CN115594426A - 一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及土木工程材料技术领域，具体公开了一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料及其制备方法。多源固废协同作用的功能型胶凝材料包括如下重量份数的原料：钢渣微粉60‑80份、矿渣50‑60份、脱硫灰10‑20份、脱硫石膏10‑15份、吸水材料1‑3份、碱激发剂10‑20份。本申请具有能够配合工程弃土、废渣等成分生产水泥稳定土且使水泥稳定土具备力学强度高、抗裂性能好且绿色、环保的优点。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程材料技术领域，尤其是涉及一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料及其制备方法。
背景技术
在经过粉碎的或原来松散的土中，掺入足量的水泥和水，经拌和得到的混合料在压实和养生后，当其抗压强度符合规定的要求时，称为水泥稳定土；水泥稳定土主要用于各种构造物的基础，由于我国路面结构大多采用半刚性基层沥青路面，其中的半刚性基层大多采用水泥稳定土材料，所以水泥稳定土在道路生产中的应用具有极为重要的意义。
而随着工程废弃物的增加、交通基础设施绿色化的要求不断贯彻落实，目前的道路工程中开始尝试使用工程废弃土作为主体成分进行水泥稳定土的生产，而使用的工程弃土由于其自身强度低、含水率高等问题会对水泥稳定土基层的质量产生负面影响；并且，由于水泥煅烧与粉磨工艺的进步，水泥的细度和早期强度显著提高，干缩更为显著，致使水泥稳定土基层开裂现象越发严重，对公路质量造成负面影响，且水泥的生产过程中会排放对大气和环境造成污染的气体和颗粒。
因此，亟需生产一种能够配合工程弃土、废渣等成分生产水泥稳定土且使水泥稳定土具备力学强度高、抗裂性能好的绿色、环保胶凝材料。
发明内容
为了制备得到一种能够配合工程弃土、废渣等成分生产水泥稳定土且使水泥稳定土具备力学强度高、抗裂性能好的绿色、环保胶凝材料，本申请提供一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，采用如下的技术方案：
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，包括如下重量份数的原料：钢渣微粉60-80份、矿渣50-60份、脱硫灰10-20份、脱硫石膏10-15份、吸水材料1-3份、碱激发剂10-20份。
由于工程弃土、废渣等成分不稳定、力学强度低、含水量高，作为路面填充材料的成分时会造成路面基层的力学强度下降、抗裂性能变差，对路面基层的使用寿命产生负面影响，不利于作为主体成分应用在路面基层中。
通过采用上述技术方案，首先，由于采用钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏作为功能型胶凝材料的主要成分，在碱激发剂作用下，钢渣微粉硅铝质玻璃体中的硅氧键网络在碱性条件下被打破，处于活性状态，并与钙离子反应生成水化硅酸钙；矿渣颗粒玻璃体被水泥水化产生的大量具有较强极性作用的氢氧根离子解聚，释放出钙离子和各种硅酸根离子，并与浆体孔溶液中存在的钙离子集合，通过水化反应生成水化硅酸钙；脱硫石膏中的硫酸根离子和钙离子与分布在钢渣微粉表面的凝胶状物质反应生成水化硫铝酸钙，部分水化铝酸钙也可与脱硫灰、脱硫石膏反应生成钙钒石，同时钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏的引入也增大了氧化硅、氧化铝等原材料化合物的含量，从而进一步提高了所以水化产物中Aft、C-S-H、C-A-H的含量；使水化产物中生成了大量纤维-网络状的水化硅酸钙凝胶和六方棱柱状钙矾石晶体，从而使功能型胶凝材料能够通过黏结、填充、挤密等作用使得呈松散状态的工程弃土、废渣等土颗粒变成致密的整体，进而增强了土体的力学性能和抗裂性能。其次，功能型胶凝材料中的原料选取使用的是固废性材料，并且生产过程中不会产生对环境有害的气体或颗粒，使功能胶凝材料具备优异的绿色、环保特性。最后，通过采用吸水材料，将工程弃土、废渣中的自由水吸附，使功能型胶凝材料能够更好地团结松散的工程弃土、废渣，降低压实过程的操作难度，使功能型胶凝材料的说话产物能够充分粘结工程弃、废渣，提高最终制备得到的水泥稳定土的力学性能和抗裂性能。
可选的，所述吸水材料包括如下重量份数的原料：丙烯酸10-15份、氢氧化钠5-6份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.02-0.08份、淀粉20-30份、引发剂0.04-0.08份、乙烯基环糊精5-15份。
通过采用上述技术方案，制备得到含有大量亲水基团如羧基、酰胺基且具有三维交联网状结构的吸水材料分子，在亲水基团与水分子进行水合作用,在三维交联网状结构内外形成离子浓度差,使网状结构内外产生渗透压,渗透压作用使水分子向网状结构内渗透；并且随着羟丙基环糊精的加入，能够进一步调和吸水材料的吸水性能和持水性能，使功能性胶凝材料能够与强度低、含水率高的废弃土体充分结合，提高水泥稳定土的力学强度和抗裂性能。
可选的，所述吸水材料由包括如下步骤的制备方法制备得到：
S1：将丙烯酸与氢氧化钠混合，加热，加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌，得到预制混合溶液；
S2：将预制混合溶液、淀粉、羟丙基环糊精和引发剂混合，加热，研磨，得到初反应产物；S3：将初反应产物与羟丙基环糊精混合，加热，洗涤、干燥后得到吸水材料。
通过采用上述技术方案，使淀粉和羟丙基环糊精在预制混合溶液中充分混合、反应；通过研磨破坏淀粉晶体结构并生成高活性羟基，从而提高淀粉的反应活性，同时，研磨过程中改善了反应物之间的接触状态，提高了淀粉的改性效率，形成能与羟丙基环糊精充分结合的出反应物；通过初反应产物与以及环糊精的反应，形成具有三位网络状结构的且具有优异吸水效果且与功能型胶凝材料中其他成分适配性良好的吸水材料。
可选的，所述S1中加热温度为30-40℃，加热时间为5-15min，搅拌时间为20-30min；所述S2中加热温度为50-70℃，研磨时间为2-4h；所述S3中加热温度为40-50℃，加热时间为2-3h。
通过采用上述技术方案，在该反应条件下，使各原料之间充分混合、反应，制备得到吸水性能优异且与功能型胶凝材料中其他成分适配性良好的吸水材料。
可选的，所述矿渣与脱硫石膏的重量比为(4-5)：1。
通过采用上述技术方案，矿渣与脱硫石膏的合适配比使胶凝材料体系生成足够数量的胶凝材料并且与工程弃土、废渣等反应生成结构紧密、力学性能强、抗裂性能优异的水泥稳定土结构。
可选的，所述多源固废协同作用的功能型胶凝材料中还包括纸泥灰颗粒5-9份。
通过采用上述技术方案，纸泥灰颗粒表面为多孔结构，有许多复杂的不规则和空隙，这些开放的微孔通过毛细管作用能够快速地吸收工程弃土、废渣中的自由水，且由于弯月面的作用，强有力地将吸附的自由水保持在纸泥灰颗粒内，由于这种特性，纸泥灰颗粒可以与吸水材料共同作用，进一步吸收和保留工程弃土、废渣中多余的水分，从而使纸泥灰颗粒提高工程弃土、废渣与功能型胶凝材料制备得到的水泥稳定土的力学强度和抗裂性能，进而提高路面基层的使用寿命。
可选的，所述多源固废协同作用的功能型胶凝材料中还包括生石灰，所述生石灰与所述吸水材料的重量比为(1-2)：1。
通过采用上述技术方案，一方面，生石灰能够工程弃土、废渣发生离子交换作用、絮凝团聚作用，加上生石灰本身的剥离、结晶和碳化作用，使最终制备得到的水泥稳定土在结构上发生了明显的变化，废土颗粒“丛生”在一起，成为颗粒较大的“聚集体”，使水泥稳定土的密度也随之发生了变化；另一方面，吸水材料能够与生石灰共同作用，降低生石灰对水泥稳定土早期强度、水稳定性和后期质量稳定性的负面影响，从而使胶凝材料体系能够与工程弃土、废渣共混体系最终生成强度稳定、抗裂性能好的水泥稳定土结构，进而提高路面基层的使用寿命。
第二方面，本申请提供一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料的制备方法，采用如下的技术方案：
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：将钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏、吸水材料、纸泥灰颗粒、生石灰、碱激发剂均匀混合后，制得所述功能型胶凝材料。
通过采用上述技术方案，各原料分批拌合、充分混合，使各原料充分配合使用、发挥作用，制得功能型胶凝材料，上述制备方法简单高效，便于工业化生产。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏等成分代替水泥作为生产水泥稳定土的主要成分，不仅提高了固废利用率，而且该混合功能型胶凝材料与吸水材料共同作用，能够显著提高对力学性能差、含水量高的工程弃土的团结作用，进而制备得到力学性能优异、抗裂性能好的水泥稳定土结构。
2、由于本申请采用纸泥灰颗粒和生石灰，能够进一步提高吸水材料的持水性能，进而进一步提高功能型胶凝材料与工程弃土、废渣的团结作用，制备得到力学性能优异、抗裂性能好的水泥稳定土结构。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
原料和/或中间体的制备例
在本制备例中，使用的淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉中的任意一种；使用的引发剂为过硫酸铵，制备吸附材料的S2步骤中，进行洗涤操作时，使用的试剂为无水乙醇；制备吸附材料的S2步骤中，进行干燥操作时，干燥温度为50-60℃，干燥时间为5-9h。
制备例1
一种吸水材料，包括如下重量的原料：
丙烯酸10g、氢氧化钠5g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.02g份、玉米淀粉20g、过硫酸铵0.04g、乙烯基环糊精5g。
一种吸水材料，由以下方法制备得到：
S1：将丙烯酸与氢氧化钠混合，在30℃下加热15min，加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌20min，得到预制混合溶液；
S2：将预制混合溶液、玉米淀粉、羟丙基环糊精和过硫酸铵混合，在50℃下加热，研磨4h，得到初反应产物；
S3：将初反应产物与羟丙基环糊精混合，在40℃下加热3h，使用无水乙醇洗涤、干燥后得到吸水材料。
制备例2
一种吸水材料，包括如下重量的原料：
丙烯酸15g、氢氧化钠6g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.08g份、红薯淀粉30g、过硫酸铵0.08g、乙烯基环糊精15g。
一种吸水材料，由以下方法制备得到：
S1：将丙烯酸与氢氧化钠混合，在40℃下加热5min，加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌30min，得到预制混合溶液；
S2：将预制混合溶液、玉米淀粉、羟丙基环糊精和过硫酸铵混合，在70℃下加热，研磨2h，得到初反应产物；
S3：将初反应产物与羟丙基环糊精混合，在50℃下加热2h，使用无水乙醇洗涤、干燥后得到吸水材料。
制备例3
一种吸水材料，包括如下重量的原料：
丙烯酸13g、氢氧化钠5.5g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.05g份、木薯淀粉25g、过硫酸铵0.06g、乙烯基环糊精10g。
一种吸水材料，由以下方法制备得到：
S1：将丙烯酸与氢氧化钠混合，在35℃下加热10min，加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌25min，得到预制混合溶液；
S2：将预制混合溶液、玉米淀粉、羟丙基环糊精和过硫酸铵混合，在60℃下加热，研磨3h，得到初反应产物；
S3：将初反应产物与羟丙基环糊精混合，在45℃下加热2.5h，使用无水乙醇洗涤、干燥后得到吸水材料。
制备例4
一种吸水材料，包括如下重量的原料：
丙烯酸11g、氢氧化钠5.7g、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.07g份、木薯淀粉23g、过硫酸铵0.05g、乙烯基环糊精12g。
一种吸水材料，由以下方法制备得到：
S1：将丙烯酸与氢氧化钠混合，在32℃下加热12min，加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌26min，得到预制混合溶液；
S2：将预制混合溶液、玉米淀粉、羟丙基环糊精和过硫酸铵混合，在62℃下加热，研磨3h，得到初反应产物；
S3：将初反应产物与羟丙基环糊精混合，在46℃下加热2.7h，使用无水乙醇洗涤、干燥后得到吸水材料。
制备例5
一种吸水材料，与制备例3的不同之处在于，制备过程中使用等重量的羟丙基环糊精代替木薯淀粉。
制备例6
一种吸水材料，与制备例3的不同之处在于，制备过程中使用等重量的木薯淀粉代替羟丙基环糊精。
制备例7
一种吸水材料，与制备例3的不同之处在于，制备过程中使用等重量的羟丙基环糊精代替羟丙基环糊精。
实施例
在本实施例中，碱激发剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠中的任意一种或两种组合。
实施例1
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，包括如下重量的原料：
钢渣微粉60kg、矿渣50kg、脱硫灰10kg、脱硫石膏10kg、吸水材料1kg，其中吸水材料由制备例1制备得到、氢氧化钠10kg、纸泥灰颗粒5kg、生石灰1kg。
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，采用如下方法制备得到：
将钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏、吸水材料、纸泥灰颗粒、生石灰、氢氧化钠均匀混合后，制得功能型胶凝材料。
实施例2
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，包括如下重量的原料：
钢渣微粉80kg、矿渣60kg、脱硫灰20kg、脱硫石膏15kg、吸水材料3kg，其中吸水材料由制备例2制备得到、氢氧化钠10kg、氢氧化钾10kg、纸泥灰颗粒9kg、生石灰6kg。
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，采用如下方法制备得到：
将钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏、吸水材料、纸泥灰颗粒、生石灰、氢氧化钠、氢氧化钾均匀混合后，制得功能型胶凝材料。
实施例3
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，包括如下重量的原料：
钢渣微粉70kg、矿渣55kg、脱硫灰15kg、脱硫石膏13kg、吸水材料2kg，其中吸水材料由制备例3制备得到、碳酸钠15kg、纸泥灰颗粒7kg、生石灰2.3kg。
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，采用如下方法制备得到：
将钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏、吸水材料、纸泥灰颗粒、生石灰、碳酸钠均匀混合后，制得功能型胶凝材料。
实施例4
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，包括如下重量的原料：
钢渣微粉66kg、矿渣53kg、脱硫灰14kg、脱硫石膏16kg、吸水材料2kg，其中吸水材料由制备例4制备得到、氢氧化钾10kg、碳酸钠10kg、纸泥灰颗粒7kg、生石灰3kg。
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，采用如下方法制备得到：
将钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏、吸水材料、纸泥灰颗粒、生石灰、氢氧化钾、碳酸钠均匀混合后，制得功能型胶凝材料。
实施例5
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用的吸水材料由制备例5制备得到。
实施例6
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用的吸水材料由制备例6制备得到。
实施例7
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用的吸水材料由制备例7制备得到。
实施例8
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中不使用纸泥灰颗粒。
实施例9
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中不使用生石灰。
实施例10
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中生石灰与吸水材料的重量比为0.3：1。
实施例11
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中生石灰与吸水材料的重量比为1.2：1。
实施例12
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中矿渣与脱硫石膏的重量比为3.5：1。
实施例13
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程中矿渣与脱硫石膏的重量比为5.5：1。
对比例
对比例1
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程不使用吸水材料。
对比例2
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程使用等重量的生石灰代替吸水材料。
对比例3
一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，与实施例3的不同之处在于，制备过程使用等重量的纸泥灰颗粒代替吸水材料。
检测方法
一、CBR测试
对实施例1-13和制备例1-3制备得到的多源固废协同作用的功能型胶凝材料应用在道路工程中制备得到的水泥稳定土进行CBR测试，其中，水泥稳定土中功能型胶凝材料掺量为5％，测试方法根据JTJ051-93《公路土工试验规程》进行，每组设置五个平行样，计算并记录水泥稳定土的平均CBR值于表1中。
二、无限侧抗压强度测试
对实施例1-13和制备例1-3制备得到的多源固废协同作用的功能型胶凝材料制备得到的水泥稳定土进行7d和28d无限侧抗压强度测试，其中，水泥稳定土中功能型胶凝材料掺量为5％，测试方法根据JTGE51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行，每组设置五个平行样，计算并记录水泥稳定土的平均无限侧抗压强度于表1中。
三、劈裂强度测试
对实施例1-13和制备例1-3制备得到的多源固废协同作用的功能型胶凝材料制备得到的水泥稳定土进行28d劈裂强度测试，其中，水泥稳定土中功能型胶凝材料掺量为5％，测试方法根据JTGE51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行，每组设置五个平行样，计算并记录水泥稳定土的平均劈裂强度于表1中。
表1
结合实施例1-7、对比例1和表1，可以看出，粉和羟丙基环糊精的配合作用能够制备得到吸水、持水性能优异且具备三维网状结构的吸水材料，而吸水材料的加入能够提高功能型胶凝材料对工程弃土、废渣等高含水量原料中的自由水吸附作用，使不易压实紧密的工程弃土、废渣能够与功能型胶凝材料中的其他原料相结合生成结构紧密、力学性能优异和抗裂性能优异的水泥稳定土。
结合实施例3、10-13和表1，可以看出，生石灰与吸水材料的重量比过大或过小时，均会影响功能型胶凝材料对工程弃土、废渣中高含量自由水的吸附，并且生石灰掺量过高时会对最终制备得到的水泥稳定土的力学性能和抗裂能力产生负面作用。矿渣与脱硫石膏的重量比过大或过小时，由于生成水化产物的影响，使功能型胶凝材料团结工程弃土、废渣的能力降低，进而将低制备得到的水泥稳定土的力学强度和抗裂性能。
结合实施例3、8-9、对比例2-3和表1，可以看出，吸水材料、生石灰和纸泥灰颗粒配合，能够提高功能型胶凝材料对工程弃土、废渣的团结河作用，一方面，三者共同作用降低了工程弃土、废渣中的高含量自由水，使工程弃土、废渣处于易被压实紧密的状态，另一方面，纸泥灰颗粒因其独特的结构提高了吸水材料的持水能力，并且生石灰与吸水材料共同作用，降低生石灰对水泥稳定土早期强度、水稳定性和后期质量稳定性的负面影响，三者共同作用提高最终制备得到的水泥稳定土的力学强度、抗裂性能。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，其特征在于：包括如下重量份数的原料：钢渣微粉60-80份、矿渣50-60份、脱硫灰10-20份、脱硫石膏10-15份、吸水材料1-3份、碱激发剂10-20份。
2.根据权利要求1所述的一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，其特征在于：所述吸水材料包括如下重量份数的原料：丙烯酸10-15份、氢氧化钠5-6份、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.02-0.08份、淀粉20-30份、引发剂0.04-0.08份、乙烯基环糊精5-15份。
3.根据权利要求2所述的一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，其特征在于：所述吸水材料由包括如下步骤的制备方法制备得到：
S1：将丙烯酸与氢氧化钠混合，加热，加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌，得到预制混合溶液；
S2：将预制混合溶液、淀粉、羟丙基环糊精和引发剂混合，加热，研磨，得到初反应产物；
S3：将初反应产物与羟丙基环糊精混合，加热，洗涤、干燥后得到吸水材料。
4.根据权利要求3所述的一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，其特征在于：所述S1中加热温度为30-40℃，加热时间为5-15min，搅拌时间为20-30min；所述S2中加热温度为50-70℃，研磨时间为2-4h；所述S3中加热温度为40-50℃，加热时间为2-3h。
5.根据权利要求1所述的一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，其特征在于：所述矿渣与脱硫石膏的重量比为（4-5）：1。
6.根据权利要求1所述的一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，其特征在于：所述多源固废协同作用的功能型胶凝材料中还包括纸泥灰颗粒5-9份。
7.根据权利要求1所述的一种多源固废协同作用的功能型胶凝材料，其特征在于：所述多源固废协同作用的功能型胶凝材料中还包括生石灰，所述生石灰与所述吸水材料的重量比为（1-2）：1。
8.权利要求1-7任一项所述的多源固废协同作用的功能型胶凝材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将钢渣微粉、矿渣、脱硫灰、脱硫石膏、吸水材料、纸泥灰颗粒、生石灰、碱激发剂均匀混合后，制得所述功能型胶凝材料。
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