CN114292055B

CN114292055B - 一种轻质路基填筑材料及其制备方法

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Publication number: CN114292055B
Application number: CN202210007180.0A
Authority: CN
Inventors: 张雁茹; 孙兆云; 朱建军; 吴昊; 王振江; 韦金城; 祁晓乐; 马士杰; 高金锋; 司青山; 王明晖; 张磊; 张立勇
Original assignee: NATIONAL BIO ENERGY GROUP CO LTD; Shandong Transportation Institute
Current assignee: NATIONAL BIO ENERGY GROUP CO LTD; Shandong Transportation Institute
Priority date: 2022-01-05
Filing date: 2022-01-05
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2042-01-05
Also published as: CN114292055A

Abstract

本发明公开了一种轻质路基填筑材料及其制备方法，属于道路工程领域，所述填筑材料由生物质发电剩余物、天然黏质土、灰钙粉、粉煤灰、活性剂和胶结剂以特定配比制备。本发明所制备的轻质路基填料具有密度小、强度高、路用性能好、造价低等优点，同时可以为生物质发电剩余物的减量利用提供安全、环保的资源化途径，具有很好的推广应用价值。

Description

一种轻质路基填筑材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体提供一种轻质路基填筑材料及其制备方法。

背景技术

生物质发电是利用生物质材料所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种。其中，利用秸秆、农林废弃物等生物质材料直接作为燃料进行燃烧，用于发电或者热电联产，是生物质发电的主要方式。近年来，我国生物质发电发展迅速，总发电量超过1800万千瓦时，每年可消耗约7亿吨的各类生物质材料。但是，与此同时生物质发电在燃烧后产生大量的灰渣类剩余物(生物质发电剩余物)，每年的排放量超过了6000万吨，现已经形成巨大堆存，不仅占用大量土地，而且存在对电厂及周边环境造成大气、水体等环境污染的风险，一定程度上制约了生物质发电的发展。经过高温灼烧的生物质发电剩余物，其成分主要为SiO₂、A1₂O₃、MgO、Fe₂O₃、CaO等无机化合物，具有呈碱性、无水化活性、遇水后完全失去强度等特点，无法作为道路路基填筑材料使用。

粉煤灰是燃煤电厂烟气中附带排除的细小固体颗粒，据我国用煤情况，燃用1t煤约产生250～300kg粉煤灰，成为我国主要的工业固体废弃物。

与此同时，道路工程建设中路基填筑对土、石等自然填筑材料的需求巨大，传统取土筑路模式对自然资源与环境破环非常严重。随着我国新基建的发展，生态与环境保护意识的逐渐提高，工程建设填筑材料紧缺的现象也已经十分严峻。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种以生物质发电剩余物和天然黏质土为主体材料的轻质路基填筑材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种轻质路基填筑材料，包括生物质发电剩余物、天然黏质土、灰钙粉、粉煤灰、活性剂和胶结剂，各原料的重量配比为：

作为优选，各原材料的重量配比为：

在生物质发电剩余物中掺加一定质量的天然黏质土，可以优化剩余物的颗粒级配、增加黏性颗粒含量，通过物理方式提高生物质发电剩余物的粘聚力和强度。所述灰钙粉比表面积大，一方面可以为活性剂和胶结剂的预混提供良好的分散载体，另一方面在加入生物质发电剩余物后，电离产生大量Ca²⁺，在活性剂的碱性激发与同离子效应共同作用下，促进硅酸钙的溶出，加速硅酸三钙的水化，使结晶不断填充内部毛细孔，从而使结构更加密实、强度得到增长。除此之外，生物质发电剩余物中的SiO₂、Al₂O₃成分与灰钙粉中Ca(OH)₂能够发生火山灰反应形成C-S-H凝胶体，在颗粒界面形成稳定结构，从宏观上提高混合材料的整体强度。所述粉煤灰中的铝硅酸盐类玻璃体活性成分在Ca(OH)₂存在的条件下能够发生二次水化反应，进而形成稳定的胶凝化合物，使结构抗渗性能得到提高。所述胶结剂含有亲水性基团和高分子结构，溶于水后不仅具有良好的分散、乳化作用，而且与金属阳离子之间具有很强的结合能力。按一定比例掺入后能够与生物质发电剩余物中的K⁺、Ca²⁺等金属阳离子发生有效结合，并伴随水化产物生成过程共同作用形成稳定的空间网络胶凝体，对整体结构的强度、水稳定性和抗冻性作用明显。

作为优选，所述生物质发电剩余物的含水量不大于40％，颗粒最大粒径不大于5mm。

作为优选，所述天然黏质土的液限不大于50％，塑性指数不小于17。

作为优选，所述灰钙粉的有效成分(Ca(OH)₂和CaO)含量不小于97％，细度不小于400目。

作为优选，所述粉煤灰为F类或C类粉煤灰，含水量不大于1％，细度不小于200目，强度活性指数不小于70％。

作为优选，所述活性剂为甲酸钙和/或甲酸钠，粉末状，其纯度大于98％。

作为优选，所述胶结剂为淀粉磷酸钠和/或羧甲基淀粉钠，特别优选为淀粉磷酸钠，粉末状，其纯度大于99％。

本发明进一步的技术任务是提供上述材料的制备方法。

轻质路基填筑材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)确定生物质发电剩余物的最佳含水率和最大干密度参数，将生物质发电剩余物的含水量调节至最佳含水率的+2％～+3％范围，闷料一段时间，备用；

(2)将天然黏质土的含水量调节至步骤(1)中含水率范围，闷料一段时间，备用；

(3)将灰钙粉、活性剂和胶结剂充分混合均匀，备用；

(4)将步骤(1)和步骤(2)调湿后的生物质发电剩余物和天然黏质土与步骤(3)混合物、粉煤灰按比例拌和均匀；

(5)将步骤(4)所制备的混合料压实，养生，经过各组分之间有效的水化、激发等一系列化学反应，最终制得轻质路基填筑材料。

作为优选，步骤(1)闷料时间不小于1h，使水分充分填充生物质发电剩余物的连通孔隙，保证与黏土混合后达到水压力平衡状态。

作为优选，步骤(2)闷料时间不小于2h，使水分充分浸湿黏土颗粒并在表面形成自由水膜，降低黏土与其他材料混合时的阻力。

作为优选，为了使灰钙粉、活性剂和胶结剂充分混合均匀，达到活性剂和胶结剂在灰钙粉中的充分分散状态，步骤(3)边搅拌边向灰钙粉中按比例缓慢投入活性剂和胶结剂，待完全投入后再匀速搅拌60～120s，搅拌叶片转速为180～240r/min。

作为优选，步骤(4)各物料拌和均匀后，结块颗粒直径小于5mm。

作为优选，步骤(5)压实度不小于93％，养生条件：温度≥10℃、相对湿度≥90％、养生时间不小于48h。

经检测，本发明所述轻质路基填筑材料的主要性能指标及结果如下：

(1)干密度：1.15～1.35g/cm³；

(2)无侧限抗压强度(7d)：≥1.2MPa；

(3)软化系数(7d)：≥0.80；

(4)回弹模量：16000～18000MPa；

(5)加州承载比：≥40％；

(6)冻融强度损失率：≤20％。

本发明利用生物质发电剩余物和天然黏质土作为主体材料，通过添加特定比例的灰钙粉、粉煤灰以及微量活性剂、胶结剂，通过机械压实、化学激发和二次水化等复合技术处理，制备了具有轻质高强、抗水耐久功能的路基填筑材料，与现有技术相比具有以下突出的有益效果：

(一)本发明所制备的轻质路基填筑材料充分利用生物质发电剩余物内部孔隙丰富、密度较小的特点，所制备的路基填筑材料具有自重轻、稳定性高等优点，工程应用中可以有效减少实体在自重作用下的沉降，提高上部路面结构的整体稳定性和使用功能。

(二)本发明所制备的轻质路基填筑材料基于生物质发电剩余物与天然黏质土之间的物理改良，进一步利用灰钙粉、粉煤灰、活性剂和胶结剂之间相互激发作用形成稳定胶凝体结构，解决了生物质发电剩余物强度低、水稳定性差等不良工程特性，达到路基工程应用的技术要求。

(三)本发明所制备的轻质路基填筑材料中生物质发电剩余物和粉煤灰均为工业生产活动所排放的固体废弃物，二者最高利用率可以达到85％，能够使所制备的填筑材料具有良好的经济性，促进其实现规模化和减量化的利用。

(四)本发明所制备的轻质路基填筑材料及制备方法，制备流程简单，工艺可靠性高，制备产品与传统路基填筑材料相比，其环保性、适用性、经济性和功能性更优，具有很高的推广应用价值和市场发展前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如无特别说明，下述所用各成分的含量为重量百分比含量。

【实施例】

一、主要原料：

生物质发电剩余物，购自山东宁阳某发电公司，主要含有以下物质：

物质名称	SiO<sub>2</sub>	A1<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	其他
							含量(％)	46	11	7	5	21	10

然黏质土：液限为41.3％，塑性指数为21.6。

灰钙粉：有效成分含量为98％，细度为400目～425目。

粉煤灰：F类粉煤灰，含水量为0.7％，细度为270目～325目，强度活性指数为76％。

甲酸钙：粉末状，纯度为98.5％。

淀粉磷酸钠：粉末状，纯度为99.5％。

二、制备方法：

(1)采用标准重型击实试验方法，确定生物质发电剩余物的最佳含水率为27.3％，最大干密度为1.08g/cm³。加入适量水，将生物质发电剩余物的含水量调节至30.0％，闷料1.5h，备用；

(2)将天然黏质土的含水量调节至30.0％，闷料2.5h，到达水分均匀状态，备用；

(3)采用卧式双螺旋混合机对灰钙粉进行搅拌，边搅拌边按比例缓慢投入甲酸钙和淀粉磷酸钠，待完全投入后再匀速搅拌90s，搅拌叶片转速为200r/min，使灰钙粉、活性剂和胶结剂充分混合均匀，备用；

(4)将步骤(1)和步骤(2)调湿后的生物质发电剩余物和天然黏质土与步骤(3)混合物、粉煤灰按比例投入卧式双轴连续强制搅拌装置，拌和均匀，结块颗粒直径小于5mm；

(5)将步骤(4)所制备的混合料采用静压方式进行压密，压实度不小于93％；

(6)压密后置于温度15℃、相对湿度90％条件下养生48h，最终制得轻质路基填筑材料。

其中，各原材料的重量配比如下表所示：

【对比例】

制备方法与实施例相同。

其中，各原料的重量配比如下表所示：

【性能测定】

按照国家、行业相关标准，对实施例、对比例所得路基填筑材料进行干密度、无侧限抗压强度、软化系数、回弹模量、冻融强度损失和加州承载比等指标的测试，分析结果如下表所示：

由测定数据可看出，本发明轻质路基填筑材料的轻质性、强度、抗水性等方面性能优异，同时对天然土的替代比例高，大幅减少传统路基填筑对土石自然资源的开采需求，具有很高的推广应用价值。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种轻质路基填筑材料，其特征在于，包括生物质发电剩余物、天然黏质土、灰钙粉、粉煤灰、活性剂和胶结剂，各原料的重量配比为：

生物质发电剩余物 40-70份；

天然黏质土 15-45份；

灰钙粉 4-9份；

粉煤灰 3-15份；

活性剂 0.7-2.0份；

胶结剂 0.5-1.4份，

所述生物质发电剩余物的主要成分为SiO₂、A1₂O₃，

所述活性剂为甲酸钙和/或甲酸钠。

2.根据权利要求1所述的轻质路基填筑材料，其特征在于，各原材料的重量配比为：

生物质发电剩余物 50-65份；

天然黏质土 15-30份；

灰钙粉 5-8份；

粉煤灰 4-12份；

活性剂 0.9-1.5份；

胶结剂 0.5-1.0份。

3.根据权利要求1或2所述的轻质路基填筑材料，其特征在于，所述生物质发电剩余物的含水量不大于40%，颗粒最大粒径不大于5mm。

4.根据权利要求1或2所述的轻质路基填筑材料，其特征在于，所述天然黏质土的液限不大于50%，塑性指数不小于17。

5.根据权利要求1或2所述的轻质路基填筑材料，其特征在于，所述灰钙粉的有效成分含量不小于97%，细度不小于400目。

6.根据权利要求1或2所述的轻质路基填筑材料，其特征在于，所述粉煤灰为F类或C类粉煤灰，含水量不大于1%，细度不小于200目，强度活性指数不小于70%。

7.根据权利要求1或2所述的轻质路基填筑材料，其特征在于，所述活性剂为粉末状，其纯度大于98%。

8.根据权利要求6所述的轻质路基填筑材料，其特征在于，所述胶结剂为淀粉磷酸钠或羧甲基淀粉钠，粉末状，其纯度大于99%。

9.权利要求1-8任意一项所述轻质路基填筑材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）确定生物质发电剩余物的最佳含水率和最大干密度参数，将生物质发电剩余物的含水量调节至最佳含水率的+2%~+3%范围，闷料一段时间，备用；

（2）将天然黏质土的含水量调节至步骤（1）中含水率范围，闷料一段时间，备用；

（3）将灰钙粉、活性剂和胶结剂充分混合均匀，备用；

（4）将步骤（1）和步骤（2）调湿后的生物质发电剩余物和天然黏质土与步骤（3）混合物、粉煤灰按比例拌和均匀；

（5）将步骤（4）所制备的混合料经压实、养生后制得轻质路基填筑材料。

10.根据权利要求9所述的轻质路基填筑材料的制备方法，其特征在于：

步骤（1）闷料时间不小于1h；

步骤（2）闷料时间不小于2h；

步骤（3）边搅拌边向灰钙粉中按比例缓慢投入活性剂和胶结剂，待完全投入后再匀速搅拌60~120s，搅拌叶片转速为180~240r/min；

步骤（4）各物料拌和均匀后，结块颗粒直径小于5mm；

步骤（5）压实度不小于93%，养生条件：温度≥10℃、相对湿度≥90%、养生时间不小于48h。