一种基于有机-无机胶凝材料协同稳定磷石膏与再生骨料的路面基层材料及其制备方法

本发明属于路面基层材料，具体涉及一种基于有机-无机胶凝材料协同稳定磷石膏与再生骨料的路面基层材料及其制备方法。

背景技术：

1、磷石膏是湿法磷酸生产过程产生的固体废弃物，其主要成分为caso4·2h2o，主要污染性杂质包含氟化物、游离磷酸、p2o5磷酸盐等。近年来，我国磷石膏产生量显著增加，不仅占用了大量的国土资源，而且造成了土壤、河流的严重污染。由于缺乏有效管理措施，磷石膏主要的处理方式就是远郊填埋和堆弃，导致其再生利用率很低，故其资源化综合利用已成为亟需解决的现实问题。

2、磷石膏作为一种粉体材料，其性质类似于路面材料中常用的粉体矿料，考虑将其优化设计到道路材料中是规模化解决磷石膏存量问题的有效途径。由于磷石膏属于无机材料中的一种，其被认为在无机胶凝材料的作用下更容易发生固结，因此其在道路材料中的应用主要还是集中在路面基层。然而路面基层是整个道路的承重层，起稳定路面的作用，其材料质量的好坏直接决定路面的质量和使用性能，这往往与包括水泥、石灰、粉煤灰等在内的无机胶凝材料的单独或协同使用具有十分密切的关系。

3、除磷石膏外，废弃混凝土是目前最为迫切需要解决再生利用问题的建筑固体废弃物。据报道，我国每年因拆除建筑产生的废弃混凝土就达1亿吨以上，大部分均未得到实际应用而直接填埋或随意堆放。研究表明，废弃混凝土作为一种有价值的建筑资源，其经过破碎后可作为再生骨料再次应用到建筑领域。因此，考虑解决磷石膏在基层材料中利用的同时，协同解决再生骨料的有效利用具有十分重要的社会意义和工程价值。

4、根据现有研究，磷石膏与再生骨料在道路基层材料的应用中主要存在以下几个问题：1)磷石膏本身不具备水硬性，存在成型养护时间长和耐水性差等问题；2)再生骨料表面裹覆水泥砂浆，存在吸水率高、压碎值大等问题，导致其再生混凝土强度和耐久性差；3)大掺量磷石膏在基层材料中会与水化铝酸钙反应生成钙矾石与单硫型水化铝酸钙晶体，影响水泥等活性材料的水化反应，导致混凝土早期强度较低。然而，这些问题的解决则取决于胶凝材料体系对路基其他材料的稳定作用，即其如何在保证路面基层材料力学性能的同时，提高磷石膏与再生骨料的抗水性，以极大避免路面基层的裂缝产生。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种有机-无机胶凝材料协同稳定磷石膏与再生骨料的路基材料，可实现废弃混凝土、磷石膏等固体废弃物的资源化利用；同时有效保证所得路面基层材料较优异的力学强度与长期稳定性能等，且涉及的制备方法较简单、成本较低，具有重要的经济和推广价值。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于有机-无机胶凝材料协同稳定磷石膏与再生骨料的路基材料路面基层材料，它以水泥基胶凝材料、煅烧磷石膏、天然细集料、再生粗骨料、硅酸钠、硬脂酸钙乳液、聚合物乳液和水为主要原料制备而成；其中，水泥基胶凝材料、煅烧磷石膏、天然细集料和再生粗骨料组成固结组分，各组分及其所占质量百分比包括：水泥基胶凝材料3～6％，煅烧磷石膏19～21％，天然细集料19～21％，再生粗骨料52～59％；硅酸钠占固结组分质量的0.6～2.6％，硬脂酸钙乳液占固结组分质量的0.08～0.4％，水占固结组分质量的5～10％，聚合物乳液占固结组分质量的1～2％。

4、优选的，所述硬脂酸钙乳液占固结组分质量的0.24～0.4％

5、上述方案中，所述水泥基胶凝材料为水泥或水泥与矿物掺合料的混合物，其中矿物掺合料可选用粉煤灰、石灰、矿粉等。

6、上述方案中，所述水泥可选用po42.5级普通硅酸盐水泥或(po32.5级普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥)等。

7、上述方案中，所述聚合物乳液为丁苯橡胶乳液等。

8、上述方案中，采用的磷石膏为工业磷肥加工处理过程中的副产物，呈灰白色，粉末状。

9、上述方案中，所述煅烧磷石膏通过将磷石膏依次进行水洗、煅烧、冷却和粉碎处理得到；其粒径为0.3mm以下；其中，通过水洗处理，过滤磷石膏中可溶性杂质五氧化二磷及可溶性氟化物；然后通过煅烧，将二水硫酸钙转化为半水硫酸钙，去除磷石膏中的有机杂质，有效提升煅烧磷石膏的胶凝活性，降低其亲水性。

10、上述方案中，所述水洗过程是将原状磷石膏浸泡10～20min，过滤水面杂质后通过真空泵抽滤后低温烘干；所述煅烧步骤采用的温度为120～150℃，煅烧时间为1～2h。

11、方案中，所述天然细集料可选用天然河砂，采用0.075～4.75mm连续级配，体积密度为1533～1587kg/m3，吸水率为4～8％，含水率为2～5％。

12、上述方案中，所述再生粗骨料通过将废弃混凝土依次进行分拣(堆场分拣)、破碎(破碎机破碎)、筛分(筛分机筛分)得到；粒径为4.75～19mm，连续级配，体积密度为1139～1319kg/m3，压碎指标为10～18％，吸水率为13～15％，含水率为5～8％。

13、上述方案中，所述的硬脂酸钙乳液的固含量为20～40％，ph值为9～12(2％水溶液)，密度1.0-1.1g/cm3，乳白色液体。

14、上述方案中，所述的丁苯橡胶乳液的固含量为20～50％，ph值为9.0～10.5，密度0.9-1.05g/cm3，乳白色液体。

15、上述一种基于有机-无机胶凝材料协同稳定磷石膏与再生骨料的路面基层材料的制备方法，包括如下步骤：

16、1)根据配合比称取原料；

17、2)将天然细骨料加入集料盘中，形成物料a；将水泥基胶凝材料和水入集料盆中进行均匀搅拌，形成混合物b；将煅烧磷石膏、硅酸钠、硬脂酸钙乳液和聚合物乳液混合搅拌均匀静置，得混合物c；

18、3)将再生粗骨料和附加水(即再生骨料吸水率对应的水量)倒入搅拌锅中搅拌30～60s，然后将混合物a、混合物b倒入搅拌锅中，搅拌30～60s后，再加入混合物c，连续搅拌120～180s形成所述路面基层材料(水泥稳定碎石层混合料)。

19、本发明的原理为：

20、本发明利用无机胶凝材料的水化反应和硅酸钠、硬脂酸钙乳液的物化反应对煅烧磷石膏和再生骨料进行紧密化学固结，增加混合物中c-s-h、c-a-h等水化产物的产生量，减小磷石膏遇水膨胀、再生骨料遇水吸收的问题，增强微观结构的密实性，实现力学强度的显著提升；同时，利用有机胶凝材料对路面基层材料混合物进行协同稳定，可一定程度上降低无机胶凝材料稳定路面基层刚性，进一步增强磷石膏与再生骨料的防水保护作用和粘结作用，有利于降低基层材料因温缩应力、荷载应力而导致开裂现象的发生几率，显著提升抗冻融开裂等耐久性能；基于上述有机-无机胶凝材料的协同稳定作用，可同步改善含磷石膏与再生骨料的路面基层材料力学强度与长期性能的潜在能力。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、1)本发明提供的有机-无机胶凝材料不仅能有效保持无机胶凝材料体系稳定磷石膏与再生骨料的路面基层材料抗压强度等力学性能，而且能发挥有机胶凝材料对相应路面基层材料抗冻融开裂破坏的能力，延长其使用寿命；

23、2)本发明通过有机-无机胶凝材料对磷石膏与再生骨料的稳定作用，可实现它们在路面基层材料中的规模资源化利用，缓解天然骨料极度短缺、磷石膏堆放问题，具有显著的环境、经济与社会效益。