一种基于废弃炉渣道路基层材料及其制备方法与流程

本发明涉及轻质建筑材料，具体为一种基于废弃炉渣道路基层材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着工业与基础设施建设的快速推进，燃煤电厂、工业锅炉等领域产生的废弃炉渣（包括炉底渣、高炉渣等）年排放量持续攀升，大量炉渣长期露天堆积，不仅占用宝贵的土地资源，其含有的可溶性有害成分还易通过雨水淋溶渗入土壤、水体，引发环境污染风险，炉渣的无害化、资源化利用已成为亟待解决的环保与资源问题。与此同时，道路工程建设对集料的需求量巨大，传统道路基层材料多依赖天然砂石集料，而天然砂石的过度开采已导致山体破坏、水土流失等生态问题，且优质天然集料资源日益匮乏，亟需寻找性能稳定、来源充足的再生集料替代材料。废弃炉渣因富含硅、铝等氧化物，具备一定的火山灰活性与力学性能潜力，理论上可作为再生集料应用于道路基层材料制备，实现以废代资的双重效益。然而，在寒冷地区，道路基层材料需承受频繁的冻融循环作用，现有技术制备的废弃炉渣基层材料普遍存在抗冻性能不足的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种，以解决上述背景技术提出的技术问题。本发明制备得到的道路基层材料具有优良的抗冻性能。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于废弃炉渣道路基层材料的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）将燃煤炉底渣破碎筛分后得到的细集料、中集料和粗集料混合，经冲洗、饱和石灰水浸泡、干燥，得到预处理集料；

5、（2）将硅烷偶联剂、无水乙醇与去离子水混合，加入冰醋酸调节ph值，搅拌水解，得到水解液，然后向水解液中加入纳米二氧化硅和聚羧酸，经超声分散，得到复合改性液；

6、（3）将预处理集料与复合改性液混合搅拌，使集料表面均匀包裹改性液，然后进行热处理，得到改性集料；

7、（4）将粉煤灰、矿渣粉、偏高岭土和三乙醇胺共同球磨，得到超细掺合料，将超细掺合料与硅酸盐水泥混合，得到复合结合料；

8、（5）将改性集料与分散有氧化石墨烯的水溶液混合搅拌，得到混合料，加入复合结合料继续搅拌，然后加入溶有无水氯化钙、引气剂、聚乙烯醇和硅酸钠的水溶液，充分搅拌得到道路基层材料。

9、在本发明技术方案中，从下述两方面协同提高道路基层材料的抗冻性能：一方面，通过调控化学偶联与物理填充的协同作用，从集料本质层面阻断冻融破坏的源头路径。具体地，在酸性条件下使硅烷偶联剂kh-550的水解生成硅醇基团，该基团与炉底渣集料表面暴露的羟基发生脱水缩合反应，形成牢固的si-o-si共价键，构建起一层紧密附着于集料表面的网状有机-无机复合膜；同时，改性液中的纳米二氧化硅借助聚羧酸分散剂的空间位阻效应避免团聚，均匀填充至炉渣表面的开口孔隙与微裂纹中，实现物理层面的孔隙封堵；后续热处理进一步促进偶联剂分子的缩聚反应，强化膜层致密性，且膜层外露的氨基（-nh2）能与水泥水化产物形成强化学吸附，提升集料与结合料的界面粘结力。冻融破坏的核心诱因是水分侵入集料内部后结冰膨胀产生应力，而本发明通过化学成膜疏水和纳米粒子填孔的双重作用，大幅降低集料吸水率，减少内部可冻水含量，同时致密膜层与强化的界面结合力能抵御冻胀应力对集料本身及集料-结合料界面的破坏，从根本上提升集料的抗冻耐久性，为整体材料抗冻性能筑牢基础。

10、另一方面，通过纳米增强、冰点调控与应力缓冲的多机制解决基体在冻融循环中的结构破损问题。具体地，聚羧酸减水剂利用空间位阻效应，有效避免石墨烯氧化物（go）在水泥强碱高钙环境中被ca2+沉淀团聚，确保go的片状纳米结构均匀分散，其作为水化产物生长的纳米模板，可诱导c-s-h、c-a-s-h凝胶呈有序晶体排列，显著增强基体的微观韧性与结构完整性，提升基体抵御冻胀应力的能力；其次，引气剂定向引入直径50-200μm的封闭微气泡，这些气泡均匀分布于基体内部，当孔隙水结冰体积膨胀时，气泡可作为压力缓冲区，吸收膨胀应力，避免基体因应力集中产生开裂；此外，无水氯化钙不仅能降低孔隙水的冰点，减少负温下结冰水量与冻胀体积，还能加速水泥水化进程，促进早期强度快速增进，使基体在冻融循环前形成致密稳定的结构，减少水分侵入通道。通过上述作用构建起纳米增韧、气泡缓冲和冰点调控的抗冻体系，有效缓解冻融过程中结冰膨胀-融化收缩的反复损伤，显著降低基体的强度损失与质量损失，实现抗冻性能的提升。

11、作为优选，所述步骤（1）中，饱和石灰水浸泡时间为1～3h。

12、作为优选，所述步骤（2）中，硅烷偶联剂选用硅烷偶联剂kh-550。

13、作为优选，所述步骤（2）中，纳米二氧化硅添加量为复合改性液总质量的0.5～2.0%。

14、作为优选，所述步骤（3）中，复合改性液的添加量为预处理集料质量的2～5%。

15、作为优选，所述步骤（4）中，粉煤灰、矿渣粉、偏高岭土、水泥的质量比为30:(15～20):(5～8):(45～50)。

16、作为优选，所述步骤（5）中，氧化石墨烯添加量为改性集料质量的0.03～0.07%。

17、作为优选，所述步骤（5）中，复合结合料添加量为混合料质量12～15%。

18、作为优选，所述步骤（5）中，聚乙烯醇与硅酸钠的质量比为1:(4～6)。

19、本发明在实验中发现炉渣集料的微疏水性与致密表面，对富含引气剂的水泥浆体产生了强烈的排斥作用，导致浆体中的水分被挤压至集料与基体的交界处形成极薄的“界面水膜”。这不仅诱发了有益微气泡在界面处破裂并聚并为巨大的有害空洞，导致气泡丧失了原有的冻胀应力缓冲能力，还使得这层水膜在负温下率先结冰膨胀，引发基体从集料表面成片剥落，造成材料在经历冻融循环时强度损失率剧增，导致整体抗冻性性能下降。本发明为进一步解决此技术问题，在拌和水中引入了极具成本优势的低聚合度聚乙烯醇（pva）与硅酸钠。具体地，首先利用pva优异的表面活性瞬间降低水泥浆的表面张力以强制润湿炉渣表面，其分子链上的海量羟基与集料表面的硅烷偶联剂氨基形成强烈的氢键吸附，实现了浆体对集料的强力锚固；然后，硅酸钠迅速捕获界面多余的游离水，不仅与钙离子反应生成早强型水化硅酸钙凝胶，更促使pva分子链发生无机交联固化，在集料界面原位生成一层高弹性的有机-无机复合水凝胶。这一微米级凝胶网络如同高吸水海绵，彻底吸收了危险的界面水膜，并将原本易聚并的微米级气泡牢牢“冻结”封锁在网状结构中，成功将原本最易产生冻胀破坏的薄弱界面，转化为兼具极强粘结力与应力缓冲能力的柔韧抗冻防线，从根本上杜绝了界面冻裂剥落的现象，实现了上述两方面体系在微观层面的协同与道路基层材料抗冻性能的显著提升。

20、一种基于废弃炉渣道路基层材料，由上述所述的方法制备得到。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、1、通过硅烷偶联剂在集料表面化学键合形成致密疏水膜，并协同纳米二氧化硅物理填充孔隙，大幅降低集料吸水率，减少内部可冻水量，同时增强集料与结合料的界面粘结，从根本上提升抗冻耐久性。

23、2、利用均匀分散的石墨烯氧化物（go）引导水化产物有序排列以增韧基体，通过引气剂引入封闭微气泡缓冲冻胀应力，并借助无水氯化钙降低冰点、加速早期水化，构建起稳固的基体结构，有效抵御冻融循环损伤。

24、3、引入低聚合度聚乙烯醇与硅酸钠，前者强力润湿并锚固于疏水集料表面，后者促使pva交联并在界面原位形成高弹性复合水凝胶。该凝胶能彻底吸收危险的界面水膜，并稳固锁住缓冲气泡，将薄弱界面转化为强粘结、高缓冲的柔韧防线，防止冻胀剥落。