CN114573294A - 公路稳定层复合胶结料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于公路水泥稳定层的复合胶结料及其制备方法，包括水硬性胶凝料、矿粉、石膏粉、粉煤灰和激发剂，各组分重量份为水硬性胶凝料3‑5份、矿粉80‑90份、石膏粉10‑15份和粉煤灰3‑5份，改性激发剂1‑2份。本发明使用大掺量的矿粉和粉煤灰，并经物理和化学双重激发，矿粉活性充分激发，替代水泥料的使用，能变废为宝，降低公路造价和节约资源。通过调整配比，可获得不同缓凝时长和早期高强的胶结料，内实现全厚度一次性摊铺施工。制备时通过混合研磨，微粉混合均匀，特别是矿渣比表面积、玻璃化程度提高，活化点增多；矿渣与石膏、激发剂等不同粉体协同激发，兼具缓凝和早强的特点。
Description
技术领域
本发明属于道路基层施工技术领域，尤其是涉及一种用于公路水泥稳定层的复合胶结料及其制备方法。
背景技术
水泥稳定碎石是我国高等级公路路面基层的主要结构形式，其工程质量直接关系到高速公路质量和耐久性。现有公路水稳碎石基层所用胶结料主要成分是普通硅酸盐水泥，不仅存在着初凝时间短，容易收缩开裂和抗折抗压强度低等问题，而且原材料成本高，养护复杂，施工工期长，不利于交通基础设施建设的“低碳循环发展”。为满足道路交通发展需要，高等级公路水泥稳定层的厚度不断增大，部分大厚度可达35厘米。现有水泥稳定层由于初凝时间比较早，一般3小时左右，无法一次性完成稳定层全厚度施工，只能进行分层施工，稳定层全厚度成形需2至3次施工才能完成。每层的养护时间一般不少于7天，全厚度完成施工至少需要15至20天。不仅难以满足现代施工进度要求，而且多次养护的费用高，拉高了工程造价。水泥稳定层容易出现层隔，层间结构不紧密，影响基层整体强度。为延长水泥稳定层的初凝时间，也有的使用矿渣水泥作为胶结剂，虽然一定程度上起到了缓凝的作用，但存在强度上升慢，早期抗压抗折性能差，韧性和收缩性难以控制等缺点，难以满足快速施工的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种缓凝、且缓凝时间长度可调，早期强度高、收缩率小，综合成本低的公路稳定层复合胶结料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明包括以下原料组分：水硬性胶凝料、矿粉、石膏粉、粉煤灰和激发剂。
所述水硬性胶凝料为硅酸盐水泥或者硅酸盐水泥熟料，所述矿粉为S95矿粉，所述石膏粉为脱硫石膏粉或者是脱硫石膏粉与柠檬酸石膏的混合石膏粉，所述粉煤灰为比表面积大于700平方米/千克的超细微粉，所述激发剂为改性硅酸钠粉。
所述改性硅酸钠粉为石灰改性硅酸钠。
所述各原料重量份为：水硬性胶凝料3-5份、矿粉80-90份、石膏粉10-15份、粉煤灰3-5份和改性硅酸钠粉1-2份。
所述复合胶结料中各原料重量份为：水硬性胶凝料4-5份、矿粉83-87份、石膏粉12-13份、粉煤灰4-5份，改性硅酸钠粉的模数为0.8-1.2。
所述石膏粉为混合石膏粉，其中脱硫石膏粉与柠檬酸石膏的重量比为1比0.3-0.5。
本发明的制备方法，包括以下步骤：
A、备料：将水硬性胶凝料、矿粉、石膏粉、粉煤灰和激发剂分别置于不同配料罐中储存；
B、配料：根据公路稳定层复合胶结料原料配比，利用自动计量输送器定量称取所需原料份，分别利用搅拌输送机进行搅拌破团；
C、预激和混料：利用机械研磨装置对矿粉表面活性进行研磨激发，并与各组分搅拌混合均匀；
D、储存：将上述混合料送入密闭罐中储存，得到公路稳定层复合胶结料。
所述预激和混料是将矿粉与石膏粉和激发剂进行混合研磨后，再与水硬性胶凝料、粉煤灰混合，并用搅拌输送机进行搅匀；也可将水硬性胶凝料、矿粉、石膏粉、粉煤灰、激发剂全部在搅拌输送机中搅拌均匀后，再送入研磨搅拌器中进行研磨。
所述矿粉研磨后的比表面积为410至460 平方米/千克。
本发明的有益效果在于：由于公路稳定层复合胶结料包括水硬性胶凝料、矿粉、石膏粉、粉煤灰和激发剂，胶结料中使用大掺量的矿粉和粉煤灰，并通过物理和化学双重激发，使矿粉活性能够充分激发，进而降低水泥料的使用，能变废为宝，降低公路造价和节约资源。通过调整各组分配比，能够获得不同缓凝时长和早期高强的胶结料，可满足大厚度公路稳定层的全厚度一次性摊铺施工。胶结料的制备时通过混合研磨，各组分团粒解体，微粉混合均匀，特别是矿渣比表面积进一步提高，玻璃化程度提高，颗粒表面活化点增多；矿渣与石膏、激发剂等不同粉体颗粒相互碰撞结合，起到相互协同激发的作用，使用时矿渣颗粒活性容易得到快速激活和充分发挥，兼具缓凝和早强的特点。
具体实施方式
实施例1
复合胶结料包括普通硅酸盐水泥、S95矿粉，脱硫石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克）、激发剂。各组分重量份为：普通硅酸盐水泥3份，S95矿粉90份，脱硫石膏粉13份，粉煤灰超细微粉5份，激发剂2份。激发剂为石灰改性硅酸钠粉，它由模数0.8的硅酸钠粉与生石灰粉按照92:8的重量比配置而成。
复合胶结料制作
A、备料：将普通硅酸盐水泥、S95矿粉，脱硫石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克），激发剂分别置于不同配料罐中储存；
B、配料：按照普通硅酸盐水泥3份，S95矿粉90份，脱硫石膏粉13份，粉煤灰超细微粉5份，激发剂2份的重量份配比，利用自动计量输送器定量称取所需原料份，同时分别利用搅拌输送机进行搅拌破团；
C、预激和混料：先将矿粉与石膏粉、激发剂进行混合后，利用研磨机对初混料进行研磨预激，再将普通硅酸盐水泥、粉煤灰超细微粉与研磨预激料混合，并用搅拌输送机进行搅拌混匀；
D、储存：将上述混合料送入密闭罐中储存，得到公路稳定层复合胶结料。
用本实施例所述复合胶结料与普通水泥作胶砂对比试验，测得数据如下表：
通过胶沙实验对比，本实施例所述复合低碳胶结料的粘聚性良好，初凝时间较普通水泥延长423分钟，且初终凝间隔达到了441分钟，能够满足公路路基多层连续摊铺，整体推进施工的需要；终凝后各龄期强度也普遍高于普通硅酸盐水泥，抗折抗压强度高，公路质量好。现有公路稳定层一般使用水泥作为胶结料，而水泥在生产过程中碳的消耗和排放都比较高，属于高耗能高污染产业。本实施例中矿粉、粉煤灰和脱硫石膏粉均为工业废弃物或者副产品，用大掺量的矿粉替代水泥，不仅能变废为宝，降低胶结料成本及公路造价，而且能减低公路工程的碳排放，是一种低碳复合胶结料。
实施例2
复合胶结料包括普通硅酸盐水泥、S95矿粉，脱硫石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克）、激发剂。各组分重量份为：普通硅酸盐水泥4份，S95矿粉87份，脱硫石膏粉15份，粉煤灰超细微粉4份，激发剂1.5份。激发剂为石灰改性硅酸钠粉，它由模数0.9的硅酸钠粉与生石灰粉按照93:7的重量比配置而成。。
复合胶结料制作
A、备料：将普通硅酸盐水泥、S95矿粉，脱硫石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克）、激发剂分别置于不同配料罐中储存；
B、配料：按照普通硅酸盐水泥4份，S95矿粉87份，脱硫石膏粉15份，粉煤灰超细微粉4份，激发剂1.5份的重量份配比，利用自动计量输送器定量称取所需原料份，同时分别利用搅拌输送机进行搅拌破团；
C、预激和混料：先将矿粉与石膏粉、激发剂进行混合后，利用研磨机对初混料进行研磨预激，再将普通硅酸盐水泥、粉煤灰超细微粉与研磨预激料混合，并用搅拌输送机进行搅拌混匀；
D、储存：将上述混合料送入密闭罐中储存，得到公路稳定层复合胶结料。
用本实施例所述复合胶结料与普通水泥作胶砂对比试验，测得数据如下表：
| 规范要求 | 普通水泥 | 复合胶结料 | |
| 标准稠度 | / | 143.2g/28.6% | 183g/36.6% |
| 初凝 | ≥45min | 215min | 603min |
| 终凝 | ≤600min | 405min | 1005min |
| 安定性 | ≤5.0 | 2.3 | 0 |
| 3d抗折 | ≥3MPa | 5.1MPa | 5.6MPa |
| 3d抗压 | ≥15MPa | 22.4MPa | 26.2MPa |
| 7d抗折 | / | 6MPa | 8.2MPa |
| 7d抗压 | / | 26MPa | 33.7MPa |
| 28d抗折 | ≥6MPa | 8.2MPa | 11.4MPa |
| 28d抗压 | ≥42.5MPa | 48.6MPa | 53.2MPa |
通过胶沙实验，本实施例通过调整复合胶结料各原料份比例，其初、终凝时间都有所变化，但缓凝的时间以及初、终凝间隔均满足工程施工需要；缓凝时间可根据公路摊铺厚度、摊铺料转运距离等不同要求随时调整，便于施工。终凝后各龄期强度变化不大，普遍高于普通硅酸盐水泥，早期抗折抗压强度高，能够确保公路工程质量。
实施例3
复合胶结料包括普通硅酸盐水泥熟料、S95矿粉，石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克）、激发剂。所述各组分重量份为：普通硅酸盐水泥熟料4.5份，S95矿粉80份，石膏粉12份，粉煤灰超细微粉4.5份，激发剂1.7份。其中石膏粉为混合石膏粉，它由脱硫石膏粉与柠檬酸石膏粉按照1:0.3的重量比混合而成；激发剂为石灰改性硅酸钠粉，它由模数1.0的硅酸钠粉与生石灰粉按照94:6的重量比配置而成。
复合胶结料制作
A、备料：将普通硅酸盐水泥熟料、S95矿粉，混合石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克）、激发剂分别置于不同配料罐中储存；
B、配料：按照普通硅酸盐水泥熟料4.5份，S95矿粉80份，混合石膏粉12份，粉煤灰超细微粉4.5份，激发剂1.7份的重量份配比，利用自动计量输送器定量称取所需原料份，同时分别利用搅拌输送机进行搅拌破团；
C、预激和混料：先将普通硅酸盐水泥熟料、矿粉、石膏粉、粉煤灰超细微粉和激发剂加入到搅拌输送机中，通过搅拌混合后再输送至研磨搅拌机中，利用研磨搅拌机对混合料进行搅拌研磨，激发矿粉活性；
D、储存：将上述混合料送入密闭罐中储存，得到公路稳定层复合胶结料。
本实施例中的石膏粉为混合石膏粉，它由脱硫石膏粉与柠檬酸石膏粉。柠檬酸石膏为柠檬酸生产的副产物，其中含有一定量的酸性杂质。激发剂由硅酸钠和生石灰组成，硅酸钠能够激发矿渣水化活性，并能提高其凝结强度；加入生石灰和柠檬酸石膏粉，可综合发挥含钙材料、柠檬酸等对水玻璃-矿渣胶结剂的缓凝作用。通过激发剂中硅酸钠与生石灰，脱硫石膏粉与柠檬酸石膏粉合理配置，能够更好的调整复合胶结料的缓凝时间和早期强度，也为柠檬酸石膏的有效利用提供了新途径。
用本实施例所述复合胶结料与普通水泥作胶砂试验，测得数据如下表：
| 规范要求 | 普通水泥 | 复合胶结料 | |
| 标准稠度 | / | 143.2g/28.6% | 183g/36.6% |
| 初凝 | ≥45min | 215min | 452min |
| 终凝 | ≤600min | 405min | 867min |
| 安定性 | ≤5.0 | 2.3 | 0 |
| 3d抗折 | ≥3MPa | 5.1MPa | 5.7MPa |
| 3d抗压 | ≥15MPa | 22.4MPa | 25.9MPa |
| 7d抗折 | / | 6MPa | 8.2MPa |
| 7d抗压 | / | 26MPa | 32.8MPa |
| 28d抗折 | ≥6MPa | 8.2MPa | 11.2MPa |
| 28d抗压 | ≥42.5MPa | 48.6MPa | 52.4MPa |
通过实验，本实施例调整了矿渣配比，使用了混合石膏后，初凝时间有所提前，但初终凝时间间隔变化不大，缓凝时间能够满足施工需求。早期抗压抗折强度也保持了较高水平。
利用本实例复合胶结料和普通水泥，分别按照规范要求作无侧限抗压强度对比试验（最佳含水率，最大干密度），试验测得数据如下：
通过实验看出：试验中普通水泥和复合胶结料的掺量均为4.5%，普通水泥胶结料在延时6小时以后，已经终凝，无法满足测试件制作要求；本实施例复合胶结料无侧限抗压早期强度明显高于普通水泥，而且延时直到18小时后，其强度衰减幅度较小。其早期的强度和超长的缓凝时间，完全满足公路施工过程中搅拌、运输、摊铺和碾压要求，有利于公路路面基层的一步法多层连铺同步推进施工。
实施例4
复合胶结料包括普通硅酸盐水泥熟料、S95矿粉，石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克），激发剂。各组分重量份为：普通硅酸盐水泥熟料5份，S95矿粉83份，石膏粉10份，粉煤灰超细微粉4份，激发剂1.2份。其中石膏粉为混合石膏粉，它由脱硫石膏粉与柠檬酸石膏粉按照1:0.5的重量比混合而成。激发剂为石灰改性硅酸钠粉，它由模数1.1的硅酸钠粉与生石灰粉按照95:5的重量比配置而成。
复合胶结料制作
A、备料：将普通硅酸盐水泥熟料、S95矿粉，混合石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克），激发剂分别置于不同配料罐中储存；
B、配料：按照普通硅酸盐水泥熟料5份，S95矿粉83份，混合石膏粉10份，粉煤灰超细微粉4份，激发剂1.2份的重量份配比，利用自动计量输送器定量称取所需原料份，同时分别利用搅拌输送机进行搅拌破团；
C、预激和混料：采用批次混合激活的方法，首先将矿粉与混合石膏粉混合研磨，研磨时，检测矿粉比表面积达到410至460 平方米/千克后，再加入激发剂进行混合搅拌，最后再将普通硅酸盐水泥、粉煤灰超细微粉加入到研磨预激料中，并用搅拌输送机进行搅拌混匀；
D、储存：将上述混合料送入密闭罐中储存，得到公路稳定层复合胶结料。
本实施例中的混合石膏粉由脱硫石膏粉与柠檬酸石膏粉按照1:0.5的重量比混合而成，其对缓凝时间、速度的调节能力较强。矿粉与混合石膏粉共同研磨，能充分发挥助磨作用，有利于提高矿粉颗粒表面的活化点，便于后期矿粉活性的发挥和性能的提高。水泥水化产生的热量能导致混凝土产生裂缝，利用大掺量矿粉替代水泥，减少胶结料中水泥用量，可有效降低水化热的产生，控制公路稳定层裂缝。
实施例5
复合胶结料包括普通硅酸盐水泥熟料、S95矿粉，石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克），激发剂。各组分重量份为：普通硅酸盐水泥熟料4.5份，S95矿粉85份，石膏粉13份，粉煤灰超细微粉5份，激发剂1.0份。石膏粉为混合石膏粉，它由脱硫石膏粉与柠檬酸石膏按1比0.4重量比配置；激发剂为石灰改性硅酸钠粉，它由模数1.2的硅酸钠粉与生石灰粉按照92:8的重量比配置而成。
A、备料：将普通硅酸盐水泥熟料、S95矿粉，混合石膏粉、粉煤灰超细微粉（比表面积大于700平方米/千克），激发剂分别置于不同配料罐中储存；
B、配料：按照普通硅酸盐水泥熟料4.5份，S95矿粉85份，混合石膏粉13份，粉煤灰超细微粉5份，激发剂1.0份的重量份配比，利用自动计量输送器定量称取所需原料份，同时分别利用搅拌输送机进行搅拌破团；
C、预激和混料：首先将矿粉与混合石膏粉混合研磨，矿粉研磨至比表面积为450至460 平方米/千克后，再加入激发剂进行混合搅拌，最后再将普通硅酸盐水泥、粉煤灰超细微粉加入到研磨预激料中，并用搅拌输送机进行搅拌混匀；
D、储存：将上述混合料送入密闭罐中储存，得到公路稳定层复合胶结料。
本实施例S95矿粉经与混合石膏粉研磨，混合石膏粉由脱硫石膏粉与柠檬酸石膏组成，脱硫石膏粉与柠檬酸石膏主要成分均为硫酸钙，还含有少量二氧化硅、三氧化二铝和氧化镁。混合石膏粉按一定比例添加到S95矿粉中，进行混合研磨，它通过吸附降低硬度、增加粉体流变和调节断裂价键，对矿粉起到软化、分散和解聚作用，提高矿粉的比表面积和活性。用本实施例复合胶结料制作碎石稳定层摊铺料，并在公路施工现场进行双层和三层连铺试验。7天后现场分别取芯观察，双层连铺和三层连铺层间连接性好，接缝不明显，尾部完整，无烂根现象，骨料密实，材料粘聚性好。
本发明以矿渣粉为主要原料，合理搭配石膏粉、粉煤灰超细微粉和激发剂，制备过程中通过物理和化学协同激发，不仅能大幅度替代水泥用量，而且能获得缓凝早强，且水化热低复合低碳胶结剂。该胶结剂所用混合料经研磨，矿渣在研磨过程中，矿物颗粒经激烈碰撞、摩擦、剪切，其内部晶格会发生一系列变化，不规则程度提高，比表面积增加，活化能和活化点增多，玻璃体发生一定程度解聚，硅氧聚合链化学键破断率高，可形成大量水化硅酸钙、水化铝酸钙和活性三氧化二铝。使用后，这些水化活性产物可与石膏中硫酸根离子不断结合，形成大量针须状钙矾石，针须状钙矾石在稳定层微孔中不断交联生长，降低了孔隙率，提高了稳定层密度和抗压抗折强度。激发剂由生石灰和硅酸钠组成，它在有效发挥硅酸根离子在矿渣水泥中的缩聚作用的同时，其中的钙性材料与硅酸钠反应形成的凝胶又能在矿渣表面形成一定的凝胶保护膜，延缓了水化产物的过快形成，使凝结速度和强度形成达到最佳使用要求。
Claims (9)
1.一种公路稳定层复合胶结料，其特征是包括以下原料组分：水硬性胶凝料、矿粉、石膏粉、粉煤灰和激发剂。
2.按照权利要求1所述公路稳定层复合胶结料，其特征是所述水硬性胶凝料为硅酸盐水泥或者硅酸盐水泥熟料，所述矿粉为S95矿粉，所述石膏粉为脱硫石膏粉或者是脱硫石膏粉与柠檬酸石膏的混合石膏粉，所述粉煤灰为比表面积大于700平方米/千克的超细微粉，所述激发剂为改性硅酸钠粉。
3.按照权利要求2所述公路稳定层复合胶结料，其特征是所述改性硅酸钠粉为石灰改性硅酸钠。
4.按照权利要求3所述公路稳定层复合胶结料，其特征是所述各原料重量份为：水硬性胶凝料3-5份、矿粉80-90份、石膏粉10-15份、粉煤灰3-5份和改性硅酸钠粉1-2份。
5.按照权利要求3所述公路稳定层复合胶结料，其特征是所述复合胶结料中各原料重量份为：水硬性胶凝料4-5份、矿粉83-87份、石膏粉12-13份、粉煤灰4-5份，改性硅酸钠粉的模数为0.8-1.2。
6.按照权利要求4所述公路稳定层复合胶结料，其特征是所述石膏粉为混合石膏粉，其中脱硫石膏粉与柠檬酸石膏的重量比为1比0.3-0.5。
7.按照权利要求1-6所述公路稳定层复合胶结料的生产方法，其特征是包括以下步骤：
A、备料：将水硬性胶凝料、矿粉、石膏粉、粉煤灰和激发剂分别置于不同配料罐中储存；
B、配料：根据公路稳定层复合胶结料原料配比，利用自动计量输送器定量称取所需原料份，分别利用搅拌输送机进行搅拌破团；
C、预激和混料：利用机械研磨装置对矿粉表面活性进行研磨激发，并与各组分搅拌混合均匀；
D、储存：将上述混合料送入密闭罐中储存，得到公路稳定层复合胶结料。
8.按照权利要求7所述公路稳定层复合胶结料的生产方法，其特征是所述预激和混料是将矿粉与石膏粉和激发剂进行混合研磨后，再与水硬性胶凝料、粉煤灰混合，并用搅拌输送机进行搅匀；也可将水硬性胶凝料、矿粉、石膏粉、粉煤灰、激发剂全部在搅拌输送机中搅拌均匀后，再送入研磨搅拌器中进行研磨。
9.按照权利要求7或8所述公路稳定层复合胶结料的生产方法，其特征是所述矿粉研磨后的比表面积为410至460 平方米/千克。
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