CN114804675B - 一种复合碱激发胶凝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合碱激发胶凝材料及其制备方法，属于公路工程材料领域。该复合碱激发胶凝材料包括如下原料：钢渣、镁渣、矿渣、粉煤灰、磷石膏、生石灰、硅酸钠和氢氧化钠。该胶凝材料的制备方法为，首先对磷石膏进行碱性预处理，同时对钢渣、镁渣、矿渣采用粉煤灰进行高温活化，然后再将预处理后的磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣和碱激发剂混合，制得复合碱激发胶凝材料。本发明制备得到的复合碱激发胶凝材料具有能耗低、强度高、耐久性好等特点，并且各原料易得，大大提升固废再利用率，节约了大量沙石、水泥资源，达到保护环境的目的。且该复合碱激发胶凝材料能满足不同类型的土壤，使其力学性能大幅度提高，与土壤胶结后强度高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及公路工程材料领域，特别是涉及一种复合碱激发胶凝材料及其制备方法。
背景技术
随着公路事业的不断发展，筑路材料的自然资源逐渐匮乏，在传统的道路工程中需要大量的水泥、石灰、沙石等建筑材料，由于这些建筑材料的开采与制备需要消耗大量的自然资源和能源，而且在施工中往往还需要对大量建筑材料长途运输，所以能耗大、成本高、环境污染严重。如何选择工程材料，减少建设成本，并如何综合提高工业固废物利用率和环境保护要求，成为当下需面对的重要问题。
本申请就是针对现有问题创设的一种新的复合碱激发胶凝材料及其制备方法，使其首先对磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣进行预处理，再与碱激发剂混合，提升胶凝材料的活性，满足胶凝材料施工要求低、能耗低、强度高且耐久性好的特性，为新型公路工程材料的选择提供新的思路，还大大提高工业固废物利用率，保护环境，成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种复合碱激发胶凝材料，使其通过对磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣进行预处理，再与碱激发剂混合，得到满足胶凝材料施工要求低、能耗低、强度高且耐久性好的胶凝材料，为新型公路工程材料的选择提供新的思路，还大大提高工业固废物利用率，保护环境，从而克服现有的公路工程材料的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种复合碱激发胶凝材料，包括如下按质量百分数计的原料：钢渣5-36％、镁渣3-37％、矿渣4-33％、粉煤灰3-27％、磷石膏3-32％、生石灰2-12％、硅酸钠3-6％和氢氧化钠1-3％。
进一步改进，包括如下按质量百分数计的原料：钢渣22％、镁渣16％、矿渣18％、粉煤灰8％、磷石膏23％、生石灰7％、硅酸钠4％和氢氧化钠2％。
或者，包括如下按质量百分数计的原料：钢渣10％、镁渣13％、矿渣23％、粉煤灰25％、磷石膏8％、生石灰12％、硅酸钠6％和氢氧化钠3％。
或者，包括如下按质量百分数计的原料：钢渣28％、镁渣20％、矿渣19％、粉煤灰8％、磷石膏10％、生石灰6％、硅酸钠6％和氢氧化钠3％。
进一步改进，所述氢氧化钠采用工业级氢氧化钠，所述硅酸钠采用模数为2.6-3.0的工业硅酸钠。
本发明还提供上述复合碱激发胶凝材料的制备方法，所述制备方法为：
S1.将原料磷石膏、生石灰按质量百分比混合，加水拌合，调节混合物pH值为12以上，烘干至恒重，并研磨成粒径小于0.075mm的预处理磷石膏。该步骤中，将酸性磷石膏通过生石灰和水调制成碱性，能提高磷石膏在碱激发体系下反应物的火山灰活性。
S2.在原料钢渣、镁渣、矿渣中分别加入原料粉煤灰中15％重量份的粉煤灰，分别混匀后，在300-800℃高温下焙烧活化5h，并快速降温至恒重，再分别研磨成粒径小于0.075mm的预处理钢渣、镁渣、矿渣。该步骤中，粉煤灰中的硅铝质玻璃体在高温下会重新熔融，然后吸收钢渣、镁渣、矿渣中的f-CaO、f-MgO，快速降温使钢渣、镁渣、矿渣完成重构改性，体积安定性提高。
S3.将步骤S1和S2预处理完的磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣与剩余重量份的粉煤灰混合均匀，制成混合物一。
S4.将原料氢氧化钠和硅酸钠按照1:2的比例混合，搅拌均匀，静置陈化24h，烘干，制成混合物二；该氢氧化钠和硅酸钠的混合比例能发挥更好的碱激发效果。
S5.将混合物一和混合物二混合均匀，然后研磨至粒径小于0.075mm的混合物，即可得到复合碱激发胶凝材料。
进一步改进，所述步骤S1中预处理磷石膏采用球磨方法进行研磨，且烘干、研磨温度为60℃。目的是防止磷石膏在高于60℃时会变成半水石膏，影响胶凝材料的性能。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明通过利用各种工业废渣、生石灰、硅酸钠和氢氧化钠，并采用独特的制备方法将其有机的结合,发挥各原料之间的协同作用,制成方便使用和运输的复合碱激发胶凝材料。该复合碱激发胶凝材料具有能耗低、强度高、耐久性好等特点，并且各原料易得，可就地取材，节约了大量沙石、水泥资源，能满足不同类型的土壤，很大程度上降低了建设成本；还可以实现固废再利用，充分响应了国家的节能减排，循环经济的号召。
本发明复合碱激发胶凝材料由于其中钢渣、镁渣、矿渣和粉煤灰均是经过高温烘焙烘干过的，使该胶凝材料与水混合后经过机械压实，洒水养护后可达到可观的路面强度，满足铺筑道路的工程强度要求，基层和底层后期强度还会随着养护时间的延长而增强，且水稳定性好，使用寿命长。本发明复合碱激发胶凝材料为新型公路工程材料的选择提供了新的思路。
具体实施方式
实施例1
本实施例复合碱激发胶凝材料，包括如下原料和各原料的质量百分数如下：钢渣22％、镁渣16％、矿渣18％、粉煤灰8％、磷石膏23％、生石灰7％、硅酸钠4％、氢氧化钠2％。其中，氢氧化钠采用工业级，硅酸钠采用模数为2.6-3.0的工业硅酸钠。
采用上述各原料制备复合碱激发胶凝材料的具体步骤如下：
S1.将原料磷石膏、生石灰按上述质量配比混合，加水拌合，调节混合物pH值为12以上，烘干至恒重，并采用球磨方法研磨成粒径小于0.075mm的预处理磷石膏。其中烘干、研磨温度为60℃。
S2.在原料钢渣、镁渣、矿渣中分别加入原料粉煤灰中15％重量份的粉煤灰，分别混匀后，分别在800℃高温下焙烧活化5h，然后快速降温至恒重，再研磨成粒径小于0.075mm的预处理钢渣、镁渣、矿渣。
S3.将步骤S1和S2预处理完的磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣与剩余重量份的粉煤灰混合均匀，制成混合物一。
S4.将原料氢氧化钠和硅酸钠按照上述配比混合，搅拌均匀，静置陈化24h，烘干，制成混合物二。
S5.将混合物一和混合物二混合均匀，然后研磨至粒径小于0.075mm的混合物，即可得到复合碱激发胶凝材料1。
将本实施例制备得到的复合碱激发胶凝材料1以0％、5％、10％、15％、20％、25％的掺入量和粘土进行混合，制备成成型试件。再对各个成型试件进行固化土无侧限抗压强度试验。并以PO32.5型水泥和粘土进行混合，制备对照的成型试件。PO32.5型水泥的掺入量同样为0％、5％、10％、15％、20％、25％，同时进行固化土的无侧限抗压强度试验，结果见下表1。
表1本实施例1复合碱激发胶凝材料与水泥的无侧限抗压强度结果
从上表1可看出，采用水泥或本实施例1得到的复合碱激发胶凝材料1作为胶凝材料，与粘土混合后，均能大大提高粘土的无侧限抗压强度，且随着胶凝材料掺入量的增加无侧限抗压强度逐步增加。更能得出本实施例1得到的复合碱激发胶凝材料1作为胶凝材料比水泥本身作为胶凝材料的胶凝效果优良很多，分析可能为本实施例1得到的复合碱激发胶凝材料1作为胶凝材料与粘土混合后形成胶结土所致，强度有大幅度提高。并且从无侧限抗压强度试验的时间比较来看，随着时间延长，本实施例在各原料配比条件以及独特制备方法作用下得到的复合碱激发胶凝材料1与粘土混合后得到的路面成型试件的抗压强度具有更显著的提高，具有抗压强度高、耐久性好的特点。
实施例2
本实施例复合碱激发胶凝材料与上述实施例1的不同在于，各原料的质量百分数不同，本实施例各原料质量百分数为：钢渣10％、镁渣13％、矿渣23％、粉煤灰25％、磷石膏8％、生石灰12％、硅酸钠6％、氢氧化钠3％。
采用上述各原料制备复合碱激发胶凝材料的具体步骤如下：
S1.将原料磷石膏、生石灰按上述质量配比混合，加水拌合，调节混合物pH值为12以上，烘干至恒重，并采用球磨方法研磨成粒径小于0.075mm的预处理磷石膏。其中烘干、研磨温度为60℃。
S2.在原料钢渣、镁渣、矿渣中分别加入原料粉煤灰中15％重量份的粉煤灰，分别混匀后，分别在300℃高温下焙烧活化5h，然后快速降温至恒重，再研磨成粒径小于0.075mm的预处理钢渣、镁渣、矿渣。
S3.将步骤S1和S2预处理完的磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣与剩余重量份的粉煤灰混合均匀，制成混合物一。
S4.将原料氢氧化钠和硅酸钠按照上述配比混合，搅拌均匀，静置陈化24h，烘干，制成混合物二。
S5.将混合物一和混合物二混合均匀，然后研磨至粒径小于0.075mm的混合物，即可得到复合碱激发胶凝材料2。
将本实施例制备得到的复合碱激发胶凝材料2以0％、5％、10％、15％、20％、25％的掺入量和粉质粘土进行混合，制备成成型试件。再对各个成型试件进行固化土无侧限抗压强度试验。并以PO32.5型水泥和粉质粘土进行混合，制备对照的成型试件。PO32.5型水泥的掺入量同样为0％、5％、10％、15％、20％、25％，同时进行固化土的无侧限抗压强度试验，结果见下表2。
表2本实施例2复合碱激发胶凝材料与水泥的无侧限抗压强度结果
从上表2可看出，采用水泥或本实施例2得到的复合碱激发胶凝材料2作为胶凝材料，与粉质粘土混合后，虽然较与粘土混合得到的成型试件的抗压强度有所降低，但同样能大大提高粉质粘土本身的无侧限抗压强度，且随着胶凝材料掺入量的增加无侧限抗压强度逐步增加。并且就水泥与本实施例2得到的成型试件抗压强度相比，本实施例2得到的复合碱激发胶凝材料2作为胶凝材料比水泥本身作为胶凝材料的胶凝效果优良很多，分析可能为本实施例2得到的复合碱激发胶凝材料2作为胶凝材料与粉质粘土混合后形成胶结土所致，强度有大幅度提高。还能得出随着时间延长，本实施例在各原料配比条件以及独特制备方法作用下得到的复合碱激发胶凝材料2与粘土混合后得到的路面成型试件的抗压强度具有更显著的提高，具有抗压强度高、耐久性好的特点。
实施例3
本实施例复合碱激发胶凝材料与上述实施例1的不同在于，各原料的质量百分数不同，本实施例各原料质量百分数为：钢渣28％、镁渣20％、矿渣19％、粉煤灰8％、磷石膏10％、生石灰6％、硅酸钠6％、氢氧化钠3％。
采用上述各原料制备复合碱激发胶凝材料的具体步骤如下：
S1.将原料磷石膏、生石灰按上述质量配比混合，加水拌合，调节混合物pH值为12以上，烘干至恒重，并采用球磨方法研磨成粒径小于0.075mm的预处理磷石膏。其中烘干、研磨温度为60℃。
S2.在原料钢渣、镁渣、矿渣中分别加入原料粉煤灰中15％重量份的粉煤灰，分别混匀后，分别在500℃高温下焙烧活化5h，然后快速降温至恒重，再研磨成粒径小于0.075mm的预处理钢渣、镁渣、矿渣。
S3.将步骤S1和S2预处理完的磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣与剩余重量份的粉煤灰混合均匀，制成混合物一。
S4.将原料氢氧化钠和硅酸钠按照上述配比混合，搅拌均匀，静置陈化24h，烘干，制成混合物二。
S5.将混合物一和混合物二混合均匀，然后研磨至粒径小于0.075mm的混合物，即可得到复合碱激发胶凝材料3。
将本实施例制备得到的复合碱激发胶凝材料3以0％、5％、10％、15％、20％、25％的掺入量和砂土进行混合，制备成成型试件。再对各个成型试件进行固化土无侧限抗压强度试验。并以PO32.5型水泥和砂土进行混合，制备对照的成型试件。PO32.5型水泥的掺入量同样为0％、5％、10％、15％、20％、25％，同时进行固化土的无侧限抗压强度试验，结果见下表3。
表3本实施例3复合碱激发胶凝材料与水泥的无侧限抗压强度结果
从上表3可看出，采用水泥或本实施例3得到的复合碱激发胶凝材料3作为胶凝材料，与砂土混合后形成的成型试件的抗压强度，和上述实施例2与粉质粘土混合得到的成型试件的抗压强度较为接近，但与砂土本身对比，均是大大提高了成型试件的无侧限抗压强度，且随着胶凝材料掺入量的增加无侧限抗压强度逐步增加。并且就水泥与本实施例3得到的成型试件抗压强度相比，本实施例3得到的复合碱激发胶凝材料3作为胶凝材料比水泥本身作为胶凝材料的胶凝效果仍是优良很多，分析可能为本实施例3得到的复合碱激发胶凝材料3作为胶凝材料与粘土混合后形成胶结土所致，强度有大幅度提高。还能得出随着时间延长，本实施例在各原料配比条件以及独特制备方法作用下得到的复合碱激发胶凝材料3与粘土混合后得到的路面成型试件的抗压强度具有更显著的提高，同样具有抗压强度高、耐久性好的特点。
并且，从上述实施例1至3的测试结果可得出，本申请原料配比条件下，采用独特的制备方法得到的复合碱激发胶凝材料能满足不同类型的土壤，改变其物理性质，提高土壤的力学性能，达到高强度、高质量的工程要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种复合碱激发胶凝材料，其特征在于，包括如下按质量百分数计的原料：钢渣5-36％、镁渣3-37％、矿渣4-33％、粉煤灰3-27％、磷石膏3-32％、生石灰2-12％、硅酸钠3-6％和氢氧化钠1-3％；
所述复合碱激发胶凝材料的制备方法为：
S1.将原料磷石膏、生石灰按质量百分比混合，加水拌合，调节混合物pH值为12以上，烘干至恒重，并研磨成粒径小于0.075mm的预处理磷石膏；
S2.在原料钢渣、镁渣、矿渣中分别加入原料粉煤灰中15％重量份的粉煤灰，分别混匀后，在300-800℃高温下焙烧活化5h，并快速降温至恒重，再分别研磨成粒径小于0.075mm的预处理钢渣、镁渣、矿渣；
S3.将步骤S1和S2预处理完的磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣与剩余重量份的粉煤灰混合均匀，制成混合物一；
S4.将原料氢氧化钠和硅酸钠按照1:2的比例混合，搅拌均匀，静置陈化24h，烘干，制成混合物二；
S5.将混合物一和混合物二混合均匀，然后研磨至粒径小于0.075mm的混合物，即可得到复合碱激发胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的复合碱激发胶凝材料，其特征在于，包括如下按质量百分数计的原料：钢渣22％、镁渣16％、矿渣18％、粉煤灰8％、磷石膏23％、生石灰7％、硅酸钠4％和氢氧化钠2％。
3.根据权利要求1所述的复合碱激发胶凝材料，其特征在于，包括如下按质量百分数计的原料：钢渣10％、镁渣13％、矿渣23％、粉煤灰25％、磷石膏8％、生石灰12％、硅酸钠6％和氢氧化钠3％。
4.根据权利要求1所述的复合碱激发胶凝材料，其特征在于，包括如下按质量百分数计的原料：钢渣28％、镁渣20％、矿渣19％、粉煤灰8％、磷石膏10％、生石灰6％、硅酸钠6％和氢氧化钠3％。
5.根据权利要求1所述的复合碱激发胶凝材料，其特征在于，所述氢氧化钠采用工业级氢氧化钠，所述硅酸钠采用模数为2.6-3.0的工业硅酸钠。
6.根据权利要求1至5任一项所述的复合碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
S1.将原料磷石膏、生石灰按质量百分比混合，加水拌合，调节混合物pH值为12以上，烘干至恒重，并研磨成粒径小于0.075mm的预处理磷石膏；
S2.在原料钢渣、镁渣、矿渣中分别加入原料粉煤灰中15％重量份的粉煤灰，分别混匀后，在300-800℃高温下焙烧活化5h，并快速降温至恒重，再分别研磨成粒径小于0.075mm的预处理钢渣、镁渣、矿渣；
S3.将步骤S1和S2预处理完的磷石膏、钢渣、镁渣、矿渣与剩余重量份的粉煤灰混合均匀，制成混合物一；
S4.将原料氢氧化钠和硅酸钠按照1:2的比例混合，搅拌均匀，静置陈化24h，烘干，制成混合物二；
S5.将混合物一和混合物二混合均匀，然后研磨至粒径小于0.075mm的混合物，即可得到复合碱激发胶凝材料。
7.根据权利要求6所述的复合碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中预处理磷石膏采用球磨方法进行研磨，且烘干、研磨的温度为60℃。
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