CN114507054B - 一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料及其制备方法 - Google Patents

一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及道路基层施工技术领域，提出了一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料及其制备方法，包括以下重量份的组分：煤矸石钢渣固废材料95‑98份，胶凝材料2‑5份，所述煤矸石钢渣固废材料包括煤矸石55‑65份，钢渣30‑40份。通过上述技术方案，解决了相关技术中煤矸石路面基混合料强度较低的问题。

Description

一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路基层施工技术领域，具体的，涉及一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料及其制备方法。
背景技术
煤矸石作为煤炭工业产生的废弃岩石，若不经过妥善的处理，将会产生大量污染大气的粉尘，同时其含有的重金属元素将会污染土体与水源。目前，国内外将一些工业废料如钢渣等作为路面基层材料进行废物再利用，并通过添入一定量的无机结合材料增强其性能，取得了良好的经济效益，并已在工程中应用。部分学者采用煤矸石作为路基材料取得了不错的成果，但国内外对煤矸石在道路基层中的应用研究仍处于初级阶段，且采用煤矸石作为路基材料时的路面基层强度较低，如申请号为202110366787.3的发明专利公开了一种路面基混合料，包括以下重量份的原料：电石渣10-20份，粉煤灰10-20份，煤矸石60-70份，水7-14份，其制得的三组路面基混合料的7d无侧限抗压强度分别为1.05Mpa、0.88Mpa和0.94Mpa，该路面基混合料的强度较低。
发明内容
本发明提出一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料及其制备方法，解决了相关技术中煤矸石路面基混合料强度较低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，包括以下重量份的组分：煤矸石钢渣固废材料95-98份，胶凝材料2-5份。
作为进一步的技术方案，所述煤矸石钢渣固废材料包括煤矸石55-65份，钢渣30-40份。
作为进一步的技术方案，所述煤矸石为自燃煤矸石，所述胶凝材料为矿粉。
作为进一步的技术方案，所述煤矸石由以下重量份的组分组成：所述煤矸石由以下重量份的组分组成：粒径为19mm＜粒径≤31.5mm的第一煤矸石，粒径为9.5mm＜粒径≤19mm的第二煤矸石，粒径为4.75mm＜粒径≤9.5mm的第三煤矸石，粒径为0mm＜粒径≤4.75mm的第四煤矸石，所述第一煤矸石、第二煤矸石、第三煤矸石、第四煤矸石的质量比为10：27：22：41。
作为进一步的技术方案，所述煤矸石的压碎值为29.86％。
作为进一步的技术方案，所述钢渣按照粒径大小分为以下五档：0mm＜粒径≤0.3mm，0.3mm＜粒径≤0.6mm，0.6mm＜粒径≤1.18mm，1.18mm＜粒径≤2.36mm，2.36mm＜粒径≤4.75mm。
作为进一步的技术方案，所述钢渣中，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，三档的钢渣占所述钢渣总质量的77％。
本发明还提出了一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料的制备方法，包括以下步骤：按照上述的煤矸石钢渣路面基混合料的配方称取钢渣、煤矸石、胶凝材料后，与水混合，得到路面基层混合料。
作为进一步的技术方案，所述水的用量为所述钢渣、煤矸石、胶凝材料总量的8％-12％。
本发明的工作原理及有益效果为：
1、本发明中，通过对钢渣、煤矸石和矿粉的重量配比优化设计，使得制备的路面基混合料的7d无侧限抗压强度显著提高，其中，实施例3的无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料的7d无侧限抗压强度高达6.46MPa，与水泥稳定类无机结合料强度相当，不仅满足重型特重型公路路面基层底基层使用，同时满足上基层使用，有效解决了现有技术中煤矸石路面基混合料强度较低的问题。
2、本发明中，充分利用工业废渣钢渣以及煤矸石，结合水制备成路面基混合料，一方面，达到拌和均匀；同时简化了工序，提高效率，降低成本的目的；另一方面，实现了高效利用工业废渣修筑半刚性路面基层，大大减轻了环境负荷，实现了经济、社会和环保效益显著。
3、本发明中，通过调整钢渣的掺量及颗粒粒径的大小，将钢渣中的CaO充分释放并利用，参与了化学反应来激发煤矸石中的活性成分，稳定性更强，不仅解决了钢渣路基膨胀严重的问题，同时也提高了混合料强度，不使用石灰等碱激发剂，更环保。
4、本发明中，固废中选用钢渣与煤矸石，胶凝材料选用矿粉，与常用的石灰类固废混合料相比，原料成本大大降低，矿粉成本远低于石灰等碱激发剂的成本，煤矸石材料本身没有成本，主要是运输费，同时，使用的煤矸石为自然级配，无需进行人工级配，减少了破碎、研磨、筛分、混合等工序，大大降低了成本，提高了利用率。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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，都涉及本发明保护的范围。
下述实施例中，煤矸石为自燃煤矸石，煤矸石由以下组分组成：粒径为19mm＜粒径≤31.5mm的第一煤矸石，粒径为9.5mm＜粒径≤19mm的第二煤矸石，粒径为4.75mm＜粒径≤9.5mm的第三煤矸石，粒径为0mm＜粒径≤4.75mm的第四煤矸石，第一煤矸石、第二煤矸石、第三煤矸石、第四煤矸石的质量比为10：27：22：41；按照T0316-2005《粗集料压碎值试验》进行试验来表征其强度，压碎值为29.86％，满足压碎值＜30％的要求；搅拌机采用单卧轴强制式混凝土搅拌机(HJW-60型，天津市路达建筑仪器有限公司)；试验试件原材取样、材料组成配合比设计、成型和养护等试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)的相关规定；试验试件性能测试项7d无侧限抗压强度，具体试验步骤参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的相关规定。
实施例1
一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，由以下重量份的组分组成：煤矸石59份，钢渣38份，矿粉3份，水12份，
钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％；
其制备方法，包括以下步骤：按照上述配方中各组分的重量份数，称取钢渣、矿粉和煤矸石和水，对搅拌机进行湿润，加入煤矸石、钢渣、矿粉集料搅拌30s，得到混合干料，继续搅拌混合干料同时向其中缓慢、均匀分散的加入水，水加入完毕后，再继续搅拌90s，得到无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基层混合料。
实施例2
一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，由以下重量份的组分组成：煤矸石65份，钢渣30份，矿粉5份，水10份，
钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％；
其制备方法，包括以下步骤：按照上述配方中各组分的重量份数，称取钢渣、矿粉和煤矸石和水，对搅拌机进行湿润，加入煤矸石、钢渣、矿粉集料搅拌30s，得到混合干料，继续搅拌混合干料同时向其中缓慢、均匀分散的加入水，水加入完毕后，再继续搅拌90s，得到无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基层混合料。
实施例3
一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，由以下重量份的组分组成：煤矸石56份，钢渣40份，矿粉4份，水12份，
钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％；
其制备方法，包括以下步骤：按照上述配方中各组分的重量份数，称取钢渣、矿粉和煤矸石和水，对搅拌机进行湿润，加入煤矸石、钢渣、矿粉集料搅拌30s，得到混合干料，继续搅拌混合干料同时向其中缓慢、均匀分散的加入水，水加入完毕后，再继续搅拌90s，得到无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基层混合料。
实施例4
一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，由以下重量份的组分组成：煤矸石58份，钢渣40份，矿粉2份，水10份，
钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％；
其制备方法，包括以下步骤：按照上述配方中各组分的重量份数，称取钢渣、矿粉和煤矸石和水，对搅拌机进行湿润，加入煤矸石、钢渣、矿粉集料搅拌30s，得到混合干料，继续搅拌混合干料同时向其中缓慢、均匀分散的加入水，水加入完毕后，再继续搅拌90s，得到无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基层混合料。
实施例5
一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，由以下重量份的组分组成：煤矸石60份，钢渣37份，矿粉3份，水8份，
钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为73％，粒径在0.6mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，
其制备方法，包括以下步骤：按照上述配方中各组分的重量份数，称取钢渣、矿粉和煤矸石和水，对搅拌机进行湿润，加入煤矸石、钢渣、矿粉集料搅拌30s，得到混合干料，继续搅拌混合干料同时向其中缓慢、均匀分散的加入水，水加入完毕后，再继续搅拌90s，得到无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基层混合料。
实施例6
一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，由以下重量份的组分组成：煤矸石63份，钢渣33份，矿粉4份，水10份，
钢渣的粒径在4.75mm＜粒径≤9.5mm范围内；
其制备方法，包括以下步骤：按照上述配方中各组分的重量份数，称取钢渣、矿粉和煤矸石和水，对搅拌机进行湿润，加入煤矸石、钢渣、矿粉集料搅拌30s，得到混合干料，继续搅拌混合干料同时向其中缓慢、均匀分散的加入水，水加入完毕后，再继续搅拌90s，得到无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基层混合料。
实施例1-6中，不同粒径范围钢渣的重量配比见下表：
表1不同粒径范围钢渣的重量配比
粒径范围 0mm＜粒径≤0.6mm 0.6mm＜粒径≤4.75mm 4.75mm＜粒径≤9.5mm
实施例1 23％ 77％ -
实施例2 23％ 77％ -
实施例3 23％ 77％ -
实施例4 23％ 77％ -
实施例5 73％ 27％ -
实施例6 - - 100％
实验例
将实施例1-6的无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基层混合料按照(T0805-1994)《无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法》进行试验，测得各试样的7d无侧限抗压强度，结果如下：
表2实施例1-6的无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料的7d无侧限抗压强度检测结果
检测结果 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
7d无侧限抗压强度(MPa) 4.81 4.05 6.46 4.57 2.72 1.59
从表2中可知，本发明实施例1-6的无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料的7d无侧限抗压强度较高，能很好的用作路面基层材料。其中，实施例3的无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料的7d无侧限抗压强度高达6.46MPa，完全满足高速公路和一级公路重交通的标准。
通过实施例1与实施例5比较、实例2与实施例6比较可得，本发明的路面基层材料无侧限抗压强度明显高于大粒径、小粒径钢渣的混合料。7d无侧限抗压强度检测结果表明：主要粒径在0mm＜粒径≤0.6mm的混合料试件，游离的CaO被释放出来，但粉料较多，骨架效应降低，导致混合料强度降低；主要粒径在4.75mm＜粒径≤9.5mm的混合料试件，钢渣颗粒粒径偏大，试件内部孔隙率增大，钢渣比表面积减小，游离的CaO未能充分释放。主要粒径在0.6mm＜粒径≤4.75mm的混合料试件，钢渣中的膨胀成分CaO充分释放出来，参与了化学反应来激发煤矸石中的活性成分，通过调整钢渣级配，补充了煤矸石粒径的非连贯性(自燃煤矸石大粒径颗粒和粉料较多)，不仅解决了膨胀问题，同时也提高了混合料强度。
钢渣中游离的CaO不稳定，造成了钢渣路基的膨胀，本发明按照《钢渣稳定性试验方法》对实施例1-4的煤矸石钢渣混合料进行了膨胀率试验。将钢渣按实施例1-4的粒径配比筛分后，配制煤矸石钢渣混合料，测得混合料按照其最佳含水量和最大干密度进行击实制件，制作三个平行试件放入恒温水浴箱中，同时进行10d浸水膨胀循环试验，试验测得混合料的平均膨胀率为0.02％，小于2％，满足规范要求，故所用钢渣能直接用于路面基层的铺筑。以上说明，本发明的路面基层材料混合料确定了合理的钢渣掺量，通过调整级配，确定最优配合比，充分利用钢渣中游离CaO，有效激活煤矸石中的活性成分，解决了钢渣的膨胀问题。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，其特征在于，包括以下重量份的组分：煤矸石钢渣固废材料95-98份，胶凝材料2-5份；
所述煤矸石钢渣固废材料包括煤矸石55-65份，钢渣30-40份；
所述煤矸石由以下组分组成：粒径为19mm＜粒径≤31.5mm的第一煤矸石，粒径为9.5mm＜粒径≤19mm的第二煤矸石，粒径为4.75mm＜粒径≤9.5mm的第三煤矸石，粒径为0mm＜粒径≤4.75mm的第四煤矸石，所述第一煤矸石、第二煤矸石、第三煤矸石、第四煤矸石的质量比为10：27：22：41；
所述钢渣按照粒径大小分为以下五档：0mm＜粒径≤0.3mm，0.3mm＜粒径≤0.6mm，0.6mm＜粒径≤1.18mm，1.18mm＜粒径≤2.36mm，2.36mm＜粒径≤4.75mm；
所述钢渣中，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22%，1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28%，2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27%，三档的钢渣占所述钢渣总质量的77%。
2.根据权利要求1所述的一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，其特征在于，所述煤矸石为自燃煤矸石，所述胶凝材料为矿粉。
3.根据权利要求1所述的一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料，其特征在于，所述煤矸石的压碎值为29.86%。
4.一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照权利要求1-3任一项所述的煤矸石钢渣路面基混合料的配方称取钢渣、煤矸石、胶凝材料后，与水混合，得到路面基层混合料。
5.根据权利要求4所述的一种无碱激发剂的煤矸石钢渣路面基混合料的制备方法，其特征在于，所述水的用量为所述钢渣、煤矸石、胶凝材料总量的8%-12%。
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