将熟料与减水剂和5％的脱硫石膏粉磨，得到固废基系硫铝酸盐胶凝材料。
与常规的硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥相比，本发明所提供的固废基硫铝酸盐胶凝材料具有早强快硬的特点，而且，以工业固废作为制备原料，成本低的同时实现了固废资源化利用。
进一步的，所述煅烧温度为1200-1300℃，煅烧时间为40-50min；
进一步的，所述赤泥的粒径为0.1-10μm。
进一步的，所述垃圾灰渣的粒径为1-3mm。
进一步的，所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，减水率为30％。
本发明第二方面提供一种赤泥基水稳骨料的制备方法，具体为：
按照比例将固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣搅拌，再加水搅拌混合均匀，形成干硬性混合料，而后摊铺至模具中的适当位置，最后按设计成型参数干压成型为赤泥基水稳骨料。
进一步的，固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣、脱硫石膏搅拌时间为50-70s，加入水和减水剂后再继续搅拌100-130s。
本发明所提供的赤泥基水稳材料，干压成型过程中可以通过设定不同的颗粒形状来提升赤泥颗粒间的嵌合度，作为优选的实施方式，设计成型参数为：采用小型砌块成型机干压成型，样品规格为六棱柱10mm×15mm(边长×高度)或六棱柱20mm×15mm(直径×高度)。
进一步的，所述赤泥基水稳骨料的标准养护温度为20±0.5℃，湿度为95％。
本发明第三方面提供一种上述的赤泥基水稳骨料在道路工程中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
水稳骨料施用标准(依据JTG/TF20—2015公路路面基层施工技术细则):
Figure BDA0003189830350000051
实施例1
一种固废基硫铝酸盐胶凝材料，由以下成分组成：赤泥20.29wt％、脱硫石膏21.27wt％、电石渣36.74wt％、铝灰21.2wt％、减水剂占胶凝材料的0.2份。
制备方法为：将赤泥、15wt％脱硫石膏、电石渣、铝灰原料按照比例进行混合，然后进行干燥、粉磨、均化，形成生料，再将生料置于窑炉内在1250℃煅烧45min，得到熟料，将熟料与减水剂和5％的脱硫石膏粉磨，得到固废基系硫铝酸盐胶凝材料。
实施例2
一种赤泥基水稳骨料包括以下重量分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料20份；赤泥60份；垃圾灰渣15份；水胶比0.33；砌块成型机下压载荷16MPa；
样品规格为(1)六棱柱10mm×15mm(边长×高度)，(2)圆柱20mm×15mm(直径×高度)。先采用强制式搅拌器将固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣搅拌60s，加水混合均匀120s，形成干硬性混合料，而后摊铺至模具中的适当位置，最后按设计成型参数干压成型赤泥基水稳骨料。标准养护温度20±0.5℃，湿度95％，养护至28d后，再进行性能测试。
性能测试：测得养护28d赤泥基水稳骨料的实验数据为压碎指标25.6％,抗压强度5.7MPa，抗冻性(10次冻融循环)强度损失率27.4％。
实施例3
一种赤泥基水稳骨料包括以下重量分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料25份；赤泥60份；垃圾灰渣15份；水胶比0.33；砌块成型机下压载荷16MPa；
样品规格为(1)六棱柱10mm×15mm(边长×高度)，(2)圆柱20mm×15mm(直径×高度)。先采用强制式搅拌器将固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣搅拌60s，加水混合均匀120s，形成干硬性混合料，而后摊铺至模具中的适当位置，最后按设计成型参数干压成型赤泥基水稳骨料。标准养护温度20±0.5℃，湿度95％，养护至28d后，再进行性能测试。
性能测试：测得养护28d赤泥基水稳骨料的实验数据为压碎指标24.3％,，7d抗压强度6.8MPa，抗冻性(50次冻融循环)质量损失率25.3％。
实施例4
一种赤泥基水稳骨料包括以下重量分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料30份；赤泥60份；垃圾灰渣15份；水胶比0.33；砌块成型机下压载荷16MPa；
样品规格为(1)六棱柱10mm×15mm(边长×高度)，(2)圆柱20mm×15mm(直径×高度)。先采用强制式搅拌器将固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣搅拌60s，加水混合均匀120s，形成干硬性混合料，而后摊铺至模具中的适当位置，最后按设计成型参数干压成型赤泥基水稳骨料。标准养护温度20±0.5℃，湿度95％，养护至28d后，再进行性能测试。
性能测试：测得养护28d赤泥基水稳骨料的实验数据为压碎指标21.5％,，7d抗压强度7.5MPa，抗冻性(10次冻融循环)强度损失率22.4％。
对比例1
一种赤泥基水稳骨料包括以下重量分组成：硅酸盐水泥30份；赤泥60份；垃圾灰渣15份；水胶比0.33；砌块成型机下压载荷16MPa；
样品规格为(1)六棱柱10mm×15mm(边长×高度)，(2)圆柱20mm×15mm(直径×高度)。先采用强制式搅拌器将固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣搅拌60s，加水混合均匀120s，形成干硬性混合料，而后摊铺至模具中的适当位置，最后按设计成型参数干压成型赤泥基水稳骨料。标准养护温度20±0.5℃，湿度95％，养护至28d后，再进行性能测试。
性能测试：测得养护28d赤泥基水稳骨料的实验数据为压碎指标26.4％,抗压强度4.8MPa，抗冻性(10次冻融循环)强度损失率30.5％。
对比例2
一种赤泥基水稳骨料包括以下重量分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料10份；赤泥75份；垃圾灰渣15份；水胶比0.33；砌块成型机下压载荷16MPa；
样品规格为(1)六棱柱10mm×15mm(边长×高度)，(2)圆柱20mm×15mm(直径×高度)。先采用强制式搅拌器将固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣搅拌60s，加水混合均匀120s，形成干硬性混合料，而后摊铺至模具中的适当位置，最后按设计成型参数干压成型赤泥基水稳骨料。标准养护温度20±0.5℃，湿度95％，养护至28d后，再进行性能测试。
性能测试：测得养护28d赤泥基水稳骨料的实验数据为压碎指标28.7％,抗压强度4.5MPa，抗冻性(10次冻融循环)强度损失率31.1％。
结果分析：
从实施例2-4所制备得到的赤泥基水稳骨料性能来看，只有实施例4中的水稳骨料的压碎指标、抗压强度和抗冻性均能达到施用标准，实施例2中骨料的压碎指标、抗压强度和抗冻性均不能达到施用标准，实施例3中骨料只有抗压强度能够达到标准，但压碎指标、抗冻性达不到标准，这表明，以赤泥为主要基材来替代传统的碎石，在合理调节各组分配比的前提下，能够满足施用标准，而从实施例2、3、4的水稳骨料成分组成来看，适当增加固废基硫铝酸盐胶凝材料的占比，减小赤泥的占比，有助于水稳骨料综合性能的提升。同时，需要强调的是，在本发明所提供的赤泥基水稳骨料在作为路基材料进行应用的同时，所实现的固废利用价值是显著的。
从对比例1中的测试结果可以看出，将固废基硫铝酸盐胶凝材料替换为普通硅酸盐水泥后所得到的赤泥基水稳骨料，表现出明显上升的压碎指标和抗冻性，以及明显下降的抗压强度，无法达到施用标准，这表明固废基硫铝酸盐胶凝材料对于赤泥基水稳骨料性能提升的重要性。
对比例2中的测试结果可以看出，将固废基硫铝酸盐胶凝材料与赤泥的配比进行调整后，无法得到满足施用标准的水稳骨料，且压碎指标、抗冻性、抗压强度距离施用标准的要求相差甚远，这说明了固废基硫铝酸盐胶凝材料与赤泥进行合理配比的重要性。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种赤泥基水稳骨料，其特征在于：原料包括或由以下成分组成：固废基硫铝酸盐胶凝材料20～30份、赤泥60～75份、垃圾灰渣：10-15份，水胶比0.30-0.35。
2.如权利要求1所述的赤泥基水稳骨料，其特征在于：所述固废基系硫铝酸盐胶凝材料包括或由以下成分组成：赤泥15-25wt％、脱硫石膏20-30wt％、电石渣35-40wt％、铝灰2025wt％、减水剂占胶凝材料的0.2份。
3.如权利要求2所述的赤泥基水稳骨料，其特征在于：所述固废基系硫铝酸盐胶凝材料的制备方法为：将赤泥、15-25wt％脱硫石膏、电石渣、铝灰原料按照比例进行混合，然后进行干燥、粉磨、均化，形成生料，再将生料置于窑炉内煅烧，得到熟料，将熟料与减水剂和5％的脱硫石膏粉磨，得到固废基系硫铝酸盐胶凝材料。
4.如权利要求3所述的赤泥基水稳骨料，其特征在于：所述煅烧温度为1200-1300℃，煅烧时间为40-50min；
所述赤泥的粒径为0.1-10μm；
所述垃圾灰渣的粒径为1-3mm。
5.如权利要求3所述的赤泥基水稳骨料，其特征在于：所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，减水率为30％。
6.权利要求1-5任一项所述的赤泥基水稳骨料的制备方法，其特征在于：
按照比例将固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣、脱硫石膏搅拌，再加水以及减水剂搅拌混合均匀，形成干硬性混合料，而后摊铺至模具中的适当位置，最后按设计成型参数干压成型为赤泥基水稳骨料。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：固废基硫铝酸盐胶凝材料、赤泥、垃圾灰渣、脱硫石膏搅拌时间为50-70s，加入水和减水剂后再继续搅拌100-130s。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：设计成型参数为：采用小型砌块成型机干压成型，样品规格为六棱柱10mm×15mm或六棱柱20mm×15mm。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述赤泥基水稳骨料的标准养护温度为20±0.5℃，湿度为95％。
10.权利要求1-5任一项所述的赤泥基水稳骨料在道路工程中的应用。
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