一种用于路基的高钢渣掺量胶凝材料及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料，具体涉及一种用于路基的高钢渣掺量胶凝材料及其制备方法。

背景技术：

1、公路路基工程对胶凝材料的早期强度、长期耐久性及抗环境侵蚀（抗冻融、抗干湿循环、抗硫酸盐）性能要求严苛。在典型工业集聚区，每年产生的钢渣、脱硫石膏等工业固废体量巨大，但综合利用率普遍偏低，亟需实现大宗冶金固废的高值化、规模化消纳。

2、公路建设常面临高含水率软土或淤泥质土等不良路基条件，传统处理主要依赖开挖换填或水泥/石灰原位稳定。然而，水泥生产能耗高、碳排放量大；且用于高含水率软土时，水泥土存在早期强度形成慢、干缩变形大、易开裂等缺陷，难以兼顾快速施工与长效服役要求。

3、利用钢渣、矿渣、脱硫石膏等固废制备低碳胶凝材料是当前研究方向，在普通混凝土中已有初步应用，但针对公路路基、尤其是高含水率不良路基的适配性不足。钢渣虽富含活性矿物，但存在易磨性差、活性激发难、早期强度低及安定性等隐患。现有固废基胶材中，钢渣掺量普遍较低、不足20%，无法实现大宗消纳；且仅适用于常规含水率工况，用于高含水率路基时，其体系内碱性激发组分被过度稀释，自由水阻碍水化产物搭接，导致早期强度极低且增长缓慢，难以满足路基压实与承重要求。

4、目前，面向高含水率不良路基的高掺量钢渣基胶凝材料，尚未形成集“高效助磨-深度激发-早强稳强”于一体的技术体系。生产工艺粗放导致钢渣活性利用率低，既无法突破钢渣掺量阈值，也难以解决高含水环境下强度发展迟缓的问题，严重制约钢渣固废在公路路基中的规模化应用。

5、因此，开发一种适配高含水率不良路基且具备高钢渣掺量、工艺可控且强度达标的固废基胶凝材料，对于推动工业固废资源化、破解不良路基处理难题、降低工程成本及提升路基耐久性，具有重要的实际工程意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于路基的高钢渣掺量胶凝材料及其制备方法，既可以适配高含水率不良路基、满足绿色公路建设要求，又实现了大宗冶金固废的高值化、规模化消纳。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种用于路基的高钢渣掺量胶凝材料，按重量份数计，原料包括：活性钢渣粉50~65份、粒化高炉矿渣粉10~20份、石膏基复合硫酸盐激发剂14~22份、水泥10~15份、三元复合激发剂1.5~3.0份、助磨剂0.05~0.12份和改性稳定剂0.2~0.5份；

4、所述活性钢渣粉的化学成分包括cao 38%~45%、sio2 18%~24%、fe2o3 12%~18%、mgo6%~10%和al2o3 4%~8%，其余为微量杂质；

5、所述活性钢渣粉包括粗粒级活性钢渣粉和细粒级活性钢渣粉，通过以下方法制得：

6、（1）钢渣预处理：将钢渣陈化至游离氧化钙≤2%后转入密闭仓55~65℃烘至含水率≤0.8%；

7、（2）陈化钢渣粉碎、除铁并分级：将陈化钢渣破碎至粒径≤10mm，除铁，铁品位低于1%后再细碎至粒径≤3mm，筛分分级，分别得到1~3mm粗粒级活性钢渣粉和≤1mm细粒级活性钢渣粉。

8、作为本发明的进一步限定，所述水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级≥42.5级，可以补充体系早期胶凝活性，与活性钢渣粉、粒化高炉矿渣粉协同作用，进优化高含水环境下早期强度形成效率。

9、所述粒化高炉矿渣粉的比表面积≥400m2/kg，采用s95级及以上产品，可以起到补充硅铝活性组分，与活性钢渣粉协同形成致密胶凝体系的作用。

10、作为本发明的进一步限定，所述石膏基复合硫酸盐激发剂由质量比为65~75:25~35的脱硫石膏和硬石膏组成，三氧化硫含量≥48%，粉体比表面积≥450m2/kg，所述石膏基复合硫酸盐激发剂组合兼具硫酸盐激发、早期强度激发、体积安定性调控三重作用，替代传统早强剂实现激发、早强一体化，为体系水化核心组分。

11、作为本发明的进一步限定，所述三元复合激发剂由质量比为45~55:25~35:15~25的碱性激发剂、配位激发剂和矿化激发剂组成；所述碱性激发剂为质量比为35~40:5~10的轻烧氧化镁和碳酸钠；所述配位激发剂为三乙醇胺硼酸酯；所述矿化激发剂为纳米二氧化硅。所述三元复合激发剂针对活性钢渣粉玻璃体活性低、高含水环境下激发效率衰减的问题，实现多级活化：（1）碱性激发剂营造ph=11~12的弱碱性环境，既可以避免强碱引发收缩开裂，同时还能解离钢渣中钙铁铝硅酸盐玻璃体，溶出活性钙离子、铝离子、硅酸根；（2）配位激发剂利用n、o配位原子络合水化体系中的铁离子、钙离子，破除铁相钝化膜，加快活性离子扩散；（3）矿化激发剂通过高活性硅氧基团诱导水化产物定向生长，细化晶体孔径，填充固化体内部孔隙。

12、作为本发明的进一步限定，所述助磨剂包括质量比为35~40:25~30:25~30的醇胺类化合物、酯类化合物和表面活性剂。

13、作为本发明的进一步限定，所述醇胺类化合物为质量比为2:1的二甘醇胺和三异丙醇胺；所述酯类化合物为聚羧酸甘油酯；所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。所述表面活性剂极性基团可与钢渣、矿渣、水泥颗粒表面的ca-o、si-o键形成氢键吸附，弱化颗粒内部化学键结合力，降低粉磨功指数；针对钢渣致密难磨的特性，醇胺类组分可渗入颗粒微裂纹内部，扩展裂纹路径，提升粉磨细度；酯类与表面活性剂组分在颗粒表面形成隔离膜，防止细粉团聚，将粉体比表面积偏差控制在±15m2/kg以内。同时，助磨剂还可以改善石膏颗粒分散性，避免石膏结团造成水化不均，在高含水率路基拌合时，残留极性基团可降低固水率，减少自由水对水化骨架的破坏，优化固化土和易性，便于路基压实作业。

14、作为本发明的进一步限定，所述改性稳定剂为质量比为70~80:20~30的粉煤灰微珠和磷酸二氢钾。

15、本发明还提供了一种用于路基的高钢渣掺量胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

16、步骤1，将粗粒级活性钢渣粉与60%用量的助磨剂粉磨至比表面积350~380m2/kg，得到基料粉体；

17、步骤2，将细粒级活性钢渣粉、石膏基复合硫酸盐激发剂、三元复合激发剂、剩余40%用量的助磨剂、改性稳定剂、粒化高炉矿渣粉和水泥粉磨至比表面积480~520m2/kg，制得高活性激发粉体；

18、步骤3，将步骤1制备的基料粉体与步骤2制备的高活性激发粉体均化处理后陈化，得到高钢渣掺量胶凝材料。

19、作为本发明的进一步限定，所述步骤2的粉磨设备为行星式球磨机，采用级配球石进行粉磨。

20、由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果在于：

21、本发明针对高含水率不良路基和钢渣特性开发了一种用于路基的高钢渣掺量胶凝材料，并采用粗破分级、助剂掺加分段、梯度粉磨和密闭均化的技术路线，不仅成功地将高钢渣掺量胶凝材料应用于高含水率不良路基，还满足了绿色公路建设要求并实现了大宗冶金固废的规模化消纳。

22、本发明的钢渣掺量高达50%以上，同步消纳脱硫石膏工业固废，大宗消纳冶金、建材固废，减少固废堆存污染，降低原材料成本，符合绿色公路建设要求。

23、本发明依托石膏基复合硫酸盐激发剂的早期速溶激发与早强、后期缓释激发与强度增长、体积安定性调控等多重功效，结合普通硅酸盐水泥的早期胶凝活性与粒化高炉矿渣粉的硅铝活性补充，取消了独立早强剂，早期快速搭建水化骨架，后期持续激发活性，解决高含水率下强度发展慢、激发效率低的难题，3d抗压强度≥15mpa，28d抗压强度≥35mpa；石膏基复合硫酸盐激发剂配合改性稳定剂，可以有效规避材料收缩开裂，保障路基长期服役稳定性。

24、本发明采用三元复合激发剂，通过碱性调控、配位破钝、矿化晶型细化多级作用，不仅弥补了钢渣玻璃体活性低、高含水下激发衰减的缺陷，还起到优化水化结构、密实固化体内部孔隙的作用。

25、本发明的专用复配助磨剂一方面可以降低粉磨能耗、提升粉体比表面积均匀性，严控比表面积偏差；另一方面还可以改善石膏分散性、避免水化不均，降低路基拌合固水率，减少自由水对水化骨架破坏，优化固化土和易性，便于路基压实施工。

26、本发明多种助剂协同配合，并结合梯度粉磨的工艺操作，克服了高钢渣掺量胶凝材料用于高含水率路基时体系内碱性激发组分被过度稀释，自由水阻碍水化产物搭接，导致早期强度极低且增长缓慢，难以满足路基压实与承重要求的技术障碍，对于推动工业固废资源化、破解不良路基处理难题、降低工程成本及提升路基耐久性，具有重要的实际工程意义。