一种固废基超缓凝胶凝材料及其制备方法和应用

摘要

本发明属于固废材料综合利用技术领域，尤其涉及一种固废基超缓凝胶凝材料及其制备方法和应用。本发明所述材料包括以下重量份的组分：粉煤灰80‑100份、矿渣粉40‑60份、脱硫石膏5‑15份、硅酸钠5‑10份。本发明所述材料主要由矿渣粉、粉煤灰等固废材料制备而成，具有良好的物理力学性能，具备应用于路床处置和稳定碎石基层的条件。不仅可以消耗大量的赤泥等固废材料，又可以减少工程建设对水泥、石灰等原材的需求，极大地降低了工程造价，在道路工程中将具有重要的社会和经济效益，而且克服了目前有机酸及其盐类缓凝剂初凝时间短的问题，能够满足某些特殊施工需求。

权利要求

1.一种固废基超缓凝胶凝材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：粉煤灰80‑100份、矿渣粉40‑60份、脱硫石膏5‑15份、硅酸钠5‑10份；所述固废基超缓凝胶凝材料的比表面2

积不低于400m/kg。

2.根据权利要求1所述的固废基超缓凝胶凝材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：粉煤灰95份、矿渣粉50份、脱硫石膏8份、硅酸钠6份。

3.根据权利要求1所述的固废基超缓凝胶凝材料，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，其中二氧化硅、氧化铝和氧化铁的综合含量大于75%；所述矿渣粉为S95级矿渣。

4.根据权利要求1所述的固废基超缓凝胶凝材料，其特征在于，所述脱硫石膏符合GB/T23456‑2009标准要求，其中P2O5重量含量为0.6～0.8%，放射性满足GB6566标准要求；所述硅酸钠为工业固体硅酸钠，其可溶性固体不小于98.5wt%，模数为1.2‑1.5。

5.权利要求1‑4任一所述的固废基超缓凝胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将粉煤灰、脱硫石膏、矿渣粉、硅酸钠烘干并研磨；

S2：将各组分按比例进行称量；

S3：将称量好的各组分无先后顺序添加，搅拌，将搅拌好的材料装袋，即得到所述的固废基超缓凝胶凝材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，研磨的时间为2‑3h；所述步骤S3中，搅拌的时间不少于1h。

7.权利要求1‑4任一所述的固废基超缓凝胶凝材料的应用，其特征在于，所述材料应用于道路基层。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的固废基超缓凝胶凝材料用于制备道路基层用无机结合料稳定材料，所述无机结合料稳定材料主要包括权利要求1‑4任一所述固废基超缓凝胶凝材料、碎石和水，其中所述固废基超缓凝胶凝材料的重量比为4%‑8%。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述碎石包括20‑30mm、10‑20mm、5‑10mm的碎石和0‑5mm石粉，级配比例为20‑30mm碎石：10‑20mm碎石：5‑10mm碎石：0‑5mm石粉=30:22:

19:29；所述水为工程拌合用水。

说明书

一种固废基超缓凝胶凝材料及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于固废材料综合利用技术领域，尤其涉及一种固废基超缓凝胶凝材料及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 随着我国公路的快速发展，对筑路原材料的需求也越来越大，碎石的开采及水泥的生产对生态造成了严重的破坏，对环境造成了污染。目前我国沥青路面半刚性（底）基层材料主要是水泥稳定碎石，路床改良多为水泥土或石灰土。石灰和水泥的生产会产生大量二氧化碳，对空气造成严重污染，危害人类健康。目前，为了保护环境，多个地区的石厂、砂厂已全部关闭，这造成了道路建设所需材料的紧缺，原材料质量难以保障，对工程产生较大的质量隐患。

[0003] 目前有机酸及其盐的缓凝剂达到初凝时间仅几小时之内，甚至几百分钟，远不能满足某些特殊施工需求，比如道路路基施工时的连铺作业。此外，矿渣、尾矿等工业固废历史堆存量大、新增量大，对环境造成了巨大压力，利用任务十分艰巨。如果能够将固废材料成功应用于路床改良和路面基层，既可以消耗大量的固废材料，又可以减少工程建设对水泥、石灰等原材的需求，因此推进固废基超缓凝胶凝材料在道路工程中应用将具有重要的社会和经济效益。

发明内容

[0004] 为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种固废基超缓凝胶凝材料及其制备方法和应用，所述材料不仅可以消耗大量的固废材料，而且克服了目前有机酸及其盐类缓凝剂初凝时间短的问题，能够满足某些特殊施工需求。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0006] 本发明的目的之一是公开了一种固废基超缓凝胶凝材料，包括如下组分：粉煤灰、矿渣粉、脱硫石膏、硅酸钠。

[0007] 优选的，所述固废基超缓凝胶凝材料包括如下重量份的组分：粉煤灰80‑100份、矿渣粉40‑60份、脱硫石膏5‑15份、硅酸钠5‑10份。

[0008] 优选的，所述的固废基超缓凝胶凝材料包括如下重量份的组分：粉煤灰95份、矿渣粉50份、脱硫石膏8份、硅酸钠6份。

[0009] 优选的，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，二氧化硅、氧化铝和氧化铁的综合含量大于75%。

[0010] 优选的，所述所述矿渣粉为S95级矿渣。

[0011] 优选的，所述脱硫石膏符合GB/T 23456‑2009标准要求，其中P2O5重量含量为0.6～0.8%，放射性满足GB6566标准要求。

[0012] 优选的，所述硅酸钠为工业固体硅酸钠，其可溶性固体不小于98.5wt%，模数为1.2‑1.5。

[0013] 优选的，所述固废基超缓凝胶凝材料的比表面积不低于400m2/kg。

[0014] 本发明的目的之二是公开了所述固废基超缓凝胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

[0015] S1：将粉煤灰、脱硫石膏、矿渣粉、硅酸钠烘干并研磨；

[0016] S2：将各组分按比例进行称量；

[0017] S3：将称量好的各组分无先后顺序添加，搅拌，将搅拌好的材料装袋，即得到所述的固废基超缓凝胶凝材料。

[0018] 优选的，所述步骤S1中，研磨的时间为2‑3h；所述步骤S3中，搅拌的时间不少于1h。

[0019] 本发明的目的之三是公开了所述固废基超缓凝胶凝材料在道路基层方面的应用。

[0020] 本发明具体公开了所述的固废基超缓凝胶凝材料用于制备道路基层用无机结合料稳定材料，所述无机结合料稳定材料主要包括上述任一所述固废基超缓凝胶凝材料、碎石和水，其中所述固废基超缓凝胶凝材料的重量比为4%‑8%。

[0021] 优选的，所述碎石包括20‑30 mm、10‑20 mm、5‑10 mm的碎石和0‑5 mm石粉，级配比例为20‑30mm碎石：10‑20mm碎石：5‑10mm碎石：0‑5mm石粉=30:22:19:29。

[0022] 优选的，所述水为工程拌合用水。

[0023] 有益效果

[0024] 本发明公开了一种摆脱钢渣、水泥、熟料的束缚，绿色环保成本低的超缓凝胶凝材料，主要由矿渣粉、粉煤灰等固废材料制备而成，具有良好的物理力学性能，具备应用于路床处置和稳定碎石基层的条件。将本发明所述的固废基超缓凝胶凝材料应用于路面基层填筑，不仅可以消耗大量的赤泥等固废材料，又可以减少工程建设对水泥、石灰等原材的需求，极大地降低了工程造价，在道路工程中将具有重要的社会和经济效益，而且克服了目前有机酸及其盐类缓凝剂初凝时间短的问题，能够满足某些特殊施工需求。

[0025] 本发明对不同配方的固废基超缓凝胶凝材料进行物理性能测试，其缓凝时间和强度具有道路基层或者底基层使用的潜在条件。本发明利用优选的实施例进行路用性能研究，通过击实试验确定最佳含水量与最大干密度，并以此为基础制备稳定材料无侧限抗压试件，结果显示本发明制备的固废基超缓凝胶凝材料稳定碎石具有良好的物理力学性能，具备应用于稳定碎石基层的条件。

具体实施方式

[0026] 以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。

[0027] 以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。

[0028] 以下实施例中的原料说明如下：

[0029] 粉煤灰：所用的粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，SiO2、Al2O3和Fe2O3总含量为77.6%，烧失量6.2%。

[0030] 矿粉：所用的矿渣粉为S95级矿渣，亲水系数为0.6。

[0031] 脱硫石膏：所用的脱硫石膏符合GB/T 23456‑2009标准要求，其中P2O5重量含量为0.6～0.8%，放射性满足GB6566标准要求。

[0032] 硅酸钠：所用的硅酸钠为工业固体硅酸钠，其可溶性固体不小于98.5wt%，模数为1.4。

[0033] 实施例1

[0034] 本实施例所述的固废基超缓凝胶凝材料组成配比如下表1所示。

[0035] 表1.实施例1的固废基超缓凝胶凝材料配比

[0036]

[0037] 上述固废基超缓凝胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

[0038] S1：将粉煤灰、脱硫石膏、矿渣粉、硅酸钠烘干并研磨；

[0039] S2：将各组分按比例进行称量；

[0040] S3：将称量好的各组分无先后顺序添加，搅拌，将搅拌好的材料装袋，即得到所述的固废基超缓凝胶凝材料。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例所述的固废基超缓凝胶凝材料组成配比如下表2所示。

[0043] 表2.实施例2的固废基超缓凝胶凝材料配比

[0044]

[0045] 实施例3

[0046] 本实施例所述的固废基超缓凝胶凝材料组成配比如下表3所示。

[0047] 表3.实施例3的固废基超缓凝胶凝材料配比

[0048]

[0049] 实施例4

[0050] 本实施例所述的固废基超缓凝胶凝材料组成配比如下表4所示。

[0051] 表4.实施例4的固废基超缓凝胶凝材料配比

[0052]

[0053] 对比例1

[0054] 本对比例所述的胶凝材料为缓凝硅酸盐P.O 32.5水泥。

[0055] 对比例2

[0056] 本对比例所述的胶凝材料为缓凝硅酸盐P.O 42.5水泥。

[0057] 实验例1——固废基超缓凝胶凝材料物理性能测试

[0058] 将实施例1‑4与对比例1‑2所述的胶凝材料分别制备胶砂试件进行性能测试。试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420‑2020）进行试验，由于本发明提供的固废基超缓凝胶凝材料适用于路面基层使用，在实施过程中除强度试验外，额外考虑了凝结时间与安定性。

[0059] 强度试件中成型胶砂试件的胶砂比为1:3，水灰比为1:2，强度试验通过电动抗压抗折一体机进行测试。具体测试结果如表5所示。

[0060] 表5.固废基超缓凝胶凝材料物理性能测试结果

[0061]

[0062] 从表5中的数据可知，由于凝结时间较长，本发明所述的固废基超缓凝胶凝材料的3天强度略低于普通缓凝硅酸盐水泥，但实施例4的28天强度与P.O 42.5水泥的抗压抗折强度相当，并且实施例4所述固废基超缓凝胶凝材料的强度相对较高，并且凝结时间可满足路基三层连铺，具有道路基层或者底基层使用的潜在条件。

[0063] 以此为基础，对本发明优选实施例4的固废基超缓凝胶凝材料进行稳定碎石配合比设计，制备无机结合料稳定材料。

[0064] 将实施例4的固废基超缓凝胶凝材料应用于稳定碎石基层如以下实施例5‑9所示。

[0065] 实施例5

[0066] 本实施例所述的无机结合料稳定材料，主要包括固废基超缓凝胶凝材料、碎石和水，其中赤泥基胶凝材料的掺量为4%。

[0067] 所述碎石为20‑30mm、10‑20mm、5‑10mm的碎石和0‑5mm石粉，级配比例为20‑30mm：10‑20mm：5‑10mm：0‑5mm = 30:22:19:29。

[0068] 所述水为工程拌合用水。

[0069] 实施例6

[0070] 本实施例所述的无机结合料稳定材料，主要包括固废基超缓凝胶凝材料、碎石和水，其中赤泥基胶凝材料的掺量为5%。

[0071] 所述碎石为20‑30mm、10‑20mm、5‑10mm的碎石和0‑5mm石粉，级配比例为20‑30mm：10‑20mm：5‑10mm：0‑5mm = 30:22:19:29。

[0072] 所述水为工程拌合用水。

[0073] 实施例7

[0074] 本实施例所述的无机结合料稳定材料，主要包括固废基超缓凝胶凝材料、碎石和水，其中赤泥基胶凝材料的掺量为6%。

[0075] 所述碎石为20‑30mm、10‑20mm、5‑10mm的碎石和0‑5mm石粉，级配比例为20‑30mm：10‑20mm：5‑10mm：0‑5mm = 30:22:19:29。

[0076] 所述水为工程拌合用水。

[0077] 实施例8

[0078] 本实施例所述的无机结合料稳定材料，主要包括固废基超缓凝胶凝材料、碎石和水，其中赤泥基胶凝材料的掺量为7%。

[0079] 所述碎石为20‑30mm、10‑20mm、5‑1 mm的碎石和0‑5mm石粉，级配比例为20‑30mm：10‑20mm：5‑10mm：0‑5mm = 30:22:19:29。

[0080] 所述水为工程拌合用水。

[0081] 实施例9

[0082] 本实施例所述的无机结合料稳定材料，主要包括固废基超缓凝胶凝材料、碎石和水，其中赤泥基胶凝材料的掺量为8%。

[0083] 所述碎石为20‑30mm、10‑20mm、5‑10mm的碎石和0‑5mm石粉，级配比例为20‑30mm：10‑20mm：5‑10mm：0‑5mm = 30:22:19:29。

[0084] 所述水为工程拌合用水。

[0085] 实验例2——固废基超缓凝胶凝材料路用性能测试

[0086] 试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51‑2009）进行试验，将实施例6‑9所述的无机结合料稳定材料通过击实试验确定最佳含水量与最大干密度，并以此为基础按照98%压实度制备无机结合料稳定材料无侧限抗压试件，养护采用标准养生方法。实验结果如表6所示。

[0087] 表6.不同固废基超缓凝胶凝材料掺量下的路用性能

[0088]

[0089] 通过表6可以发现，本发明制备的固废基超缓凝胶凝材料稳定碎石具有良好的物理力学性能，具备应用于稳定碎石基层的条件。若将其大规模应用，不仅可以消耗大量的粉煤灰、矿渣粉等固废材料，又可以减少工程建设对水泥、石灰等原材的需求，极大降低工程造价，具有重要的社会和经济效益。

[0090] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。