CN108203290A - 一种赤泥改性材料及其在道路路基中应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种赤泥改性材料及其在道路路基中的应用。所述赤泥改性材料是由70‑89％的赤泥粉末、5‑10％的改性磷石膏粉末、5‑15％的水泥、0.3‑0.8％固化剂、2‑5％乳胶粉、0.2‑0.5％稳定剂和1‑3％调节剂组成，其中所述赤泥为含水量22‑27％的粒径200‑300目的赤泥粉末；所述磷石膏是经过300‑400℃高温煅烧4‑6小时后陈化2‑3天制备的β半水石膏，并将其粉碎成200‑300目的粉末状。将赤泥改性材料直接摊铺到道路底层上，然后通过压路机压实整平，其压实之后材料的密实度大于1.85g/cm3，即得到路面基层。本发明的赤泥改性材料能够直接作为路基材料，其强度能够快速达到要求，形成的路基材料层既能达到水稳性要求，也能达到水硬性要求。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程建设领域，具体涉及一种赤泥改性材料及其在道路路基中应用。
背景技术
赤泥是氧化铝生产过程中排放的固体废渣，每生产1t氧化铝约产1.0～1.3t赤泥；按照氧化铝生产方法的不同，分为烧结法、拜耳法和混联法赤泥。据不完全估计，我国每年排放赤泥数亿吨，赤泥累计堆存量高达数千万吨。由于赤泥结合的化学键难以脱除，且含量大，又含有氟、铝及其他多种杂质，因此，对于赤泥的无害化利用一直难以进行，现有赤泥的应用主要以筑坝湿法堆存为主，其利用率仅为1％左右。随着铝工业的发展和铝矿石品位的降低，赤泥排放量将越来越大，由于赤泥中含有大量的强碱性化学物质，稀释10倍后，其pH值仍为11.25～11.50，极高的pH值决定了赤泥对生物和金属、硅质材料的强烈腐蚀性；高碱度的污水渗入地下或进入地表水，会造成更为严重的水污染。所以，大量的赤泥堆存不但需要一定的基建费用，而且占用大量土地，造成大量的环境污染，其所产生的环境问题已成为企业可持续发展的重大制约因素。但从赤泥的主要组成不难看出，其具有在道路行业应用的资源潜力。
传统道路基层材料包括水泥稳定土、石灰稳定土和二灰碎石。水泥稳定土中，水泥作为一种水硬性材料，遇水产生胶体，这些胶体在土壤中无法形成统一整体，并且还会破坏土壤本身的结构和连结，造成大量的不稳定空间，这些空间在水的入侵和温度的变化下，会变得非常脆弱，因此水泥稳定土形成的道路基层极易开裂，抗裂性差。石灰稳定土中，石灰是一种气硬性物质，它的最终生成物为碳酸钙，碳酸钙的溶解度远远大于硅酸钙和其他的硅酸盐，因此，石灰稳定土形成的道路基质在水的作用下，会不断的流逝，容易腐蚀；而且本身韧性差、脆性强，温度越低，越容易被破坏。二灰碎石是在粒料中掺入适量的石灰和粉煤灰，其中石灰和粉煤灰为胶结材料，粒料起骨架作用。二灰碎石形成的道路基层属于半刚性基层，具有明显的水硬性、缓凝性，但是粒料和石灰、粉煤灰一旦结合，内部即停止化学反应，形成的道路基质刚性过大，容易受温度和湿度影响而开裂，抗裂性差。
发明内容
本发明根据现有技术的不足提供一种赤泥改性材料及其在道路路基中应用，本发明通过对赤泥进行改性后将其作为路基材料直接施工路基层，改性后的赤泥直接铺设在道路底层上，经过碾压机碾压后取代夯土层和混凝土层直接作为路基层，具有柔性、反弹性，可达到混凝土的强度，并具有抗压性，对水具有很强的抵御能耐，并在水的侵蚀下其强度更大。
本发明提供的技术方案：一种赤泥改性材料，其特征在于是由以下质量百分比的物质组成：
其中，所述改性磷石膏是将磷石膏经过300-400℃高温煅烧4-6小时后陈化2-3天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
所述赤泥为含水量22-27％，且粒径为200-300目的粉末状赤泥；
所述固化剂是由以下质量百分比的物质组成：阳离子螯合物1-3％，纳米氧化锆0.01-0.035％，乙二胺0.1-0.2％，氧化喹啉0.1-0.5％，硫酸锰1-5％，葡萄糖0.3-0.8％，硅胶1-5％，聚乙醇0-2％，氟硅酸钠0-5％，缓凝剂0-4％，余量为水。
本发明较优的技术方案：所述调节剂为氯化钙，或矿渣微粉，或氯化钙和矿渣微粉按照重量比3-4:0.5-1的比例混合而成的复合粉末；所述稳定剂为氯化钡。
本发明较优的技术方案：所述固化剂中：阳离子螯合物是由螯合剂与金属离子螯合而成，其螯合剂选用乙二胺四乙酸(EDTA)，氨基三乙酸(NTA)，二亚乙基三胺五乙酸，柠檬酸(CA)，酒石酸(TA)，葡萄糖酸(GA)，羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)和二羟乙基甘氨酸(DEG)；缓凝剂为硼砂、磷酸钠、氟化钠、硝酸钙的一种或几种。
本发明较优的技术方案：所述赤泥的含水量是通过压滤装置在压滤过程中直接调节或将堆放储存的表层赤泥与新鲜赤泥搅拌得到。
本发明提供的一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于具体步骤如下：
(1)选拜耳法或烧结法赤泥，将其含水量调整到22-27％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；
(2)将磷石膏经过300-400℃高温煅烧4-6小时后陈化2-3天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物1-3％，纳米氧化锆0.01-0.035％，乙二胺0.1-0.2％，氧化喹啉0.1-0.5％，硫酸锰1-5％，葡萄糖0.3-0.8％，硅胶1-5％，聚乙醇0-2％，氟硅酸钠0-5％，缓凝剂0-4％，余量为水；其中所述阳离子螯合物是由螯合剂与金属离子螯合而成；所述缓凝剂为硼砂、磷酸钠、氟化钠、硝酸钙的一种或几种；
(4)按质量百分比取70-89％步骤(1)中的赤泥粉末、5-10％步骤(2)中改性磷石膏粉末和5-15％的水泥混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.3-0.8％固化剂、2-5％乳胶粉、0.2-0.5％稳定剂、1-3％调节剂，并搅拌均匀制成混合干粉料，其中所述调节剂为氯化钙，或矿渣微粉，或氯化钙和矿渣微粉按照重量比3-4:0.5-1的比例混合而成的复合粉末；所述稳定剂为氯化钡；
(5)将步骤(4)中搅拌均匀的混合干分料接运输到待处理路基，将其摊铺到道路底层上，然后通过压路机压实整平，其压实之后材料的密实度大于1.85g/cm3，即得到路面基层。
本发明较优的技术方案：所述步骤(3)的阳离子螯合物中螯合剂选用乙二胺四乙酸(EDTA)，氨基三乙酸(NTA)，二亚乙基三胺五乙酸，柠檬酸(CA)，酒石酸(TA)，葡萄糖酸(GA)，羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)和二羟乙基甘氨酸(DEG)。
本发明较优的技术方案：所述步骤(1)中赤泥的含水量是通过压滤装置在压滤过程中直接调节或将堆放储存的表层赤泥与新鲜赤泥搅拌得到。
本发明中的原料为赤泥、改性磷石膏、普通水泥、固化剂、胶乳粉等，在搅拌过程中利用赤泥本身的水分，不需另外加水，使水泥发生缺水反应，固化剂改变了水泥形成的路径，利用固化剂有效的激活成分减少硅酸二钙形成疏松晶体的大量形成，使硅酸三钙迅速聚晶形成网状结构晶体，硅酸三钙晶体的强度虽然没有硅酸二钙晶体的强度大，但是其耐水侵蚀性高；而且硅酸三钙聚晶有序排列，其间隙容易被小分子填充，赤泥中含有大量的单晶或片晶类小分子，其分子体积小，化学稳定性高，容易进入硅酸三钙晶体间隙中，增加其强度，既能达到水稳性要求，也能达到水硬性要求；磷石膏为酸性工业废渣，可以捕捉赤泥中的游离碱，与之反应，生产无害化的不返碱的物质，同时酸性工业废渣中含有石膏，能够激发赤泥的活性，改性磷石膏对赤泥进行硫酸盐激发，在显著提高了改性材料的力学强度的同时，还可以改善其的碳化和抗冻性能。调节剂如氯化钙，容易渗透到赤泥中，使用渗透促凝剂，依靠赤泥浆体进行溶解、渗透，强化赤泥的凝结性，促凝加固赤泥，进一步促进凝结速度，提高赤泥的早期强度。
本发明固化剂中的阳离子螯合物是由金属阳离子与螯合剂螯合而成，可以促使水泥中的硅酸三钙聚晶形成；纳米氧化物可以使阴离子螯合剂从聚晶材料中解脱出来，再次聚晶；交联剂的主要作用是加快硅酸三钙的结晶；氧化奎宁可以使整个缺水情况的反应更加稳定，网络很多水分子，形成水膜，保证晶体反应有足够的时间和空间；高价金属盐主要是阻止硅酸三钙在段时间内向硅酸二钙转变；葡萄糖的作用保证水分能够有序稳定的供应给反应应用，保证反应的顺利进行。
本发明的有益效果：
(1)本发明的整个反应不需要另外加水，处于缺水反应，与现有水泥反应路径完全不同，在进行施工时，直接采用干粉压制，简化了施工过程，降低了施工成本，而且该路基材料在外界压力的作用下，其强度能够快速达到要求，形成的路基材料层既能达到水稳性要求，也能达到水硬性要求；
(2)本发明以赤泥为主要原料，利用赤泥中的小分子晶体或片晶物质的性能，使其在外界压力作用下，快速进入了水泥缺水反应形成的硅酸三钙网状晶体内，对其间隙进行填充，增加了材料的强度，使整个路基层不需要添加不任何骨料便可达到强度要求；
(3)本发明将赤泥作为道路基层材料的主要原料，使赤泥的利用率超过85％，变废为宝，解决了现有赤泥大量堆放占用空间，且污染环境的问题；
(4)本发明中的中的固化剂可有效固化主废料中的有害成分，不需要不需要对废料进行任何特殊处理，可以将生产氧化铝得到赤泥经过水分调整后直接利用，而且水分调整可以采用常规的方式进行调整，不需要单独的设备，整个工艺简单；
(5)本发明中的路基材料施工得到的路基层只有一层，去掉了原始的夯土层和混凝土层，其结构简单，缩短了公路的施工周期，铺好的路基材料层只需要24小时便可以铺面料层，并能防止面料层出现开裂现象；
(6)本发明中施工的路基层具有柔性、反弹性，其强度达到了现有公路路基的设计要求，并具有抗压性，对水具有很强的抵御能力，能够使公路的寿命延长5-10年。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本发明中的赤泥改性材料，其特征在于是由以下质量百分比的物质组成：
其中，所述改性磷石膏是将磷石膏经过300-400℃高温煅烧4-6小时后陈化2-3天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
所述赤泥为拜耳法赤泥或烧结法赤泥，赤泥本身具有保水性，赤泥在生产出来是其水分含量为33-37％，在使用之前，可以通过压滤装置在压滤过程中直接将其水分调整为22-27％；或者将赤泥堆放一段时间，然后将取表层较干的赤泥与新鲜的赤泥进行搅拌，并在搅拌过程中监控其水分，将其水分调整至22-27％，然后将其压碎后研磨至粒径为200-300目的粉末状；
所述固化剂是由以下质量百分比的物质组成：阳离子螯合物1-3％，纳米氧化锆0.01-0.035％，乙二胺0.1-0.2％，氧化喹啉0.1-0.5％，硫酸锰1-5％，葡萄糖0.3-0.8％，硅胶1-5％，聚乙醇0-2％，氟硅酸钠0-5％，缓凝剂0-4％，余量为水。阳离子螯合物是由螯合剂与金属离子螯合而成，其螯合剂选用乙二胺四乙酸(EDTA)，氨基三乙酸(NTA)，二亚乙基三胺五乙酸，柠檬酸(CA)，酒石酸(TA)，葡萄糖酸(GA)，羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)和二羟乙基甘氨酸(DEG)；缓凝剂为硼砂、磷酸钠、氟化钠、硝酸钙的一种或几种。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于具体步骤如下：
(1)将烧结法赤泥含水量调整到25％，并将其研磨至粒径为200-300目的粉末；
(2)将磷石膏经过350℃高温煅烧5小时后陈化2天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：金属阳离子螯合物3％，纳米氧化锆0.03％，乙二胺0.2％，氧化喹啉0.4％，硫酸锰4％，葡萄糖0.5％，硅胶1.5％，余量为水；其中金属阳离子螯合物是由镁离子与乙二胺四乙酸(EDTA)螯合形成的镁离子螯合物；
(4)取质量百分比80％步骤(1)中的赤泥粉末、10％步骤(2)中改性磷石膏粉末和5％的水泥混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.3％固化剂、3.5％乳胶粉、0.2％氯化钡、1％氯化钙，并搅拌均匀制成混合干粉料；
(5)将步骤(4)中搅拌均匀的混合干分料接运输到待处理路基，将其摊铺到道路底层上，然后通过压路机压实整平，其压实之后材料的密实度大于1.85g/cm3，即得到路面基层。
实施例2：一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于具体步骤如下：
(1)选拜耳法赤泥，将其含水量调整到22％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；
(2)将磷石膏经过300℃高温煅烧6小时后陈化2天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：金属阳离子螯合物2.5％，纳米氧化锆0.02％，乙二胺0.15％，氧化喹啉0.5％，硫酸锰4％，葡萄糖0.6％，硅胶1％，余量为水；所述金属阳离子螯合物是由镁离子与氨基三乙酸(NTA)螯合形成的镁离子螯合物；
(4)按质量百分比取75％步骤(1)中的赤泥粉末、8％步骤(2)中改性磷石膏粉末和10％的水泥混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.8％固化剂、4％乳胶粉、0.4％氯化钡、1.8％调节剂，所述调节剂是由氯化钙和矿渣微粉按照重量比3:0.5的比例混合而成的复合粉末；
(5)将步骤(4)中搅拌均匀的混合干分料接运输到待处理路基，将其摊铺到道路底层上，然后通过压路机压实整平，其压实之后材料的密实度大于1.85g/cm3，即得到路面基层。
实施例3：一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于具体步骤如下：
(1)选拜耳法赤泥，将其含水量调整到27％，并将其研磨至粒径200-300目的粉末；
(2)将磷石膏经过400℃高温煅烧4小时后陈化2.5天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：金属阳离子螯合物3％，纳米氧化锆0.03％，乙二胺0.2％，氧化喹啉0.4％，硫酸锰4％，葡萄糖0.5％，硅胶1.5％，余量为水；其中所述金属阳离子螯合物是由钙离子与乙二胺四乙酸(EDTA)螯合形成的钙离子螯合物；
(4)按质量百分比取85％步骤(1)中的赤泥粉末、5％步骤(2)中改性磷石膏粉末和6％的水泥混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.4％固化剂、2％乳胶粉、0.4％氯化钡、1.2％矿渣微粉，并搅拌均匀制成混合干粉料；
(5)将步骤(4)中搅拌均匀的混合干分料接运输到待处理路基，将其摊铺到道路底层上，然后通过压路机压实整平，其压实之后材料的密实度大于1.85g/cm3，即得到路面基层。
实施例4：一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于具体步骤如下：
(1)选拜耳法赤泥，将其含水量调整到26％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；
(2)将磷石膏经过350℃高温煅烧4小时后陈化3天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：金属阳离子螯合物1.5％，纳米氧化锆0.01％，乙二胺0.1％，氧化喹啉0.4％，硫酸锰3％，葡萄糖0.8％，硅胶2.5％，聚乙醇1％，氟硅酸钠3％，硝酸钙2％，余量为水；其中所述金属阳离子螯合物是由二亚乙基三胺五乙酸(DTPA)与镁离子螯合形成的镁离子螯合物；
(4)按质量百分比取70％步骤(1)中的赤泥粉末、10％步骤(2)中改性磷石膏粉末和12％的水泥混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.6％固化剂、4％乳胶粉、0.4％氯化钡、3％氯化钙，并搅拌均匀制成混合干粉料；
(5)将步骤(4)中搅拌均匀的混合干分料接运输到待处理路基，将其摊铺到道路底层上，然后通过压路机压实整平，其压实之后材料的密实度大于1.85g/cm3，即得到路面基层。
实施例5：一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于具体步骤如下：
(1)将拜耳法赤泥含水量调整到25％，并将其研磨至粒径为200-300目的粉末；
(2)将磷石膏经过350℃高温煅烧5小时后陈化2天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：金属阳离子螯合物2％，纳米氧化锆0.02％，乙二胺0.2％，氧化喹啉0.3％，硫酸锰1.5％，葡萄糖0.3％，硅胶1％，聚乙醇2％，氟硅酸钠1％，磷酸钠1％，余量为水；其中所述金属阳离子螯合物羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)与铁离子螯合形成的铁离子螯合物；
(4)按质量百分比取75％步骤(1)中的赤泥粉末、8％步骤(2)中改性磷石膏粉末和10％的水泥混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.8％固化剂、4％乳胶粉、0.4％氯化钡、1.8％调节剂，所述调节剂是由氯化钙和矿渣微粉按照重量比3:0.5的比例混合而成的复合粉末；
(5)将步骤(4)中搅拌均匀的混合干分料接运输到待处理路基，将其摊铺到道路底层上，然后通过压路机压实整平，其压实之后材料的密实度大于1.85g/cm3，即得到路面基层。
下面针对实施例1-5中制备的混凝土材料进行抗压和水硬性测试，其测试结果如下：
通过上述测试可以看出，本发明中的改性赤泥可以直接作为道路路基层达到了常规水泥混凝土的强度要求，并且满足了水硬性测试要求。
Claims (7)
1.一种赤泥改性材料，其特征在于是由以下质量百分比的物质组成：
其中，所述改性磷石膏是将磷石膏经过300-400℃高温煅烧4-6小时后陈化2-3天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
所述赤泥为含水量22-27％，且粒径为200-300目的粉末状赤泥；
所述固化剂是由以下质量百分比的物质组成：阳离子螯合物1-3％，纳米氧化锆0.01-0.035％，乙二胺0.1-0.2％，氧化喹啉0.1-0.5％，硫酸锰1-5％，葡萄糖0.3-0.8％，硅胶1-5％，聚乙醇0-2％，氟硅酸钠0-5％，缓凝剂0-4％，余量为水。
2.根据权利要求1所述的一种赤泥改性材料，其特征在于：所述调节剂为氯化钙，或矿渣微粉，或氯化钙和矿渣微粉按照重量比3-4:0.5-1的比例混合而成的复合粉末；所述稳定剂为氯化钡。
3.根据权利要求1所述的一种赤泥改性材料，其特征在于所述固化剂中：阳离子螯合物是由螯合剂与金属离子螯合而成，其螯合剂选用乙二胺四乙酸(EDTA)，氨基三乙酸(NTA)，二亚乙基三胺五乙酸，柠檬酸(CA)，酒石酸(TA)，葡萄糖酸(GA)，羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)和二羟乙基甘氨酸(DEG)；缓凝剂为硼砂、磷酸钠、氟化钠、硝酸钙的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种赤泥改性材料，其特征在于：所述赤泥的含水量是通过压滤装置在压滤过程中直接调节或将堆放储存的表层赤泥与新鲜赤泥搅拌得到。
5.一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于具体步骤如下：
(1)选拜耳法或烧结法赤泥，将其含水量调整到22-27％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；
(2)将磷石膏经过300-400℃高温煅烧4-6小时后陈化2-3天制备的β半水石膏，其结晶水含量为4％-5％，且粒径为200-300目的粉末状；
(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物1-3％，纳米氧化锆0.01-0.035％，乙二胺0.1-0.2％，氧化喹啉0.1-0.5％，硫酸锰1-5％，葡萄糖0.3-0.8％，硅胶1-5％，聚乙醇0-2％，氟硅酸钠0-5％，缓凝剂0-4％，余量为水；其中所述阳离子螯合物是由螯合剂与金属离子螯合而成；所述缓凝剂为硼砂、磷酸钠、氟化钠、硝酸钙的一种或几种；
(4)按质量百分比取70-89％步骤(1)中的赤泥粉末、5-10％步骤(2)中改性磷石膏粉末和5-15％的水泥混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.3-0.8％固化剂、2-5％乳胶粉、0.2-0.5％稳定剂、1-3％调节剂，并搅拌均匀制成混合干粉料，其中所述调节剂为氯化钙，或矿渣微粉，或氯化钙和矿渣微粉按照重量比3-4:0.5-1的比例混合而成的复合粉末；所述稳定剂为氯化钡；
(5)将步骤(4)中搅拌均匀的混合干分料接运输到待处理路基，将其摊铺到道路底层上，然后通过压路机压实整平，其压实之后材料的密实度大于1.85g/cm3，即得到路面基层。
6.根据权利要求5所示的一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于：所述步骤(3)的阳离子螯合物中螯合剂选用乙二胺四乙酸(EDTA)，氨基三乙酸(NTA)，二亚乙基三胺五乙酸，柠檬酸(CA)，酒石酸(TA)，葡萄糖酸(GA)，羟乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)和二羟乙基甘氨酸(DEG)。
7.根据权利要求5所示的一种赤泥改性材料在道路路基中的应用，其特征在于：所述步骤(1)中赤泥的含水量是通过压滤装置在压滤过程中直接调节或将堆放储存的表层赤泥与新鲜赤泥搅拌得到。
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