一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺的制作方法

1.本技术涉及基础设施建设领域，更具体地说，它涉及一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺。


背景技术：

2.尾矿是选矿完成后排放的废渣矿渣，其中含有金属及非金属矿物，工业副产石膏是指工业生产中因化学反应生成的以caso4为主要成分的副产品或废渣，主要包括磷石膏、钛石膏、脱硫石膏等。在我国倡导资源循环利用的背景下，尾矿的综合利用备受关注。
3.基础设施建设亟需大量的胶凝材料，同时水泥等传统土木工程材料具有高能耗、高污染的缺点，国内的优质矿产资源正在逐渐匮乏。在环保形势日益严峻的条件下，一定程度上制约着交通基础设施建设进程。合理利用矿渣和工业副产石膏化学组成中钙、硅、铝、硫等成分含量高的特点，制备固废基胶凝材料可以充分发挥固废性能优势，实现固废性能和价值的重构，满足基础设施建设性能需求的同时实现固废的大宗高附加值消纳，解决了固废堆弃占用土地、污染环境和基础设施建设材料需求的难题，但是直接采用矿渣与工业副产石膏得到的胶凝材料使得基材的抗裂性能较差。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景中的问题，本技术提供一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺。
5.第一方面，本技术提供一种矿渣-石膏基胶凝材料，采用如下的技术方案：一种矿渣-石膏基胶凝材料，其特征在于，所述矿渣-石膏基胶凝材料的原料包括以下重量组份：矿渣粉75-85份、工业副产石膏10-20份、碱性成分1-5份、改性混合纤维0.2-0.5份、复合激发剂2-4份、三乙醇胺0.1-0.3份、树脂0.4-0.6份，所述改性混合纤维是通过将玄武岩纤维经化学改性后与改性的聚乙烯纤维混合得到。
6.通过采用上述技术方案，碱性成分和复合激发剂与工业副产石膏充分发挥碱激发和硫酸盐激发的协同作用，使终凝后水化进程显著加快，增加钙矾石形成的速率和数量，从而有效增强胶凝材料的强度；对凝胶材料进行玄武岩聚乙烯纤维的复合改性，有利于同时发挥玄武岩纤维的加筋作用和聚乙烯纤维的增韧作用，玄武岩纤维无规则的分散于混合料中形成三维空间网状结构，聚乙烯纤维与树脂材料互相配合包裹在矿渣表面填充空隙增强矿渣与其他物质的粘结稳定性，进一步增强凝胶材料的抗裂强度；三乙醇胺的加入加快了石膏水化的速度，在石膏早期生成较多水化产物时，与水结合，减少混合料中由于游离水蒸发而遗留下的孔隙，提高混合料的密实度，增强凝胶材料的强度。
7.可选的，所述改性混合纤维采用以下方法制备：(1)将玄武岩纤维在烘箱300-320℃下烘烤10-20s取出冷却后，放入1:1混合的醋酸溶液与3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合液中浸泡25-30min，将溶液滤出后烘干纤维，得到
改性玄武岩纤维；(2)将0.1-0.2mol/l的碳酸钙水溶液与钛酸酯1:(1.3-1.5)混合后，放入聚乙烯纤维150-160℃下搅拌反应20-25min，将溶液滤出后纤维冷却至室温干燥，得到改性聚乙烯纤维；(3)将改性后的玄武岩纤维与聚乙烯纤维按比例混合，得到改性混合纤维。
8.通过采用上述技术方案，玄武岩纤维可以通过提高粘聚力有效提高胶凝材料的抗裂强度，聚乙烯纤维具有非常高的强度，能显著改善胶凝材料的抗压性能与初始抗裂性能。但玄武岩纤维表面呈惰性且光滑、聚乙烯聚合物分子链具有惰性的亚甲基结构，都会影响其与基体材料的界面结合力，改性后的玄武岩纤维表面粗糙，在基体材料中的分散性较好，不仅可以提高玄武岩纤维与其他物质的机械嵌合，同时附着在其表面的偶联剂提供共价键与改性后的聚乙烯以及树脂之间形成化学键合，其长链分子共同缠绕形成网状结构，增强胶凝材料的抗裂强度。同时加入改性混合纤维有效改善低温冻融情况下毛细孔中水分累积转变成固态体积增长而产生膨胀力，造成的细纹扩张或开裂现象，加入的改性混合纤维受拉可以抵消这种膨胀力，进一步增强胶凝材料在低温冻融下的抗裂强度。
9.可选的，所述改性混合纤维中玄武岩纤维与聚乙烯纤维混合的重量之比为1：(1.5-1.8)。
10.通过采用上述技术方案，玄武岩纤维与聚乙烯纤维的掺混比例为1：(1.5-1.8)时增强效果较好。
11.可选的，所述碱性成分为氢氧化钙与石灰中的一种或两种。
12.通过采用上述技术方案，氢氧化钙与石灰为胶凝材料提供碱性成分，与石膏及复合激发剂中的硫酸盐成分充分发挥协同激发作用，激发矿渣活性，使体系生成稳定性更高的钙矾石，提高胶凝材料的强度与抗裂性能。
13.可选的，所述复合激发剂包括以下成分：硫铝酸钙、氯化铝钠、醚类聚羧酸减水剂。
14.通过采用上述技术方案，硫铝酸钙的加入有利于长杆状钙矾石的形成，有利于材料中网状结构的搭建，同时硫铝酸钙具有微膨胀性，在胶凝材料硬化时可以补偿收缩；复盐催化剂氯化铝钠下的作用加快了胶凝材料的前期水化反应，其与胶凝材料中的其他成分共同作用对矿渣有激发催化作用；加入醚类聚羧酸减水剂其定向吸附于矿渣表面，使矿渣间产生静电排斥，使矿渣颗粒更好的分散，同时其亲水基的存在可吸附水分子形成稳定的水膜，减少水的用量。
15.可选的，所述复合激发剂中硫铝酸钙、氯化铝钠、醚类聚羧酸减水剂的重量之比为(1-1.5):1：1。
16.可选的，所述树脂为超细增韧聚酰亚胺树脂或酚醛多环氧树脂。
17.通过采用上述技术方案，树脂的粘结力强、收缩性较小、稳定性好。酚醛多环氧树脂其分子链中存在极性羟基和醚基，其对基体材料以及改性纤维有很强的粘附力，超细增韧聚酰亚胺树脂与各种填料相容性好，粘结强度高，同时受应力时可以吸收能量从而提升材料抗裂强度。
18.第二方面，本技术提供一种稳定碎石三层连铺施工工艺，采用如下的技术方案：一种稳定碎石三层连铺施工工艺，包括采用如权利要求1-7任一所述的矿渣-石膏基胶凝材料，所述稳定碎石三层连铺施工工艺包括以下步骤：
(1)下承层的施工：压实路床、上路堤、下路堤；(2)原料拌合：根据路面建设要求选择合适比例碎石、矿渣-石膏基胶凝材料与水配比，拌合均匀得到稳定碎石混合料；(3)摊铺、碾压施工：将稳定碎石混合料按照短段分层摊铺碾压方式进行摊铺，摊铺完成一段距离后立即进行碾压；(4)后期养护：三层连铺施工后在路面基层表面覆盖一层土工布，同时对基层进行定期洒水处理，保证基层的润湿，养护7-10天。
19.通过采用上述技术方案，采用稳定碎石三层连铺的施工工艺无须等下层水稳基层达到要求强度之后再铺筑上层水稳基层，大大节约了施工时间，提升基层施工质量，同时避免了铺筑上基层时对下基层强度的破坏，节约后期维护投资。
20.可选的，上述所述步骤(2)中矿渣-石膏基胶凝材料由以下步骤制备：s1：取矿渣与粉工业副产石膏经干燥、粉磨混合均匀，得到混合粉；s2：取复合激发剂的各原料充分混匀得到复合激发剂，与步骤s1中得到的混合粉混匀，在球磨机中球磨5-10min后加入碱性成分继续研磨10-15min得到混合料；s3：混合料中加入改性混合纤维、三乙醇胺以及树脂粉末混合均匀后制得所述矿渣-石膏基胶凝材料。
21.通过采用上述技术方案，得到混合均匀，激发充分的粉末矿渣-石膏基胶凝材料，工业副产石膏与复合激发剂以及碱性成分互相配合，力学性能进一步提高。
22.综上所述，本技术具有以下有益效果：1、由于本技术采用改性混合纤维，有利于同时发挥玄武岩纤维的加筋作用和聚乙烯纤维的增韧作用，提高材料的强度，并且改性混合纤维与树脂之间形成化学键合，长链分子共同缠绕形成网状结构，进一步增强胶凝材料的抗裂强度，改性纤维混合纤维还可以抵消长久冻融产生的膨胀力，增强胶凝材料的低温抗裂强度；2、本技术中优选采用复合激发剂，复合激发剂和碱性成分配合石膏中的硫酸盐成分充分发挥激发作用，激发矿渣活性，促进矿渣在水化过程中生成较多的凝胶相，减小大孔隙的产生，使浆体结构变得更加致密，进一步增强胶凝混合料的强度。
23.3、本技术的方法，通过稳定碎石三层连铺施工工艺，大大节约了施工时间，提升了基层施工质量，减少养护时间。
具体实施方式
24.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
25.矿渣粉的选择符合gb/t18046-2008；工业副产石膏符合gb/t21371-2019；超细增韧聚酰亚胺树脂(广州市新稀冶金化工有限公司)原料和/或中间体的制备例制备例1所述改性混合纤维采用以下方法制备：(1)称取1kg玄武岩纤维在烘箱300℃下烘烤10s取出冷却后，放入1.5kg醋酸溶液与1.5kg3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合液的混合液中浸泡25min，将溶液滤出后烘干纤维，得到改性玄武岩纤维；
(2)称取1kg0.1mol/l的碳酸钙水溶液与1.3kg的钛酸酯混合后，放入2kg聚乙烯纤维，加热至150℃搅拌反应20min后，将溶液滤出，纤维冷却至室温干燥，得到改性聚乙烯纤维；(3)将0.2kg改性后的玄武岩纤维与0.3kg改性后聚乙烯纤维混合，得到改性混合纤维。
26.制备例2所述改性混合纤维采用以下方法制备：(1)称取1kg玄武岩纤维在烘箱310℃下烘烤20s取出冷却后，放入1.5kg醋酸溶液与1.5kg3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合液的混合液中浸泡28min，将溶液滤出后烘干纤维，得到改性玄武岩纤维；(2)称取1kg0.2mol/l的碳酸钙水溶液与1.3kg的钛酸酯混合后，放入2kg聚乙烯纤维，加热至160℃搅拌反应25min后，将溶液滤出，纤维冷却至室温干燥，得到改性聚乙烯纤维；(3)将0.12kg改性后的玄武岩纤维与0.18kg改性后聚乙烯纤维混合，得到改性混合纤维。
27.制备例3所述改性混合纤维采用以下方法制备：(1)称取1kg玄武岩纤维在烘箱320℃下烘烤15s取出冷却后，放入1.5kg醋酸溶液与1.5kg3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合液的混合液中浸泡30min，将溶液滤出后烘干纤维，得到改性玄武岩纤维；(2)称取1kg0.15mol/l的碳酸钙水溶液与0.45kg的钛酸酯混合后，放入2kg聚乙烯纤维，加热至160℃搅拌反应25min后，将溶液滤出，纤维冷却至室温干燥，得到改性聚乙烯纤维；(3)将0.08kg改性后的玄武岩纤维与0.12kg改性后聚乙烯纤维混合，得到改性混合纤维。
28.制备例4所述改性混合纤维采用以下方法制备：(1)称取1kg玄武岩纤维在烘箱320℃下烘烤15s取出冷却后，放入1.5kg醋酸溶液与1.5kg3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合液的混合液中浸泡30min，将溶液滤出后烘干纤维，得到改性玄武岩纤维；(2)称取1kg0.15mol/l的碳酸钙水溶液与0.45kg的钛酸酯混合后，放入2kg聚乙烯纤维，加热至160℃搅拌反应25min后，将溶液滤出，纤维冷却至室温干燥，得到改性聚乙烯纤维；(3)将0.085kg改性后的玄武岩纤维与0.115kg改性后聚乙烯纤维混合，得到改性混合纤维。
29.制备例5(1)称取1kg玄武岩纤维在烘箱320℃下烘烤15s取出冷却后，放入1.5kg醋酸溶液与1.5kg3-氨基丙基三乙氧基硅烷混合液的混合液中浸泡30min，将溶液滤出后烘干纤维，得到改性玄武岩纤维；(2)称取1kg0.15mol/l的碳酸钙水溶液与0.45kg的钛酸酯混合后，放入2kg聚乙烯纤维，加热至160℃搅拌反应25min后，将溶液滤出，纤维冷却至室温干燥，得到改性聚乙烯
纤维；(3)将0.07kg改性后的玄武岩纤维与0.13kg改性后聚乙烯纤维混合，得到改性混合纤维。实施例
30.实施例1本技术实施例公开一种矿渣-石膏基胶凝材料，一种矿渣-石膏基胶凝材料采用以下方法制备：s1：取矿渣粉与工业副产石膏经干燥、粉磨混合均匀，得到混合粉；s2：按表1取激发剂的各原料充分混匀得到复合激发剂，与步骤s1中得到的混合粉混匀，在球磨机中球磨8min后加入碱性成分继续研磨12min最终比表面积达到200目，得到混合料，；s3：混合料中加入改性混合纤维、三乙醇胺以及树脂粉末混合均匀后制得所述矿渣-石膏基胶凝材料。
31.本实施例中，原料采用制备例1制得的改性混合纤维、碱性成分为氢氧化钙、树脂为超细增韧聚酰亚胺树脂。
32.本技术实施例还公开一种稳定碎石三层连铺施工工艺，一种稳定碎石三层连铺施工工艺包括以下步骤：(1)下承层的施工：采用重型压实标准，压实路床、上路堤、下路堤，路床压实度≥96％，上路提压实度≥94％，下路提≥93％；(2)原料拌合：根据路面建设要求，按照规范进行材料配合比设计，选择符合中国iso标准砂与矿渣-石膏基胶凝材料以及水混合，按照上基层、下基层以及底基层的配比设计，取原料拌合均匀得到上基层、下基层以及底基层的稳定碎石混合料；(3)摊铺、碾压施工：基层摊铺前，对需要摊铺的路段进行验收，待验收合格后进行底基层摊铺。底基层采用摊铺机进行摊铺，摊铺完毕后对已施工段下基层验收，验收合格后进行下基层摊铺；下基层采用摊铺机进行摊铺，摊铺碾压完毕后对已施工段下基层验收，验收合格后进行上基层摊铺；上基层采用摊铺机进行摊铺，摊铺完毕后对已施工段上基层验收，全段基层施工完毕并验收合格后对基层进行覆盖养护施工；摊铺过程中采取摊铺机并排摊铺，以减少施工缝，摊铺机前后间距不超过10m，并且两个施工断面纵向应有30-40cm的叠加，对于无法使用机械摊铺的超宽路段，应采用人工同步摊铺，修整以及碾压成型。
33.(4)后期养护：三层连铺施工后在路面基层表面覆盖一层土工布，同时对基层进行定期洒水处理，保证基层的润湿，养护7-10天。
34.实施例2一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例1的不同之处在于，矿渣-石膏基胶凝材料原料各组分及其相应的重量份数如表1所示。本实施例中，原料采用制备例2制得的改性混合纤维、碱性成分为氢氧化钙、树脂为超细增韧聚酰亚胺树脂。
35.实施例2一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例1的不同之处在于，矿渣-石膏基胶凝材料原料各组分及其相应的重量份数如表1所示。本实施例中，原料采用制备例3制得的改性混合纤维、碱性成分为石灰、树脂为超细增韧聚酰亚胺树脂。
36.表1实施例1-3中各原料及其重量(kg)
实施例4一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例3的不同之处在于，原料采用制备例4制得的改性混合纤维。
37.实施例5一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例3的不同之处在于，原料采用制备例5制得的改性混合纤维。
38.实施例6一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例4的不同之处在于，原料采用的树脂为酚醛多环氧树脂。
39.对比例对比例1一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例3的不同之处在于，矿渣-石膏基胶凝材料凝胶材料中加入了0.08kg普通玄武岩纤维与0.12kg改性的聚乙烯纤维。
40.对比例2一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例3的不同之处在于，矿渣-石膏基胶凝材料凝胶材料中加入了0.08kg改性玄武岩纤维与0.12kg普通聚乙烯纤维。
41.对比例3一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例3的不同之处在于，矿渣-石膏基胶凝材料凝胶材料中加入了0.08kg普通玄武岩纤维与0.12kg普通聚乙烯纤维。
42.对比例4一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例3的不同之处在于，矿渣-石膏基胶凝材料凝胶材料中未加入混合改性纤维。
43.对比例5一种矿渣-石膏基胶凝材料及其稳定碎石三层连铺施工工艺，与实施例3的不同之处在于，本对比例中未加入复合激发剂。
44.性能检测试验检测方法/试验方法抗压强度、抗折强度：在不同实验温度-10℃、20℃、50℃下参照gb/t 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》进行胶凝材料试样的制备、养护与各龄期抗压以及抗折性能的测试。
45.劈裂抗拉强度：试体按照gb/t 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》进行制备，制成边长为150mm的立方体试件，参照gb/t 50081-2002进行劈裂抗拉强度的测试。
46.表2性能检测实验结果
结合实施例1-5和对比例3-4并结合表2可以看出，实施例1-3的抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度明显优于对比例3-4，说明在矿渣-石膏基胶凝材料中加入改性混合纤维可以增强与其他物质的粘结稳定性，同时与胶凝材料中其他物质形成网状结构，抵消导致材料出现裂纹的内部膨胀力，显著增强胶凝材料的强度与抗裂性能。
47.结合实施例1-3与对比例1-2并结合表2可以看出，对比例1的抗折强度优于对比例2，而对比例2的抗压强度以及劈裂抗拉强度要优于对比例1，实施例1-3的抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度均明显优于对比例1-2，说明改性纤维的混合使用可以互相配合，在材料中形成网状结构，协同增效充分发挥其增强增韧效果，增强界面结合力，有效提升凝胶材料的各项性能。
48.结合实施例1-3与对比例5并结合表2可以看出，实施例1-3的抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度都优于对比例5，说明在矿渣-石膏基胶凝材料中加入复合激发剂可以与材料中的碱性配合激发矿渣活性，补偿材料硬化时的收缩力，增强材料的后期强度。
49.结合实施例1-3与实施例4-5并结合表2可以看出，实施例5的抗压强度有所增长，但抗折强度以及劈裂抗拉强度都稍弱于其他实施例，说明改性玄武岩纤维与改性聚乙烯纤维的混合比例升至1:1.8后其强度虽有所增长但抗折强度有所下降，所以其混合比例在1：(1.3-1.8)之间抗压强度与抗折强度都较好。
50.结合实施例3与实施例6并结合表2可以看出，选择两种树脂材料其抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度数据相差不大，选择任一种树脂材料均能得到抗裂强度较好的矿
渣-石膏基胶凝材料。
51.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。