CN115140972A - 一种利用多源固废的道路铺筑材料及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用多源固废的道路铺筑材料及其生产工艺，属于建筑材料技术领域，材料包括粉土91‑94份、土壤胶凝剂基材4‑7份、复合活性激发剂2‑3份，所述的土壤胶凝剂基材包括赤泥、粉煤灰和煤矸石，所述的复合活性激发剂包括硅酸钠、三萜皂苷、聚合硫酸铝、氟硅酸镁、氢氧化钠、羟丙基甲基纤维素、羧甲基淀粉醚、三聚磷酸钠、磺化三聚氰胺甲醛树脂。生产工艺用于生产前述道路铺筑材料。本发明采用粉土为基材，采用赤泥、粉煤灰和煤矸石土壤胶凝剂基材和碱性的复合活性激发剂，道路铺筑材料中掺入有大量的粉土，制成的道路铺筑材料强度高，并且制成后60天内强度稳定增长且不易开裂，满足道路材料的要求。

Description

一种利用多源固废的道路铺筑材料及其生产工艺
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体为一种利用多源固废的道路铺筑材料及其生产工艺。
背景技术
传统道路基层主要有水泥稳定土、石灰稳定土、水泥石灰综合稳定土、石灰粉煤灰稳定土、水泥粉煤灰稳定土以及水泥石灰粉煤灰稳定土等几种。石灰稳定土和石灰粉煤灰稳定土适宜稳定对象为塑性指数介于12～20的亚粘土，对塑性指数不高于10的粉性土则稳定效果不好；虽然水泥稳定土的适宜对象可为除有机质含量大及硫酸盐含量大外的几乎各种类型的土，但粉性土是水稳性差，毛细作用大，干燥时有较高强度，随含水量的增加强度显著下降，用水泥稳定在温湿度变化时易产生裂缝，而影响面层的稳定性，当水泥用量大时开裂更为严重。因此，粉土被认为是一种不良的路基填料，不能得到很好的利用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种采用大掺量的粉土且不易开裂的利用多源固废的道路铺筑材料及其生产工艺。
为了解决上述技术问题，一种利用多源固废的道路铺筑材料，包括以下重量份的组成成分：粉土91-94份、土壤胶凝剂基材4-7份、复合活性激发剂2-3份，所述的土壤胶凝剂基材包括赤泥、粉煤灰和煤矸石，所述的复合活性激发剂包括硅酸钠、三萜皂苷、聚合硫酸铝、氟硅酸镁、氢氧化钠、羟丙基甲基纤维素、羧甲基淀粉醚、三聚磷酸钠、磺化三聚氰胺甲醛树脂。
优选的，所述的土壤胶凝剂基材自身按以下重量份的组成成分配制：1-1.2份的赤泥、1.5-2.8份的粉煤灰、1.5-2.6 份的煤矸石。
优选的，所述复合活性激发剂自身按以下重量份的组成成分配制：硅酸钠30-35份、三萜皂苷20-35份、聚合硫酸铝5-10份、氟硅酸镁1-5份、氢氧化钠、羟丙基甲基纤维素0.6-0.8份、羧甲基淀粉醚0.3-0.5份、三聚磷酸钠2-3份、磺化三聚氰胺甲醛树脂0.1-0.5份，氢氧化钠用来调整硅酸钠模数。
优选的，所述硅酸钠模数调整在1.1-1.9范围内。
优选的，包括以下重量份的组成成分：粉土91份、土壤胶凝剂基材6.6份、复合活性激发剂2.4份，所述的土壤胶凝剂基材自身按以下重量份的组成成分配制：赤泥1.2份、粉煤灰2.8份和煤矸石2.6份，所述的复合活性激发剂自身按以下重量份的组成成分配制：硅酸钠35份、三萜皂苷35份、聚合硫酸铝6.4份、氟硅酸镁3份、羟丙基甲基纤维素0.8份、羧甲基淀粉醚0.4份、三聚磷酸钠2份、磺化三聚氰胺甲醛树脂0.3份，所述硅酸钠模数调整为1.5。
优选的，所述的复合活性激发剂的制备方法包括如下步骤：
S1：将硅酸钠30-35份用90份的水溶解后，升温至70-80℃，加入氢氧化钠，硅酸钠模数通过硅酸钠与氢氧化钠的比值控制在1.1～1.9之间，搅拌1-2h后得到第一溶液；
S2：降温至60-65℃，再向第一溶液中加入聚合硫酸铝、三萜皂苷、氟硅酸镁、磺化三聚氰胺甲醛树脂，搅拌1-2h后得到第二溶液；
S3：将羟丙基甲基纤维素、羧甲基淀粉醚、三聚磷酸钠用10份的水溶解后得到第三溶液；
S4：将第三溶液滴加入第二溶液中，混合均匀，干燥后即获得复合活性激发剂。
本发明利用多源固废的道路铺筑材料的生产工艺，包括如下步骤：（1）将复合活性激发剂与水混合，水与复合活性激发剂的重量比为1：3.5-4.5；（2）将土壤胶凝剂基材和适量的水均匀拌合在粉土中；（3）将步骤（1）获得的材料均匀拌合在步骤（2）获得的材料中。
本发明粉土先与土壤胶凝剂基材拌合，使得土壤胶凝剂基材充分分散到粉土中，土壤胶凝剂基材在后加入的复合活性激发剂的碱性环境下，发生复合催化反应，反应过程大体可分为二个阶段，分别是溶解与解聚阶段、单体重构及缩聚阶段。复合活性激发剂对固废原料的凝固效果是一种综合行为。既有物理吸附和缠绕又有化学反应。
激发剂中硅酸钠模数控制在1.5左右，对含有硅钙的本案几种无机固废激发效果最好，化学反应分为溶解与解聚阶段，土壤胶凝剂基材中的Si、Al、Ca单体释放出来。一是在复合活性激发剂作用下原材料中SiO2、CaO、Al2O3的Si、Al、Ca等碱金属离子受到激发剂的作用原子周围的正负电荷重分布，Si-O-Si，Al-O-Al，Ca-O-Ca化学键断裂，激发剂中的碱金属离子会与固废原材中破坏的Si-O、Al-O、Ca-O键形成Si-O-Na、Al-O-Na来阻碍化学键破坏的可逆性，且保持相对稳定辅助官能团参与单体重构和缩聚。二是土壤胶凝剂基材中的具有微弱活性的CAO-SiO2-Al2O3玻璃态，在较高浓度氢氧根离子的作用下玻璃态骨架瓦解，使得硅酸盐和铝酸盐进入溶液成为凝聚型的羟基络合硅铝酸盐离子，同时与溶液中电离出的低浓度钙离子在高碱介质中形成钙氧硅酸盐-铝酸盐和硅铝酸盐，从而增强材料的强度。
单体重构及缩聚阶段,在本阶段上述溶解与解聚后的的中间络合物借助于吸附水之间的氢键作用以及SiO2溶解得到的硅酸的自聚合作用，形成液态聚硅烷基并且逐渐发展变大，继而部分氢氧根离子在激发剂的碱性环境的作用下形成硅（铝）酸盐聚合物晶体。
三萜皂苷可以降低水溶液表面张力，使得在搅拌时可使空气容易进入溶液填充在硅（铝）酸盐聚合物晶体间形成均匀微小的气泡，三萜皂苷容易与重金属盐产生沉淀，固化重金属离子，从而使得形成的材料整体性更强，微观结构更均质、致密性好，且含有一定量的微孔，增强了防重金属等毒性浸出功能。
聚合硫酸铝在碱性环境中产生胶体氢氧化铝，具有粘结的作用，氟硅酸镁在碱性环境中易生成二氧化硅，能提高材料的强度。羟丙基甲基纤维素的分子基团上具有多个羟基，羟基有利于为聚合硫酸铝以及氟硅酸镁的激发提供碱性环境，从而提高材料的粘结力和强度。三聚磷酸钠对固体颗粒具有分散悬浮作用，羧甲基淀粉醚分子呈网状结构，带负电，会吸附带正电的固体颗粒，在磺化三聚氰胺甲醛树脂作用下，能提高材料的流动性，具有较好的减水作用，使聚合硫酸铝、羟丙基甲基纤维素、羧甲基淀粉醚更好的发挥胶粘作用。将被包裹的粉土、反应生成的晶体、沉淀等更好的结合在一起。
利用多源固废的道路铺筑材料的地聚合反应过程形成了板、柱体为骨架且丝、网状联结的胶凝结构，相比与传统的水泥稳定土的团状骨架颗粒结构更加致密、稳定，对离子的约束、固化显著提高。
本发明的有益效果是：本发明采用粉土为基材，采用赤泥、粉煤灰和煤矸石土壤胶凝剂基材和碱性的复合活性激发剂，利用多源固废制作的道路铺筑材料，其中掺入有大量的粉土，制成的道路铺筑材料强度高，并且制成后60天内强度稳定增长且不易开裂，满足道路材料的要求，并且材料微观结构含有均匀、致密的微孔，对重金属具有较强的固化与束缚能力，增强了防重金属等毒性浸出功能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明各实施例组分见表1
表1利用多源固废的道路铺筑材料组分列表（单位为重量份）
Figure 585674DEST_PATH_IMAGE001
表2复合活性激发剂组分列表（组分含量为重量份）
Figure 706077DEST_PATH_IMAGE002
通过氢氧化钠调节硅酸钠模数。
赤泥：本发明所采用赤泥为氧化铝企业烧结法工艺产生的废渣。烧结法工艺是将铝土矿、NaCO3和CaCO3按一定比例混合配料，在回转窑内烧结成由铝酸钠(NaO2·Al2O3)、铁酸钠(Na2O·Fe2O3)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)和钛酸钙(CaTiO3)组成的熟料。然后用稀释碱溶液溶出熟料中的NaO2·Al2O3，此时铁酸钠水解得到Fe2O3和NaOH，NaOH也进入溶液。不溶物硅酸二钙、钛酸钙、Fe2O3等作为烧结法赤泥排出。
主要成分是Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、SiO2等，其他氧化物及金属重量含量7%左右，还含有其他少量成份。
表3赤泥的主要化学成分
Figure 626760DEST_PATH_IMAGE003
粉煤灰：
粉煤灰是煤粉经过高温生成的火山灰混合材料，主要由活性SiO2和Al2O3组成，自身没有或略有水硬胶凝性能，但仍是一种活性材料。在水分存在的条件下，在碱性环境下生成具有水硬胶凝性水化物，使混合料强度逐渐增高。反应的生成物具有胶凝性质。
对堆场粉煤灰进行XRF分析，粉煤灰测试样中主要成分SiO2占比达50.76%，其次为Al2O3占比20.12%。SiO2含量越高，粉煤灰活性越大。主要成分如下表所示
表4粉煤灰的主要化学成分
Figure 225231DEST_PATH_IMAGE004
粉煤灰由多种粒子组成，粒径范围为25 μm~300 μm，其中球形颗粒占总量的50%以上，不规则颗粒占35%左右。这些粒子经高温煅烧后储藏了较高的化学能，使粉煤灰保持较高的活性。
煤矸石：
煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是煤炭生产的副产品，它是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。煤矸石主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5。
选取煤矸石堆场经过锻烧的煤矸石作为环保固废基凝胶材料的主要组分，对其进行XRF和XRD 化学分析测试，其测试结果如表1.3。
表5 煤矸石成分含量
Figure 177619DEST_PATH_IMAGE005
粉土：本发明各实施例及对照例采用塑性指数为8的粉土。
本发明各实施例制备方法如下：
其中，复合活性激发剂的生产工艺包括如下步骤：
S1：将硅酸钠用90份的水溶解后，升温至70-80℃，加入氢氧化钠调节硅酸钠模数，搅拌1-2h后得到第一溶液；
S2：降温至60-65℃，再向第一溶液中加入聚合硫酸铝、三萜皂苷、氟硅酸镁、磺化三聚氰胺甲醛树脂，搅拌1-2h后得到第二溶液；
S3：将羟丙基甲基纤维素、羧甲基淀粉醚、三聚磷酸钠用10份的水溶解后得到第三溶液；
S4：将第三溶液滴加入第二溶液中，混合均匀，干燥后即获得复合活性激发剂。
利用多源固废的道路铺筑材料的生产工艺，其特征在于：包括如下步骤：（1）将复合活性激发剂与水混合，水与复合活性激发剂的重量比为1：4；（2）将土壤胶凝剂基材和适量的水均匀拌合在粉土中；（3）将步骤（1）获得的材料均匀拌合在步骤（2）获得的材料中。即完成利用多源固废的道路铺筑材料的生产。步骤（2）中用水量根据摊铺机摊铺需求来调整。
将拌合好的利用多源固废的道路铺筑材料运输至摊铺现场，利用摊铺机进行摊铺，压路机进行碾压，保湿养生，7天后开放交通或铺装上层。
对照例1，在实施例1的基础上将复合活性激发剂等量替换为TD-TRGH型土壤固化剂。
对照例2，复合活性激发剂中不含硅酸钠和氢氧化钠，其它和实施例1相同。
对照例3，复合活性激发剂中不含三萜皂苷，其它和实施例1相同。
对照例4，复合活性激发剂中不含羟丙基甲基纤维素，其它和实施例1相同。
各种结合料无侧限抗压强度测试数据
Wp表示最佳含水量，Ρd表示密度，7d强度、7d强度、60d强度中的d表示天。
1） 石灰、粉煤灰稳定粉土性能数据
Figure 203344DEST_PATH_IMAGE006
由上表可知，石灰粉煤灰稳定粉土不能满足二级及以下公路基层强度大于或等于0.8 MPa，底基层强度大于或等于0.5 MPa的要求。因此，无法作为道路铺筑材料使用。
2）水泥稳定粉土性能数据
Figure 611323DEST_PATH_IMAGE007
水泥用量8%以下不能满足二级及以下公路基层强度大于或等于0.8 MPa，水泥用量8%以上时结构的干缩将会很大，而且可以看出28天以后的强度增长非常缓慢，难以满足结构强度要求。因此，石灰、粉煤灰及水泥稳定粉土从经济、技术上均不太可取。
3）水泥粉煤灰稳定粉土性能数据
Figure 13485DEST_PATH_IMAGE008
水泥粉煤灰稳定粉土虽然能取较好的强度，但结构的干缩很大，并且粉土掺量较低，水泥用量大。
4）利用多源固废的道路铺筑材料性能数据
Figure 823310DEST_PATH_IMAGE009
5）各种结合料收缩性能测试数据
Figure 19936DEST_PATH_IMAGE010
6）选取实施例3-4、对照例13的试件进行浸出毒性试验，检测结果与GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》以及GB/T 14848-1993《地下水质量标准》中相关指标要求对比，结果见表6。
表6浸出毒性指标
Figure 912281DEST_PATH_IMAGE011
依据现行的相关标准，由表6的检测分析结果可以得出：
（1）传统水泥粉煤灰稳定粉土和利用多源固废的道路铺筑材料浸出液中危害成分均低于国标危害成分质量浓度限值。
（2）利用多源固废的道路铺筑材料浸出液毒性全部达到地下水Ⅲ类标准，且大部分项目低于地下水Ⅱ类标准规定值，而水泥粉煤灰稳定粉土中部分未达到地下水Ⅲ类标准，与水泥粉煤灰稳定粉土试样相比，利用多源固废的道路铺筑材料在总铬、铍、钡、镍、砷、硒、银、六价铬等离子浸出量都有明显降低。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种利用多源固废的道路铺筑材料，其特征在于：包括以下重量份的组成成分：粉土91-94份、土壤胶凝剂基材4-7份、复合活性激发剂2-3份，所述的土壤胶凝剂基材自身按以下重量份的组成成分配制：1-1.2份的赤泥、1.5-2.8份的粉煤灰、1.5-2.6 份的煤矸石，所述复合活性激发剂自身按以下重量份的组成成分配制：硅酸钠30-35份、三萜皂苷20-35份、聚合硫酸铝5-10份、氟硅酸镁1-5份、氢氧化钠、羟丙基甲基纤维素0.6-0.8份、羧甲基淀粉醚0.3-0.5份、三聚磷酸钠2-3份、磺化三聚氰胺甲醛树脂0.1-0.5份，氢氧化钠用来调整硅酸钠模数，所述硅酸钠模数调整在1.1-1.9范围内。
2.根据权利要求1所述的利用多源固废的道路铺筑材料，其特征在于：包括以下重量份的组成成分：粉土91份、土壤胶凝剂基材6.6份、复合活性激发剂2.4份，所述的土壤胶凝剂基材自身按以下重量份的组成成分配制：赤泥1.2份、粉煤灰2.8份和煤矸石2.6份，所述的复合活性激发剂自身按以下重量份的组成成分配制：硅酸钠35份、三萜皂苷35份、聚合硫酸铝6.4份、氟硅酸镁3份、羟丙基甲基纤维素0.8份、羧甲基淀粉醚0.4份、三聚磷酸钠2份、磺化三聚氰胺甲醛树脂0.3份，所述硅酸钠模数调整为1.5。
3.根据权利要求1所述的利用多源固废的道路铺筑材料，其特征在于：所述的复合活性激发剂的制备方法包括如下步骤：
S1：将硅酸钠30-35份用90份的水溶解后，升温至70-80℃，加入氢氧化钠，硅酸钠模数通过硅酸钠与氢氧化钠的比值控制在1.1～1.9之间，搅拌1-2h后得到第一溶液；
S2：降温至60-65℃，再向第一溶液中加入聚合硫酸铝、三萜皂苷、氟硅酸镁、磺化三聚氰胺甲醛树脂，搅拌1-2h后得到第二溶液；
S3：将羟丙基甲基纤维素、羧甲基淀粉醚、三聚磷酸钠用10份的水溶解后得到第三溶液；
S4：将第三溶液滴加入第二溶液中，混合均匀，干燥后即获得复合活性激发剂。
4.一种如权利要求1-3中任何一项所述的利用多源固废的道路铺筑材料的生产工艺，其特征在于：包括如下步骤：（1）将复合活性激发剂与水混合，水与复合活性激发剂的重量比为1：3.5-4.5；（2）将土壤胶凝剂基材和适量的水均匀拌合在粉土中；（3）将步骤（1）获得的材料均匀拌合在步骤（2）获得的材料中。
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