CN113698164B - 一种防裂防沉降道路水稳层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防裂防沉降道路水稳层材料及其制备方法。原料包括石膏胶凝材料，骨料，水；所述石膏胶凝材料包括主料及建筑外加剂，其中，主料包括建筑石膏，矿渣粉，硅灰，水泥，粉煤灰；建筑外加剂包括减水剂，缓凝剂，羟丙基甲基纤维素，引气剂。将石膏胶凝材料与骨料混合搅拌均匀，制成干粉，再与水混合搅拌均匀即可使用。本发明以工业副产品石膏、建筑废料、尾矿制砂石等工业副产品为主要原料，对石膏加以改性，使其具有较高的强度和耐水性，同时利用石膏本身的微膨胀特性，补偿水泥水化收缩特性，可以克服传统水稳材料能耗高、易开裂的缺点，取材容易，成本低廉，制备过程简单，有利于环保。

Description

一种防裂防沉降道路水稳层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种防裂防沉降道路水稳层材料及其制备方法，可以有效防治道路水稳层开裂和沉降问题，属于道路建设技术领域。
背景技术
水稳层即水泥稳定碎石层，占路面高度的70％左右，是沥青路面的主要承重结构层，以级配碎石作骨料，采用3％～6％的水泥胶凝材料和足够的灰浆填充骨料的空隙，按嵌挤原理摊铺压实。水稳成活后遇雨不泥泞，能有效改善水稳性能，防止地下水上升，地表水下降，是高级路面的理想基层材料。但由于水稳层中胶凝材料具有收缩特性，很容易产生开裂问题。水稳层开裂不仅会使水稳层整体强度降低、局部承载力不够导致路面出现沉降问题，形成反射裂缝后还会使沥青路面出现裂缝，对道路造成严重损害。
为尽量避免开裂问题，施工方一般会采取一系列的预防措施，如控制水泥的质量、用量，选用级配更优、含泥量更少的碎石，严格控制加水量、及时养护等方法，健全施工质量管理制度，提高施工人员技术水平，但上述方法只能尽量减少开裂的可能性，而无法从根源上解决开裂问题。对于已产生的开裂路面通常采用修补的方式，一般直接将混凝土浇筑到裂缝区域，但由于路面裂缝不规则，会导致修补不充实，且裂缝早期不易被发现，不能得到及时有效的修补。如专利CN111622045A为解决上述修补不充实问题采用钢渣水稳材料进行修复，钢渣中含有一定量的氧化镁和氧化钙，遇水反应生成氢氧化镁和氢氧化钙，体积产生膨胀，能够有效解决修补不充实问题。但钢渣中因含有害重金属元素，在雨水的长期冲刷和浸泡下，可能浸出而污染周边土壤和水体。
因此寻找一种环保的、可以有效避免水稳层开裂的胶凝材料非常有必要。如专利CN110423085公布的一种含电解锰渣道路抗开裂水稳层材料，通过电解锰渣中的硫酸钙激活赤泥中的活性成分形成凝胶体系，并添加复合相变材料，防止温缩应力导致的开裂，控制水稳层温度变化，防止面层变形，同时消耗大量的工业固废电解锰渣，但上述方法只能解决温缩应力导致的开裂问题，而无法解决水稳层胶凝材料水化收缩导致的开裂问题，且生产过程中会产生氨气，氨气是一种刺激性气体，处理不好会对身体造成严重损害。
工业固废中的石膏也是无机胶凝材料，且储量丰富。但其本身强度不高，无法有效地固结水稳层，且耐水性差，因此应用不是很广泛，目前主要用做建筑材料、缓凝剂之类等，还没有有效用于道路水稳层。如果能通过改性提高其耐水性能和强度，替代部分水泥用于固结道路水稳层，不仅可以利用石膏本身具有的微膨胀特性，补偿水泥收缩特性，从根源上有效解决水稳层收缩引起的道路开裂问题，同时大量使用工业固废，解决二次污染，节约宝贵资源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：从原材料上解决道路建设中水稳层收缩引起的开裂问题，同时有效避免因水稳层承载能力不够而失去稳定导致的沉降问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：提供一种防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，原料包括以下以质量份数计的组分：
石膏胶凝材料5～10份；
骨料84～92份；
水3～6份；
所述石膏胶凝材料包括主料及建筑外加剂，其中，主料包括以下以质量份数计的建筑石膏70～90份，矿渣粉10～30份，硅灰5～15份，水泥5～15份，粉煤灰5～15份；建筑外加剂包括以主料质量的千分比计的减水剂3～7‰，缓凝剂0.5～2‰，羟丙基甲基纤维素1～3‰，引气剂0.5～1.5‰。
优选地，所述的建筑石膏为脱硫石膏、磷石膏中的单一组分或混合物，经煅烧加工而形成的以半水硫酸钙为主要成分的石膏。
更优选地，所述的建筑石膏采用以质量分数计的脱硫石膏30～50份与磷石膏30～50份的混合物。脱硫石膏进一步优选为35～45份，磷石膏进一步优选为35～45份。
优选地，所述的矿渣粉为S95粒化高炉矿渣粉。矿渣粉具有很好的水化活性，在碱性条件激发下，一方面生成C-S-H凝胶，另一方面与建筑石膏生成一定量的钙矾石，同时还生成少量的硬硅酸钙石，使得胶凝材料的抗压强度和耐久性大幅度提高。且矿渣粉具有很好的和易性和流动性，可以提高材料的施工性、密实度和耐久性，同时有效地利用了工业生产的废弃物。
所述硅灰是大工业冶炼中的副产物，主要成分为二氧化硅，是一种比表面积很大，活性很高的火山灰物质。硅灰能够填充粉料间的孔隙，同时与水泥、粉煤灰等碱性材料生成凝胶体，可以显著提高材料的抗压、抗渗、抗冲击能力，增强抗侵蚀、抗老化、防水、防腐性能，显著延长材料的使用寿命，同时有效地利用了工业生产的废弃物。
优选地，所述水泥为P.O425或325普通硅酸盐水泥。水泥可大幅度提高胶凝材料抗压强度性能，同时提高材料的耐水性能。
优选地，所述粉煤灰为一级粉煤灰，是燃煤发电厂排出的固废物，主要成分为二氧化硅、氧化铝和氧化铁等，其中氧化铝与硅灰混合可以生成硬度较高的莫来石晶体。添加粉煤灰可以增加结构致密度和流动性，节约水泥和用水量，提高材料的抗潮、抗冻、抗渗、抗腐蚀能力及后期强度，同时有效地利用了工业生产的废弃物。
缓凝剂、减水剂为建筑外加剂，可以显著改善所述注浆材料的力学性能、流动性、稳定性和施工性，是不可或缺的组成部分。
所述缓凝剂为石膏专用缓凝剂，该缓凝剂的缓凝效果好，对强度影响低，可调节材料的凝结时间。
优选地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其特点是对石膏分散效果好，减水率高，大幅度提高材料的后期强度。
优选地，所述羟丙基甲基纤维素的粘度为10万粘度，其特点是可以增加胶凝材料的稠度，提高水稳层的保水性能。
优选地，所述引气剂为烷基磺酸钠，其作用是可以增加胶凝材料的体积，进一步补偿水泥的水化收缩，提高水稳层的抗开裂性能和耐久性。
优选地，所述骨料的为建筑废料和尾矿砂石中的至少一种。
优选地，所述的骨料经过磨细、筛分，被分成不同粒径组，按照不同工程需求进行级配；粒径为0.15～3mm的细骨料按质量比掺量为15～35％，粒径为3～10mm粗骨料按质量比掺量为65～85％；分别加入到搅拌机中自由级配，经充分搅拌均匀即可。
所述建筑废料为建筑垃圾中的废弃混凝土和废弃砖石经锤击或磨碎，然后按照不同粒径筛分，形成的粗、细骨料；所述尾矿砂石是指矿山开采产生的废弃物，物理化学性能稳定，尾矿石经过机械破碎和分选处理，形成不同粒径的颗粒。
本发明还提供了上述防裂防沉降道路水稳层材料的制备方法，其特征在于，将石膏胶凝材料与骨料混合搅拌均匀，制成干粉，再与水混合搅拌均匀即可使用。
更优选地，所述石膏胶凝材料的制备方法为：先将工业副产品脱硫石膏和/或磷石膏进行预处理后，直接烘干或混合后烘干，然后煅烧、研磨、冷却、陈化。
脱硫石膏、磷石膏的主要成分为二水硫酸钙，经烘干和煅烧后制得的石膏主要成为β-半水硫酸钙，其吸水后再次形成二水石膏，从而达到一定的强度。
可采用电厂发电的尾蒸汽进行烘干和煅烧。进一步地，可利用煅烧的余热进行烘干，从而进一步降低能耗。
进一步地，所述烘干的温度为50～100℃，更优为70～80℃，最优为75℃；所述烘干时间为1～3小时，最优为2小时。
进一步地，所述煅烧的温度为130～180℃，最优为150℃；所述煅烧时间为1～3小时，最优为2小时。
进一步地，所述研磨后的颗粒细度为200～400目，以300目为最佳。
进一步地，所述冷却陈化的时间为5～10天，最优为7天。
本发明通过添加适量的矿渣粉、水泥、硅灰、粉煤灰等无机材料和相关添加剂对建筑石膏进行改性，很大程度提高建筑石膏的强度和耐水性，同时利用建筑石膏水化反应产生微膨胀，补偿水泥水化收缩，克服传统水稳材料易开裂、沉降的缺点，使得水稳层具有稳定性好、易压实、不收缩、抗压强度大等特点。其中建筑石膏、矿渣粉、硅灰、粉煤灰均为工业副产品，同时以建筑废料、尾矿砂石为骨料替代传统砂石，取材容易，成本低廉，制备过程简单，是一种工业固废综合再利用、对人体和环境无污染的无机材料。
本发明提供一种防裂防沉降道路水稳层材料7天无侧限抗压强度可达到8.7Mpa，密实度能达到97％，性能优异。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将建筑石膏用于水稳层中，利用石膏的微膨胀性，补偿水泥的水化收缩，有效的解决了水稳层开裂问题，为解决道路主要病害做出了重要贡献；
2、本发明回收使用了火电厂发电产生的固体废弃物石膏，并且利用电厂发电产生的尾蒸汽烘干和煅烧石膏，真正做到了废弃资源的综合再利用，实现了"零排放"的目标；
3、矿渣粉、硅灰、粉煤灰的加入可以提高材料的强度和抗渗性，同时充分利用废弃资源；
4、以建筑废料或尾矿砂石为骨料，进一步利用废弃资源。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。
各实施例中的电厂石膏为上海石洞口电厂产建筑石膏，矿渣粉采用宝钢生产的S95粒化高炉矿渣粉，水泥采用PO425或325普通硅酸盐水泥，硅灰采用湖北冯家山硅灰，粉煤灰采用一级粉煤灰，缓凝剂采用石膏专用缓凝剂，减水剂采用聚羧酸高效减水剂，纤维素采用羟丙基甲基纤维素(粘度为10万粘度)，所述引气剂为烷基磺酸钠。
实施例1-3中建筑石膏的制备方法为：利用电厂发电产生的尾蒸汽将脱硫石膏和/或磷石膏在75℃下烘干后，在150℃下煅烧2小时，然后粉磨至300目，冷却后陈化7天。
实施例中试件的制作方式和测试方式参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的T0805-1994的相关规定进行，其中试件由一种防裂防沉降道路水稳层材料与合适量的水搅拌混合均匀后制备成φ150mm×150mm×150mm的试件，待其成型后在温度20±1℃，相对湿度95±1％的恒温恒湿标准养护箱内养护，利用压力机测定7天和28天无侧限抗压强度。
实施例1
一种防裂防沉降道路水稳层材料，包括以质量份数计的如下组分：
石膏胶凝材料5份
骨料92份
水3份
石膏胶凝材料中的主料为：
脱硫石膏70份，矿渣粉30份，水泥10份，硅灰10份，粉煤灰10份。
石膏胶凝材料中的建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
减水剂3.5‰，缓凝剂0.5‰，纤维素1‰，引气剂1.5‰。
将石膏胶凝材料与骨料混合搅拌均匀，制成干粉，再与水混合搅拌均匀即可使用。
性能如表1。
表1
Figure BDA0003206487080000061
实施例2
一种防裂防沉降道路水稳层材料包括以质量份数计的如下组分：
石膏胶凝材料8份
骨料87份
水5份
石膏胶凝材料中的主料为：
磷石膏80份，矿渣粉10份，水泥15份，硅灰5份，粉煤灰15份。
石膏胶凝材料中的建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
减水剂4.5‰，缓凝剂0.8‰，纤维素2‰，引气剂1‰。
将石膏胶凝材料与骨料混合搅拌均匀，制成干粉，再与水混合搅拌均匀即可使用。
性能如表2。
表2
Figure BDA0003206487080000062
实施例3
一种防裂防沉降道路水稳层材料包括以质量份数计的如下组分：
石膏胶凝材料10份
骨料84份
水6份
石膏胶凝材料的主料组分为：
脱硫石膏45份，磷石膏45份，矿渣粉20份，水泥5份，硅灰15份，粉煤灰5份。
石膏胶凝材料中的建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
减水剂6‰，缓凝剂1‰，纤维素3‰，引气剂0.5‰。
将石膏胶凝材料与骨料混合搅拌均匀，制成干粉，再与水混合搅拌均匀即可使用。
性能如表3。
表3
Figure BDA0003206487080000071
对比例
表4为PO325水泥4％、粉煤灰10％、级配碎石86％水稳层的检测值。
表4
Figure BDA0003206487080000072
从上述实施例可以得出，本发明的一种防裂防沉降道路水稳层材料具有以下优点：
1.本发明水稳层胶凝材料以建筑石膏为主要原料，通过添加适量的矿渣粉、水泥、硅灰、粉煤灰等无机材料和相关添加剂对建筑石膏进行改性，很大程度提高建筑石膏的强度和耐水性，使得水稳层具有稳定性好、易压实、不收缩、抗压强度大等特点，同时利用建筑石膏水化反应产生微膨胀，补偿水泥的水化收缩，从根源上有效解决传统水稳层由于胶凝材料水化收缩引起的开裂和沉降问题。
2.大量利用了工业副产品脱硫石膏和/或磷石膏、矿渣粉、硅灰和粉煤灰及建筑废料、尾矿砂石，加快了工业副产品和固体废弃物的消耗，实现固废资源的高质量综合利用，且无机材料对人体和环境无污染、绿色环保；同时利用电厂发电产生的尾蒸汽煅烧和烘干，做到了进一步节能减排、绿色环保。

Claims (12)

1.一种防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，原料包括以下以质量份数计的组分：
石膏胶凝材料5～10份；
骨料84～92份；
水3～6份；
所述石膏胶凝材料包括主料及建筑外加剂，其中，主料包括以下以质量份数计的建筑石膏70～90份，矿渣粉10～30份，硅灰5～15份，水泥5～15份，粉煤灰5～15份；建筑外加剂包括以主料质量的千分比计的减水剂3～7‰，缓凝剂0.5～2‰，羟丙基甲基纤维素1～3‰，引气剂0.5~1.5‰。
2.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述的建筑石膏为脱硫石膏、磷石膏中的单一组分或混合物，经煅烧加工而形成的以半水硫酸钙为主要成分的石膏。
3.如权利要求2所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述的建筑石膏采用以质量份数计的脱硫石膏30～50份与磷石膏30～50份的混合物。
4.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述的矿渣粉为S95粒化高炉矿渣粉。
5.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述水泥为P.O425或325普通硅酸盐水泥。
6.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述粉煤灰为一级粉煤灰。
7.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
8.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述羟丙基甲基纤维素的粘度为10万粘度。
9.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述引气剂为烷基磺酸钠。
10.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述骨料的为建筑废料和尾矿砂石中的至少一种。
11.如权利要求1所述的防裂防沉降道路水稳层材料，其特征在于，所述的骨料经过磨细、筛分，被分成不同粒径组，按照不同工程需求进行级配；粒径为0.15～3mm的细骨料按质量比掺量为15～35％，粒径为3～10mm粗骨料按质量比掺量为65～85％；分别加入到搅拌机中自由级配，经充分搅拌均匀即可。
12.权利要求1-11任意一项所述的防裂防沉降道路水稳层材料的制备方法，其特征在于，将石膏胶凝材料与骨料混合搅拌均匀，制成干粉，再与水混合搅拌均匀即可使用。
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