CN114716223B - 一种煤矸石基道路基层材料及制备方法 - Google Patents

一种煤矸石基道路基层材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种煤矸石基道路基层材料及制备方法，该道路基层材料由以下重量份数的原料制成：煤矸石A 100份，煤矸石B 2505～3173份，二水磷石膏40～60份，电石渣10～30份，减水剂1～3份，水173～218份；煤矸石A为从煤矸石中筛选出的密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石；煤矸石B为分选煤矸石A后剩余的煤矸石。本发明全部采用工业废弃物煤矸石、磷石膏和电石渣，提高了这些工业废弃物的利用率，不仅降低了道路施工成本，还避免了工业废弃物堆放所导致的土地占用和污染环境等问题；并且所得煤矸石基道路基层材料具有良好的力学性能，以及优异的抗裂性能。

Description

一种煤矸石基道路基层材料及制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别是涉及一种煤矸石基道路基层材料及制备方法。
背景技术
随着国内运输行业迅速发展，道路建设总里程增长，公路建设对路面基层材料的需求量巨大。在道路工程领域，传统道路基层材料包括柔性基层材料、半刚性基层材料和刚性基层材料，半刚性基层主要采用无机结合料稳定集料或土类材料铺筑的基层。由于半刚性基层材料具有刚度大，强度高，稳定性好，成本低等特点，我国道路基层材料普遍采用半刚性基层材料，然而半刚性基层材料易干燥收缩并产生开裂，抗裂性较差。因此，需找到具优异抗裂性的半刚性基层材料。
煤矸石是选煤过程中与散装煤物理分离的主要工业固体废弃物。煤矸石常用的处理方式是自然堆放，长期的堆放不仅占用大量土地，对环境造成严重影响，甚至还可能带来严重的地质灾害。然而，煤矸石具有潜在的活性，矿物成分以高岭石、石英、长石为主，化学成分以SiO2、Al2O3为主，火山灰活性成分较高，耐久性、体积稳定性均较好。但是，煤矸石由于具有相对稳定的(结晶)化学结构，其火山灰反应活性较低，导致煤矸石利用率较低。
磷石膏是生产磷肥、磷酸时所排放的固体废弃物，每生产1t磷酸约产生4.5～5t磷石膏，我国每年有大量磷石膏产出。磷石膏是一种粉状材料，几乎没有可塑性，在我国磷石膏的有效利用率不足10％。目前，磷石膏处理方式以堆积为主，不仅占用大量土地，而且磷石膏里含有的砷、镉、汞等有害重金属化学物质还会对环境造成污染。
电石渣是工业生产聚氯乙烯等相关产品期间，电石经水解后形成的工业废渣，其成分主要是Ca(OH)2。同样的，我国目前电石渣的利用率偏低，未被利用的部分一般会被填埋或堆存处理。电石渣填埋与堆存会大面积占用土地并且造成土壤侵蚀，严重危害人们的生存环境。
公开号CN113698156A的中国专利《一种道路基层材料及其制备方法》中，采用煤矸石替代部分水泥，减少了水泥的使用量，但其中煤矸石用量较低，煤矸石利用率仍然较低，无法实现煤矸石高附加值的利用。
发明内容
本发明的目的在于解决背景技术中提出的问题，提供一种煤矸石基道路基层材料及制备方法，该煤矸石基道路基层材料可提高煤矸石、磷石膏、电石渣等的利用率，且抗裂性得到显著改善。
本发明提供的一种煤矸石基道路基层材料，由以下重量份数的原料制成：
煤矸石A 100份，煤矸石B 2505～3173份，二水磷石膏40～60份，电石渣10～30份，减水剂1～3份，水173～218份；煤矸石A为从煤矸石中筛选出的密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石；煤矸石B为分选煤矸石A后剩余的煤矸石。
在一些具体实施方式中，煤矸石基道路基层材料的优选方案为，由以下重量份数的原料制成：煤矸石A 100份，煤矸石B 2800～3173份，二水磷石膏50～60份，电石渣25～30份，减水剂2～3份，水194～218份；煤矸石A为从煤矸石中筛选出的密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石；煤矸石B为分选煤矸石A后剩余的煤矸石。
在一些具体实施方式中，煤矸石B中，粒径0～0.075mm的占比2～5％，粒径0.075mm～0.6mm的占比6～10％，粒径0.6mm～4.75mm的占比27～30％，粒径4.75mm～9.5mm的占比24～27％，粒径9.5mm～19mm的占比28～41％。
在一些具体实施方式中，煤矸石是掘进煤矸石。
在一些具体实施方式中，二水磷石膏为工业生产磷酸时排放的磷石膏。
在一些具体实施方式中，减水剂为聚羧酸减水剂。
本发明提供的上述煤矸石基道路基层材料的制备方法，包括：
(1)对煤矸石进行破碎至粒径为2mm～20mm；
(2)对破碎后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石A，剩余煤矸石即煤矸石B；
(3)取煤矸石A于700℃～800℃温度下煅烧2h～3h，之后对煅烧后的煤矸石A筛分分散，取100重量份煤矸石A、100～200重量份氧化锆球、1～3重量份减水剂、40～50重量份水进行湿磨，至湿磨浆料中煤矸石A中值粒径为3μm～5μm；
(4)取湿磨浆料、2505～3173重量份煤矸石B、40～60重量份二水磷石膏、10～30重量份电石渣、133～168重量份水混合搅拌，即得煤矸石基道路基层材料。
在一些具体实施方式中，在步骤(4)之前，还包括对煤矸石B进行筛分，并将煤矸石B按如下级配配制：粒径0～0.075mm的占比2～5％，粒径0.075mm～0.6mm的占比6～10％，粒径0.6mm～4.75mm的占比27～30％，粒径4.75mm～9.5mm的占比24～27％，粒径9.5mm～19mm的占比28～41％。
在一些具体实施方式中，步骤(3)中，取100重量份煤矸石A、100～200重量份氧化锆球、2～3重量份减水剂、45～50重量份水进行湿磨。
在一些具体实施方式中，步骤(4)中，取湿磨浆料、2800～3173重量份煤矸石B、50～60重量份二水磷石膏、25～30重量份电石渣、149～168重量份水混合搅拌。
本发明制备方法中，对煤矸石进行密度分选，利用煤矸石中不同矿物的密度差异，分选出高岭土含量较高的煤矸石(即密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石)，记为煤矸石A；将剩余的高岭土含量较低的煤矸石记为煤矸石B。对煤矸石A进行高温活化、湿磨后作为胶凝材料，将煤矸石B作为集料，取代传统水泥稳定碎石基层材料，从而来大幅提高煤矸石资源化利用率。
进一步的引入二水磷石膏和电石渣作为复合激发剂，制备具有微膨胀性的道路基层材料；再结合低能耗的高效湿法研磨技术，一方面本发明利用了湿磨的工艺，在机械力作用下使煤矸石中SiO4四面体和AlO2(OH)4八面体解聚，促进了煤矸石中的硅铝离子的溶出，激发了煤矸石潜在活性。另一方面，该全固废胶凝体系生成膨胀性水化产物钙矾石，一定程度上补偿了半刚性基层材料的收缩，因此，其抗裂性能较为优异。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)全部采用工业废弃物煤矸石、磷石膏和电石渣，提高了这些工业废弃物的利用率，不仅可降低道路施工成本，还可避免工业废弃物堆放所导致的土地占用和污染环境等问题。
(2)本发明煤矸石基道路基层材料具有力学性能良好、成本低等优点，其所具有的微膨胀性可显著减少干燥收缩系数，降低收缩开裂风险，提高抗裂性能。
(3)本发明将煤矸石分级化处置，实现煤矸石高效资源化利用，该全固废体系实现力学性能与微膨胀效应协同发展，改善了半刚性基层抗裂性能，具有显著的实际工程价值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合具体实施方式以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明煤矸石基道路基层材料，由以下重量份数的原料制成：煤矸石A 100份，煤矸石B 2505～3173份，二水磷石膏40～60份，电石渣10～30份，减水剂1～3份，水173～218份；煤矸石A为密度范围2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石；煤矸石B为分选煤矸石A后剩余的煤矸石。作为进一步优选，本发明煤矸石基道路基层材料，由以下重量份数的原料制成：煤矸石A 100份，煤矸石B 2800～3173份，二水磷石膏50～60份，电石渣25～30份，减水剂2～3份，水194～218份；煤矸石A为密度范围2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石；煤矸石B为分选煤矸石A后剩余的煤矸石。
本发明煤矸石基道路基层材料的具体制备过程如下：
(1)对煤矸石进行破碎至粒径为2mm～20mm。
具体地，采用颚式破碎机对煤矸石破碎15min～30min
(2)对破碎后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石A，剩余煤矸石即煤矸石B。
具体地，采用干法重介质分选机进行密度分选。取破碎后的煤矸石置于干法重介质分选机中，先将分选介质的密度调整为2.6g/cm3，密度大于2.6g/cm3的煤矸石沉积于床层底部。取床层底部的煤矸石进行二次分选，将分选介质的密度调整为2.7g/cm3，密度小于2.7g/cm3的煤矸石则浮于床层表面，取浮于床层表面的煤矸石即煤矸石A，其密度范围2.6g/cm3～2.7g/cm3，高岭土含量为70％～80％。
(3)取煤矸石A于700℃～800℃温度下煅烧2h～3h，之后对煅烧后的煤矸石A筛分分散后进行湿磨，至湿磨浆料中煤矸石A中值粒径为3μm～5μm。
具体地，采用行星式湿磨机进行湿磨，湿磨机转速400r/min～500r/min。进行湿磨时，取100重量份煤矸石A、100～200重量份氧化锆球，1～3重量份减水剂，40～50重量份水，氧化锆球的球径1mm～1.5mm。湿磨20min～40min得到湿磨浆体，湿磨浆体中煤矸石A的中值粒径为3～5μm。
(4)取湿磨浆体、2505～3173重量份煤矸石B、40～60重量份二水磷石膏、10～30重量份电石渣、133～168重量份水混合搅拌，即得煤矸石基道路基层材料。
具体地，对经步骤(2)处理后剩余的煤矸石B进行分级筛选，并将煤矸石B的级配比例配制为：0～0.075mm占2～5％，0.075～0.6mm占6～10％，0.6～4.75mm占27～30％，4.75～9.5mm占24～27％，9.5～19mm占28～41％。
下面将提供若干实施例和对比例。在实施例和对比例中，煤矸石采用掘进煤矸石，掘进煤矸石中高岭土含量70％～80％，其氧化硅含量≥40％，氧化铝含量≥20％，含碳量≤25％；二水磷石膏采用工业生产磷酸时排放的磷石膏，其氧化钙含量≥40％，比表面积为200m2/kg～300m2/kg；电石渣，其氢氧化钙含量≥63％，比表面积230m2/kg～250m2/kg，含水率15％～25％；减水剂为聚羧酸减水剂，其固含量≥25％，减水率≥30％。
实施例1
本实施例煤矸石基道路基层材料，通过如下方法制备得到：
(1)采用颚式破碎机对煤矸石破碎15min。
(2)采用干法重介质分选机对破碎后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石，记为煤矸石A；分选后剩余的其他煤矸石则记为煤矸石B。
(3)将煤矸石A置于煅烧箱中煅烧2h，煅烧温度为700℃。对煅烧后的煤矸石A置于孔径0.6mm的方孔筛中筛分，筛分后的煤矸石取100份放置于行星式湿磨机中，加入氧化锆球100份，减水剂1份，水40份，湿磨20min得到湿磨浆体，湿磨浆体中煤矸石A的中值粒径为3μm。
(4)将煤矸石B筛分为以下五级：0～0.075mm占2％，0.075～0.6mm占6％，0.6～4.75mm占27％，4.75～9.5mm占24％，9.5～19mm占41％；将湿磨浆体，煤矸石B 2505份，二水磷石膏40份，电石渣10份，水133份混合搅拌，即制得煤矸石基道路基层材料。
实施例2
本实施例煤矸石基道路基层材料，通过如下方法制备得到：
(1)采用颚式破碎机对煤矸石破碎30min。
(2)采用干法重介质分选机对破碎后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石，记为煤矸石A；分选后剩余的其他煤矸石则记为煤矸石B。
(3)将煤矸石A置于煅烧箱中煅烧3h，煅烧温度为800℃。对煅烧后的煤矸石A置于孔径0.6mm的方孔筛中筛分，筛分后的煤矸石取100份放置于行星式湿磨机中，加入氧化锆球200份，减水剂3份，水50份，湿磨40min得到湿磨浆体，湿磨后的煤矸石A中值粒径为4μm。
(4)将煤矸石B筛分为以下五级：0～0.075mm占3％，0.075～0.6mm占9％，0.6～4.75mm占28％，4.75～9.5mm占26％，9.5～19mm占34％；将湿磨浆体，煤矸石B 3173份，二水磷石膏60份，电石渣30份，水168份混合搅拌，即制得煤矸石基道路基层材料。
实施例3
本实施例煤矸石基道路基层材料，通过如下方法制备得到：
(1)采用颚式破碎机对煤矸石破碎20min。
(2)采用干法重介质分选机对干磨后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石，记为煤矸石A；分选后剩余的其他煤矸石则记为煤矸石B。
(3)将煤矸石A置于煅烧箱中煅烧2.5h，煅烧温度为750℃。对煅烧后的煤矸石A置于孔径0.6mm的方孔筛中筛分，筛分后的煤矸石取100份放置于行星式湿磨机中，加入氧化锆球150份，减水剂2份，水45份，湿磨30min得到湿磨浆体，湿磨后的煤矸石A中值粒径为5μm。
(4)将煤矸石B筛分为以下五级：0～0.075mm占5％，0.075～0.6mm占10％，0.6～4.75mm占30％，4.75～9.5mm占27％，9.5～19mm占28％；将湿磨浆体，煤矸石B 2800份，二水磷石膏50份，电石渣25份，水149份混合搅拌，即制得煤矸石基道路基层材料。
对比例1
本对比例采用PO42.5硅酸盐水泥作为胶凝材料，采用煤矸石B作为集料，所制备煤矸石基道路基层材料由以下重量份数的原料混合搅拌制成：PO42.5硅酸盐水泥100份，煤矸石B 2505份，二水磷石膏40份，电石渣10份，水133份，其中，煤矸石B的粒径分布为：0～0.075mm占2％，0.075～0.6mm占6％，0.6～4.75mm占27％，4.75～9.5mm占24％，9.5～19mm占41％。
对比例2
本对比例煤矸石基道路基层材料，通过如下方法制备得到：
(1)先采用颚式破碎机对煤矸石破碎15min
(2)采用干法重介质分选机对破碎后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石，记为煤矸石A；分选后剩余的其他煤矸石则记为煤矸石B。
(3)将煤矸石A置于煅烧箱中煅烧2h，煅烧温度为700℃。对煅烧后的煤矸石A置于孔径0.6mm的方孔筛中筛分，筛分后的煤矸石取100份放置于行星式湿磨机中，加入氧化锆球100份，减水剂1份，水40份，湿磨20min得到湿磨浆体，湿磨后的煤矸石A中值粒径为3μm。
(4)将煤矸石B筛分为以下五级：0～0.075mm占2％，0.075～0.6mm占6％，0.6～4.75mm占27％，4.75～9.5mm占24％，9.5～19mm占41％；将湿磨浆体，煤矸石B 2505份，二水磷石膏30份，电石渣5份，水132份混合搅拌，即制得煤矸石基道路基层材料。
本对比例煤矸石基道路基层材料，通过如下方法制备得到：
(1)先采用颚式破碎机对煤矸石破碎15min
(2)采用干法重介质分选机对破碎后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石，记为煤矸石A；分选后剩余的其他煤矸石则记为煤矸石B。
(3)将煤矸石A置于煅烧箱中煅烧2h，煅烧温度为700℃。对煅烧后的煤矸石A置于孔径0.6mm的方孔筛中筛分，筛分后的煤矸石取100份放置于行星式湿磨机中，加入氧化锆球100份，减水剂1份，水40份，湿磨20min得到湿磨浆体，湿磨后的煤矸石A中值粒径为3μm。
(4)将煤矸石B筛分为以下五级：0～0.075mm占2％，0.075～0.6mm占6％，0.6～4.75mm占27％，4.75～9.5mm占24％，9.5～19mm占41％；将湿磨浆体，煤矸石B 2505份，二水磷石膏20份，电石渣8份，水132份混合搅拌，即制得煤矸石基道路基层材料。
对比例4
本对比例煤矸石基道路基层材料，通过如下方法制备得到：
(1)先采用颚式破碎机对煤矸石破碎15min
(2)采用干法重介质分选机对破碎后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围为2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石，记为煤矸石A；分选后剩余的其他煤矸石则记为煤矸石B。
(3)将煤矸石A置于煅烧箱中煅烧2h，煅烧温度为700℃。对煅烧后的煤矸石A置于孔径0.6mm的方孔筛中筛分，筛分后的煤矸石取100份放置于行星式湿磨机中，加入氧化锆球100份，减水剂1份，水40份，湿磨20min得到湿磨浆体，湿磨后的煤矸石A中值粒径为3μm。
(4)将煤矸石B筛分为以下五级：0～0.075mm占2％，0.075～0.6mm占6％，0.6～4.75mm占27％，4.75～9.5mm占24％，9.5～19mm占41％；将湿磨浆体，煤矸石B 2505份，二水磷石膏10份，电石渣5份，水131份混合搅拌，即制得煤矸石基道路基层材料。
对实施例1～3以及对比例1～4所制备的煤矸石基道路基层材料进行性能检测：按照标准T0854-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中干缩试验方法进行收缩性能测试；按照标准T0806-1994《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中间接抗拉强度试验方法进行劈裂抗拉强度测试；按照标准T0805-1994《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中无侧限抗压强试验方法进行无侧限抗压强度测试。各项性能指标见下表1，从表1可以看出，实施例1～3的煤矸石基道路基层材料均满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》中对公路路面基层的规范要求，具有相对优异的力学性能，且干缩系数明显降低，表明实施例1～3可显著降低道路基层的收缩开裂风险，抗裂性能得到显著提高。
表1实施例1～3以及对比例1～4所制备煤矸石基道路基层材料的性能指标
Figure BDA0003639331690000101
Figure BDA0003639331690000111
上述实施例是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (4)

1.一种煤矸石基道路基层材料的制备方法，其特征是，包括：
（1）对煤矸石进行破碎至粒径为2mm～20mm；
（2）对破碎后的煤矸石进行密度分选，分选出密度范围2.6g/cm3～2.7g/cm3的煤矸石A，分选后剩余煤矸石即煤矸石B；
（3）取煤矸石A于700℃～800℃温度下煅烧2h～3h，之后对煅烧后的煤矸石A筛分分散，取100重量份筛分后的煤矸石A、100～200重量份氧化锆球、1～3重量份减水剂、40～50重量份水进行湿磨，至湿磨浆料中煤矸石A中值粒径为3μm～5μm；
（4）将湿磨浆料、2505～3173重量份煤矸石B、40～60重量份二水磷石膏、10～30重量份电石渣、133～168重量份水混合搅拌，即得煤矸石基道路基层材料；
所述煤矸石是掘进煤矸石。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
在步骤（4）之前，还包括对煤矸石B进行筛分，并将煤矸石B按如下级配配制：粒径0～0.075mm的占比2～5%，粒径0.075mm～0.6mm的占比6～10%，粒径0.6mm～4.75mm的占比27～30%，粒径4.75mm～9.5mm的占比24～27%，粒径9.5mm～19mm的占比28～41%。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
所述二水磷石膏为工业生产磷酸时排放的磷石膏。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：
所述减水剂为聚羧酸减水剂。
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