CN116041033A - 一种道路基层材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种道路基层材料及制备方法，属于建筑材料领域，所述基层材料的原料按质量份计，包括以下组分：硫酸锰处理赤泥85‑115份、甜菜碱处理磷石膏11‑13份、粉煤灰4.5‑5.5份、水泥16‑18份、矿渣粉2.5‑3.5份、硫酸亚铁0.8‑1.2份、氯化钡0.8‑1.2份、水玻璃0.8‑1.2份、聚丙烯酸钠0.8‑1.2份。本发明的道路基层材料抗冲刷性能好，将本发明的道路基层材料在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境中养护28d后，使用MTS试验机测试道路基层材料的抗冲刷性能，测试条件为作用频率10Hz，作用时间30min，作用压力为0.9MPa，作用次数为15000次，冲刷质量损失率为1.72‑1.82%。

Description

一种道路基层材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种道路基层材料及制备方法，属于建筑材料领域。

背景技术

赤泥是氧化铝生产过程中所产生的废弃物，每生产1吨氧化铝约产生赤泥1.5吨以上，赤泥中的碱含量大而且难以脱除，且含有氟离子及放射性元素，因此对赤泥的安全、低耗和无害化利用一直举步维艰，世界上发达国家的处理方法是排入海中，中国作为世界第4大氧化铝生产国，每年排放的赤泥高达数百万吨，国内外尚无有效的工业化处理方法，中一般只能堆存，既占用了大量土地，又对土壤、水源、大气等造成污染。

可以对赤泥加以利用，制备赤泥基混凝土，并将其作为公路路基填筑材料，既可以消纳赤泥，又能减少二次污染的问题，经试验证明是可行的，将赤泥、粉煤灰、脱硫石膏等工业固废作为主要原料，配合少量石粉等激发材料，制备基层材料，原理是利用赤泥中的碱性物质碱激发粉煤灰、矿渣中的二氧化硅、氧化铝等活性物质，从而形成强度，同时配合水化作用，进一步稳定结构，使其具有一定强度，同时脱硫石膏的存在可以减低路基的干缩现象，可以使其作为路基材料。

CN108203290A公开了一种赤泥改性材料及其在道路路基中的应用，原料包括赤泥粉末、磷石膏粉末、水泥、固化剂、乳胶粉、稳定剂、调节剂等，能够直接作为路基材料，28d无侧限抗压测试中强度可达5MPa以上，可以满足作为路基材料的条件，但是其形成的骨架结构抗冲刷性能较差，冲刷后的质量损失较高，损失量高达5%，在应用中水对赤泥半刚性基材的冲刷会造成路面结构损坏，加之重交通荷载的反复作用下，产生的泵吸作用造成唧浆甚至唧泥现象。

综上所述，现有技术中，可以使用赤泥、粉煤灰、脱硫石膏等工业固废作为主要原料，制备强度复合标准的半刚性路基材料，但是其抗冲刷性能较差，冲刷后的质量损失较高，长期使用易发生唧浆甚至唧泥现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，通过对赤泥、磷石膏进行特殊处理，并进一步制备道路基层材料，在保证强度的同时，提高抗冲刷性能，降低冲刷后的质量损失。

为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种道路基层材料，所述基层材料的原料按质量份计，包括以下组分：硫酸锰处理赤泥85-115份、甜菜碱处理磷石膏11-13份、粉煤灰4.5-5.5份、水泥16-18份、矿渣粉2.5-3.5份、硫酸亚铁0.8-1.2份、氯化钡0.8-1.2份、水玻璃0.8-1.2份、聚丙烯酸钠0.8-1.2份。

以下是对上述技术方案的进一步改进：

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法为：

将去离子水喷洒至赤泥，使赤泥的含水量达到43-46wt%，得到湿润赤泥备用，然后将壳聚糖、硫酸锰、去离子水混合，并搅拌均匀，得到分散液，将分散液喷洒至湿润赤泥，并搅拌，搅拌时间为70-80min，搅拌后再将氯化铁溶液喷洒至湿润赤泥，再次进行搅拌，搅拌时间为75-85min，搅拌完成经干燥、粉碎，得到硫酸锰处理赤泥；

所述壳聚糖、硫酸锰、去离子水的质量比为0.8-1.2:2.5-3.5:22-27；

所述湿润赤泥、分散液、氯化铁溶液的质量比为85-115:13-15:4.5-5.5；

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法为：

将磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷混合，进行搅拌，搅拌时间为130-150min，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到硅烷处理磷石膏，然后将硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水混合，进行搅拌，搅拌时间为7.5-8.5h，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到甜菜碱处理磷石膏；

所述磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的质量比为45-55:8.5-9.5:1.8-2.2；

所述硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水的质量比为45-55:6-7.5:2.5-3.5:18-22。

所述基层材料的原料中，水泥为42.5级硅酸盐水泥。

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法中，干燥、粉碎的方法为，将赤泥在120-140℃下干燥，干燥至含水量为17-25wt%，并粉碎至100目。

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法中，赤泥为拜耳法赤泥，氧化铝含量为14-16wt%，二氧化硅含量为23-31wt%。

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法中，氯化铁溶液的浓度为1.4-1.6mol/L。

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法中，磷石膏的含水量为26-28wt%。

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法中，双氧水的浓度为25-32wt%。

所述基层材料的制备方法为，将硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏、粉煤灰、水泥、矿渣粉混合，将各组分搅拌均匀，再加入硫酸亚铁、氯化钡、水玻璃、聚丙烯酸钠，再次搅拌均匀，得到混合料，然后喷水至混合料的含水量为39-41wt%，再经养护得到道路基层材料。

与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：

本发明的道路基层材料强度高，按照JTG/T F20-2015公路路面基层施工技术细则中的方法，测试养护至28d时的无限侧抗压强度，具体养护方法为在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境养护28d，然后在20℃水中浸泡24h，28d无限侧抗压强度为5.62-5.70MPa；

本发明的道路基层材料抗冲刷性能好，将本发明的道路基层材料在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境中养护28d后，使用MTS试验机测试道路基层材料的抗冲刷性能，测试条件为作用频率10Hz，作用时间30min，作用压力为0.9MPa，作用次数为15000次，冲刷质量损失率为1.72-1.82%；

本发明的道路基层材料抗干缩性能优异，在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境中养护28d后，干缩应变为163-168*10^-6；

本发明的道路基层材料抗冻性能好，在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境中养护28d后，然后在20℃水中浸泡4d后，进行5次冻融循环，道路基层材料的冻融质量损失率为2.24.-2.38%，无限侧抗压强度的保持率为92.7-93.6%。

具体实施方式

实施例1一种道路基层材料及制备方法

所述基层材料的原料按质量份计，包括以下组分：硫酸锰处理赤泥100份、甜菜碱处理磷石膏12份、粉煤灰5份、水泥17份、矿渣粉3份、硫酸亚铁1份、氯化钡1份、水玻璃1份、聚丙烯酸钠1份；

所述水泥为42.5级硅酸盐水泥；

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法为：

将去离子水喷洒至赤泥，使赤泥的含水量达到45wt%，得到湿润赤泥备用，然后将壳聚糖、硫酸锰、去离子水混合，并搅拌均匀，得到分散液，将分散液喷洒至湿润赤泥，并搅拌，搅拌时间为75min，搅拌后再将氯化铁溶液喷洒至湿润赤泥，再次进行搅拌，搅拌时间为80min，搅拌完成后，将赤泥在130℃下干燥，干燥至含水量为20wt%，并粉碎至100目，得到硫酸锰处理赤泥；

所述赤泥为拜耳法赤泥，氧化铝含量为15wt%，二氧化硅含量为22wt%；

所述壳聚糖、硫酸锰、去离子水的质量比为1:3:25；

所述湿润赤泥、分散液、氯化铁溶液的质量比为100:14:5；

所述氯化铁溶液的浓度为1.5mol/L；

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法为：

将磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷混合，进行搅拌，搅拌时间为140min，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到硅烷处理磷石膏，然后将硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水混合，进行搅拌，搅拌时间为8h，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到甜菜碱处理磷石膏；

所述磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的质量比为50:9:2；

所述磷石膏的含水量为27wt%；

所述硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水的质量比为50:7:3:20；

所述双氧水的浓度为30wt%。

上述基层材料的制备方法为：

将硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏、粉煤灰、水泥、矿渣粉混合，将各组分搅拌均匀，再加入硫酸亚铁、氯化钡、水玻璃、聚丙烯酸钠，再次搅拌均匀，得到混合料，然后喷水至混合料的含水量为40wt%，再经养护得到道路基层材料。

实施例2一种道路基层材料及制备方法

所述基层材料的原料按质量份计，包括以下组分：硫酸锰处理赤泥85份、甜菜碱处理磷石膏11份、粉煤灰4.5份、水泥16份、矿渣粉2.5份、硫酸亚铁0.8份、氯化钡0.8份、水玻璃0.8份、聚丙烯酸钠0.8份；

所述水泥为42.5级硅酸盐水泥；

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法为：

将去离子水喷洒至赤泥，使赤泥的含水量达到43wt%，得到湿润赤泥备用，然后将壳聚糖、硫酸锰、去离子水混合，并搅拌均匀，得到分散液，将分散液喷洒至湿润赤泥，并搅拌，搅拌时间为70min，搅拌后再将氯化铁溶液喷洒至湿润赤泥，再次进行搅拌，搅拌时间为85min，搅拌完成后，将赤泥在120℃下干燥，干燥至含水量为17wt%，并粉碎至100目，得到硫酸锰处理赤泥；

所述赤泥为拜耳法赤泥，氧化铝含量为14wt%，二氧化硅含量为23wt%；

所述壳聚糖、硫酸锰、去离子水的质量比为0.8:2.5:22；

所述湿润赤泥、分散液、氯化铁溶液的质量比为85:13:4.5；

所述氯化铁溶液的浓度为1.4mol/L；

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法为：

将磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷混合，进行搅拌，搅拌时间为130min，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到硅烷处理磷石膏，然后将硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水混合，进行搅拌，搅拌时间为8.5h，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到甜菜碱处理磷石膏；

所述磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的质量比为45:8.5:1.8；

所述磷石膏的含水量为26wt%；

所述硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水的质量比为45:6:2.5:18；

所述双氧水的浓度为25wt%。

上述基层材料的制备方法为：

将硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏、粉煤灰、水泥、矿渣粉混合，将各组分搅拌均匀，再加入硫酸亚铁、氯化钡、水玻璃、聚丙烯酸钠，再次搅拌均匀，得到混合料，然后喷水至混合料的含水量为39wt%，再经养护得到道路基层材料。

实施例3一种道路基层材料及制备方法

所述基层材料的原料按质量份计，包括以下组分：硫酸锰处理赤泥115份、甜菜碱处理磷石膏13份、粉煤灰5.5份、水泥18份、矿渣粉3.5份、硫酸亚铁1.2份、氯化钡1.2份、水玻璃1.2份、聚丙烯酸钠1.2份；

所述水泥为42.5级硅酸盐水泥；

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法为：

将去离子水喷洒至赤泥，使赤泥的含水量达到46wt%，得到湿润赤泥备用，然后将壳聚糖、硫酸锰、去离子水混合，并搅拌均匀，得到分散液，将分散液喷洒至湿润赤泥，并搅拌，搅拌时间为80min，搅拌后再将氯化铁溶液喷洒至湿润赤泥，再次进行搅拌，搅拌时间为75min，搅拌完成后，将赤泥在140℃下干燥，干燥至含水量为25wt%，并粉碎至100目，得到硫酸锰处理赤泥；

所述赤泥为拜耳法赤泥，氧化铝含量为16wt%，二氧化硅含量为21wt%；

所述壳聚糖、硫酸锰、去离子水的质量比为1.2:3.5:27；

所述湿润赤泥、分散液、氯化铁溶液的质量比为115:15:5.5；

所述氯化铁溶液的浓度为1.6mol/L；

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法为：

将磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷混合，进行搅拌，搅拌时间为150min，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到硅烷处理磷石膏，然后将硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水混合，进行搅拌，搅拌时间为7.5h，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到甜菜碱处理磷石膏；

所述磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的质量比为55:9.5:2.2；

所述磷石膏的含水量为28wt%；

所述硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水的质量比为52:7.5:3.5:22；

所述双氧水的浓度为32wt%。

上述基层材料的制备方法为：

将硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏、粉煤灰、水泥、矿渣粉混合，将各组分搅拌均匀，再加入硫酸亚铁、氯化钡、水玻璃、聚丙烯酸钠，再次搅拌均匀，得到混合料，然后喷水至混合料的含水量为41wt%，再经养护得到道路基层材料。

对比例1

与实施例1不同的是，省去制备硫酸锰处理赤泥步骤，在原料组分中，使用未处理的赤泥代替硫酸锰处理赤泥，其余步骤相同，制备道路基层材料；

所述赤泥为拜耳法赤泥，氧化铝含量为15wt%，二氧化硅含量为22wt%，含水量为20wt%。

对比例2

与实施例1不同的是，将制备甜菜碱处理磷石膏步骤改为制备硅烷处理磷石膏，并将该步骤改为以下操作：

将磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷混合，进行搅拌，搅拌时间为140min，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到硅烷处理磷石膏；

所述磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的质量比为50:9:2；

所述磷石膏的含水量为27wt%；

在原料组分中，使用硅烷处理磷石膏代替甜菜碱处理磷石膏，其余步骤相同，制备道路基层材料。

实施例4强度测试

将实施例1-3、对比例1-2的道路基层材料按照JTG/T F20-2015公路路面基层施工技术细则中的方法，测试养护至28d时的无限侧抗压强度，具体养护方法为在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境养护28d，然后在20℃水中浸泡24h，结果见表1。

实施例1-3使用了硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏作为主要组分，制备道路基层材料后可以保持较高的抗压强度；

对比例1省去了制备硫酸锰处理赤泥步骤，在原料组分中，使用未处理的赤泥代替硫酸锰处理赤泥，制备道路基层材料后抗压强度发生较大程度下降；

对比例2中，仅对磷石膏进行硅烷处理，不对其进行甜菜碱处理，制备道路基层材料后抗压强度发生下降，但是下降程度较小。

实施例4抗冲刷性能测试

将实施例1-3、对比例1-2的道路基层材料在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境中养护28d后，使用MTS试验机测试道路基层材料的抗冲刷性能，测试条件为作用频率10Hz，作用时间30min，作用压力为0.9MPa，作用次数为15000次，测试后计算道路基层材料的冲刷质量损失率，结果见表2。

实施例1-3使用了硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏作为主要组分，制备道路基层材料后可以获得优异的抗冲刷性能，冲刷质量损失率低；

对比例1省去了制备硫酸锰处理赤泥步骤，在原料组分中，使用未处理的赤泥代替硫酸锰处理赤泥，制备道路基层材料后，抗冲刷性能差，冲刷质量损失率高；

对比例2中，仅对磷石膏进行硅烷处理，不对其进行甜菜碱处理，制备道路基层材料后，抗冲刷性能较差，冲刷质量损失率较高。

实施例4干缩性能测试

将实施例1-3、对比例1-2的道路基层材料在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境中养护28d后，测试道路基层材料相对于养护前的干缩应变，结果见表3。

实施例1-3使用了硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏作为主要组分，制备道路基层材料后可以获得较好的抗干缩应变性能，干缩应变低；

对比例1省去了制备硫酸锰处理赤泥步骤，在原料组分中，使用未处理的赤泥代替硫酸锰处理赤泥，制备道路基层材料后，抗干缩应变性能稍差，干缩应变稍高；

对比例2中，仅对磷石膏进行硅烷处理，不对其进行甜菜碱处理，制备道路基层材料后，抗干缩应变性能差，干缩应变高。

实施例4抗冻性能测试

将实施例1-3、对比例1-2的道路基层材料在标准环境温度为20℃，湿度为95%的环境中养护28d后，然后在20℃水中浸泡4d后，进行5次冻融循环，测试路基层材料的质量损失率，以及无限侧抗压强度的保持率，结果见表4。

实施例1-3使用了硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏作为主要组分，制备道路基层材料后可以获得较好的抗冻性能，冻融质量损失率低，无限侧抗压强度的保持率高；

对比例1省去了制备硫酸锰处理赤泥步骤，在原料组分中，使用未处理的赤泥代替硫酸锰处理赤泥，制备道路基层材料后，抗冻性能差，冻融质量损失率升高严重，但是无限侧抗压强度的保持率下降程度较低；

对比例2中，仅对磷石膏进行硅烷处理，不对其进行甜菜碱处理，制备道路基层材料后，抗冻性能差，冻融质量损失率发生一定程度升高，但是无限侧抗压强度的保持率下降程度较高。

Claims (8)

1.一种道路基层材料，其特征在于，所述基层材料的原料按质量份计，包括以下组分：硫酸锰处理赤泥85-115份、甜菜碱处理磷石膏11-13份、粉煤灰4.5-5.5份、水泥16-18份、矿渣粉2.5-3.5份、硫酸亚铁0.8-1.2份、氯化钡0.8-1.2份、水玻璃0.8-1.2份、聚丙烯酸钠0.8-1.2份；

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法为：

将去离子水喷洒至赤泥，使赤泥的含水量达到43-46wt%，得到湿润赤泥备用，然后将壳聚糖、硫酸锰、去离子水混合，并搅拌均匀，得到分散液，将分散液喷洒至湿润赤泥，并搅拌，搅拌时间为70-80min，搅拌后再将氯化铁溶液喷洒至湿润赤泥，再次进行搅拌，搅拌时间为75-85min，搅拌完成经干燥、粉碎，得到硫酸锰处理赤泥；

所述壳聚糖、硫酸锰、去离子水的质量比为0.8-1.2:2.5-3.5:22-27；

所述湿润赤泥、分散液、氯化铁溶液的质量比为85-115:13-15:4.5-5.5；

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法为：

将磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷混合，进行搅拌，搅拌时间为130-150min，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到硅烷处理磷石膏，然后将硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水混合，进行搅拌，搅拌时间为7.5-8.5h，搅拌后经过滤、水洗、干燥得到甜菜碱处理磷石膏；

所述磷石膏与无水乙醇、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的质量比为45-55:8.5-9.5:1.8-2.2；

所述硅烷处理磷石膏、十一碳烯酰胺丙基甜菜碱、双氧水、去离子水的质量比为45-55:6-7.5:2.5-3.5:18-22。

2.根据权利要求1所述的一种道路基层材料，其特征在于：

所述基层材料的原料中，水泥为42.5级硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的一种道路基层材料，其特征在于：

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法中，干燥、粉碎的方法为，将赤泥在120-140℃下干燥，干燥至含水量为17-25wt%，并粉碎至100目。

4.根据权利要求1所述的一种道路基层材料，其特征在于：

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法中，赤泥为拜耳法赤泥，氧化铝含量为14-16wt%，二氧化硅含量为23-31wt%。

5.根据权利要求1所述的一种道路基层材料，其特征在于：

所述硫酸锰处理赤泥的制备方法中，氯化铁溶液的浓度为1.4-1.6mol/L。

6.根据权利要求1所述的一种道路基层材料，其特征在于：

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法中，磷石膏的含水量为26-28wt%。

7.根据权利要求1所述的一种道路基层材料，其特征在于：

所述甜菜碱处理磷石膏的制备方法中，双氧水的浓度为25-32wt%。

8.权利要求1所述的道路基层材料的制备方法，其特征在于：

所述基层材料的制备方法为，将硫酸锰处理赤泥、甜菜碱处理磷石膏、粉煤灰、水泥、矿渣粉混合，将各组分搅拌均匀，再加入硫酸亚铁、氯化钡、水玻璃、聚丙烯酸钠，再次搅拌均匀，得到混合料，然后喷水至混合料的含水量为39-41wt%，再经养护得到道路基层材料。