本发明涉及路面基层材料技术领域，是一种水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料及其制备方法。
背景技术：
钢渣是炼钢生产过程中由矿石、燃料和助熔剂中易熔硅酸盐等化合而成的副产物，其再生利用一直是可持续发展战略的重要内容，也是国内外建筑材料中重要的研究方向之一。近年来，随着我国经济的发展，钢铁产量的增加，钢渣的产量也随之增加。2016年钢渣的产量就约为0.65亿t至1.2亿t，2017年我国钢渣排放量约8000万t，2018年中国钢产量约11亿t，钢渣产量约1.7亿t，但其利用率却只有22%，不足30%，目前未利用钢渣存放量就高达10亿t，由此可见我国对于钢渣的利用率处于一个较低的水平。未来我国对于钢铁的需求量还会进一步增大，钢渣的产量也会随之增加，消纳处理钢渣速度相比排放速度慢，导致其储量不断增大。炼钢排放的钢渣堆放会占用大量土地，而且钢渣中有害的化学物质挥发和渗透会污染周边的空气和河流。在资源日益紧缺的今天，如何高效、迅速地处理及利用这些钢渣已经成为了大家关注的热点。为了寻找行之有效的综合利用方法，国内外许多研究人员就钢渣的综合利用做了很多的研究工作。通过研究和实践，钢渣的利用一般是在返回金属循环、筑路、土木工程、水泥工程、农肥以及其他方面，在日本，钢渣的利用率高达98%；在美国，钢渣的利用率近95%；在德国，钢渣的利用率近77%；在俄罗斯钢渣的利用率40%；而在我国，钢渣的利用率仅为22%。钢渣是钢铁生产中不可避免产生的一种资源，钢渣的合理化利用可起到保护环境、增加经济效益、资源可持续发展的作用，对社会具有重要意义。国民经济的快速增长也带来了公路建设的快速发展，近五年平均每年仅高速公路的新增里程就达到8000公里至9000公里。公路修建过程中大量的开山采石，由此引发的生态保护和环境污染问题已变得十分严峻，并已成为制约公路建设可持续发展的重要因素。如何能够在大规模建设与保护好生态环境当中找到一个平衡点成为近年来工程领域讨论的热门话题，找到能够部分或者完全替代石料的新型筑路材料，减少石料的过度开挖，对于保护生态平衡具有十分重要的意义。
钢渣材料具有良好的颗粒级配和工程填筑特性，其化学成份和力学特性有利于结构强度和稳定性的提高，颗粒组成决定了其具有足够的水稳定性。钢渣含有铁粒和含铁固溶体，使钢渣具有很好的强度、硬度、耐磨性和耐冲击性，且钢渣中含有与硅酸盐水泥熟料相似的矿物成分，因此钢渣具有一定的水硬活性，而这些性能普通砂石都不具有。此外，钢渣或其混合料的抗冻性、抗腐蚀性较好，其强度在冬季寒冷时期也不会有太大变化，在海水或盐水中浸泡后，腐蚀程度也不明显。经过加工处理后的钢渣，掺入一定比例的水泥和其他辅助材料配制成混合料，经试验研究其含水率、强度、密度等物理性能技术指标均符合国家相关规范要求。
现在路面结构层中应用较多的半刚性基层。将钢渣取代部分或全部砂砾石或碎石，用水泥稳定钢渣砾石混合料，形成钢渣混合料路面半刚性基层，具有结构强度高，荷载分布均匀，水稳性可靠及施工成本低的优点。但在使用过程中，人们也逐渐发现半刚性基层在强度形成过程中及运营期间容易产生干缩和温缩裂缝进而使沥青面层过早开裂，并引起早期破坏。裂缝是公路路面的主要危害，产生裂缝后会导致雨水沿裂缝下渗，软化半刚性基层，造成其强度不足而形成唧浆、沉陷、啃边等病害，基层的开裂直接导致反射裂缝的形成。
虽然基层受大气环境因素的影响比较小，但是却难于阻止地下水的侵入，另外，当路面面层发生透水时，也不能阻止雨水的渗入。基层受到雨水以及地下水的侵蚀后，在车辆荷载的反复作用下发生软化现象，基层一旦软化，使得面层的应力迅速增大，以致破坏，严重之处面层出现网裂和破损，导致路面达不到设计使用年限，造成了后期养护和维修费用的增加。所以基层结构除了应具有强度和刚度外，还应具有较好的水稳定性和抗渗性。
因此，基于上述背景，提出一种水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料，使其既满足路面基层结构的强度、刚度、水稳定性，又能改善抗裂性和防渗性，降低温度应力和收缩而产生的裂缝，提高抗侵蚀、耐磨和耐久性能是急需解决的问题。
技术实现要素：
本发明提供了一种水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料及其制备方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有半刚性基层在使用过程中水稳定性、抗裂性和防渗性差，易产生干缩和温缩裂缝进而使沥青面层过早开裂，造成其强度不足而形成唧浆、沉陷和啃边等病害，同时易受到雨水以及地下水的侵蚀后面层出现网裂和破损，导致路面达不到设计使用年限，后期养护和维修费高的问题。
本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料，原料按重量份数包括钢渣70份至85份、砾石10份至20份、膨润土1份至2份、纤维0.02份至0.05份、分散剂0.05份至0.15份，水泥4份至6份、水5份至7份。
下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：
上述该水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料，按下述方法得到：第一步，将所需量的钢渣、砾石和膨润土充分搅拌后得到第一拌合物；第二步，将所需量的分散剂加入到所需量的1/7至2/5质量的水中混合均匀得到第一混液，再将所需量的纤维加入到第一混液中混合均匀得到第二混液，第三步，然后将第二混液加入到第一拌合物中拌和均匀，密闭静置后得到第二拌合物；第四步，最后将所需量的水泥和剩余的水加入到第二拌合物中拌和均匀，得到水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料。
上述第三步中，在常温下密闭静置2小时至48小时。
上述钢渣为热闷工艺处理并陈化3个月以上的钢渣；钢渣中粒径为10mm至20mm的钢渣颗粒占钢渣质量的20%至25%，钢渣中粒径为5mm至10mm的钢渣颗粒占钢渣质量的25%至30%，钢渣中粒径为5mm以下的钢渣颗粒占钢渣质量的40%至50%。
上述砾石中粒径为20mm至30mm的砾石颗粒占砾石质量的90%以上，砾石中最大粒径不超过31.5mm。
上述膨润土中蒙脱石的含量为60%至95%；或/和，纤维的长度为5mm至20mm，纤维为聚丙烯纤维或玻璃纤维或碳纤维；分散剂为聚丙烯酸铵盐溶液，聚丙烯酸铵盐溶液的浓度为25%至40%；或/和，水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5级或52.5级。
本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料的制备方法，按下述制备方法进行：第一步，将所需量的钢渣、砾石和膨润土充分搅拌后得到第一拌合物；第二步，将所需量的分散剂加入到所需量的1/7至2/5体积的水中混合均匀得到第一混液，再将所需量的纤维加入到第一混液中混合均匀得到第二混液，第三步，然后将第二混液加入到第一拌合物中拌和均匀，密闭静置后得到第二拌合物；第四步，最后将所需量的水泥和剩余的水加入到第二拌合物中拌和均匀，得到水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料。
下面是对上述发明技术方案之二的进一步优化或/和改进：
上述第三步中，在常温下密闭静置2小时至48小时。
上述钢渣为热闷工艺处理并陈化3个月以上的钢渣；钢渣中粒径为10mm至20mm的钢渣颗粒占钢渣质量的20%至25%，钢渣中粒径为5mm至10mm的钢渣颗粒占钢渣质量的25%至30%，钢渣中粒径为5mm以下的钢渣颗粒占钢渣质量的40%至50%。
上述砾石中粒径为20mm至30mm的砾石颗粒占砾石质量的90%以上，砾石中最大粒径不超过31.5mm；或/和，膨润土中蒙脱石的含量为60%至95%；或/和，纤维的长度为5mm至20mm，纤维为聚丙烯纤维或玻璃纤维或碳纤维；分散剂为聚丙烯酸铵盐溶液，聚丙烯酸铵盐溶液的浓度为25%至40%；或/和，水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5级或52.5级。
本发明通过砾石、水泥和废弃的钢渣与膨润土、纤维和分散剂合理复配后得到水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料，在满足路面基层结构强度和刚度要求的情况下，本发明较现有技术大大提高了路面基层结构的水稳定性、抗裂性和防渗性，大大改善了因温度应力和收缩而产生的裂缝，抗侵蚀、耐磨和耐久性能也得到了极大提高，延长了路面的使用寿命，大大降低了后期的养护和维修费用；同时本发明将废弃的钢渣变废为宝，降低了因钢渣占用大量土地而造成的环境污染程度。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。本发明中所提到各种化学试剂和化学用品如无特殊说明，均为现有技术中公知公用的化学试剂和化学用品；本发明中的百分数如没有特殊说明，均为质量百分数；本发明中的溶液若没有特殊说明，均为溶剂为水的水溶液，例如，盐酸溶液即为盐酸水溶液。
实施例1，该水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料，原料按重量份数包括钢渣70份至85份、砾石10份至20份、膨润土1份至2份、纤维0.02份至0.05份、分散剂0.05份至0.15份，水泥4份至6份、水5份至7份。
实施例2，该水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料按下述制备方法得到：第一步，将所需量的钢渣、砾石和膨润土充分搅拌后得到第一拌合物；第二步，将所需量的分散剂加入到所需量的1/7至2/5质量的水中混合均匀得到第一混液，再将所需量的纤维加入到第一混液中混合均匀得到第二混液，第三步，然后将第二混液加入到第一拌合物中拌和均匀，密闭静置后得到第二拌合物；第四步，最后将所需量的水泥和剩余的水加入到第二拌合物中拌和均匀，得到水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料。本发明得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在标准养护条件下养护7天，无侧限抗压强度可达3.5mpa至7.0mpa，劈裂抗拉强度可达0.35mpa至0.85mpa，材料拉压比达到0.1至0.15；本发明得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在相同水泥掺量下较现有半刚性基层的强度高15%至30%；达到相同抗压强度时，本发明中水泥用量较现有半刚性基层低15%至25%；同时本发明得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在相同条件下，较未加膨润土和纤维的现有路面基层混合料试块的抗裂性能提高10%至20%，较未加膨润土和纤维的现有路面基层混合料试块的抗渗性能提高10%至20%；在满足路面基层结构强度和刚度要求的情况下，本发明较现有技术大大提高了路面基层结构的水稳定性、抗裂性和防渗性，大大改善了因温度应力和收缩而产生的裂缝，抗侵蚀、耐磨和耐久性能也得到了极大提高，延长了路面的使用寿命，大大降低了后期的养护和维修费用；同时本发明将废弃的钢渣变废为宝，降低了因钢渣占用大量土地而造成的环境污染程度。本发明尤其适合新疆的路面，因冬季寒冷和盐碱水的长期侵蚀，极易产生干缩和温缩裂缝进而使沥青面层过早开裂，使路面达不到设计使用年限，而本发明能够很好的解决这一问题。
实施例3，作为上述实施例的优化，第三步中，在常温下密闭静置2小时至48小时。
实施例4，作为上述实施例的优化，钢渣为热闷工艺处理并陈化3个月以上的钢渣；钢渣中粒径为10mm至20mm的钢渣颗粒占钢渣质量的20%至25%，钢渣中粒径为5mm至10mm的钢渣颗粒占钢渣质量的25%至30%，钢渣中粒径为5mm以下的钢渣颗粒占钢渣质量的40%至50%。
实施例5，作为上述实施例的优化，砾石中粒径为20mm至30mm的砾石颗粒占砾石质量的90%以上，砾石中最大粒径不超过31.5mm。
实施例6，作为上述实施例的优化，膨润土中蒙脱石的含量为60%至95%。
实施例7，作为上述实施例的优化，纤维的长度为5mm至20mm，纤维为聚丙烯纤维或玻璃纤维或碳纤维。
实施例8，作为上述实施例的优化，分散剂为聚丙烯酸铵盐溶液，聚丙烯酸铵盐溶液的浓度为25%至40%。实施例9，作为上述实施例的优化，水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5级或52.5级。水泥可为普通硅酸盐水泥。
实施例10，该水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料按下述制备方法得到：第一步，将所需量的钢渣、砾石和膨润土充分搅拌后得到第一拌合物；第二步，将所需量的分散剂加入到所需量的2/7质量的水中混合均匀得到第一混液，再将所需量的纤维加入到第一混液中混合均匀得到第二混液，第三步，然后将第二混液加入到第一拌合物中拌和均匀，密闭静置后得到第二拌合物；第四步，最后将所需量的水泥和剩余的水加入到第二拌合物中拌和均匀，得到水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料；该实施例10中，原料按重量份数钢渣80份、砾石18份、膨润土1份、纤维0.02份、分散剂0.06份，水泥5份、水5份；第三步中，在常温下密闭静置3小时；钢渣为热闷工艺处理并陈化3个月以上的钢渣；钢渣中粒径为10mm至20mm的钢渣颗粒占钢渣质量的25%，钢渣中粒径为5mm至10mm的钢渣颗粒占钢渣质量的30%，钢渣中粒径为5mm以下的钢渣颗粒占钢渣质量的45%；砾石中粒径为20mm至30mm的砾石颗粒占砾石质量的95%，砾石中最大粒径不超过31.5mm；膨润土中蒙脱石的含量为70%；纤维的长度为5mm至20mm，纤维为聚丙烯纤维或玻璃纤维或碳纤维；分散剂为聚丙烯酸铵盐溶液，聚丙烯酸铵盐溶液的浓度为30%；水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5级。
通过实施例10得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在标准养护条件下养护7天，无侧限抗压强度可达5.0mpa，劈裂抗拉强度可达0.50mpa；实施例10得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在相同水泥掺量下较现有半刚性基层的强度高20%；达到相同抗压强度时，实施例10中水泥用量较现有半刚性基层低18%；同时实施例10得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在相同条件下，较未加膨润土和纤维的现有路面基层混合料试块的抗裂性能提高15%，较未加膨润土和纤维的现有路面基层混合料试块的抗渗性能提高17%。
实施例11，该水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料按下述制备方法得到：第一步，将所需量的钢渣、砾石和膨润土充分搅拌后得到第一拌合物；第二步，将所需量的分散剂加入到所需量的2/5质量的水中混合均匀得到第一混液，再将所需量的纤维加入到第一混液中混合均匀得到第二混液，第三步，然后将第二混液加入到第一拌合物中拌和均匀，密闭静置后得到第二拌合物；第四步，最后将所需量的水泥和剩余的水加入到第二拌合物中拌和均匀，得到水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料；该实施例11中，原料按重量份数钢渣73份、砾石15份、膨润土2份、纤维0.05份、分散剂0.13份，水泥5份、水7份；第三步中，在常温下密闭静置5小时；钢渣为热闷工艺处理并陈化5年的钢渣；钢渣中粒径为10mm至20mm的钢渣颗粒占钢渣质量的20%，钢渣中粒径为5mm至10mm的钢渣颗粒占钢渣质量的30%，钢渣中粒径为5mm以下的钢渣颗粒占钢渣质量的50%；砾石中粒径为20mm至30mm的砾石颗粒占砾石质量的93%，砾石中最大粒径不超过31.5mm；膨润土中蒙脱石的含量为80%；纤维的长度为5mm至20mm，纤维为聚丙烯纤维或玻璃纤维或碳纤维；分散剂为聚丙烯酸铵盐溶液，聚丙烯酸铵盐溶液的浓度为40%；水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为52.5级。
通过实施例11得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在标准养护条件下养护7天，无侧限抗压强度可达7.0mpa，劈裂抗拉强度可达0.85mpa；实施例11得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在相同水泥掺量下较现有半刚性基层的强度高30%；达到相同抗压强度时，实施例11中水泥用量较现有半刚性基层低25%；同时实施例11得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在相同条件下，较未加膨润土和纤维的现有路面基层混合料试块的抗裂性能提高20%，较未加膨润土和纤维的现有路面基层混合料试块的抗渗性能提高20%。
综上所述，本发明通过砾石、水泥和废弃的钢渣与膨润土、纤维和分散剂复配后得到水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料，在标准养护条件下养护7天，无侧限抗压强度可达3.5mpa至7.0mpa，劈裂抗拉强度可达0.35mpa至0.85mpa，材料拉压比达到0.1至0.15；本发明得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在相同水泥掺量下较现有半刚性基层的强度高15%至30%；达到相同抗压强度时，本发明中水泥用量较现有半刚性基层低15%至25%；本发明得到的拆模后的水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料试块，在相同条件下，较未加膨润土和纤维的现有路面基层混合料试块的抗裂性能提高10%至20%，较未加膨润土和纤维的现有路面基层混合料试块的抗渗性能提高10%至20%；本发明在满足路面基层结构强度和刚度要求的情况下，本发明较现有技术大大提高了路面基层结构的水稳定性、抗裂性和防渗性，大大改善了因温度应力和收缩而产生的裂缝，抗侵蚀、耐磨和耐久性能也得到了极大提高，延长了路面的使用寿命，大大降低了后期的养护和维修费用；同时本发明将废弃的钢渣变废为宝，降低了因钢渣占用大量土地而造成的环境污染程度。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。