CN117776632B - 基于矿山固废的路面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于矿山固废的路面材料及其制备方法，属于矿渣领域，该制备方法包括：对矿山固废进行粉碎研磨，得到矿山固废颗粒；将矿山固废颗粒与化学稳定剂混合得到第一浆料，再将第一浆料与硅砂进行混合造粒和烧结，得到表面玻化的环硅稳矿陶瓷颗粒；将改性生物基聚乳酸、硅胶微粒、聚苯乙烯多孔微球和聚丙烯酸酯混合搅拌，再加入二异丙氧基双钛、松香、环氧化植物油搅拌，经反应后得到生物基聚合物粘结剂；再将制备得到的环硅稳矿陶瓷颗粒与生物基聚合物粘结剂、水泥和添加剂湿法混合，得到第二浆料，其中，添加剂包括聚羧酸酯超塑化剂、正硅酸乙酯、磷酸三钠和十二烷基苯磺酸钠；对第二浆料进行压制、静置养护，得到路面材料。

Description

基于矿山固废的路面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及矿渣、环境工程和建筑材料领域，尤其涉及一种基于矿山固废的路面材料及其制备方法。

背景技术

矿山固废处理是矿业可持续发展的关键问题之一。随着矿产资源的持续开采，大量的固体废弃物如脉石、夹层土及矿物加工残渣被产生，若未得到有效管理，这些废弃物不仅占用宝贵的土地资源，还可能释放有害物质，对水体和大气环境造成长期污染。在相关技术中，矿山固废的处理主要依赖于资源化利用、减量化处理和无害化处理等策略。然而，传统的处理方法如填埋和堆放，长期看来对环境的负面影响显著，与可持续发展的目标背道而驰。

在探索解决方案的过程中，将固废转化为新材料（例如砖材）的策略展现出了将废物资源化、减量化和无害化的潜力。这不仅有助于环境保护，还推动了矿业的可持续发展。尽管如此，相关技术中制砖技术面临诸多挑战，包括处理过程中有害物质的有效去除或稳定问题、能耗较高的生产过程、潜在的二次污染风险，以及成品在性能方面的不足，如抗压强度、耐久性和透水性等。

因此，开发新型、环保且性能优越的矿山废弃物制砖技术成为研究的重点。探索更有效的固废处理技术，既能降低环境风险，又能提高产品的应用价值，为矿山固废处理提供更加可持续和环保的解决方案。

发明内容

有鉴于此，为解决相关技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本发明提供了一种基于矿山固废的路面材料的制备方法，包括：对矿山固废进行粉碎研磨，得到矿山固废颗粒；将矿山固废颗粒与化学稳定剂混合得到第一浆料，再将第一浆料与硅砂进行混合造粒和烧结，得到表面玻化的环硅稳矿陶瓷颗粒；将改性生物基聚乳酸、硅胶微粒、聚苯乙烯多孔微球和聚丙烯酸酯混合搅拌，再加入二异丙氧基双钛、松香、环氧化植物油搅拌，经反应后得到生物基聚合物粘结剂；将环硅稳矿陶瓷颗粒与生物基聚合物粘结剂、水泥和添加剂湿法混合，得到第二浆料，其中，添加剂包括聚羧酸酯超塑化剂、正硅酸乙酯、磷酸三钠和十二烷基苯磺酸钠；对第二浆料进行压制、静置养护，得到路面材料。

根据本发明的实施例，化学稳定剂包括：硫酸钡、磷酸盐、沸石；其中，在第一浆料中，硫酸钡的质量占比为2%～5%，磷酸盐的质量占比为1%～3%，沸石的质量占比为3%～5%。

根据本发明的实施例，第一浆料中水灰比为0.5～0.6。

根据本发明的实施例，矿山固废颗粒和硅砂的质量比为75～80：20～25。

根据本发明的实施例，矿山固废颗粒的粒径范围为200µm～300µm，硅砂的粒径范围为60µm～100µm，环硅稳矿陶瓷颗粒的粒径范围为380µm～470µm。

根据本发明的实施例，烧结的操作包括：对第一浆料与硅砂混合造粒得到的颗粒进行阶段式升温烧结，得到环硅稳矿陶瓷颗粒。

根据本发明的实施例，阶段式升温烧结包括：将颗粒在800℃～850℃的环境下加热5s～10s，再在1050℃～1200℃的环境中加热10s～15s，再在5s～10s内冷却至室温。

根据本发明的实施例，生物基聚合物粘结剂由包含以下组成的原料制成：40～60wt%的改性生物基聚乳酸、15～25wt%的硅胶微粒、5～15wt%的聚苯乙烯多孔微球、3～7wt%的二异丙氧基双钛、3～7wt%的松香、3～7wt%的聚丙烯酸酯、3～7wt%的环氧化植物油。

根据本发明的实施例，在制备生物基聚合物粘结剂的过程中，反应的温度为20℃～30℃，反应时长为18～30h。

根据本发明的实施例，第二浆料的水灰比范围为0.45～0.55。

在本发明的另一方面提出了一种根据上述制备方法得到的路面材料，路面材料由包含以下组成的原料制成：60～70wt%的环硅稳矿陶瓷颗粒、15～25wt%的水泥、6～10wt%的生物基聚合物粘结剂、1wt%的十二烷基苯磺酸钠、0.3～0.7wt%的聚羧酸酯超塑化剂、0.2～0.5wt%的正硅酸乙酯、以及0.2～0.5wt%的磷酸三钠。

根据本发明的实施例，首先通过化学稳定剂对矿山固废中的重金属元素进行了吸附和置换，然后通过烧结玻化将重金属元素固定包裹，进一步确保了这些重金属元素的稳定性，从而得到一种新型环硅稳矿陶瓷颗粒作为路面材料的骨料。既保证了矿山固废的安全稳定性，又具有绿色环保的意义。新型的生物基聚合物粘结剂具有优秀的抗风蚀以及透水性，在保证路面材料结构一致性的同时，提升了其机械强度。添加剂中的十二烷基苯磺酸钠作为造孔剂以改善路面材料的孔隙结构和轻质性。同时，生物基聚合物粘结剂与十二烷基苯磺酸钠、聚羧酸酯超塑化剂、作为表面处理剂的正硅酸乙酯和作为缓凝剂的磷酸三钠相互作用，显著降低了水泥中的碱金属含量和返碱潜力，有效避免了路面材料的返碱问题。这种基于矿山固废的路面材料不仅在环境保护和资源再利用方面表现出色，还在材料机械强度和透水性方面展现了明显优势。

附图说明

图1是本发明实施例中基于矿山固废的路面材料的制备方法流程图；

图2是本发明实施例中基于矿山固废的路面材料的破碎试块宏观形貌图；

图3是本发明实施例中基于矿山固废的路面材料的孔隙结构的扫描电镜图；

图4是本发明实施例中环硅稳矿陶瓷颗粒的元素表征测试图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

在本发明中所公开的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

矿山固废制备砖材的常规方法为烧结成砖或压制成砖，从而得到建筑材料。烧结法是一种成熟的制备工艺，技术相对成熟，可实现大规模生产，但在烧结过程中，需要长时间进行1000℃以上的高温熔融，产生大量的废气、废渣等污染物，能耗较大，需要采取相应的处理措施，同时为了获得良好的烧结性能，需要大量的原材料。压制成砖的方式，不需要高温熔融，能耗较低，同时环保性能较好，但是生产效率低，需要较高的技术水平，对设备和操作要求较高。与烧结制品相比，压制制品的性能可能略逊一筹，需要进一步改进技术或添加其他材料来提高性能。

本发明的目的在于提供一种矿山废弃物再利用于生态修复型路面材料的制备方法，有效地利用这些废弃物，减少对环境的负面影响，同时为矿区环境景观修复提供性能优异的路面材料，为绿色矿山建设提供一种可持续的方案。

本发明的核心在于利用一种骨料烧结-压制成型技术，将矿山开采固废转化为更高质量的路面材料。其关键步骤包括使用精细化的研磨工艺对固废进行预处理，以达到理想的粒度分布；在固废的研磨产品中添加硫酸钡、磷酸盐、沸石等化学稳定剂，通过吸附和离子交换作用处理有害物质，从而降低材料对环境的风险；只对骨料进行烧结，使用硅砂来促进玻化反应和重金属离子的稳定；以及通过配方增强材料的结构强度和环保性能。

图1是本发明实施例中基于矿山固废的路面材料的制备方法流程图。

本发明提供了一种基于矿山固废的路面材料的制备方法，如图1所示，制备方法包括：对矿山固废进行粉碎研磨，得到矿山固废颗粒；将矿山固废颗粒与化学稳定剂混合得到第一浆料，再将第一浆料与硅砂进行混合造粒和烧结，得到表面玻化的环硅稳矿陶瓷颗粒；将改性生物基聚乳酸、硅胶微粒、聚苯乙烯多孔微球和聚丙烯酸酯混合搅拌，再加入二异丙氧基双钛、松香、环氧化植物油搅拌，经反应后得到生物基聚合物粘结剂；将环硅稳矿陶瓷颗粒与生物基聚合物粘结剂、水泥和添加剂湿法混合，得到第二浆料，其中，添加剂包括聚羧酸酯超塑化剂、正硅酸乙酯、磷酸三钠和十二烷基苯磺酸钠；对第二浆料进行压制、静置养护，得到路面材料。

根据本发明的实施例，首先通过化学稳定剂对矿山固废中的重金属元素进行了吸附和置换，然后通过烧结玻化将重金属元素固定包裹，进一步确保了这些重金属元素的稳定性，从而得到一种新型环硅稳矿陶瓷颗粒作为路面材料的骨料。既保证了矿山固废的安全稳定性，又具有绿色环保的意义。新型的生物基聚合物粘结剂具有优秀的抗风蚀以及透水性，在保证路面材料结构一致性的同时，提升了其机械强度。添加剂中的十二烷基苯磺酸钠作为造孔剂以改善路面材料的孔隙结构和轻质性。同时，生物基聚合物粘结剂与十二烷基苯磺酸钠、聚羧酸酯超塑化剂、作为表面处理剂的正硅酸乙酯和作为缓凝剂的磷酸三钠相互作用，显著降低了水泥中的碱金属含量和返碱潜力，有效避免了路面材料的返碱问题。这种基于矿山固废的路面材料不仅在环境保护和资源再利用方面表现出色，还在材料机械强度和透水性方面展现了明显优势。

在本发明中涉及的技术术语中，“环硅”的含义为使用硅砂作为辅助材料，以增强重金属和有害化合物的稳定化效果；“稳矿”的含义为加入硫酸钡、磷酸盐和沸石等化学稳定剂，以有效地稳定化处理矿山固废中的有害成分。

根据本发明的实施例，环硅稳矿陶瓷颗粒是一种创新型陶瓷材料，由矿山固废制成，具有出色的物理和化学稳定性，有助于环境保护和资源的可持续循环利用，主要用于环境修复和建筑材料领域。

在一些具体的实施例中，对矿山固废进行粉碎研磨的处理可以包括：将矿山固废采用粗磨技术破碎至粒径不超过500µm，再通过二级细磨工艺进一步将破碎后的固废粉碎至200µm～300µm的粒度范围，得到矿山固废颗粒。

在一些具体的实施例中，第一浆料与硅砂进行混合造粒的处理可以包括：第一浆料与硅砂混合后送入喷雾干燥造粒机，雾化热干，在100℃～120℃的温度均匀加热30min～1h，直至水分含量降至2%以下，形成粒径450µm～550µm的实心微珠。将烘干的微珠送入专用电加热烧结设备烧结30s，进行闭孔膨化微珠的烧结处理，形成环硅稳矿陶瓷颗粒作为骨料。

根据本发明的实施例，十二烷基苯磺酸钠为白色或淡黄色的粉末，作为造孔剂。在第二浆料中遇水时，十二烷基苯磺酸钠的表面张力的降低，空气被引入水中形成细小均匀的气泡，从而改善路面材料的孔隙结构和轻质性。

图2、图3分别是本发明实施例中基于矿山固废的路面材料的破碎试块宏观形貌图和孔隙结构的扫描电镜图。如图2、图3所示，本发明得到的路面材料内部具有大量微米级孔隙以提高透水性，验证了十二烷基苯磺酸钠作为造孔剂与本发明中第二浆料其他组分的配合具有优秀的适配性。

根据本发明的实施例，水泥作为路面材料的增强剂，可以优选为P.O.42.5普通硅酸盐水泥。

根据本发明的实施例，聚羧酸酯超塑化剂为无色至浅黄色透明液体，作为塑化剂。通过减少水泥颗粒间的摩擦，帮助第二浆料实现更好的流动和均匀性，使其更易于加工和成型的同时保持所需的强度。

根据本发明的实施例，正硅酸乙酯为无色透明液体，用作表面处理剂，以提高路面材料的耐水性和耐化学性。

根据本发明的实施例，磷酸三钠为白色粉末状固体，用作缓凝剂，用来调节第二浆料的黏稠度和流动性。

根据本发明的实施例，生物基聚合物粘结剂作为粘结剂，主要由可再生的生物基聚乳酸和聚丙烯酸酯构成，结合了硅胶微粒和有机多孔微球（如聚苯乙烯多孔微球），增强了抗风蚀、抗摩擦能力并提高了透水性，使其适用于透水砖等建筑材料的制备，可以用于建筑和环境修复领域。

根据本发明的实施例，化学稳定剂可以包括：硫酸钡、磷酸盐、沸石。其中，在第一浆料中，硫酸钡的质量占比为2%～5%，例如可以为2%、2.5%、3%、4%、5%等，磷酸盐的质量占比为1%～3%，例如可以为1%、1.5%、2%、3%等，沸石的质量占比为3%～5%，例如可以为3%、3.5%、4%、5%等。

根据本发明的实施例，硫酸钡为白色粉末、无毒、化学性质稳定，作为化学稳定剂，吸附和沉淀重金属；磷酸盐为白色或无色粉末，能有效稳定化重金属，在混合物中通过与重金属离子反应，减少有害元素的活性；二者配合使用可以使有害重金属元素的固定率大于95%，大幅降低了有害重金属的活性和流动性。如硫酸钡与固废中的铅离子反应，形成硫酸铅（PbSO₄），有效降低了铅离子在水中的溶解度，减少了其对环境的潜在危害；磷酸盐与铅离子和镍离子反应，生成难溶的磷酸盐沉淀，从而将这些重金属离子转化为更稳定的矿物形态，以降低矿山固废的环境风险。沸石呈灰白色或淡黄色，具有多孔结构和离子交换能力，可作为吸附剂，其中沸石中的阳离子（K⁺、Na⁺、Ca²⁺）能被矿山固废中的阳离子（Pb²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺等）取代，有效去除第一浆料中的重金属离子，降低重金属和有害物质的流动性，同时提升混合物的稳定性，从而降低了固废对环境和人体健康的危害风险。

根据本发明的实施例，第一浆料中水灰比可以为0.5～0.6，例如可以为0.5、0.55、0.6等。

根据本发明的实施例，第一浆料的水灰比在该范围内可以确保第一浆料具有良好的流动性和强度，同时促进固废与化学稳定剂的充分反应，以达到理想的环境安全性能。

根据本发明的实施例，第一浆料的搅拌时间可以优选为30min～1h，以实现浆料的均匀混合，确保所有组分，包括化学稳定剂和矿山固废颗粒，均匀分布，从而提高后续环硅稳矿陶瓷颗粒的质量和稳定性。

根据本发明的实施例，矿山固废颗粒和硅砂的质量比可以为75～80：20～25。

根据本发明的实施例，硅砂为透明或略带白色的天然石英砂，主要成分为二氧化硅，用来提高第一浆料中二氧化硅的含量，以确保在烧结和冷却过程中有足够的二氧化硅能够充分地玻化，增强了骨料的结构稳定性，并有效阻断了重金属离子的溶出，进一步减少环境污染。

根据本发明的实施例，矿山固废颗粒的粒径范围可以为200µm～300µm，硅砂的粒径范围为60µm～100µm，环硅稳矿陶瓷颗粒的粒径范围为380µm～470µm。

根据本发明的实施例，硅砂的粒径在60µm～100µm内可以提供足够的表面积以促进有效的化学反应，同时避免过于微细的粉尘问题。

根据本发明的实施例，烧结的操作可以包括：对第一浆料与硅砂混合造粒得到的颗粒进行阶段式升温烧结，得到环硅稳矿陶瓷颗粒。

根据本发明的实施例，阶段式升温烧结的条件可以包括：将颗粒在800℃～850℃的环境下加热5s～10s，使其膨胀，再移至1050℃～1200℃的环境中继续加热10s～15s，使颗粒表面的硅砂发生熔融或半熔融的玻化反应，形成环硅层，最后在5s～10s内冷却至室温。

根据本发明的实施例，环硅稳矿陶瓷颗粒作为骨料采用分阶段的烧结的处理，避免了原料过烧现象，确保了路面材料的稳定性和性能。环硅稳矿陶瓷颗粒不仅提高了矿山固废的利用率，还显著提升了环境保护效能。

根据本发明的实施例，生物基聚合物粘结剂可以由包含以下组成的原料制成：40～60wt%的改性生物基聚乳酸、15～25wt%的硅胶微粒、5～15wt%的聚苯乙烯多孔微球、3～7wt%的二异丙氧基双钛、3～7wt%的松香、3～7wt%的聚丙烯酸酯、3～7wt%的环氧化植物油。

在本发明中涉及的技术术语中，“改性”的含义为通过共聚合与增塑技术对聚乳酸改性，以提高聚乳酸的柔韧性、韧性及环保特性。改性生物基聚乳酸由玉米淀粉等可再生资源在30℃～42℃、pH=6.0～7.0的条件下发酵提炼乳酸，再在180℃至220℃的温度条件下的开环聚合反应制成聚乳酸基体。进一步地，该聚乳酸基体在120℃至160℃下接受共聚合和增塑处理，通过添加共聚单体（例如聚乙二醇、聚己内酯等）和生物基增塑剂来优化其物理性能。作为生物基聚合物粘结剂的基础矩阵，改性生物基聚乳酸不仅构成了生物基聚合物粘结剂的结构核心，还通过其共聚合和增塑改性过程，显著提升了材料的柔韧性和韧性，从而增强了其对多种材料的有效粘接能力。改性生物基聚乳酸与环硅稳矿陶瓷颗粒混合后，通过较高的剪切力进行混合以形成混合均匀的复合材料，提高了路面材料的机械性能和环保性。

根据本发明的实施例，硅胶微粒为透明或略带白色的固体颗粒，粒径60µm～100µm，以二氧化硅为主要成分，作为生物基聚合物粘结剂的增强填料，以提高路面材料的抗风蚀和抗摩擦能力。

根据本发明的实施例，聚苯乙烯多孔微球是轻质的有机材料，通常呈球形微粒状，粒径100µm～500µm，具有多孔结构，以增加生物基聚合物粘结剂的透水性，同时保持路面材料的轻质性。

根据本发明的实施例，二异丙氧基双钛作为环保催化剂，可以催化改性生物基聚乳酸的聚合反应从而得到生物基聚合物粘结剂。

根据本发明的实施例，松香作为可生物降解的稳定剂，是一种清澈透明的天然树脂提取物，具有完全生物降解的特性，能够有效维持生物基聚合物粘结剂的均匀性，防止其在存储和使用过程中出现分层或化学变质。

根据本发明的实施例，聚丙烯酸酯为白色到淡黄色的细小颗粒状，具有优异的水溶性和粘合能力，易于与其他成分混合，可以作为辅助粘结剂，以增强生物基聚合物粘结剂的粘度和柔韧性，改善其的整体性能。

根据本发明的实施例，环氧化植物油作为生物基植物油衍生增塑剂，是一种淡黄到深棕色的粘稠液体，通过环氧化大豆油或亚麻籽油制得。具有优异的耐热性和化学稳定性，能有效提高聚合物的柔韧性，与多种聚合物良好相容，得到性能良好的生物基聚合物粘结剂。

根据本发明的实施例，生物基聚合物粘结剂具有环保与可持续性。一方面，使用可再生的改性生物基聚乳酸和环氧化植物油，保证了生物基聚合物粘结剂具有良好的生物降解性，硅胶微粒和聚苯乙烯多孔微球提升了材料的抗风蚀、抗摩擦以及透水性能；在加工方面，环保催化剂加快了有机物固化，增塑剂提高柔韧性，使得生物基聚合物粘结剂适用于多种应用。本发明中的生物基聚合物粘结剂的天然来源和生物降解特性增加了使用和处理的安全性，产品的一致性和质量，使其在环保、性能和安全性方面均表现出色。

根据本发明的实施例，在制备生物基聚合物粘结剂的过程中，反应的温度可以为20℃～30℃，反应时长可以为18h～30h。

在一些具体的实施例中，生物基聚合物粘结剂的制备过程可以包括：将改性生物基聚乳酸、硅胶微粒、聚苯乙烯多孔微球和聚丙烯酸酯倒入高速搅拌机混合10min～15min，形成混合料；在混合料中依次加入二异丙氧基双钛和松香，继续搅拌约5min～10min以形成更加均匀的均匀料。在均匀料中逐渐加入环氧化植物油，持续搅拌5min～10min，形成增强型均匀料，将增强型均匀料转移到化学反应釜中，在22℃的温度下保持24h，以允许化学反应充分进行，从而得到生物基聚合物粘结剂。

根据本发明的实施例，第二浆料的水灰比范围可以为0.45～0.55，例如可以为0.45、0.5、0.55等。

在一些具体的实施例中，对第二浆料进行压制、静置养护的操作包括：将环硅稳矿陶瓷颗粒放入料仓中，通过制砖机的自动上料系统精准地输送至料斗；布料器将环硅稳矿陶瓷颗粒均匀分布至调速皮带秤上。通过喷胶器将生物基聚合物粘结剂溶液均匀地喷洒在环硅稳矿陶瓷颗粒表面。通过喷淋器分别喷洒聚羧酸酯超塑化剂以及正硅酸乙酯和磷酸三钠的混合溶液。物料在调速皮带秤的引导下进入搅拌器，在搅拌器中，与水泥和十二烷基苯磺酸钠以0.45～0.55的水灰比充分混合，形成有均匀细孔的增塑浆料。再将增塑浆料均匀倾倒至制砖机的模具中，按照特定的体积比压制（例如1.5：1），经过刮平、静压、振捣、脱模、养护20～28天得到基于矿山固废的路面材料。

在本发明的另一方面提出了一种根据上述制备方法得到的路面材料，路面材料可以由包含以下组成的原料制成：60～70wt%的环硅稳矿陶瓷颗粒、15～25wt%的水泥、6～10wt%的生物基聚合物粘结剂、1wt%的十二烷基苯磺酸钠、0.3～0.7wt%的聚羧酸酯超塑化剂、0.2～0.5wt%的正硅酸乙酯、以及0.2～0.5wt%的磷酸三钠。

根据本发明的实施例，优选地，路面材料的原料组分配比可以为：环硅稳矿陶瓷颗粒的质量分数为62.5%、水泥的质量分数为25%、生物基聚合物粘结剂的质量分数为10%、十二烷基苯磺酸钠的质量分数为1%、聚羧酸酯超塑化剂的质量分数为0.5%、正硅酸乙酯的质量分数为0.5%、磷酸三钠的质量分数为0.5%。

在一些具体的实施例中，路面材料可以为具有优异的透水性能和环境改善功能的景观砖，景观砖的尺寸可选为200×100×60毫米、200×200×60毫米、300×300×60毫米等。

需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明一些实施例中，首先可以对矿山固废的采样与检测分析：矿山固废来源于建筑石料用灰岩矿开采，主要由脉石组成。晶体的质量分数组分包括方解石约40%、蛭石30%、钠长石约12%、石英5%、白云石5%、钾长石约5%、角闪石1%、伊利石1%，总和接近100%。此外，矿物成分中还含有一定质量分数组分的铅（Pb，0.004%）、锌（Zn，0.0092%）、镍（Ni，0.0044%）、铬（Cr，0.0035%）、砷（As，0.0003%）等重金属和有害化合物。

环硅稳矿陶瓷颗粒的制备

将矿山固废采用粗磨技术破碎至粒径不超过500µm，再通过二级细磨工艺进一步将破碎后的固废粉碎至200µm～300µm的粒度范围，得到矿山固废颗粒。

向矿山固废颗粒中加入化学稳定剂混合搅拌30min，得到第一浆料。其中，在第一浆料中，硫酸钡的质量占比为3%，磷酸盐的质量占比为2%，沸石的质量占比为5%。

向第一浆料中加入硅砂以0.55的水灰比混合。其中，硅砂与第一浆料中矿山固废颗粒的重量比为25：75。

将混合硅砂后的第一浆料送入喷雾干燥造粒机，雾化热干，形成粒径500µm的实心微珠。实心微珠在旋转式烘干机中以120℃的温度均匀加热40min。将烘干的实心微珠送入专用电加热烧结设备，在控制的烧结温度范围内烧结30s，形成粒径450µm的环硅稳矿陶瓷颗粒。

经过前述方法得到的环硅稳矿陶瓷颗粒对重金属元素进行的处理和固定。图4是本发明实施例中环硅稳矿陶瓷颗粒的元素表征测试图。如图4所示，其中铅、镍等元素并未以可分离的形式出现，验证了本发明中有害元素固定的效果良好，骨料烧结玻化的方法具有突出优势。

生物基聚合物粘结剂的制备

对玉米淀粉进行发酵处理以提取乳酸，其中，发酵温度为30℃，发酵pH值为6.0。在180℃，接近大气压力的条件下，使得乳酸发生开环聚合反应得到聚乳酸基体。在120℃下，向聚乳酸基体中引入兼容的共聚单体（例如聚己内酯）和生物基增塑剂发生共聚和增塑反应，优化聚合物链的性能，得到改性生物基聚乳酸。

将50wt%改性生物基聚乳酸、20wt%硅胶微粒、10wt%聚苯乙烯多孔微球和5wt%聚丙烯酸酯倒入搅拌机混合15min，形成混合料；在混合料中依次加入7wt%二异丙氧基双钛和3wt%松香，继续搅拌约10min以形成更加均匀的均匀料。在均匀料中逐渐加入5wt%环氧化植物油，持续搅拌10min，形成增强型均匀料，将增强型均匀料转移到化学反应釜中，在22℃的温度下保持24h，以允许化学反应充分进行，从而得到生物基聚合物粘结剂。

实施例1

路面材料按以下组分和重量计配制：62.5wt%的环硅稳矿陶瓷颗粒、25wt%的水泥、10wt%的生物基聚合物粘结剂、1wt%的十二烷基苯磺酸钠、0.5wt%的聚羧酸酯超塑化剂、0.5wt%的正硅酸乙酯、以及0.5wt%的磷酸三钠。

将环硅稳矿陶瓷颗粒作为骨料送入制砖机，制砖机的喷胶系统和喷淋系统依次在骨料表面均匀地喷洒生物基聚合物粘结剂溶液、羧酸酯超塑化剂、正硅酸乙酯与磷酸三钠的混合溶液。将物料进入自动搅拌系统，在搅拌器中与水泥、十二烷基苯磺酸钠以0.45的水灰比充分混合，形成第二浆料。将第二浆料倒入制砖机模具，按1.5：1的体积比压制，完成制砖过程后进行28天养护，得到基于矿山固废基的路面材料。

实施例2

与实施例1不同的是，路面材料按以下组分和重量计配制：60wt%的环硅稳矿陶瓷颗粒、27.5wt%的水泥、10wt%的生物基聚合物粘结剂、1wt%的十二烷基苯磺酸钠、0.5wt%的聚羧酸酯超塑化剂、0.5wt%的正硅酸乙酯、以及0.5wt%的磷酸三钠。

实施例3

与实施例1不同的是，路面材料按以下组分和重量计配制：70wt%的环硅稳矿陶瓷颗粒、17.5wt%的水泥、10wt%的生物基聚合物粘结剂、1wt%的十二烷基苯磺酸钠、0.5wt%的聚羧酸酯超塑化剂、0.5wt%的正硅酸乙酯、以及0.5wt%的磷酸三钠。

对比例1

多孔集水海绵砖的配料：水泥的质量分数为10～20%、粒径200~400μm黄金尾矿矿渣开孔空心微珠的质量分数为45～65%、模数为3.2～3.5的硅酸钠的质量分数为5～15%、烧失量为1.1%的粉煤灰的质量分数为3～10%、聚乙烯醇吸水树脂纤维的质量分数为0.5～3.0%、粒径为100～150μm活性炭的质量分数为10～30%。按配料表取样并混合均匀，将混合料以0.5～0.7的水灰比调浆，加入混合料总重量为0.2%～1.0%的铝粉膏，铝粉膏水化反应生成气泡，形成多孔膨胀吸水浆液，将膨胀吸水浆液搅拌均匀倒入海绵砖压制机的试模中，经刮平、压制、脱模、晾干，制成多孔集水海绵砖。

测试例

使用孔隙率测量仪按照GB/T21650.1-2008标准进行连通孔隙率测试，以评估材料的透水性能。执行三点弯曲测试，依照GB/T50081-2002标准，测定材料的抗折强度，以确认其结构强度。使用压力测试机根据GB/T50081-2002标准测定材料的常温耐压强度，以评价其耐久性。通过恒水头或变水头渗透试验，依据GB/T50123-2019标准测定透水系数，以确定材料的水排除能力。将材料在蒸馏水中浸泡30天，按照HJ/T299-2007标准进行水质分析，评估其环境安全性，确保无有毒有害物质浸出。

通过这些步骤，全面评估本发明中基于矿山固废的路面材料以及对比例中材料的综合性能，其结果记录于表1。

表1

由表1对比分析结果可知：本发明实施例1-3中制备得到的矿山固废基生态修复型路面材料，在抗压强度和透水系数方面均满足或优于控制指标。其中实施例1、2、3的抗压强度分别为38.4MPa、39.6MPa、34.1MPa，透水系数分别为3.56×10^-2cm/s、3.25×10^-2cm/s、4.0×10^-2cm/s，表现出较高的性能优势。

与对比例1相比，本发明实施例1-3在抗压强度和透水系数上均有更好的表现，对比例1的抗压强度为32.4MPa，透水系数为1.8×10^-2cm/s，明显低于实施例1-3的结果。与相关标准相比，本发明实施例1-3在抗压强度上远超标准要求，这显示出其在路面材料性能方面的显著优势。

在固废掺加量方面，实施例1-3的比例分别为50%、48%、56%，远高于控制指标的10%，反映了本发明提出的基于矿山固废的路面材料在环保和资源循环利用方面的优势。尤其与对比例1的36%相比，展示了其环境友好性。

综合来看，本发明的实施例制得的路面材料在抗压强度、透水系数和固废掺加量等关键性能指标上，不仅满足行业标准，而且相较于对比例1显示出了更优的性能表现。这些数据强调了本发明路面材料的高性能和在生态环保方面的潜在优势。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于矿山固废的路面材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

对矿山固废进行粉碎研磨，得到矿山固废颗粒；

将所述矿山固废颗粒与化学稳定剂混合得到第一浆料，再将所述第一浆料与硅砂进行混合造粒和烧结，得到表面玻化的环硅稳矿陶瓷颗粒，其中，所述化学稳定剂包括：硫酸钡、磷酸盐、沸石，在所述第一浆料中，所述硫酸钡的质量占比为2%～5%，所述磷酸盐的质量占比为1%～3%，所述沸石的质量占比为3%～5%；

将改性生物基聚乳酸、硅胶微粒、聚苯乙烯多孔微球和聚丙烯酸酯混合搅拌，再加入二异丙氧基双钛、松香、环氧化植物油搅拌，经反应后得到生物基聚合物粘结剂，其中，所述生物基聚合物粘结剂包含以下组成的原料制成：40～60wt%的改性生物基聚乳酸、15～25wt%的硅胶微粒、5～15wt%的聚苯乙烯多孔微球、3～7wt%的二异丙氧基双钛、3～7wt%的松香、3～7wt%的聚丙烯酸酯、3～7wt%的环氧化植物油；

将所述环硅稳矿陶瓷颗粒与所述生物基聚合物粘结剂、水泥和添加剂湿法混合，得到第二浆料，其中，所述添加剂包括聚羧酸酯超塑化剂、正硅酸乙酯、磷酸三钠和十二烷基苯磺酸钠；

对所述第二浆料进行压制、静置养护，得到所述路面材料；

其中，所述路面材料包含以下组成的原料制成：60～70wt%的环硅稳矿陶瓷颗粒、15～25wt%的水泥、6～10wt%的生物基聚合物粘结剂、1wt%的十二烷基苯磺酸钠、0.3～0.7wt%的聚羧酸酯超塑化剂、0.2～0.5wt%的正硅酸乙酯、以及0.2～0.5wt%的磷酸三钠。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述第一浆料中水灰比为0.5～0.6；

所述矿山固废颗粒和所述硅砂的质量比为75～80：20～25。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述矿山固废颗粒的粒径范围为200µm～300µm；

所述硅砂的粒径范围为60µm～100µm；

所述环硅稳矿陶瓷颗粒的粒径范围为380µm～470µm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的操作包括：对所述第一浆料与硅砂混合造粒得到的颗粒进行阶段式升温烧结，得到所述环硅稳矿陶瓷颗粒。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述阶段式升温烧结包括：将所述颗粒在800℃～850℃的环境下加热5s～10s，再在1050℃～1200℃的环境中加热10s～15s，再在5s～10s内冷却至室温。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在制备所述生物基聚合物粘结剂的过程中，所述反应的温度为20℃～30℃，反应时长为18h～30h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二浆料的水灰比范围为0.45～0.55。

8.一种如权利要求1～7任一项所述的制备方法得到的路面材料。