CN115594478A - 一种水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种水泥‑石灰‑磷石膏固化赤泥道路基层混合料及其制备方法，以水泥、石灰、磷石膏为混合固化剂协同固化赤泥，固化处理得到的赤泥作为公路路面基层材料，根据混合料最大干密度和最佳含水率以及既有道路基层混合料施工工艺，经均匀拌合和压实整平后可得到路面基层；将固化处理后的赤泥应用于公路路面基层填筑中，使得大宗赤泥固体废料资源化利用，对于减少工业废料堆积对紧缺土地资源的占用和降低环境污染危害，节约公路工程建设成本具有重要社会价值和意义，所采用的固化剂掺量较少，具备良好的强度和耐久性能且兼具经济效益，该道路基层混合料制备工艺简单，原料易于获取，便于工程实际中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于道路基层材料技术领域，特别涉及一种水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料及其制备方法。
背景技术
赤泥(Red mud)是工业制备氧化铝过程中产生的大宗碱性固体废物。每生产1t氧化铝，约产生1.5t赤泥，据统计，赤泥仅有4％的综合利用率。露天堆放处置的赤泥，不仅占据了大量的土地资源，其碱性特征，还存在污染土壤、空气、地下水等风险。限于技术水平的发展，通过提取稀有金属、生产建材以及改良特殊土等赤泥利用措施仅能处理少部分赤泥，且并未大规模采用，堆积如山的赤泥对环境的影响依旧严峻。
固化赤泥应用于公路工程建设是大规模消纳赤泥的新技术途径。公路路面结构中，基层直接位于面层下，起到承重、扩散路面车辆荷载作用，往往需要较高的强度性能。拜耳法赤泥颗粒细，持水性强，活性低，未经处理的赤泥用于道路填料存在工程风险，往往需要掺入较高的固化剂，才能满足道路基层强度要求，降低了赤泥综合利用的经济效益，使得赤泥大规模消纳停滞不前。
水泥、石灰、粒化高炉矿渣(GGBS)作为常见碱性固化剂，在固化赤泥过程中，其碱性激发作用，会进一步增加赤泥固化体浸出液碱性。磷石膏是工业制备磷酸时所产生的副产品，其性质稳定，且具有脱碱效果。磷石膏只有同水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料共同固化赤泥时效果才明显。因此，若能优选出一种适宜固化剂配合比，使得固化处理后赤泥能够满足道路基层性能且兼具经济效益，这样不仅可以提高工业赤泥废料的利用率，实现大宗固体废物的资源化利用，而且还可以替代水泥、砂石等传统建筑材料，减少自然资源的消耗，具有显著经济优势。因此，有必要开展固化赤泥应用于道路基层填料的应用研究，对于实现大宗固体废物资源化利用，减少环境污染，生态环境可持续发展具有重要技术价值、经济效益等意义。
发明内容
解决的技术问题：本发明针对现有赤泥固体废料综合利用率较低以及应用于公路工程建设所需经济成本较高等技术方面的不足，提供了一种水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料及其制备方法，用于解决大宗赤泥固体废物的资源化综合利用问题。将固化处理后的赤泥作为道路基层混合料，使得堆积如山的大宗固体废料变废为宝，实现大规模消纳赤泥，进而节约公路工程建设成本，可为赤泥应用于公路工程建设以及赤泥废弃资源化利用提供依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料，所述水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的原料按质量份数配比如下：赤泥100份，水泥固化剂8份，石灰固化剂2份，磷石膏固化剂2份。
优选地，所述赤泥为拜耳法工艺生产并用粉土机对赤泥堆场中块状风干赤泥做粉碎处理，同时去除杂质得到的粉末状材料。
优选地，所述赤泥的天然含水率37.4％，液限42.89，塑限24.56，小于0.075mm细粒含量占比75.6％，大于0.075mm砂粒含量占比24.4％，化学成分Fe2O3和Al2O3含量分别为53.37％和22.88％，上限粒径控制在2mm。
优选地，所述水泥固化剂为P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥中CaO和SiO2分别占比53％和23.8％，所述的石灰固化剂为白色粉末状熟石灰，白色粉末状熟石灰中氧化钙含量不低于93％。
优选地，所述磷石膏固化剂为浅灰色粉末状材料，pH值3.57，磷石膏固化剂化学成分SO3和CaO含量分别为不低于52.12％和42.36％。
本申请还公开了水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的制备方法，具体包括以下步骤：
第一步，备料，包括赤泥和所用水泥、石灰、磷石膏粉末状固化剂原料：将块状风化赤泥采用粉土机进行粉碎处理并去除杂质，赤泥上限粒径控制在2mm；准备上述同等规格的硅酸盐水泥、石灰和磷石膏固化剂材料；
第二步：根据所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料中原料的质量份数配比称取赤泥100份，水泥固化剂8份，石灰固化剂2份，磷石膏固化剂2份，将各材料进行拌合均匀；
第三步：根据所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的最大干密度、最佳含水率，由《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)重型击实试验确定赤泥天然含水率与最佳含水率差值，确定加水量，使其达到最佳含水率和最大干密度，在现场道路基层铺设施工时，进行压实整平，依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)所规定的重型击实试验和赤泥和固化剂掺和比/配合比制备的固化赤泥道路基层混合料其最大干密度为1.84g/cm3，最佳含水率为22.7％，压实度达到96％以上。
上述水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的制备方法的原理在于：通过力学强度性能和干湿-冻融循环耐久性试验结果进行分析，并与我国现行《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)对路面基层材料的强度要求对比可知，采用水泥、石灰、磷石膏协同固化赤泥，其固化处理得到的赤泥混合料具有较好的力学强度和耐久性能，其作为公路路面半刚性基层材料是可行的。
有益效果：
与现有技术相比，本申请具有以下优势：
1.采用水泥、石灰、磷石膏等常见固化剂按照一定掺和比/配合比协同固化处理得到的赤泥可作为道路路面基层材料，应用于公路工程建设，为大规模消纳赤泥固体废料提供了新技术途径。
2.所述的固化赤泥道路基层混合料综合利用了赤泥废料，减少了赤泥堆放占用的土地资源，降低了对周围环境污染的风险。
3.利用固化赤泥混合料替代传统道路基层材料(水泥、碎石等)，降低了自然资源的消耗、能够减少碳排放和道路工程建设成本，具有良好的社会价值和经济效益。
4.本发明水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料具有良好的强度和耐久性能，能够满足公路路用基层材料的要求，且所用固化剂掺量较少，经济成本低，有利于工程技术的推广。
5.本发明水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的制备工艺简单，与既有道路基层材料填筑施工方法类似，不会增加现场施工技术难度。
6.本发明制备的固化赤泥混合料标准养护7d无侧限抗压强度为4.17MPa，满足中、轻交通荷载下高速公路和一级公路7d龄期3～5MPa的要求，且高于二级和二级以下公路7d龄期2～4MPa的强度要求。
具体实施方式
为使发明要解决的技术问题、实施方案和优点更为清晰，下面结合具体实施例对本发明及逆行详细描述。需要注意的是，实施例仅为本发明中的优选实施方式，并不是对本发明范围的限定。
实施例中所采用的各种原材料如果非特指，均为众所周知的，市场在售建筑材料。
实施例1：
一种水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料，所述水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的原料按质量份数配比如下：赤泥100份，水泥固化剂8份，石灰固化剂2份，磷石膏固化剂2份。
所述赤泥为拜耳法工艺生产并用粉土机对赤泥堆场中块状风干赤泥做粉碎处理，同时去除杂质得到的粉末状材料。
所述赤泥的天然含水率37.4％，液限42.89，塑限24.56，小于0.075mm细粒含量占比75.6％，大于0.075mm砂粒含量占比24.4％，化学成分Fe2O3和Al2O3含量分别为53.37％和22.88％，上限粒径控制在2mm。
所述水泥固化剂为P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥中CaO和SiO2分别占比53％和23.8％，所述的石灰固化剂为白色粉末状熟石灰，白色粉末状熟石灰中氧化钙含量不低于93％。
所述磷石膏固化剂为浅灰色粉末状材料，pH值3.57，磷石膏固化剂化学成分SO3和CaO含量分别为不低于52.12％和42.36％。
本实施实例通过无侧限抗压强度试验对水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的力学强度性能进行试验分析。其中所述固化赤泥道路基层混合料各组分质量配比分别为赤泥：水泥：石灰：磷石膏＝100％：8％：2％：2％。
所述水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的制备方法，具体包括以下步骤：
第一步，备料，包括赤泥和所用水泥、石灰、磷石膏粉末状固化剂原料：将块状风化赤泥采用粉土机进行粉碎处理并去除杂质，赤泥上限粒径控制在2mm；准备上述同等规格的硅酸盐水泥、石灰和磷石膏固化剂材料；
第二步：根据所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料中原料的质量份数配比称取赤泥100份，水泥固化剂8份，石灰固化剂2份，磷石膏固化剂2份，将各材料进行拌合均匀；
第三步：根据所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的最大干密度、最佳含水率，由《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)重型击实试验确定赤泥天然含水率与最佳含水率差值，确定加水量，使其达到最佳含水率和最大干密度，在现场道路基层铺设施工时，进行压实整平，依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)所规定的重型击实试验和赤泥和固化剂掺和比/配合比制备的固化赤泥道路基层混合料其最大干密度为1.84g/cm3，最佳含水率为22.7％，压实度达到96％以上。
试样制备。依据道路基层混合料最大干密度、最佳含水率和压实度计算所需原料，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中方法进行制样，试样规格为单元体D50mm，径高1:1的圆柱体试样。脱模后，放入塑封袋中，移入标准养护室(温度20±2℃，湿度≥95％)，进行标准养生。养护7d、14d和28d的最后一天，取出试样并浸泡水中24h，保证水的深度高出试样顶面2.5cm左右。采用CBR-2型承载比试验仪，加载速率控制1mm/min，测试固化赤泥试样无侧限抗压强度值。
表1固化赤泥道路基层混合料无侧限强度试验数据
所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥无侧限抗压强度试验结果表明，标准养护7d，14d和28d的无侧限抗压强度，满足中、轻交通荷载下高速公路和一级公路7d龄期3～5MPa的要求，且高于二级和二级以下公路7d龄期2～4MPa的强度要求。因此，采用水泥-石灰-磷石膏固化赤泥作为道路基层混合料不仅可以满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)对路面基层材料的强度要求，而且还具有较好的强度性能，可以广泛应用于公路工程实践中。
实施例2：
水泥-石灰-磷石膏固化赤泥力学性能测试
本实施实例通过劈裂强度试验和抗回弹变形试验对水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的力学性能进行评价分析。所述固化赤泥道路基层混合料各组分质量配比分别为赤泥：水泥：石灰：磷石膏＝100％：8％：2％：2％，试样原料仍按上述实施实例1中选取。依据重型击实试验得到的道路基层混合料最大干密度1.84g/cm3、最佳含水率22.7％和压实度96％计算制备试样中所需原料。
试样制备。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中方法进行制样，其中劈裂强度试样规格为单元体D100mm，径高1:1的圆柱体试样；抗回弹变形试样采用模具内径D152mm，高度170mm进行制备。试样脱模后，放入塑封袋中，移入标准养护室(温度20±2℃，湿度≥95％)，进行标准养生。测试养护7d、28d(抗回弹试样养护28d、90d)，在养护的最后一天放入水中浸泡24h。同时与单掺10％水泥的固化赤泥进行对照，本实施实例测试得到劈裂强度和抗回弹变形模量数据如表2。
表2水泥-石灰-磷石膏固化赤泥力学性能测试数据
劈裂强度和抗回弹变形是评价半刚性基层材料力学性能的重要指标。所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的劈裂强度和抗回弹变形模量相比单掺10％水泥固化赤泥均有显著提升。可见固化赤泥道路基层混合料具有较好的抗劈裂和抗回弹变形等力学性能，能够满足道路基层半刚性材料的力学性能要求。
实施例3
水泥-石灰-磷石膏固化赤泥干湿循环试验
本实施实例通过干湿循环试验对水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的服役耐久性能进行试验分析。试样原料仍按上述实施实例1中选取，不再赘述。其中所述固化赤泥道路基层混合料各组分质量配比分别为赤泥：水泥：石灰：磷石膏＝100％：8％：2％：2％。依据道路基层混合料最大干密度、最佳含水率和压实度计算所需原料。试样制备及养护方法与无侧限抗压强度试验内容一致，在此不再赘述。标准养护28d后，进行干湿循环试验，试验过程中1个干湿循环包括40℃烘箱烘干16h，然后取出试样，称重后，常温冷却30min，浸入水槽，泡水8h，共计5级循环，测得5级干湿循环质量损失和无侧限抗压强度如表3。
表3水泥-石灰-磷石膏固化赤泥干湿循环耐久性能试验数据
所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料5级干湿循环后，质量损失不超过1％，无侧限抗压强度为3.96MPa，强度相对降低了12.6％，强度变化量较小，可见所述固化赤泥道路基层混合料具有较好的抗干湿循环耐久性能，可应用于道路工程实践中。
实施例4
水泥-石灰-磷石膏固化赤泥冻融循环试验
本实施实例通过冻融循环试验对水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的抗冻融耐久性能进行试验分析。试样原料仍按上述实施实例1中选取，不再赘述。其中所述固化赤泥道路基层混合料各组分质量配比分别为赤泥：水泥：石灰：磷石膏＝100％：8％：2％：2％。依据道路基层混合料最大干密度、最佳含水率和压实度计算所需原料。同样，试样制备及养护方法与无侧限抗压强度试验内容一致，在此不再赘述。标准养护28d后，进行冻融循环试验，试验过程中1个冻融循环包括在-23℃的冰箱中冻结16h，然后取出试样，称重后浸入水槽融化8h，共计5级循环，测得5级冻融循环质量损失和无侧限抗压强度如表4。
表4水泥-石灰-磷石膏固化赤泥冻融循环耐久性能试验数据
所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料5级冻融循环后，质量损失在2％左右，且趋于稳定，无侧限抗压强度为3.7MPa；冻融循环作用下强度相对降低了10％，强度变化量较小，可见所述固化赤泥道路基层混合料具有较好的抗冻融循环耐久性能，其作为道路半刚性基层材料是可行的。
本发明上述实施实例所提供的一种水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料及其制备方法，其特征在于，经过固化处理后的赤泥具有较好的力学强度性能和抗干湿-冻融循环耐久性能，且所用固化剂掺量较少，兼具良好的经济效益，可作为道路半刚性基层材料，替换传统道路基层材料，对于提高赤泥大宗固体废物的有效利用率，减少工业废料堆积对土地资源的占用和降低环境污染危害具有重要社会价值和意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例进行说明，并非对本发明的范围进行限定，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、改进、替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料，其特征在于，所述水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的原料按质量份数配比如下：赤泥100份，水泥固化剂8份，石灰固化剂2份，磷石膏固化剂2份。
2.根据权利要求1所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料，其特征在于，所述赤泥为拜耳法工艺生产并用粉土机对赤泥堆场中块状风干赤泥做粉碎处理，同时去除杂质得到的粉末状材料。
3.根据权利要求1所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料，其特征在于，所述赤泥的天然含水率37.4%，液限42.89，塑限24.56，小于0.075mm细粒含量占比75.6%，大于0.075mm砂粒含量占比24.4%，化学成分Fe2O3和Al2O3含量分别为53.37%和22.88%，上限粒径控制在2mm。
4.根据权利要求1所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料，其特征在于，所述水泥固化剂为P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥中CaO和SiO2分别占比53%和23.8%，所述的石灰固化剂为白色粉末状熟石灰，白色粉末状熟石灰中氧化钙含量不低于93%。
5.根据权利要求1所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料，其特征在于，所述磷石膏固化剂为浅灰色粉末状材料，pH值3.57，磷石膏固化剂化学成分SO3和CaO含量分别为不低于52.12%和42.36%。
6.一种权利要求1-5任一所述水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步，备料，包括赤泥和所用水泥、石灰、磷石膏粉末状固化剂原料：将块状风化赤泥采用粉土机进行粉碎处理并去除杂质，赤泥上限粒径控制在2mm；准备上述同等规格的硅酸盐水泥、石灰和磷石膏固化剂材料；
第二步：根据所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料中原料的质量份数配比称取赤泥100份，水泥固化剂8份，石灰固化剂2份，磷石膏固化剂2份，将各材料进行拌合均匀；
第三步：根据所述的水泥-石灰-磷石膏固化赤泥道路基层混合料的最大干密度、最佳含水率，由《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)重型击实试验确定赤泥天然含水率与最佳含水率差值，确定加水量，使其达到最佳含水率和最大干密度，在现场道路基层铺设施工时，进行压实整平，依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)所规定的重型击实试验和赤泥和固化剂掺和比/配合比制备的固化赤泥道路基层混合料其最大干密度为1.84g/cm3，最佳含水率为22.7%，压实度达到96%以上。
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