CN108275931A - 一种磷石膏改性材料及其在道路基层中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磷石膏改性材料，由以下质量百分比的物质组成：改性磷石膏72‑86％、赤泥5‑12％、粉煤灰1‑6％、矾渣1‑5％、水泥4‑14％、阴离子型有机硅表面活性剂0.1‑1％、固化剂0.2‑1％、硬脂酸‑聚苯乙烯乳液1‑3％、疏水改性剂0.5‑3％、抗渗剂0.5‑1％。本发明利用磷石膏进生产道路材料，可代替传统的道路基层和道路水稳层，将其二合一，施工方便，减少对环境的污染，而且变废为宝；形成的道路层抗裂性强、不易腐蚀，使用寿命长。

Description

一种磷石膏改性材料及其在道路基层中的应用

技术领域

本发明涉及道路工程建设领域，具体涉及一种磷石膏改性材料及其在道路基层中的应用。

背景技术

磷石膏是生产磷肥、磷酸时排放出的固体废弃物，每生产1t磷酸约产生4.5-5t磷石膏，我国每年都有大量磷石膏产出。磷石膏具有以下特性：磷石膏是一种粉状材料，几乎没有可塑性；磷石膏中残存有磷酸、硫酸和氢氟酸，它是一种酸性副产品(pH<3)；磷石膏中含有25％-30％的自由水，磷石膏的垂直渗透系数为2×10^-5-1×10^-3。目前，中国磷石膏的有效利用率不足10％，只有极少量的磷石膏被利用生产建筑材料，其余数量巨大的磷石膏作为固体废渣堆放，堆放磷石膏不仅占用大量土地，而且磷石膏里含有的砷、镉、汞等有害重金属化学物质对环境造成污染。

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，提供一种磷石膏改性材料及其在道路基层中的应用，本发明通过对磷石膏进行改性后将其作为路基材料直接施工路基层，改性后的磷石膏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：一种磷石膏改性材料，是由以下质量百分比的物质组成：

所述固化剂是由以下物质按照质量分数配置而成的水溶液：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

进一步的，所述改性磷石膏是将磷石膏陈化2d以上，得到物料A；将物料A在300-400℃下煅烧2-4小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照95％～98％:2％～5％的重量百分配比混合均匀得到，且粒径为200-300目粉末状；所述赤泥为含水量22-27％，且粒径为200-300目的粉末状。

进一步的，所述阴离子型有机硅表面活性剂为磺酸盐型、硫酸盐型、磷酸酯型或羧酸盐型阴离子型有机硅表面活性剂中的一种。

进一步的，所述疏水改性剂为羧酸及其盐类、磺酸及其盐类、聚丙稀醇中的一种或多种。

进一步的，所述硬脂酸-聚苯乙烯乳液的固含量为30-50％，所述抗渗剂为氯化钙或者硅藻土。

进一步的，所述阳离子螯合物为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)或二羟乙基甘氨酸(DEG)，金属离子选用镁离子、钙离子或铁离子。

一种磷石膏改性材料在道路基层中的应用，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)将磷石膏陈化2d以上，得到物料A；将物料A在300-400℃下煅烧2-4小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照95％～98％:2％～5％的重量百分配比混合均匀，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末，即得改性磷石膏；

(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

(4)按照质量百分比取72-86％步骤(2)所得的改性磷石膏、5-12％步骤(1)中赤泥、4-14％的水泥、1-6％的粉煤灰和1-5％矾渣混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.1-1％阴离子型有机硅表面活性剂、0.2-1％固化剂、1-3％硬脂酸-聚苯乙烯乳液、0.5-3％疏水改性剂、0.5-1％抗渗剂，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1.80g/cm³，即得到路面基层。

本发明的主要原料为改性磷石膏、赤泥、普通水泥、粉煤灰和矾渣，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。在搅拌过程中利用磷石膏和赤泥本身的水分，不需另外加水，使水泥发生缺水反应，改变水泥的反应路径，利用固化剂的有效激活成分减少硅酸二钙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性高，其间隙容易被小分子填充，磷石膏中含有大量的非晶、单晶或片晶类小分子化合物，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；

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；纳米氧化物可以使阳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聚晶；氧化喹啉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。

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)本发明以磷石膏为主要原料，通过添加一定量的有机/无机结合料固化磷石膏，改善了磷石膏的吸水性、稳定性和铺筑材料强度，从而达到公路路面基层的施工条件，使有害物质浸出量符合环保标准，利用磷石膏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)本发明将磷石膏作为道路基层材料的主要原料，使磷石膏的利用率超过85％，变废为宝，解决了现有磷石膏大量堆放占用空间，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，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，可代替传统的道路基层和道路水稳层，将其二合一，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，施工方便，减少对环境的污染，形成的道路基层抗裂性强、不易腐蚀，使用寿命长。

(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

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

一种磷石膏改性材料，由以下质量百分比的物质组成：

所述固化剂是由以下物质按照质量分数配置而成的水溶液：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

所述改性磷石膏是将磷石膏陈化2d以上，得到物料A；将物料A在300-400℃下煅烧2-4小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照95％～98％:2％～5％的重量百分配比混合均匀得到，且粒径为200-300目粉末状；所述赤泥为含水量22-27％，且粒径为200-300目的粉末状。

所述阴离子型有机硅表面活性剂为磺酸盐型、硫酸盐型、磷酸酯型或羧酸盐型阴离子型有机硅表面活性剂中的一种。所述疏水改性剂为羧酸及其盐类、磺酸及其盐类、聚丙稀醇中的一种或多种。所述硬脂酸-聚苯乙烯乳液的固含量为30-50％，所述抗渗剂为氯化钙或者硅藻土。

所述阳离子螯合物为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)或二羟乙基甘氨酸(DEG)，金属离子选用镁离子、钙离子或铁离子。

实施例1

一种磷石膏改性材料在道路基层中的应用，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23％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；

(2)将磷石膏陈化2d以上，得到物料A；将物料A在310℃下煅烧4小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照95％％:5％的重量百分配比混合均匀，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末，即得改性磷石膏；

(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

(4)按照质量百分比取72％步骤(2)所得的改性磷石膏、12％步骤(1)中赤泥、10％的水泥、1％的粉煤灰和1％矾渣混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.5％磺酸盐型有机硅表面活性剂、0.5％固化剂、1％硬脂酸-聚苯乙烯乳液、1％羧酸、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1.80g/cm³，即得到路面基层。

所述阳离子螯合物为由乙二胺四乙酸(EDTA)与镁离子螯合而成的金属离子螯合物。

实施例2

一种磷石膏改性材料在道路基层中的应用，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％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；

(2)将磷石膏陈化3d以上，得到物料A；将物料A在350℃下煅烧2.5小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照96％:4％的重量百分配比混合均匀，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末，即得改性磷石膏；

(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

(4)按照质量百分比取74％步骤(2)所得的改性磷石膏、10％步骤(1)中赤泥、8％的水泥、2％的粉煤灰和2％矾渣混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.2％硫酸盐型有机硅表面活性剂、0.8％固化剂、2％硬脂酸-聚苯乙烯乳液、0.5％聚丙稀醇、0.5％硅藻土，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1.80g/cm³，即得到路面基层。

所述阳离子螯合物为由乙二胺四乙酸(EDTA)与钙离子螯合而成。

实施例3

一种磷石膏改性材料在道路基层中的应用，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24％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；

(2)将磷石膏陈化4d以上，得到物料A；将物料A在340℃下煅烧3小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照97％:3％的重量百分配比混合均匀，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末，即得改性磷石膏；

(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

(4)按照质量百分比取78％步骤(2)所得的改性磷石膏、7％步骤(1)中赤泥、9％的水泥、2％的粉煤灰和1％矾渣混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.4％磷酸酯型有机硅表面活性剂、0.4％固化剂、1％硬脂酸-聚苯乙烯乳液、0.7％磺酸、0.5％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1.80g/cm³，即得到路面基层。

所述阳离子螯合物为二羟乙基甘氨酸(DEG)与镁离子螯合而成。

实施例4

一种磷石膏改性材料在道路基层中的应用，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25％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；

(2)将磷石膏陈化4d以上，得到物料A；将物料A在370℃下煅烧2小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照98％:2％的重量百分配比混合均匀，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末，即得改性磷石膏；

(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

(4)按照质量百分比取80％步骤(2)所得的改性磷石膏、6％步骤(1)中赤泥、6％的水泥、3％的粉煤灰和1％矾渣混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.8％羧酸盐型有机硅表面活性剂、0.2％固化剂、1％硬脂酸-聚苯乙烯乳液、1％醋酸钙、1％硅藻土，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1.80g/cm³，即得到路面基层。

所述阳离子螯合物为乙二胺四乙酸(EDTA)与镁离子螯合而成。

实施例5

一种磷石膏改性材料在道路基层中的应用，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27％，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末；

(2)将磷石膏陈化6d以上，得到物料A；将物料A在400℃下煅烧2小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照96.5％:3.5％的重量百分配比混合均匀，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末，即得改性磷石膏；

(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

(4)按照质量百分比取84％步骤(2)所得的改性磷石膏、5％步骤(1)中赤泥、4％的水泥、1％的粉煤灰和2％矾渣混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.4％磷酸酯型有机硅表面活性剂、0.5％固化剂、1.5％硬脂酸-聚苯乙烯乳液、0.8％聚丙稀醇、0.8％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1.80g/cm³，即得到路面基层。

所述阳离子螯合物为二羟乙基甘氨酸(DEG)与钙离子螯合而成。

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，本发明中的磷石膏改性材料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。

以上所述仅为本发明的具体实施方案的详细描述，并不以此限制本发明，凡在本发明的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磷石膏改性材料，其特征在于是由以下质量百分比的物质组成：

所述固化剂是由以下物质按照质量分数配置而成的水溶液：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

2.根据权利要求1所述的磷石膏改性材料，其特征在于：所述改性磷石膏是将磷石膏陈化2d以上，得到物料A；将物料A在300-400℃下煅烧2-4小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照95％～98％:2％～5％的重量百分配比混合均匀得到，且粒径为200-300目粉末状；所述赤泥为含水量22-27％，且粒径为200-300目的粉末状。

3.根据权利要求1所述的磷石膏改性材料，其特征在于：所述阴离子型有机硅表面活性剂为磺酸盐型、硫酸盐型、磷酸酯型或羧酸盐型阴离子型有机硅表面活性剂中的一种。

4.根据权利要求1所述的磷石膏改性材料，其特征在于：所述疏水改性剂为羧酸及其盐类、磺酸及其盐类、聚丙稀醇中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的磷石膏改性材料，其特征在于：所述硬脂酸-聚苯乙烯乳液的固含量为30-50％，所述抗渗剂为氯化钙或者硅藻土。

6.根据权利要求1所述的磷石膏改性材料，其特征在于：所述阳离子螯合物为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)或二羟乙基甘氨酸(DEG)，金属离子选用镁离子、钙离子或铁离子。

7.根据权利要求1-6任一项所述的磷石膏改性材料在道路基层中的应用，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)将磷石膏陈化2d以上，得到物料A；将物料A在300-400℃下煅烧2-4小时得到物料B，然后将所述物料B自然冷却；将所述物料A和物料B按照95％～98％:2％～5％的重量百分配比混合均匀，并将其研磨或粉碎至粒径200-300目的粉末，即得改性磷石膏；

(3)按照以下质量百分比的物质配制固化剂：阳离子螯合物5％、纳米氧化锆0.02％、乙二胺0.14％、氧化喹啉0.3％、硫酸锰5％、三乙醇胺3％、聚乙烯醇1％、烷基苯磺酸钠2％、硝酸钙0.5％、氟化钠0.5％，余量为水。

(4)按照质量百分比取72-86％步骤(2)所得的改性磷石膏、5-12％步骤(1)中赤泥、4-14％的水泥、1-6％的粉煤灰和1-5％矾渣混合均匀，然后在混合粉末中依次加入以下质量百分比的物质：0.1-1％阴离子型有机硅表面活性剂、0.2-1％固化剂、1-3％硬脂酸-聚苯乙烯乳液、0.5-3％疏水改性剂、0.5-1％抗渗剂，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1.80g/cm³，即得到路面基层。