补偿干缩性能的水泥稳定红砂岩基层材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种以以煅烧磷石膏、矿渣、电石渣和水泥稳定红砂岩基层材料及基层试件的制备方法，属于道路建筑材料技术领域。

背景技术

砂岩作为一种沉积岩，在地表中含量极高。然而，由于缺乏对岩石沉积类型的了解，砂岩一直很少被用作天然骨料的补充资源材料。并且水泥稳定碎石的相关研究已经有很多，但是采用软弱砂岩作为骨料的研究相对较少。

在多数地区的公路建设中，隧道开凿、路基开挖、边坡治理等会产生大量红砂岩弃方。然而，由于红砂岩在自然环境的干湿循环作用下，尤其遇水时极易发生泥化和膨胀，将红砂岩用于水泥稳定基层常会出现强度不足、干缩裂缝较多、耐久性差等问题。因此，无法将红砂岩直接作为路面材料使用，从而导致红砂岩弃方的堆存，占用大量土地资源。

公开号CN 116484569 A发明公开了一种基于结果与材料一体化的水泥磷石膏稳定基层抗裂配合比设计方法，采用水泥与磷石膏作为无机结合材料，针对固体废弃物磷石膏的合理利用展开合理的设计与利用，并且有效的解决现有的水泥稳定基层疲劳开裂的缺陷。但此发明依旧使用天然优质骨料，要知道随着公路交通的迅速发展，天然优质骨料变的越来越短缺。除此之外，由于磷石膏对水泥的大量替代导致强度大幅降低。

公开号CN 115893966 A发明了一种用于道路基层的水泥稳定磷石膏稳定碎石材料及其制备方法和用途，其旨在利用水、水泥、粗骨料、磷石膏以及改性剂(偏高岭土和氧化钙)作为无机结合材料。结果表明其满足我国公路沥青路面设计规范对于水泥稳定材料的要求。并且该发明并未涉及到对骨料的替换以及耐久性(干燥收缩)的研究。

公开号CN 115893966 A发明提供了一种道路基层的水泥稳定磷石膏底灰碎石及其制备方法，其使用改性磷石膏、垃圾焚烧细底灰、氢氧化钠溶液和粉煤灰作为无机结合料稳定碎石基层，能拓宽对垃圾焚烧底灰和磷石膏的利用。但垃圾焚烧细底灰根据不太地区不同的垃圾分类，所焚烧获取的原材料成分存在极大的区别，不具有普遍适用性。

发明内容

本发明旨在针对现今天然优质骨料的匮乏以及水泥稳定基层常见的干燥收缩导致的道路劣化问题，提供一种以红砂岩为骨料，水泥、煅烧磷石膏、电石渣以及矿渣为结合料的新型低碳水泥稳定红砂岩组合基层路面结构。在保证凝胶材料力学性能的同时，解决干燥收缩导致的耐久性不足问题，减轻对天然优质骨料的需求量，降低运输成本以及减少制备过程中的二氧化碳排放。

本发明提出一种以红砂岩为骨料，大掺量煅烧磷石膏和矿渣补偿水泥稳定基层干燥收缩的方法,旨在解决固体废弃物红砂岩、磷石膏以及矿渣的大量堆积、利用率低以及环境污染等问题，拓宽天然软岩在道路基层中的运用，解决水泥稳定基层干燥收缩的导致的道路劣化问题，除此之外，降低运输成本，扩大对固体废弃物的大批量优化利用。

为解决红砂岩强度不足、干燥裂缝较多、耐久性差等问题，本发明巧妙利用磷石膏中的硫酸钙与水泥、矿渣中的铝相之间的协同作用，即反应生成的大量的钙矾石，从而补偿水泥与红砂岩的干燥收缩以及对水泥稀释后的降低的强度，解决红砂岩在水泥稳定基层中常出现的强度不足的弱点。

同时，将磷石膏球磨成细粉后在500-900℃下煅烧30-90min，采用煅烧的方法消除磷石膏中的杂质对早期水化反应的影响。

此外，电石渣的高碱性能很好的中和磷石膏酸性，平衡对对水泥早期水化的抑制作用；红砂岩为硅质酸性骨料，电石渣的添加能好的改善红砂岩骨料与胶凝材料的界面过渡区。

基于本发明的方案，红砂岩可以作为路用骨料，这能极大减少运输成本、二氧化碳排放以及解决天然优质碎石骨料资源的匮乏的问题。实现路用材料的本山取土，就地取材，降低施工成本，在提高资源效率和保护生态环境等方面具有显著的经济及社会意义。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种水泥稳定红砂岩基层材料，包括骨料和无机结合料，所述骨料包括且仅包括级配红砂岩，所述无机结合料包括水泥、煅烧磷石膏、电石渣和矿渣混合物，其中，各成分质量份数为骨料94份，无机结合料6份。

无机结合料中，水泥占3.3-3.72份，矿渣占1.8份；煅烧磷石膏和电石渣共占0.48-0.9份，其中电石渣与煅烧磷石膏的重量比为(0.6-2)：1。

优选地，各成分质量份数为：骨料，94份；水泥，3.6份；矿渣，1.8份；煅烧磷石膏，0.3份；电石渣，0.3份。

优选地，还包括水，水量根据骨料击实实验所得的最佳含水率计算得出，其中水量的80-90％用于所述骨料的闷料，剩余水量用于混料。

优选地，所述级配红砂岩的压碎值≤26％，级配碎石选取以质量百分数计，分为四档：公称粒径为16-26.5mm的碎石为15-17％、公称粒径为9.5-16mm的碎石为27-29％、公称粒径为2.36-9.5mm的碎石为31-33％、公称粒径小于2.36mm的碎石为23-25％。

优选地，所述水泥的粒径范围为12-23.5μm，矿物掺合煅烧磷石膏、电石渣、矿渣粒径范围为5-20μm。

优选地，所述的煅烧磷石膏通过对磷石膏以500rpm的速度研磨10min，反复20次左右，并且达到20μm以下，并在500-900℃下煅烧30-90min获得，所述磷石膏中CaSO

优选地，所述的矿渣中CaO含量为20％-50％，SiO

优选地，所述电石渣通过球磨机以500rpm的速度研磨30-60min，并达到20μm以下，电石渣中的氢氧化钙含量在40％-70％。

优选地，所述水泥中硅酸三钙的含量为30-60％，硅酸二钙的含量为10-30％。

前述任一种水泥稳定红砂岩基层材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按每档混合百分率称取红砂岩骨料；

(2)按质量份称取水泥、煅烧磷石膏、电石渣以及矿渣；

(3)将红砂岩骨料依据击实实验所得的最佳含水率计算的加水量的90-80％混合搅拌均匀闷料2h；

(4)将剩余的水与闷好的红砂岩骨料与水泥、煅烧磷石膏、矿渣混合搅拌均匀，在采用压力机以98％的压实度以及1mm/min的加载速率进行加压，直至上下压柱都压入试模为止，并维持压力2min，在试件成型后2-6h脱模，从而制得水泥稳定红砂岩基层材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

磷石膏中大量的硫酸钙能与水泥、矿渣中的铝相反应生成大量的钙矾石，实现补偿干燥收缩以及填充空隙提升强度的效果。电石渣的添加能很好的中和磷石膏的酸性，并且其大量的活性氧化钙能与矿渣发生火山灰反应，加快矿渣的火山灰反应。使材料干缩性能得到补偿，用作路面基层，能够消除路面干燥收缩，解决因干燥收缩所带来的道路基层劣化问题，提高道路基层耐久性。

基于以上效果进一步地，采用本发明的材料制作的稳定基层中水泥用量减少，可以降低其水化热，避免在大体积混凝土的应用中由于内外温度差造成开裂，此外可以减少碳排放。

再进一步地，可完全采用天然软弱岩石红砂岩替代优质天然骨料，能很好的实现就地取材，降低成本，解决优质骨料不足等问题，并满足多个公路等级的性能要求。红砂岩在全国分布广泛，能很好的解决区域原料不一致的问题。

附图说明

图1为参照规范(JTG E42-2005)的级配分布范围图。

图2为水泥、磷石膏与矿渣原材料的XRD曲线图。

图3为对比例1-3与实施例1-3在养护7天的无侧限抗压强度条形图。

图4为对比例1-3与实施例1-3在养护56天的干燥收缩曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。

以红砂岩为骨料，骨料形态常是大块的岩石，经过爆破或机械切割而成。它们可能具有不规则的形状和边缘，大小各异。水泥、煅烧磷石膏、电石渣及矿渣为无机结合材料。下文中将该骨料和无机结合材料混合物称为红砂岩集料。本实施例以红砂岩为骨料，水泥、煅烧磷石膏、电石渣以及矿渣为无机结合料制得水泥稳定红砂岩基层。

本发明除了骨料采用红砂岩以外，该水泥、煅烧磷石膏、电石渣以及矿渣为无机结合料制得水泥稳定红砂岩基层相对于普通水泥稳定基层的特点是具有碳排放低、材料易得运输距离短、耐久性好、成本低等优点。还使用了磷石膏、电石渣与矿渣替代水泥，为工业固体废弃物的大批量的优化利用提供了方案，并且进一步的减少碳排放。

磷石膏中大量的硫酸钙能很好的与水泥、矿渣中的铝相反应生成大量的钙矾石，能很好的补充水泥与红砂岩的干燥收缩。电石渣的添加能很好的中和磷石膏的酸性，并且其大量的活性氧化钙能与矿渣发生火山灰反应，加快矿渣的火山灰反应。在适当的配合比设计下掺入补充胶凝材料(SCMs)后，可以在保证不损害力学性能的前提下提高材料的耐久性，解决道路基层因干燥收缩所导致的劣化开裂问题。其次，辅助胶凝材料的掺入能有效的减少对水泥熟料的使用和减少二氧化碳排放。

红砂岩的存储足够丰富，并且在全国各地均有广泛分布，可以供给全国各地道路施工，并极大减少运输距离。

红砂岩骨料经人工按4档级配筛分，每档按照筛分后的质量百分率进行选取，选取参照规范《公路工程骨料试验方法》(JTG E42-2005)，见图1。公称粒径为16-26.5mm的碎石为15-17％、公称粒径为9.5-16mm的碎石为27-29％、公称粒径为(2.36-9.5mm)的碎石为31-33％、公称粒径为(0-2.36mm)的碎石为23-25％，详细见表1。

表1.骨料配合比(％)

使用Cu-Kα辐射

表2.水泥、磷石膏与矿渣的化学成分

本发明中，将磷石膏通过球磨机500rpm的速度研磨10min，反复20次左右，至20μm以下，并在500-900℃下煅烧30-90min，消除磷元素对水化反应早期的影响。

将矿渣通过球磨机500rpm的速度研磨10min，反复20次左右，至20μm以下。电石渣通过球磨机以500rpm的速度研磨30-60min，并达到20μm以下。

本发明的集料中需额外加水方可制得基层试件。其中加水量通过击实实验所测得集料的最佳含水率计算所得。水泥稳定基层击实实验依据中国规范(JTG E51-2009)采用质量为4.5kg、直径为5.0cm的铁锤分三层锤击，每层锤击98次，并依照丙法，进行击实实验。并根据试验结果，通过二次多项式拟合方法计算各集料的最大干密度和最佳含水量。最佳含水率与最大干密度主要是为根据规范(JTG E51-2009)T 0843-2009备料，根据计算公式，以及骨料和无机结合料的质量，计算出所需加水量，并以此实现控制压实度的目的。也可以据此控制各实施例和对比例的含水率和干密度数据接近，增加可对比性。

本发明中，各骨料以及无机结合料的添加量通过击实实验所得的混合料最大干密度和最佳含水率代入规范(JTG E51-2009)T 0843-2009备料计算公式计算所得，计算公式如下：

单个试件的标准质量：m

考虑到试件成型过程中的质量损耗，实际操作过程中每个试件的质量可增加0-2％，即：m′

每个试件的干料(包括干土和无机结合料)总质量：m

每个试件中的无机结合料质量:外掺法m

内掺法m

每个试件中的干土质量：m

每个试件中的加水量：m

验算:m′

式子：v—试件体积(cm

ω

ρ

γ—混合料压实度标准(％)；

m

据此，集料的加水量依据压实实验所得的最佳含水率计算出最佳含水量得到。

本发明的实施例和对比例中，水泥稳定基层的制备方法如下：

试件制备是根据中国规范(JTG E51-2009)T 0843-2009无机结合稳定材料试件制作方法进行，试件的尺寸为直径×高＝150×150mm。

先按四档级配称取红砂岩配制骨料；再按质量份称取水泥、煅烧磷石膏、电石渣、矿渣以及红砂岩粉；将红砂岩骨料依据击实实验所得的最佳含水率计算的加水量的80-90％混合搅拌均匀闷料2-4小时；

将剩余的水与闷好的骨料与水泥、煅烧磷石膏、电石渣、矿渣、红砂岩粉混合搅拌均匀，在采用压力机以98％的压实度以及1mm/min的加载速率进行加压，直至上下压柱都压入试模为止，并维持压力2min以上，在试件成型后2-6h脱模，从而制得基层试件。在试件称量后立即放在塑料袋中封闭，并用湿毛巾覆盖，移放规定的标准温度和湿度环境下进行养护。

各实施例和对比例的相关性说明

以实施例1-3作为本发明的较佳实施例，与对比例1-3进行对比以说明本发明实施方案的性能优势。为清楚起见，各实施例和对比例中骨料和无机结合料中各成分质量比见与击实实验所得的最大干密度和最佳含水率见表3。

表3.以红砂岩或花岗岩作为骨料的各集料的最大干密度与最佳含水率。

该无机结合料采用内掺法，实施例的原料组成见表4。

表5.实施例的原材料组成。

为清楚起见，将上述各对比例的原料组成列于表5中。

表5.对比例的原料组成。

对比例1

对比例1的原材料包括红砂岩骨料5810.51g、水泥370.88g。

除了水之外，对比例1原料仅使用红砂岩骨料与水泥配比，其中红砂岩骨料和水泥的质量比约为94：6。对比例1及下文中各实施例、对比例中的红砂岩骨料采用前文所述的四档级配红砂岩骨料，水泥采用普通硅酸盐类水泥，具体成分为硅酸三钙的含量为30-60％，硅酸二钙的含量为15-30％。

对比例1中水泥的重量将在下文各实施例、对比例中被称为水泥的基准重量。即，以红砂岩骨料的6/94作为水泥的基准重量。

对比例2

与对比例1相比，在骨料和无机结合材料比例不变(质量配比均约为94：6)的前提下，对比例2的区别在于10％基准重量的水泥进一步被替代为煅烧磷石膏与电石渣，即水泥在基准重量的基础上共减少10％，替代为煅烧磷石膏5％与电石渣5％。

对比例3

与对比例1相比，对比例2的区别在于30％基准重量的水泥被替代为矿渣，即水泥在基准重量的基础上减少30％，替代为矿渣。

实施例1

实施例1的原材料包括红砂岩骨料5768.58g、水泥228.29g、煅烧磷石膏18.41g、电石渣11.05g、矿渣110.46g。

实施例1与对比例1相比，在骨料和无机结合材料比例不变(质量配比均约为94：6)的前提下，减少水泥用量，38％基准重量的水泥被替代为30％基准重量的矿渣、5％基准重量的煅烧磷石膏以及3％基准重量的电石渣。

实施例2

与对比例1相比，其区别在于，在骨料和无机结合材料比例不变(质量配比均约为94：6)的前提下，进一步减少水泥用量，40％基准重量的的水泥被替代为30％基准重量的矿渣、5％基准重量的煅烧磷石膏以及5％基准重量的电石渣，电石渣与煅烧磷石膏的重量比达到1：1。

实施例3

实施例3与对比例1相比，其区别在于在骨料和无机结合材料比例不变(质量配比均约为94：6)的前提下，进一步减少水泥用量，45％基准重量的水泥被替代为30％基准重量的矿渣、5％基准重量的煅烧磷石膏以及10％的电石渣，电石渣与煅烧磷石膏的重量比达到2：1。

抗压强度测试根据中国规范(JTG E51-2009)T 0805-1994进行无侧限抗压强度测试，试讲尺寸为直径×高＝150×150mm，在无侧限抗压强度测试前一天将待测试件浸水一昼夜，测试前将已浸水一昼夜的试件从水中取出，用软布吸去试件表面的水分。实验过程中，压力机保持加载速率为1mm/min，记录破坏时最大压力进行。实施例1-3和对比例1-3在7天、28天和56天的抗压强度的测试结果见表6，相应地以图3的条形图形式直观展示其对比变化。

表6.实施例1-3和对比例1-3在7天、28天和56天的抗压强度。

表7.规范(JTG/F20-2015)水泥稳定材料7天无侧限抗压强度R

从表6可以看出，本发明实施例2在七天的无侧限抗压强度高于对比例2-3，说明煅烧磷石膏与电石渣的添加有利于强度的发展，主要是由于电石渣的高碱性能很好的平衡煅烧磷石膏的酸性，从而消除磷石膏带来的对水泥水化早期的抑制作用。电石渣大量氧化钙与水反应生成的氢氧化钙能在水化早期与矿渣发生火山灰反应生成水化产物C-S-H，并且煅烧磷石膏中的硫酸钙与水泥、矿渣中的铝相之间存在着相互协同作用，能生成大量的钙矾石填充空隙达到提升强度的效果，并且抑制收缩。

在56天的抗压强度高于对比例1-3，说明水泥水化生成的氢氧化钙与矿渣继续反应，生成了更多的水化产物C-S-H，并且煅烧磷石膏中的硫酸钙与水泥、矿渣中的铝相之间继续反应，能生成大量的钙矾石填充空隙。此外，由于红砂岩为硅质弱酸性骨料，电石渣的高碱性能很好的改善红砂岩硅质弱酸性骨料界面过渡区薄弱问题。

从实施例1-3和对比例1可知，在水化7天时，实施例1-3的强度都要略低于对比例1，这主要是因为大量的煅烧磷石膏与矿渣对水泥的稀释作用，导致早期水化反应减弱。但是在56天时，实施例2强度要略高于对比例1，主要是由于矿渣的火山灰反应，并且煅烧磷石膏与水泥、矿渣中的铝相反应生成了更多的钙矾石。但强度依然满足规范要求的无侧限抗压强度。

从图4干燥收缩曲线可以看出，实施例1-3的干燥收缩明显要低于对比例1-3，特别是在水化后期。并且对比例1的干燥收缩最大，实施例2的干燥收缩最小，由此可知实施例2表现为性能最优。这主要是因为煅烧磷石膏与水泥、矿渣中的铝相反应生成更多的钙矾石，抑制了干燥收缩应变。此外，电石渣能很好的改善红砂岩界面过渡区，生成的水化产物包裹红砂岩骨料表面，抑制红砂岩骨料中水分流失，从而抑制收缩。

此外，对比56天干燥收缩率数据可知，实施例1-2的56天干燥收缩分别是对比例的81.9％、74.21％和78.73％。

本发明实施例1-3各个龄期抗压强度的提升情况表明，优化煅烧磷石膏和矿渣的添加量与配合比，能实现提升抗压强度，并且能很好的起到抑制干燥收缩的效果。经研究发现，其原因是多方面综合的结果：第一，电石渣的添加能平衡煅烧磷石膏的酸性，缓解煅烧磷石膏对水泥早期水化的抑制，并且电石渣中的活性氧化钙与水反应生成的氢氧化钙，能在水化早期与矿渣产生火山灰反应生成更多的C-S-H；第二，煅烧磷石膏与矿渣的添加为水泥的水化提供那大量的成核位点，促进水泥的早期水化。第三，煅烧磷石膏与矿渣对了水泥大量的替换，保证水泥能够充分水化，不会导致部分熟料被水化的产物包裹导致水化补充，第四，磷石膏中的硫酸钙与水泥、矿渣中的铝相的相互协同作用生成大量的钙矾石弥补对水泥的稀释所导致的强度下降，以及补偿水泥与红砂岩骨料的干燥收缩、增强其耐久性能，达到满足规范无侧限抗压强度要求。在水化中后期，矿渣的火山灰性质也能很好的与水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙和水化硅铝酸钙，从而提升强度。

最后，电石渣的添加改善红砂岩骨料与无机结合料之间的界面过渡区，生成的更多的水化产物能更好的填充并包裹红砂岩骨料，抑制红砂岩在水化后期的水分释放，实现抑制骨料收缩的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

以红砂岩为骨料，煅烧磷石膏、矿渣、电石渣和水泥为无机结合材料的水泥稳定基层，骨料仅为红砂岩，能够做到采用红砂岩对天然优质骨料的完全替换，能很好的解决天然优质骨料紧缺以及红砂岩大量开挖堆积难处理问题。实现就地取材，极大降低运输成本。

无机结合料中水泥被部分代替，在保证不损害力学性能的前提下矿物掺合料的替代为5-50％，并可以用替代水泥的比例来调控胶凝材料的强度，降低水泥稳定基层的干燥收缩。

特别是用大量磷石膏、电石渣与矿渣部分替代水泥，能很好的解决工业固体废弃物堆积难处理的环境问题，并且极大的减少了对水泥的用量，能很好的降低二氧化碳排放。

本发明采用了本发明巧妙利用电石渣大量的氧化钙以及高碱性特质，提升矿渣的火山灰反应，并平衡磷石膏的酸性减少对水化早期的抑制；磷石膏中的硫酸钙与水泥、矿渣中的铝相反应生成大量的钙矾石来填充空隙抑制水泥与红砂岩的干燥收缩，提升道路基层的耐久性。

在本说明书的描述中，实施例是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。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。