一种工业固废基绿色高性能路用胶凝材料及其应用

技术领域

本发明涉及公路工程施工领域，具体涉及一种工业固废基绿色高性能路用胶凝材料及其应用。

背景技术

众所周知，公路建设与养护是高资源占用、高能耗、高碳排放领域，是节能减排的重点领域；每年消耗砂石等材料30～40亿吨，其中优质集料10亿吨；每生产1吨热拌沥青混合料，需消耗7～9公斤燃烧油，排放18公斤左右的二氧化碳以及大量沥青烟等有毒有害气体；水泥固化土做基层或水泥作为路面修补材料不仅水泥本身就是一种在生产过程中高耗能和高污染的原料，且水泥固化土往往存在工作性能差、耐久性差、养护时间长、延迟开放交通等问题，无法适应复杂的工程环境。以上公路工程中常用的原材料及施工工艺，普遍存在工程性价比较低、公路维护费用较高及投资经济效益与环境效益不显著等问题。工业固废基绿色胶凝材料固化土做基层或作为路面修补材料，在性能满足规范要求情况下，不仅成本低廉，节能降碳，而且施工工艺短，设备投资少，有效提高工程效率同时能解决固废消纳问题，投资回报率高，环境效益显著。因此有必要开发一种新型的路用胶凝材料，来解决路用基层固化及路面缺陷修补工程中存在的问题，推动整个行业在公路工程施工技术上的进步。

中国专利CN105228971A，该发明公开一种地质聚合物混合设计方法，通过混合含有铝硅酸盐组分的基本材料、碱性活化剂及水来制备地质聚合物，按照选择基本材料和碱性活化剂、预处理基本材料、基本材料和碱性活化剂的组成分析、计算每单位重量的材料中Si、Al、Na、H的相应摩尔数、设定地质聚合物主要因子的标准值、计算基本材料碱性活化剂及水的混合比率步骤，制备地质聚合物混合材料。中国专利CN201310488582.8，该发明公开一种水泥稳定基层材料、制备、应用和道路基层制备方法，利用碱性矿渣、水泥和基料，基料包括脱硫石膏和碎石，道路基层按照常规制备工艺和条件制备即可，该材料延缓了水泥的凝结时间，提高材料的强度、密实性、保水性、耐水性、抗收缩开裂性、抗冻融性、抗水损和抗硫酸盐侵蚀性，开拓了脱硫石膏的新用途，有效的保护了环境。中国专利CN112645626A，该发明公开一种钢渣基高活性掺合料及其制备方法，利用热闷钢渣、矿渣、粉煤灰和激发剂制备胶凝材料，主体材料中热闷钢渣、矿渣和粉煤灰的质量比为55-65；25-30；10-15，材料生产成本低、活性高，可为钢渣的资源化利用提供切实可行的技术方案，符合绿色发展理念。但是上述发明提供的胶凝材料存在以下缺点：在配置原料上复杂，外加剂使用频繁、制备过程复杂、养护时间长，且制备成的胶凝材料存在凝结时间不可调，使用范围窄等问题。

发明内容

基于以上不足，本发明提出一种工业固废基绿色高性能路用胶凝材料。

本发明提供如下技术方案：

一种工业固废基绿色高性能路用胶凝材料，包括反应基材、活性激发剂、碱性外加剂和水；所述反应基材为钢渣和矿渣，所述钢渣、矿渣的质量比为1:4～1:1；所述活性激发剂为脱硫石膏，所述活性激发剂的质量占胶凝材料中固体总质量的10％～40％；所述碱性外加剂为水玻璃和氢氧化钠混合而成，所述碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量的1％～4％；所述水的质量占胶凝材料中固体总质量的0.4％～0.55％。

工业固废基绿色高性能路用胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)碱性外加剂的制备：向水玻璃中加入氢氧化钠将其模数调整至1.0。

(2)胶凝材料的制备：将钢渣和矿渣、活性激发剂按照比例加入搅拌器中，将干粉料慢速干拌，再将制备好的碱性激发剂和水按照相应比一同倒入搅拌器中，慢速搅拌，之后再快速搅拌，总搅拌时间不少于3min，搅拌完成后得到胶凝材料。

优选地，所述矿渣粉磨至比表面积大于等于500㎡/kg，7d活性大于等于95％；所述钢渣粉磨至的目数大于等于200目，28d活性大于等于95％，所述钢渣颗粒直径大于所述矿渣直径。

优选地，所述脱硫石膏磨细到0.2mm孔径筛筛余量小于10％。

优选地，所述水玻璃为工业级水玻璃，所述氢氧化钠为固态颗粒。

优选地，所述水玻璃为硅酸钠水玻璃。

本发明可作为道路基层固化材料、可作为道路基层修补材料及低等级道路基层固化材料来应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)：本发明通过钢渣、矿渣、脱硫石膏、碱性添加剂与水的不同配比制备而成，在满足强度要求的情况下，改变其配比就可实现材料凝结时间和流动度可调，从而提高了材料使用的综合性能；

(2)：本发明提供的胶凝材料在制备中材料为钢渣、矿渣、脱硫石膏和碱性添加剂四种，材料种类少，制备方法和水泥类似，在现场施工时，只需要将配置好的碱性添加剂和水混合加入钢渣、矿渣和脱硫石膏拌合料中即可，操作简单；活性激发剂可以提高材料的反应活性，减少碱性添加剂掺量并且调节材料工作性能；同时碱性添加剂可以提高材料ph值，在短时间内将钢渣和矿渣溶解解聚，使浆液中产生大量可供水化反应的离子，保证浆液的早期强度；钢渣中的游离氧化钙反应膨胀可缩小材料在后期脱水缩聚的干缩，降低干缩率，提高材料的耐久性；

(3)：本发明本路用胶凝材料具有强度、凝结时间、流动度和28d干缩率等路用胶凝材料性能指标稳定的特定，且可以在3d龄期抗压强度达到20Mpa，早期强度高，可广泛用于道路基层施工、路面修补等需要在早期达到高强度的工程，凝结时间较长时可用于低等级路面固化材料，相对于传统的沥青碎石、水泥等材料，成本低、能耗低且耐久性更好，相对于现有技术而言，本材料存在性能稳定、早期强度高、操作简单等优点。

附图说明

图1：以3d抗压强度为指标分析图。

图2：以3d抗折强度为指标分析图。

图3：以28d抗压强度为指标分析图。

图4：以28d抗折强度为指标分析图。

图5：以流动度为指标分析图。

图6：以初凝时间为指标分析图。

图7：以终凝时间为指标分析图。

图8：以28d干缩率为指标分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：一种工业固废基绿色高性能路用胶凝材料，包括反应基材、活性激发剂、碱性外加剂和水；反应基材为钢渣和矿渣，所述钢渣、矿渣的质量比为1:4～1:1；活性激发剂为脱硫石膏，所述活性激发剂的质量占胶凝材料中固体总质量的10％～40％；碱性外加剂为水玻璃和氢氧化钠混合而成，所述碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量的1％～4％；水的质量占胶凝材料中固体总质量的0.4％～0.55％。

工业固废基绿色高性能路用胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)碱性外加剂的制备：向水玻璃中加入氢氧化钠将其模数调整至1.0～2.0；

(2)胶凝材料的制备：将钢渣和矿渣、活性激发剂按照比例加入搅拌器中，将干粉料慢速干拌，再将制备好的碱性激发剂和水按照相应比一同倒入搅拌器中，慢速搅拌，之后再快速搅拌，总搅拌时间不少于3min，搅拌完成后得到胶凝材料。

其中，矿渣粉磨至比表面积大于等于500㎡/kg，7d活性大于等于95％；钢渣粉磨至的目数大于等于200目，28d活性大于等于95％，钢渣颗粒直径大于所述矿渣直径。

其中，所述脱硫石膏磨细到0.2mm孔径筛筛余量小于10％。

其中，水玻璃为工业级水玻璃，水玻璃为硅酸钠水玻璃；氢氧化钠为固态颗粒。

本实施例中，钢渣作为反应基材，本身含有与水泥近似的活性矿物，包括硅酸三钙与硅酸二钙，具备一定的胶凝活性，但是由于其经过高温冶炼，本身活性成分氧化，使得钢渣具有一定的惰性，需要在碱性较强的环境中才能缓慢分解。钢渣在反应基材中占据较小比例，一方面可以利用钢渣吸水性差的特性，使得材料具有较好的工作性能，另一方面可以利用钢渣持续提供反应需要的CaO、MgO等成分，保障材料强度的持续发展。

矿渣中富含CaO、MgO、SiO

脱硫石膏的中富含二水石膏与半水石膏，与钢渣矿渣混合具有活性激发作用，常用作硫酸盐激发剂，实验研究发现，脱硫石膏掺量低于10％，材料早期强度较低，无法起到有效激发作用，并且需要大量的碱性外加剂才能使材料达到PO32.5水泥水平，当脱硫石膏掺量在40％以上，材料强度虽然能够得到保障，但是材料工作性能大幅度降低，流动度与凝结时间较小，不满足工程需要。

水玻璃与氢氧化钠混合液作为碱性外加剂，为材料提供碱性环境，加速材料解聚过程，使材料具有较高的早期强度；水胶比大小直接影响到材料反应速率与强度发展，较小的水胶比在满足材料水化反应所需水分的同时，使得材料硬化后产生少量的较小孔隙，结构更为致密，强度较高。水胶比较大时，材料与水充分接触，反应速率较快，但是会使材料中产生大量气泡，影响材料缩聚成团，不利于强度增长，经过实验研究发现材料在0.4～0.55水胶比情况下较为适宜。

在本实施例中，以上材料配比范围过大，选择设计正交实验对材料配比进行优化，并且对实验结果进行分析。为了综合考虑材料力学强度(包括3d和28d抗压抗折强度)、工作性能(包括流动度、初凝时间和终凝时间)和28d干缩率，运用功效系数法选择满足施工要求的配合比。

如图1所示，以3d抗压强度为指标，实验发现钢渣/矿渣为水平2(质量比为1：3)、脱硫石膏掺量为水平4(脱硫石膏的质量占胶凝材料中固体总质量40％)、水玻璃模数为水平1(1.0)、碱当量为水平3(碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量3％)及水胶比为水平1(水的质量占胶凝材料中固体总质量的0.4)时，强度均值最高。

如图2所示，以3d抗折强度为指标，实验发现钢渣/矿渣为水平2(质量比为1：3)、脱硫石膏掺量为水平4(脱硫石膏的质量占胶凝材料中固体总质量40％)、水玻璃模数为水平1(1.0)、碱当量为水平3(碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量3％)及水胶比为水平1(0.4)时，强度均值最高。

如图3所示，以28d抗压强度为指标，实验发现钢渣/矿渣为水平2(质量比1：3)、脱硫石膏掺量为水平4(脱硫石膏的质量占胶凝材料中固体总质量40％)、水玻璃模数为水平1(1.0)、碱当量为水平3(碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量3％)及水胶比为水平1(水的质量占胶凝材料中固体总质量的0.4)时，强度均值最高。

如图4所示，以28d抗折强度为指标，实验发现钢渣/矿渣为水平2(质量比1：3)、脱硫石膏掺量为水平4(脱硫石膏的质量占胶凝材料中固体总质量40％)、水玻璃模数为水平1(1.0)、碱当量为水平3(碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量3％)及水胶比为水平1(水的质量占胶凝材料中固体总质量的0.4)时，强度均值最高。

如图5所示，以流动度为指标，实验发现脱硫石膏掺量的增加会影响材料工作性能，降低材料流动度，当净浆流动度大于180mm时才能满足施工要求。

如图6所示，初凝时间为指标，不同材料配合比情况下，凝结时间产生显著差异，当初凝时间大于90min时，才能避免由于材料过早失去塑性而影响施工质量，满足路面工程施工要求。

如图7所示，以终凝时间为指标，不同材料配合比情况下，凝结时间差异显著，当终凝时间大于90min且小于490min时，才能避免凝结硬化时间过长而影响施工进度，满足路面工程施工要求。

如图8所示，以28d干缩率为指标，在不同材料配合比情况下，28d干缩率差异显著，对于净浆干缩率并没有相应的规范标准，28d干缩率越小，材料抗干燥收缩能力越强。当干缩率较小时，可以避免因过大的干燥裂缝而造成路面破坏，满足路面工程施工要求。

正交设计考察8个指标，表1给每个考核指标赋予一个功效系数，效果最好时赋值为1，其余各考核指标赋值为该指标与最好指标值的比值。8个考核指标的功效系数的8次方根，即为总功效系数，总功效系数的大小用来表示8个指标总的优劣情况。

实施例二：一种工业固废基绿色高性能路用胶凝材料制备，其中反应基材钢渣、矿渣质量比分别为1：2；活性激发剂占总质量的10％；碱性外加剂模数为1.0；碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量的3％；水胶比取为0.4的比例进行胶凝材料的配置。

本发明所述工业固废基绿色高性能路用胶凝材料制备方法具体为如下步骤：

(1)按质量比为1：2准备钢渣、矿渣混合制成反应基材；按照占胶凝材料中固体总质量的10％占比称取脱硫石膏，并将水玻璃和氢氧化钠按照比例配置成1.0模数的碱性外加剂，其中，碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量的3％；水的质量占胶凝材料中固体总质量的40％；

(2)按照配合比将钢渣、矿渣和脱硫石膏倒入到水泥搅拌机内，慢搅30s将固体材料搅拌均匀，搅拌时缓慢加入碱性外加剂和水，慢搅30s然后快搅120s，通过机械搅拌混合均匀，总搅拌时间不少于3min。

(3)将搅拌好的浆液一部分用于测试浆液的流动度和凝结时间；另一部分的浆液倒入准备好的40*40*160mm三联模中，并放入养护箱中进行养护，分别测3d、7d、和28d的抗压抗折强度。

经测量，该注浆材料的初凝时间117min，终凝时间173min，流动度224mm，3d抗压强度21.56MPa，7d抗压强度28.36MPa，28d抗压强度36MPa；3d抗折强度4.86MPa，7d抗折强度6.05MPa，28d抗折强度6.12MPa该胶凝材料具有较高的早期强度，后期的抗压抗折强度也超过了PO32.5的水平，可用于道路基层固化材料。

实施例三：一种工业固废基绿色高性能路用胶凝材料制备，其中反应基材钢渣、矿渣质量比分别为1：3；活性激发剂占总质量的40％；碱性外加剂模数为1.0；碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量的2％；；水胶比取为0.45的比例进行胶凝材料的配置。

本发明所述工业固废基绿色高性能路用胶凝材料制备方法具体为如下步骤：

(1)按质量比为1：3准备钢渣、矿渣混合制成反应基材；按照占胶凝材料中固体总质量的40％占比称取脱硫石膏，并将水玻璃和氢氧化钠按照比例配置成1.0模数的碱性外加剂，其中，碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量的2％；水的质量占胶凝材料中固体总质量的45％；

(2)按照配合比将钢渣、矿渣和脱硫石膏倒入到水泥搅拌机内，慢搅30s将固体材料搅拌均匀，搅拌时缓慢加入碱性外加剂和水，慢搅30s然后快搅120s，通过机械搅拌混合均匀，总搅拌时间不少于3min。

(3)将搅拌好的浆液一部分用于测试浆液的流动度和凝结时间；另一部分的浆液倒入准备好的40*40*160mm三联模中，并放入养护箱中进行养护，分别测3d、7d、和28d的抗压抗折强度。

经测量，该胶凝材料的初凝时间46min，终凝时间235min，流动度320mm，3d抗压强度23.44MPa，7d抗压强度34.7MPa，28d抗压强度42.74MPa；3d抗折强度4.54MPa，7d抗折强度5.81MPa，28d抗折强度7.21MPa该胶凝材料具有凝结硬化速度快、流动度大等特点，后期的抗压抗折强度也超过了PO42.5的水平，可用于道路面层修补材料。

实施例四：一种工业固废基绿色高性能路用胶凝材料制备，其中反应基材钢渣、矿渣质量比分别为1：4；活性激发剂占总质量的30％；碱性外加剂模数为1.0；碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量的4％；水胶比取为0.55的比例进行胶凝材料的配置。

本发明所述工业固废基绿色高性能路用胶凝材料制备方法具体为如下步骤：

(1)按质量比为1：4准备钢渣、矿渣混合制成反应基材；按照占胶凝材料中固体总质量的30％占比称取脱硫石膏，并将水玻璃和氢氧化钠按照比例配置成1.0模数的碱性外加剂，其中，碱性外加剂的质量占胶凝材料中固体总质量的4％；水的质量占胶凝材料中固体总质量的55％；

(2)按照配合比将钢渣、矿渣和脱硫石膏倒入到水泥搅拌机内，慢搅30s将固体材料搅拌均匀，搅拌时缓慢加入碱性外加剂和水，慢搅30s然后快搅120s，通过机械搅拌混合均匀，总搅拌时间不少于3min。

(3)将搅拌好的浆液一部分用于测试浆液的流动度和凝结时间；另一部分的浆液倒入准备好的40*40*160mm三联模中，并放入养护箱中进行养护，分别测3d、7d、和28d的抗压抗折强度。

经测量，该胶凝材料的初凝时间117min，终凝时间130min，流动度205mm，3d抗压强度13.99MPa，7d抗压强度24.63MPa，28d抗压强度27.13MPa；3d抗折强度1.79MPa，7d抗折强度3.89MPa，28d抗折强度5.04MPa该胶凝材料具有凝结硬化速度慢、流动度大等特点，后期的抗压抗折强度也远超PO22.5的水平，可用于低等级道路基层固化材料。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。