CN113698156A - 一种道路基层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于道路工程材料技术领域，公开了一种道路基层材料及其制备方法，道路基层材料由以下重量份数的原料组成：改性煤矸石24‑58份、水泥10‑36份、硅粉5‑9份、碎石10‑23份、减水剂2‑3份。本发明还提供了该道路基层材料的制备方法和用于制备该道路基层材料的搅拌装置。本发明能够使煤矸石有效得到利用，减少对生态环境的危害，提高了道路基层材料的性能。

Description

一种道路基层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程材料技术领域，更具体的涉及一种道路基层材料及其制备方法和用途。
背景技术
煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是Al2O3，SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO，Na2O、K2O、P2O5、SO3和镓、钒、钛等微量稀有元素。随着煤矸石的不断排放，煤矸石占用了大量的土地，并且煤矸石中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体。矸石山还会自燃发生火灾，或者去在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。
目前，煤矸石可用于废水处理，如申请号为20201123586.1，专利名为一种以煤矸石为原料制备水处理用吸附材料的专利，可通过煤矸石处理污染废水中的有机染料和重金属离子。申请号为201510051443.8，专利名为一种煤矸石吸附回收废水中磷的方法的专利，可通过煤矸石吸附回收废水中的磷。上述专利能够有效的利用部分的煤矸石，但是将煤矸石作为道路材料中的原料进行使用很少，基于此，本发明提出了一种道路基层材料及其制备方法，能够使煤矸石得以利用，同时减少对生态环境的危害。
发明内容
本发明提供了一种道路基层材料及其制备方法，能够使煤矸石有效得到利用，减少对生态环境的危害，提高了道路基层材料的性能。
本发明的第一个目的是提供一种道路基层材料，由以下重量份数的原料组成：改性煤矸石24-58份、水泥10-36份、硅粉5-9份、碎石10-23份、减水剂2-3份。
优选的，所述改性煤矸石按照以下步骤制备：
将煤矸石粉碎过筛，在空气气氛下，以2-10℃/min的升温速率从室温升至700-750℃，保温2-3小时，以15-20℃/min的降温速率降温冷却至室温，得到活化煤矸石；
将活化煤矸石加入乙醇溶液中搅拌2-3h得到浓度为10-20g/L的溶液A，将硅烷偶联剂加入乙醇溶液中超声0.5-1h，得到浓度为300-400g/L的溶液B，将溶液A和溶液B混合在50-60℃搅拌2-6h，其中溶液A和溶液B的体积比为10:1，搅拌结束后，静置、干燥得到改性煤矸石。
优选的，静置时间为24-36h。
优选的，干燥温度为60-70℃，干燥时间为6-8h。
本发明的第二个目的是提供上述道路基层材料的制备方法，包括以下步骤，
步骤1、按重量份数称取改性煤矸石24-58份、水泥10-36份、硅粉5-9份、碎石10-23份、减水剂2-3份，将改性煤矸石粉碎、过筛，水泥分成两份，其中一份用于与改性煤矸石混合，另一份用于与硅粉混合；
步骤2、将用于与硅粉混合的水泥与硅粉进行混合，加水搅拌均匀，用于与硅粉混合的水泥与水的质量比为1:0.4-0.5，得到混合液A；
将用于与改性煤矸石混合的水泥与改性煤矸石混合，加水搅拌均匀，用于与改性煤矸石混合的水泥与水的质量比为1:0.3-0.4，得到混合液B；
将混合液A、混合液B和碎石、减水剂进行混合搅拌均匀，制得道路基层材料。
优选的，所述道路基层材料采用以下搅拌装置进行制备，所述搅拌装置包括：
搅拌室，所述搅拌室包括粉碎室，第一搅拌室和第二搅拌室，所述第一搅拌室设于所述粉碎室的一侧，所述第二搅拌室设于所述粉碎室和所述第一搅拌室的下方；
所述粉碎室上设有改性煤矸石入料口，所述粉碎室内部设有粉碎叶片，且所述粉碎室的底面与所述第二搅拌室的顶面连接且连通；
所述第一搅拌室上设有硅粉入料口，所述第一搅拌室内设有第一搅拌装置，所述第一搅拌室底面与所述第二搅拌室的顶面连接且连通；
所述第二搅拌室上设有其他原料入料口和物料出口，所述第二搅拌室内设有刮壁装置和第二搅拌装置。
优选的，所述第一搅拌装置包括螺旋叶轮，所述螺旋叶轮的一侧贯穿所述第一搅拌室的侧壁并连接有第一搅拌电机。
优选的，所述第二搅拌装置包括搅拌轴，所述搅拌轴上设有搅拌叶片，所述搅拌轴的一侧贯穿所述第二搅拌室的底部并连接有第二搅拌电机。
优选的，所述刮壁装置包括刮片、连接轴，所述连接轴的一端与所述搅拌轴连接，另一端与所述刮片连接。
优选的，还包括输水装置，所述输水装置包括输水箱、水泵、第一输水管和第二输水管，所述输水箱位于所述第一搅拌室的侧壁，所述输水箱与所述第一搅拌室通过所述第一输水管连通，所述输水箱与所述第二搅拌室通过所述第二输水管连通，所述输水箱上连接有所述水泵。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用煤矸石替代一部分水泥的使用，有效减少了水泥的使用量；对煤矸石进行了煅烧处理，提高了煤矸石的活性，然后通过硅烷偶联剂对煅烧后的煤矸石进行改性处理，改性后的煤矸石表面上具有的硅烷偶联剂的有机基团可以在原料之间起到“连接剂”的作用，并且硅烷偶联剂对煤矸石进行表面处理之后，煤矸石的表面粗糙度提高，再与水泥进行混合时，可提高材料之间的机械咬合，所以在宏观方面表现为路用基层材料性能的提高。另外硅粉的加入也可以提高路用基层材料的抗压强度。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于道路基层材料的搅拌装置；
附图说明标记：1-粉碎室，11-改性煤矸石入料口，12-粉碎叶片，2-第一搅拌室，21-硅粉入料口，22-螺旋叶轮，23-第一搅拌电机，3-第二搅拌室，31-其他原料入料口，32-搅拌轴，33-第二搅拌电机，34-刮片，35-连接轴，36-物料出口，4-输水箱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明使用的水泥为42.5普通硅酸盐水泥。
实施例1
本实施例提供了一种道路基层材料，由以下重量份数的原料组成：改性煤矸石24份、水泥20份、硅粉7份、碎石23份、减水剂2份。
本实施例中改性煤矸石是按照以下步骤制备得到：
将煤矸石粉碎过200目筛，在空气气氛下，以2℃/min的升温速率从室温升至700℃，保温2小时，以15℃/min的降温速率降温冷却至室温，得到活化煤矸石；
将活化煤矸石加入乙醇溶液中搅拌2h得到浓度为10g/L的溶液A，将硅烷偶联剂加入乙醇溶液中超声0.5h，得到浓度为300g/L的溶液B，将溶液A和溶液B混合在60℃搅拌4h，其中溶液A和溶液B的体积比为10:1，搅拌结束后，静置24h，60℃干燥6h，得到改性煤矸石。
本实施例还提供了一种用于道路基层材料制备的搅拌装置，如图1所示。
所述搅拌装置包括搅拌室，所述搅拌室包括粉碎室1、第一搅拌室2和第三搅拌室3，所述第一搅拌室2设于所述粉碎室1的一侧，且所述第一搅拌室2与所述粉碎室1底部平齐，所述第二搅拌室3设于所述粉碎室1和所述第一搅拌室2的下方；
所述粉碎室1的顶面设有改性煤矸石入料口11，所述粉碎室1内设有粉碎叶片12，所述粉碎叶片12上设有粉碎用电机，所述粉碎室1的底面设有筛网，所述粉碎室1的底面通过所述筛网与所述第二搅拌室3的顶面连接且连通；
所述第一搅拌室2的顶面设有硅粉入料口21，所述第一搅拌室2内横向设有第一搅拌装置，所述第一搅拌装置包括螺旋叶轮22，所述螺旋叶轮22的一侧贯穿所述第一搅拌室2的侧壁并连接有第一搅拌电机23；所述第一搅拌室2靠近所述粉碎室1的一侧设有硅粉出料口，所述第一搅拌室2的底面通过硅粉出料口与所述第二搅拌室的顶面连接且连通；
所述第二搅拌室3的侧面设有其他原料入料口31，所述第二搅拌室3的底面设有物料出口36，所述第二搅拌室3内纵向设有刮壁装置和第二搅拌装置，所述第二搅拌装置包括搅拌轴32，所述搅拌轴32上设有搅拌叶片，所述搅拌轴32的一侧贯穿所述第二搅拌室3的底部并连接有第二搅拌电机33；
所述刮壁装置包括刮片34、连接轴35，所述搅拌轴35的一端与所述搅拌轴32连接，所述搅拌轴35的另一端与所述刮片34连接，进一步的，所述刮片34的横截面为V形，所述刮片34与所述第二搅拌室3的侧壁贴合，便于将第二搅拌室3侧壁的物料清除，使物料搅拌完全；
所述搅拌室还包括有输水装置，所述输水装置包括输水箱4、水泵、第一输水管和第二输水管，所述输水箱4位于所述第一搅拌室2的侧壁，所述输水箱4与所述第一搅拌室2通过所述第一输水管连通，所述输水箱4与所述第二搅拌室3通过所述第二输水管连通，所述输水箱4上设有所述水泵。
按上述重量份数称取原料，将水泥平均分成两份，其中，一份用于与改性煤矸石混合，另一份用于与硅粉混合；
使用上述搅拌装置进行制备，使用，首先按重量份数称取改性煤矸石投入到所述粉碎室1中，然后启动所述粉碎用电机，将所述改性煤矸石进行粉碎过250目的筛网，粉碎后的改性煤矸石可经过所述筛网投入所述第二搅拌室3内，然后通过所述其他原料入料口31投入水泥和碎石，启动所述第二搅拌电机33，使改性煤矸石、用于与改性煤矸石混合的水泥搅拌混合均匀，然后通过第二输水管将水注入所述第二搅拌室3中，其中，用于与硅粉混合的水泥与水的质量比为1:0.3，得到混合液B，之后将所述硅粉通过所述硅粉入料口投入所述第一搅拌室2内，并通过第一输水管将水注入所述第一搅拌室2中，启动所述第一搅拌电机23，将硅粉与用于与硅粉混合的水混合均匀，用于与改性煤矸石混合的水泥与水的质量比为1:0.5，得到混合液A，在所述螺旋叶轮的作用下，不仅使混合液A混合均匀，还能将混合液A推动至所述第二搅拌室3内，混合液A加入到混合液B之后，继续通过所述第二搅拌电机33进行搅拌，搅拌过程中，通过所述其他原料入料口31添加碎石和减水剂，搅拌均匀后得到道路基层材料，将道路基层材料通过所述物料出口36排出，用于使用，制备得到的道路基层材料在制备完成后的1h内使用。
实施例2
本实施例提供了一种道路基层材料，由以下重量份数的原料组成：改性煤矸石58份、水泥36份、硅粉9份、碎石10份、减水剂3份。
本实施例中改性煤矸石是按照以下步骤制备得到：
将煤矸石粉碎过200目筛，在空气气氛下，以10℃/min的升温速率从室温升至750℃，保温2小时，以20℃/min的降温速率降温冷却至室温，得到活化煤矸石；
将活化煤矸石加入乙醇溶液中搅拌2h得到浓度为15g/L的溶液A，将硅烷偶联剂加入乙醇溶液中超声1h，得到浓度为350g/L的溶液B，将溶液A和溶液B混合在50℃搅拌6h，其中溶液A和溶液B的体积比为10:1，搅拌结束后，静置36h，65℃干燥8h，得到改性煤矸石。
本实施例与实施例1制备步骤基本相同，区别在于：采用实施例2的配方；
制备过程中：
混合液A中，用于与改硅粉混合的水泥与水的质量比为1:0.4；
混合液B中，用于与改性煤矸石混合的水泥与水的质量比为1:0.4。
实施例3
本实施例提供了一种道路基层材料，由以下重量份数的原料组成：改性煤矸石36份、水泥10份、硅粉5份、碎石15份、减水剂2份。
本实施例中改性煤矸石是按照以下步骤制备得到：
将煤矸石粉碎过200目筛，在空气气氛下，以5℃/min的升温速率从室温升至720℃，保温3小时，以18℃/min的降温速率降温冷却至室温，得到活化煤矸石；
将活化煤矸石加入乙醇溶液中搅拌3h得到浓度为20g/L的溶液A，将硅烷偶联剂加入乙醇溶液中超声0.5h，得到浓度为400g/L的溶液B，将溶液A和溶液B混合在55℃搅拌2h，其中溶液A和溶液B的体积比为10:1，搅拌结束后，静置30h，70℃干燥6h，得到改性煤矸石。
本实施例与实施例1制备步骤基本相同，区别在于：采用实施例3的配方；
制备过程中：
混合液A中，用于与改硅粉混合的水泥与水的质量比为1:0.3；
混合液B中，用于与改性煤矸石混合的水泥与水的质量比为1:0.5。
实施例4
本实施例提供了一种道路基层材料，由以下重量份数的原料组成：改性煤矸石24份、水泥10份、硅粉5份、碎石23份、减水剂2.5份。
本实施例中改性煤矸石是按照以下步骤制备得到：
将煤矸石粉碎过200目筛，在空气气氛下，以10℃/min的升温速率从室温升至700℃，保温3小时，以15℃/min的降温速率降温冷却至室温，得到活化煤矸石；
将活化煤矸石加入乙醇溶液中搅拌2.5h得到浓度为20g/L的溶液A，将硅烷偶联剂加入乙醇溶液中超声45h，得到浓度为350g/L的溶液B，将溶液A和溶液B混合在50℃搅拌4h，其中溶液A和溶液B的体积比为10:1，搅拌结束后，静置24h，70℃干燥8h得到改性煤矸石。
本实施例与实施例1制备步骤基本相同，区别在于：采用实施例4的配方；
制备过程中：
混合液A中，用于与改硅粉混合的水泥与水的质量比为1:0.4；
混合液B中，用于与改性煤矸石混合的水泥与水的质量比为1:0.4；
对比例1
本对比例1提供了一种道路基层材料，由以下重量份数的原料组成：
水泥44份、硅粉7份、碎石23份、减水剂2份。
本对比例1的制备方法与实施例1的制备步骤基本相同，区别在于：采用对比例1的配方，删除实施例1中关于改性煤矸石的制备步骤和添加步骤。
对比例2
本对比例提供了一种道路基层材料，由以下重量份数的原料组成：煤矸石24份、水泥20份、硅粉7份、碎石23份、减水剂2份。
本对比例2的制备方法与实施例1的制备步骤基本相同，区别在于：采用对比例2的配方，煤矸石采用原始煤矸石。
对比例3
本对比例提供了一种道路基层材料，由以下重量份数的原料组成：改性煤矸石24份、水泥20份、碎石23份。
本对比例3的制备方法与实施例1的制备步骤基本相同，区别在于：采用对比例3的配方，删除实施例1中关于硅粉和减水剂的添加步骤。
将实施例1-4和对比例1-3所得的道路基层材料进行性能检测，具体检测方法为：按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中的检测方法检测道路基层材料的无侧限抗压强度试验，具体实验结果如表1所示：
表1道路基层材料的性能
7天无侧限抗压强度(MPa) 14天无侧限抗压强度(MPa)
实施例1 4.67 5.02
实施例2 4.31 4.79
实施例3 4.57 4.93
实施例4 4.38 4.81
对比例1 3.03 3.52
对比例2 3.46 3.83
对比例3 3.53 3.95
从表1可以看出，实施例1-4制备得到的道路基层材料的无侧限抗压强度高于对比例1-3制备得到的道路基层材料的无侧限抗压强度，对比例2中使用原始煤矸石，其7天无侧限抗压强度仍低于实施例1制备的道路基层材料，表明，本发明将煤矸石进行改性处理之后有效增强了道路基层材料的性能。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种道路基层材料，其特征在于，由以下重量份数的原料制成：改性煤矸石24-58份、水泥10-36份、硅粉5-9份、碎石10-23份、减水剂2-3份。
2.根据权利要求1所述的一种道路基层材料，其特征在于，所述改性煤矸石按照以下步骤制备：
将煤矸石粉碎过筛，在空气气氛下，以2-10℃/min的升温速率从室温升至700-750℃，保温2-3h，以15-20℃/min的降温速率降温冷却至室温，得到活化煤矸石；
将活化煤矸石加入乙醇溶液中搅拌2-3h得到浓度为10-20g/L的溶液A，将硅烷偶联剂加入乙醇溶液中超声0.5-1h，得到浓度为300-400g/L的溶液B，将溶液A和溶液B混合在50-60℃搅拌2-6h，其中溶液A和溶液B的体积比为10:1，搅拌结束后，静置、干燥得到改性煤矸石。
3.根据权利要求2所述的一种道路基层材料，其特征在于，静置时间为24-36h。
4.根据权利要求3所述的一种道路基层材料，其特征在于，干燥温度为60-70℃，干燥时间为6-8h。
5.一种权利要求1-4任一项所述的道路基层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1、按重量份数称取改性煤矸石24-58份、水泥10-36份、硅粉5-9份、碎石10-23份、减水剂2-3份，将改性煤矸石粉碎、过筛，水泥分成两份，其中一份用于与改性煤矸石混合，另一份用于与硅粉混合；
步骤2、将用于与硅粉混合的水泥与硅粉进行混合，加水搅拌均匀，用于与硅粉混合的水泥与水的质量比为1:0.4-0.5，得到混合液A；
将用于与改性煤矸石混合的水泥与改性煤矸石混合，加水搅拌均匀，用于与改性煤矸石混合的水泥与水的质量比为1:0.3-0.4，得到混合液B；
将混合液A、混合液B和碎石、减水剂进行混合搅拌均匀，制得道路基层材料。
6.根据权利要求5所述的一种道路基层材料的制备方法，其特征在于，所述道路基层材料采用以下搅拌装置进行制备，所述搅拌装置包括：
搅拌室，所述搅拌室包括粉碎室(1)，第一搅拌室(2)和第二搅拌室(3)，所述第一搅拌室(2)设于所述粉碎室(1)的一侧，所述第二搅拌室(3)设于所述粉碎室(1)和所述第一搅拌室(2)的下方；
所述粉碎室(1)上设有改性煤矸石入料口(11)，所述粉碎室(1)内部设有粉碎叶片(12)，且所述粉碎室(1)的底面与所述第二搅拌室(3)的顶面连接且连通；
所述第一搅拌室(2)上设有硅粉入料口(21)，所述第一搅拌室(2)内设有第一搅拌装置，所述第一搅拌室(2)底面与所述第二搅拌室(3)的顶面连接且连通；
所述第二搅拌室(3)上设有其他原料入料口(31)和物料出口(36)，所述第二搅拌室(3)内设有刮壁装置和第二搅拌装置。
7.根据权利要求6所述的一种道路基层材料的制备方法，其特征在于，所述第一搅拌装置包括螺旋叶轮(22)，所述螺旋叶轮(22)的一侧贯穿所述第一搅拌室(2)的侧壁并连接有第一搅拌电机(23)。
8.根据权利要求7所述的一种道路基层材料的制备方法，其特征在于，所述第二搅拌装置包括搅拌轴(32)，所述搅拌轴(32)上设有搅拌叶片，所述搅拌轴(32)的一侧贯穿所述第二搅拌室(3)的底部并连接有第二搅拌电机(33)。
9.根据权利要求8所述的一种道路基层材料的制备方法，其特征在于，所述刮壁装置包括刮片(34)、连接轴(35)，所述连接轴(35)的一端与所述搅拌轴(32)连接，另一端与所述刮片(34)连接。
10.根据权利要求9所述的一种道路基层材料的制备方法，其特征在于，还包括输水装置，所述输水装置包括输水箱(4)、水泵、第一输水管和第二输水管，所述输水箱(4)位于所述第一搅拌室(2)的侧壁，所述输水箱(4)与所述第二搅拌室(3)通过所述第二输水管连通，所述输水箱(4)上连接有所述水泵。
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