一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料及其制备方法

本发明涉及一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料及制备方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

全球冻土区约占陆地面积的50％，其中多年冻土区占25％，其中我国冻土地区的面积达到215万平方公里，约占我国国土总面积的22.3％，仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位，而高海拔多年冻土面积居世界之首。随着我国工程建设的持续推进，对冻土地区的开发不断深入，尤其是道路施工建设方面。但冻土地区中土壤含冰量高，热稳定性差，地质环境恶劣。这会造成道路的路基产生融沉、冻胀、冰害、冻融翻浆等病害，对道路的长期使用造成极大的影响，因此在冻土地区保证路基的稳定性尤为重要。

据发明人了解，目前冻土地区保证路基的施工中，除了采用通风路基、碎(块)石路基、碎(块、片)石护坡、热棒等主动措施外，还会采用保温材料隔热的被动工程措施，其中就包括使用聚苯乙烯颗粒泡沫混凝土。据发明人研究发现，该类材料所采用的普通硅酸盐水泥，在制备过程中除采用了大量天然矿产资源而造成的成本高，污染严重等问题外，还具有抗冻性能差、施工周期受限、寿命短等缺点。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料及制备方法，本发明在实现工业固体废弃物大规模利用的同时，得到了抗压强度高，隔热保温能力强的轻质材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种铁铝酸盐胶凝材料，按照质量份数计，原料由以下组分组成，钢渣17～22份，铝渣18～21份，电石渣38～42份，磷石膏17～42份。

另一方面，一种上述铁铝酸盐胶凝材料的制备方法，将钢渣、铝渣、电石渣、一部分磷石膏分别粉磨后进行混合获得凝胶混合料，将凝胶混合料进行煅烧获得胶凝材料熟料，将胶凝材料熟料与另一部分磷石膏混合、粉磨获得铁铝酸盐胶凝材料。

本发明利用工业固废制备了铁铝酸盐胶凝材料，该材料具有优良的早期抗压强度和抗冻性能，可以用于冻土地区保证路基，从而克服抗冻性能差、施工周期受限、寿命短等缺点。

第三方面，一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料，按照质量份数计，原料由以下组分组成，上述铁铝酸盐胶凝材料35～50份，磷石膏5～25份，粉煤灰5～25份，聚羧酸减水剂0.04～0.5份，羟丙基甲基纤维素醚0.02～0.05份，水27～29份，废弃聚苯乙烯颗粒1.5～2.5份。

第四方面，一种上述全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料的制备方法，将铁铝酸盐胶凝材料与磷石膏、粉煤灰、聚羧酸减水剂、羟丙基甲基纤维素醚粉磨并混合均匀获得路基混合料，将路基混合料加水混合获得路基浆液，向路基浆液中加入废弃聚苯乙烯颗粒，搅拌后导入模具硬化，即可获得。

本发明利用工业固废制备的铁铝酸盐胶凝材料作为路基材料的基体材料，能使路基材料具有优异的早期抗压强度和抗冻性能。为了使该路基材料能够拥有冻土地区，这要求形成的路基材料具有隔热保温轻质的性能，通常情况下，需要向基体材料中添加聚苯乙烯泡沫作为保温骨料，然而经过实际添加发现，添加商业化的聚苯乙烯颗粒，降低路基材料的抗压强度，经过分析发现，商业化的聚苯乙烯颗粒表面较为光滑，与本发明制备的铁铝酸盐胶凝材料结合能力差，从而使得形成的路基材料的抗压强度较差。因而本发明采用废弃的聚苯乙烯颗粒代替商业化的聚苯乙烯颗粒，由于废弃的聚苯乙烯颗粒均为加工后的聚苯乙烯进行再制粒，其形成的颗粒形貌不太规则，表面存在较多的棱角和孔洞，增加了与铁铝酸盐胶凝材料的接触，使得本发明制备的铁铝酸盐胶凝材料与保温骨料更好的结合，从而使抗压强度增加，进而解决传统路基材料抗冻性能差、施工周期受限、寿命短等缺点。

本发明的有益效果为：

(1)本发明制备的铁铝酸盐胶凝材料全部使用钢渣、铝渣、电石渣、磷石膏、粉煤灰等工业固体废弃物作为胶凝材料和矿物掺和料，制备过程中不再产生新的废弃物。在实现工业固体废弃物大规模利用的同时，得到了抗压强度高，隔热保温能力强的轻质材料。由于工业固废存量巨大，成本低，本发明不仅降低了制备成本，还能够缓解面临的自然矿产资源枯竭、工业固废堆积的问题。

(2)传统的聚苯乙烯泡沫混凝土均具有抗压强度低，不耐冻的特点，而本发明聚苯乙烯泡沫混凝土采用的是工业固废生产的铁铝酸盐胶凝材料，其早期抗压强度和抗冻性能远超传统的水泥，缩短施工周期，延长使用寿命。

(3)本发明采用的废弃的聚苯乙烯颗粒作为保温骨料除了可以节省超过25％的成本外，还能够提高保温材料的抗压强度，进而提升保温材料的抗冻性能。实现了有机与无机固废的复合利用。

(4)本发明聚苯乙烯泡沫混凝土制备工艺简单，工序简便，可在现场制作，也可工厂预制，现场安装，选择性强，容易操作，实用性强。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1的冻土地区路基用隔热保温轻质材料的生产工艺流程图；

图2为本发明实施例1制备的钢渣基铁铝系胶凝材料的xrd图谱。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

鉴于现有聚苯乙烯颗粒泡沫混凝土制备冻土地区路基材料存在抗冻性能差、施工周期受限、寿命短等缺点，本发明提出了一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料及制备方法。

本发明的一种典型实施方式，提供了一种铁铝酸盐胶凝材料，按照质量份数计，原料由以下组分组成，钢渣17～22份，铝渣18～21份，电石渣38～42份，磷石膏17～42份。

本发明的另一种实施方式，提供了一种上述铁铝酸盐胶凝材料的制备方法，将钢渣、铝渣、电石渣、一部分磷石膏分别粉磨后进行混合获得凝胶混合料，将凝胶混合料进行煅烧获得胶凝材料熟料，将胶凝材料熟料与另一部分磷石膏混合、粉磨获得铁铝酸盐胶凝材料。

本发明利用工业固废制备了铁铝酸盐胶凝材料，该材料具有优良的早期抗压强度和抗冻性能，可以用于冻土地区保证路基，从而克服抗冻性能差、施工周期受限、寿命短等缺点。

该实施方式的一些实施例中，凝胶混合料的原料的粉磨方法为干法粉磨。

该实施方式的一些实施例中，凝胶混合料的原料的粉磨后的细度均控制在0.08mm方孔筛筛余6～10％。

该实施方式的一些实施例中，凝胶混合料中钢渣、铝渣、电石渣、磷石膏的质量比为17～22：18～21：38～42：17～22。

该实施方式的一些实施例中，煅烧的温度为1200～1300℃。普通硅酸盐水泥熟料煅烧温度在1400℃左右，其煅烧温度远高于本发明的煅烧温度，因而采用本发明铁铝酸盐胶凝材料的更加节能环保。

该实施方式的一些实施例中，煅烧的时间为30～60min。

该实施方式的一些实施例中，另一部分磷石膏的添加量为胶凝材料熟料质量的0～20％。

该实施方式的一些实施例中，胶凝材料熟料与磷石膏混合、粉磨的细度控制在0.08mm方孔筛筛余6～10％。

本发明第三种实施方式，提供了一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料，按照质量份数计，原料由以下组分组成，上述铁铝酸盐胶凝材料35～50份，磷石膏5～25份，粉煤灰5～25份，聚羧酸减水剂0.04～0.5份，羟丙基甲基纤维素醚0.02～0.05份，水27～29份，废弃聚苯乙烯颗粒1.5～2.5份。

该实施方式的一些实施例中，废弃聚苯乙烯颗粒的粒径为2～4mm。

本发明第四种实施方式，提供了一种上述全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料的制备方法，将铁铝酸盐胶凝材料与磷石膏、粉煤灰、聚羧酸减水剂、羟丙基甲基纤维素醚粉磨并混合均匀获得路基混合料，将路基混合料加水混合获得路基浆液，向路基浆液中加入废弃聚苯乙烯颗粒，搅拌后导入模具硬化，即可获得。

本发明发现，采用商业聚苯乙烯颗粒作为保温骨料与本发明提供的铁铝酸盐胶凝材料结合后抗压强度较差。因而采用废弃的聚苯乙烯颗粒代替商业化的聚苯乙烯颗粒，废弃的聚苯乙烯颗粒表面存在较多的棱角和孔洞，有利于铁铝酸盐胶凝材料与聚苯乙烯颗粒的结合，增加路基材料的抗压强度，进而解决传统路基材料抗冻性能差、施工周期受限、寿命短等缺点。

该实施方式的一些实施例中，制备路基浆液的水灰比为0.40～0.50。

该实施方式的一些实施例中，硬化时间为20～30h。

该实施方式的一些实施例中，硬化的条件为：温度为18～22℃，湿度为98.6～99.4％。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示，包括全工业固废制备铁铝酸盐胶凝材料的方法和全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料的制备方法。

1、一种全工业固废制备铁铝酸盐胶凝材料的方法，包括如下步骤：

(1)按质量比为20.76％:19.38％:41.52％:18.34％，分别称取钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏，将不同量的原料分别加入干法磨中粉磨，原料细度均控制在0.08mm方孔筛筛余8％左右，其中，钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏的化学成分分析如表1所示；

(2)将步骤(1)中粉磨好的原料加入到干法磨中混合均匀后再投入到回转窑中煅烧，煅烧温度为1250℃，保温时间为30min，煅烧完成后在室温下快速冷却，即可得到颗粒状熟料。

(3)将所得到的颗粒状熟料与10％的磷石膏共同加入到干法磨中粉磨至细度在0.08mm方孔筛筛余10％左右。

检测本实施例制备的铁铝酸盐胶凝材料的化学成分，并与传统的水泥熟料对比，其结果如表2所示。

用xrd检测本实施例制备的铁铝酸盐胶凝材料的矿物相组成，结果如图2所示，从图2中可以看出本实施例制备的铁铝酸盐胶凝材料矿物主要为铁铝酸四钙、硫铝酸钙、硅酸二钙以及硫酸钙，这说明矿物形成良好。

按照gb/t20472-2006《硫铝酸盐水泥》，检测本实施例制备的铁铝酸盐胶凝材料的砂浆抗压强度，结果如表3所示，可以看出固废制备的铁铝酸盐胶凝材料具有优异的早期强度。

表1实施例1中不同工业固废的化学元素组成(wt.％)

表2实施例1中制备的铁铝酸盐胶凝材料与传统水泥熟料的成分表(wt.％)

表3实施例1中制备的铁铝酸盐胶凝材料与传统水泥抗压强度检测的结果

2、一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按质量称取315g的步骤1中的铁铝系胶凝材料、100g磷石膏以及35g粉煤灰，并加入0.4％的聚羧酸减水剂以及0.2％的羟丙基甲基纤维素醚，混合均匀，得到混合料，将混合料干磨至细度为0.08mm方孔筛筛余10％左右。

(2)将步骤(1)中的混合料投入搅拌锅中，在搅拌过程中，按水灰比45％加入水，得到均匀的料浆。最后在料浆中加入15g已经粉碎好直径为2-4mm的废弃聚苯乙烯泡沫颗粒，搅拌120s后，将得到的料浆倒入模具中成型。装有料浆的模具放入到20±2℃、湿度为99％的养护条件下，经过24小时养护后脱模。

(3)按照标准jc/t2458-2018《聚苯乙烯颗粒泡沫混凝土》对本实施例制备的混凝土试块进行测试，其性能与商用聚苯乙烯颗粒制成的混凝土比较，结果如表4所示；从表中可以看出，本发明利用废弃聚苯乙烯颗粒制备的泡沫混凝土的抗压强度可以达到3.0mpa，明显高于同等密度下商用聚苯乙烯颗粒制成的泡沫混凝土。同时废弃聚苯乙烯颗粒制备的泡沫混凝土的保温性能也有所提高。添加废弃聚苯乙烯颗粒制备的泡沫混凝土的抗压强度比商用聚苯乙烯颗粒制成的泡沫混凝土的抗压强度高的原因为：废弃的聚苯乙烯颗粒均为加工后的聚苯乙烯进行再制粒，其形成的颗粒形貌不太规则，表面存在较多的棱角和孔洞，增加了与铁铝酸盐胶凝材料的接触，使得本发明制备的铁铝酸盐胶凝材料与保温骨料更好的结合，从而使抗压强度增加。

(4)参考gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准》，对本实施例制备的聚苯乙烯泡沫混凝土进行冻融循环实验，结果如表5所示，可以看出，相比于传统的普通硅酸盐水泥，由固废基铁铝酸盐胶凝材料制成的泡沫混凝土经过200次冻融循环后，相对动弹性模量仅为71.2％，这说明其在抗冻性能方面具有明显的优势。

表4不同来源聚苯乙烯颗粒制成泡沫混凝土的各项性能

表5不同来源胶凝材料制成泡沫混凝土抗冻性能检测结果

实施例2

1、一种全工业固废制备铁铝系胶凝材料的方法，包括如下步骤：

(1)按质量比为17.20％:20.99％:40.14％:21.67％，分别称取钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏，将不同量的原料分别加入干法磨中粉磨，原料细度均控制在0.08mm方孔筛筛余8％左右，其中，钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏的化学成分分析如表1所示；

(2)将步骤(1)中粉磨好的原料加入到干法磨中混合均匀后再投入到回转窑中煅烧，煅烧温度为1270℃，保温时间为30min，煅烧完成后在室温下快速冷却，即可得到熟料。

(3)将所得到的熟料与15％的磷石膏共同加入到干法磨中粉磨至细度在0.08mm方孔筛筛余10％左右。

2、一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按质量称取270g的本实施例的铁铝系胶凝材料、90g磷石膏以及90g粉煤灰，并加入0.4％的聚羧酸减水剂以及0.2％的羟丙基甲基纤维素醚，混合均匀，得到混合料，将混合料干磨至细度为0.08mm方孔筛筛余10％左右。

(2)将步骤(1)中的混合料投入搅拌锅中，在搅拌过程中，按水灰比45％加入水，得到均匀的料浆。最后在料浆中加入15g直径4-6mm的废弃聚苯乙烯泡沫颗粒，搅拌120s后，将得到的料浆倒入模具中成型。装有料浆的模具放入到20±2℃、湿度为99％的养护条件下，经过24小时养护后脱模。

实施例3

1、一种全工业固废制备铁铝系胶凝材料的方法，包括如下步骤：

(1)按质量比为23.61％:18.30％:39.20％:18.89％，分别称取钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏，将不同量的原料分别加入干法磨中粉磨，原料细度均控制在0.08mm方孔筛筛余8％左右，其中，钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏的化学成分分析如表1所示；

(2)将步骤(1)中粉磨好的原料加入到干法磨中混合均匀后再投入到回转窑中煅烧，煅烧温度为1230℃，保温时间为40min，煅烧完成后在室温下快速冷却，即可得到熟料。

(3)将所得到的熟料与15％的磷石膏共同加入到干法磨中粉磨至细度在0.08mm方孔筛筛余10％左右。

2、一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按质量称取270g的本实施例的铁铝系胶凝材料、135g磷石膏以及45g粉煤灰，并加入0.5％的聚羧酸减水剂以及0.1％的羟丙基甲基纤维素醚，混合均匀，得到混合料，将混合料干磨至细度为0.08mm方孔筛筛余10％左右。

(2)将步骤(1)中的混合料投入搅拌锅中，在搅拌过程中，按水灰比42％加入水，得到均匀的料浆。最后在料浆中加入13g直径3-5mm的废弃聚苯乙烯泡沫颗粒，搅拌120s后，将得到的料浆倒入模具中成型。装有料浆的模具放入到20±2℃、湿度为99％的养护条件下，经过24小时养护后脱模。

实施例4

1、一种全工业固废制备铁铝系胶凝材料的方法，包括如下步骤：

(1)按质量比为18.66％:20.62％:39.42％:21.29％，分别称取钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏，将不同量的原料分别加入干法磨中粉磨，原料细度均控制在0.08mm方孔筛筛余8％左右，其中，钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏的化学成分分析如表1所示；

(2)将步骤(1)中粉磨好的原料加入到干法磨中混合均匀后再投入到回转窑中煅烧，煅烧温度为1230℃，保温时间为40min，煅烧完成后在室温下快速冷却，即可得到熟料。

(3)将所得到的熟料与15％的磷石膏共同加入到干法磨中粉磨至细度在0.08mm方孔筛筛余10％左右。

2、一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按质量称取315g的本实施例的铁铝系胶凝材料、70g磷石膏以及65g粉煤灰，并加入0.3％的聚羧酸减水剂以及0.3％的羟丙基甲基纤维素醚，混合均匀，得到混合料，将混合料干磨至细度为0.08mm方孔筛筛余10％左右。

(2)将步骤(1)中的混合料投入搅拌锅中，在搅拌过程中，按水灰比45％加入水，得到均匀的料浆。最后在料浆中加入12g直径1-2mm的废弃聚苯乙烯泡沫颗粒，搅拌120s后，将得到的料浆倒入模具中成型。装有料浆的模具放入到20±2℃、湿度为99％的养护条件下，经过24小时养护后脱模。

实施例5

1、一种全工业固废制备铁铝系胶凝材料的方法，包括如下步骤：

(1)按质量比为21.80％:18.77％:41.66％:17.77％，分别称取钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏，将不同量的原料分别加入干法磨中粉磨，原料细度均控制在0.08mm方孔筛筛余8％左右，其中，钢渣、铝渣、电石渣和磷石膏的化学成分分析如表1所示；

(2)将步骤(1)中粉磨好的原料加入到干法磨中混合均匀后再投入到回转窑中煅烧，煅烧温度为1270℃，保温时间为30min，煅烧完成后在室温下快速冷却，即可得到熟料。

(3)将所得到的熟料与15％的磷石膏共同加入到干法磨中粉磨至细度在0.08mm方孔筛筛余10％左右。

2、一种全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按质量称取360g的本实施例的铁铝系胶凝材料、45g磷石膏以及45g粉煤灰，并加入0.5％的聚羧酸减水剂以及0.2％的羟丙基甲基纤维素醚，混合均匀，得到混合料，将混合料干磨至细度为0.08mm方孔筛筛余10％左右。

(2)将步骤(1)中的混合料投入搅拌锅中，在搅拌过程中，按水灰比40％加入水，得到均匀的料浆。最后在料浆中加入17g直径2-4mm的废弃聚苯乙烯泡沫颗粒，搅拌120s后，将得到的料浆倒入模具中成型。装有料浆的模具放入到20±2℃、湿度为99％的养护条件下，经过24小时养护后脱模。

实施例2～5制备的全固废冻土地区路基用隔热保温轻质材料性能与实施例1制备的材料性能相近。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。