使用煤矸石制备路面材料的方法及制备得到的路面材料

本发明涉及固体废弃物资源化利用和道路工程材料，特别是指一种使用煤矸石制备路面材料的方法及制备得到的路面材料。

背景技术：

1、煤矸石是煤炭开采和洗选过程中产生的固体废石，约占原煤产量的10%~20%。煤矸石主要以矸石山形式露天堆存，不仅侵占大量土地资源，还会因其中的含硫矿物氧化自燃释放so2、nox等有毒有害气体，并引发重金属迁移、地下水污染等严重生态环境问题。煤矸石的大规模、低成本、高附加值资源化利用，已成为煤炭矿山环境治理和固废资源化领域的核心课题。

2、道路工程领域因材料的消耗量大、性能要求相对灵活，成为了煤矸石规模化利用的重要场景。煤矸石在道路工程材料领域的大规模利用路径，主要是用于路面基层（水泥稳定煤矸石等）和路面面层（煤矸石混凝土、煤矸石沥青混合料等）的原材料，其中煤矸石混凝土路面材料的成本低、价值高，被认为是当前实现煤矸石大规模处置的最现实途径。将煤矸石经破碎、筛分后作为骨料制备路面材料，是处置方式最简便、消纳量最大的途径，然而，煤矸石骨料存在吸水率高、压碎值大、界面结合弱等固有缺陷。煤矸石的表观密度为2100~2900 kg/m3，吸水率可达3%~8%，显著高于天然碎石（通常在2%以下）；煤矸石的压碎值一般为18%~30%，也高于天然碎石的8%~15%，同时煤矸石中残留碳含量较高也会影响其与浆体的结合。上述缺陷导致当煤矸石替代天然骨料的比例超过40%时，拌合物的工作性能、力学性能和耐久性均出现显著劣化。参考传统混凝土领域的改性方法，现有技术多聚焦于通过矿物掺和料（粉煤灰、矿渣粉）或纤维对煤矸石道路工程材料进行改性处理和性能完善，但材料中煤矸石对天然砂石的替代仍以特殊粒级的部分替代为主，且煤矸石硬度不够高，造成破碎过程中产生的大量细粒级部分常因级配不良、需水量大而难以有效利用，常常被废弃，难以实现煤矸石真正意义上的“全量化”利用。

3、中国专利申请号cn202311795762.0，名称为“一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土及其制备方法”的发明专利申请提供了一种硅灰改性全煤矸石粗骨料混凝土，其原料包括水泥303-608份、硅灰18-96份、细骨料594-711份、煤矸石856-1023份、减水剂1.8-6.4份、水160份。该技术通过引入硅灰，利用其火山灰效应和微集料填充效应，改善了全煤矸石粗骨料混凝土的力学性能和耐久性，28d抗压强度最高可达42.5mpa。然而，该技术存在以下不足：（1）仍使用了天然细骨料，未能实现煤矸石对全部骨料的完全替代；（2）水泥用量较高（303-608份），未能实现超低水泥用量的低碳目标；（3）依靠硅灰这一昂贵材料改性，成本较高。

4、中国专利申请号cn202511932401.5，名称为“一种高保坍洗选煤矸石混凝土及其拌合工艺”的发明专利申请提供了一种高保坍洗选煤矸石混凝土的制备方法，其原料包括水泥200-220份、矿粉140-150份、粉煤灰60-65份、机制砂680-720份、洗选煤矸石950-970份、水150-160份、减水剂16-17.5份、羟丙基甲基纤维素醚0.15-0.3份、聚乙二醇4-4.3份。该技术通过添加羟丙基甲基纤维素醚作为保坍剂，配合聚乙二醇，改善了混凝土的保坍性能，克服了因煤矸石吸水率高引起的塌落度损失问题，改善了材料的成型性能。但其存在以下不足：（1）该专利技术将煤矸石破碎、筛分后仅使用级配后的粒径4.75mm以上的粗粒部分，未能实现煤矸石全量利用；（2）该专利技术中的胶凝材料（水泥、矿渣、粉煤灰）的用量相对较高（400-435份）。

5、中国专利申请号cn202511483317.x，名称为“一种高性能煤矸石路面混凝土及其制备方法”的发明专利申请提供了一种高性能煤矸石路面混凝土，其原料包括煤矸石145-150份、砂135-145份、水25-30份、水泥45-55份、粉煤灰10-15份、改性剂25-30份、减水剂0.3-0.5份。该技术的主要创新在于采用丙烯酸改性聚酯树脂和聚酯改性丙烯酸树脂对煤矸石进行预处理，同时在混凝土拌合时添加纳米二氧化硅和钢纤维作为改性剂。该技术面临着以下问题：（1）煤矸石仅作为粗骨料使用，未能实现煤矸石的全量化利用；（2）对煤矸石的预处理涉及有机树脂和有机溶剂，工艺复杂、成本高昂，且可能带来环境风险；（3）为了改善纳米二氧化硅直接添加带来的分散性差、易团聚的问题，该专利技术的纳米二氧化硅需与三甲基氯硅烷和联苯-4-羧酸甲溶液混合、干燥后才进行使用。

6、中国专利公布了申请号cn202511492629.7，名称为“一种基于混合颗粒煤矸石的混凝土材料及其制备方法”的发明专利申请提供了一种基于混合颗粒煤矸石的混凝土材料，其制备概括为三个步骤：一是将细粒级煤矸石轻烧粉与氢氧化钙、三乙醇胺混合进行球磨得到活化煤矸石粉；二是将ca(no3)2·4h2o和lino3溶解得到溶液a，将na2sio3·9h2o和h3bo3溶解得到溶液b，将溶液a加入到溶液b中进行搅拌，并调节ph为10.8-11.2，静置老化，清洗纯化，得到复合胶体；三是将cacl2·2h2o和(nh4)2hpo4分别溶于水得到溶液c和溶液d，将煤矸石粗、细骨料分别投入溶液c中浸渍，沥干，转入溶液d浸渍，沥干，得到预处理煤矸石骨料，最后将所有材料混合制得混凝土材料。该专利实现煤矸石的全量利用，但该技术存在以下不足：（1）制备流程极为复杂，涉及细粒级煤矸石的轻烧活化（700-800℃）和粉磨、复合胶体的化学合成、煤矸石骨料的双重浸渍等多个步骤，能耗高、周期长、成本高；（2）专利技术需要使用多种化学试剂（硝酸钙、硝酸锂、硅酸钠、硼酸、氯化钙、磷酸氢铵等），增加了原料成本和环境负担；（3）虽然实现了煤矸石的全利用利用，但其工艺复杂度和成本使其在常规路面工程中的大规模应用受限。

7、中国专利申请号cn202511568787.6，名称为“全组分煤矸石混凝土制备系统及其方法”的发明专利申请提供了一套完整的全组分煤矸石混凝土制备系统，包括筛分、矿物分选、黏土岩矸石活化煅烧（800-1200℃）制备胶凝材料、非黏土岩矸石破碎筛分为各级骨料，最后通过智能配料系统配比混合，实现了全煤矸石组分的混凝土，不需额外添加任何胶凝材料。该技术原料仅为煤矸石，成本低，可大规模消纳煤矸石，但还面临以下问题：（1）需要高温煅烧（800-1200℃）来活化黏土岩矸石以制备胶凝材料，能耗高，碳排放量大，与绿色低碳的发展理念相悖；（2）系统构成复杂，包含矿物分选系统、活化煅烧系统、研磨成料系统、三级筛分及多个储料仓，设备投资大。

8、中国专利申请号cn202211512192.5，名称为“一种全煤矸石高性能混凝土及其制备方法”的发明专利申请提供了一种高性能煤矸石混凝土制备方法，其原料包括：复合粉状增强剂、地质聚合物掺合料、煤矸石。其主要创新在于实现了煤矸石的全量化利用且材料强度满足c50混凝土标准，但存在以下问题：（1）本专利提供的一种c50高强度混凝土的制备技术，其复合粉状增强剂为稻壳灰、硅灰、煅烧煤系高岭土、铝硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥的组合，增强剂成本远高于普通硅酸盐水泥；（2）地质聚合物掺和料是将煤矸石粉在1300℃以上煅烧后，再粉磨至800目以下得到的，其制备过程能耗较高；（3）该专利中的煤矸石骨料也经过了700℃-900℃的煅烧脱碳，来制备“红煤矸石”，以此改善煤矸石骨料的性能，能耗高。

9、综上所述，现有技术普遍存在以下问题：（1）大多数技术无法实现煤矸石的全量化利用，甚至无法实现煤矸石对天然骨料的完全替代；（2）个别专利技术虽然实现了煤矸石的全量化利用，但这些技术常常需要对细粒级或粗粒级煤矸石进行700℃以上的高温煅烧活化，造成技术的能耗高、碳排放高、环境风险大，一些技术还需依赖复杂的化学药剂对煤矸石进行预处理，成本高、工艺复杂；（3）所述全量化利用技术对胶凝材料性能要求较高，或用量较高；（4）尤其值得注意的是，尚未有技术在实现煤矸石全量化利用和较低胶凝材料要求的双重限制下，制备出28d抗压强度稳定达到30mpa以上（满足c30混凝土强度等级要求）的路面材料。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的技术问题，本发明实施例提供了一种使用煤矸石制备路面材料的方法及制备得到的路面材料。所述技术方案如下：

2、一种使用煤矸石制备路面材料的方法，所述方法包括：

3、（1）将煤矸石进行级配调控：将煤矸石经破碎、筛分、粉磨后，使煤矸石的颗粒级配按质量百分比计满足：4.75-9.5 mm (50%-60%)，2.36-4.75 mm (9%-15%)，1.18-2.36 mm(8%-12%)，0-1.18 mm (20%-25%)；

4、（2）以质量百分比计，将步骤（1）制得的级配煤矸石85%-90%，水泥6%-10%，矿渣粉2%-4%，粉煤灰0-2%混合；

5、（3）加入外加剂和水，所述外加剂包括：聚羧酸减水剂、葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠、三乙醇胺和硫酸钠；总水量为干混料质量的6.5%~9.5%。

6、可选地，在步骤（2）中，所述煤矸石为硅铝质煤矸石；

7、和/或，所述煤矸石的压碎值小于25%、灰分大于70%和/或全硫含量低于3.0%。

8、可选地，在步骤（2）中，所述水泥为po42.5水泥；

9、和/或，所述矿渣粉的比表面积大于430 m2/kg，和/或，28d活性指数高于98%；

10、和/或，所述粉煤灰为一级粉煤灰；

11、和/或，所述粉煤灰的45 μm筛余量不高于13%，和/或，密度不低于2.55 g/cm3。

12、可选地，在步骤（3）中，所述外加剂中，以占胶凝材料总质量的百分比计，聚羧酸减水剂1.5%-3.0%（干混料需水量大时，可适度提高）、葡萄糖酸钠0.06%-0.12%、三聚磷酸钠0.04%-0.12%、三乙醇胺0.03%-0.08%和硫酸钠0.8%-2.0%。

13、可选地，所述方法还包括：

14、（4）将步骤（3）得到的拌合料倒入模具中成型，得到坯体；

15、（5）将所述坯体进行养护，从而得到路面材料。

16、可选地，在步骤（5）中，所述养护的条件包括：温度为20±2℃、湿度为≥95%；

17、和/或，所述养护为覆膜保湿养护。

18、所述的方法制备得到的路面材料。

19、可选地，所述路面材料的28d抗压强度≥30mpa。

20、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

21、本发明的方法能使所制备的路面材料具备更高的抗压强度，例如可以满足c30混凝土强度等级要求（≥30mpa），达到了高等级公路路面面层或基层结构的强度标准。并且本发明是在煤矸石全量化利用和较低胶凝材料要求的双重限制下，通过简单的工艺制备出28d抗压强度稳定达到30mpa以上（满足c30混凝土强度等级要求）的路面材料，具有非常高的市场应用价值和实用性。同时，本发明所述的路面材料还具备良好的后期强度增长能力和耐久性能，其28d强度较7d强度的增长幅度分别达到37.5%和38.6%，抗硫酸盐侵蚀等级达到ks30。

22、（1）煤矸石预处理工艺简单

23、本发明仅需将煤矸石通过破碎、筛分、粉磨处理后，对煤矸石进行简单的级配调整，即可全粒级用于高性能路面材料的制备，不涉及高温煅烧或化学活化，技术的能耗低、工艺简单、工业推广容易。

24、（2）实现了煤矸石的100%全量化利用

25、本发明可将简单级配调整后的煤矸石100%利用，制备高强度路面材料。其中9.5~4.75mm煤矸石为粗骨料，0.15-4.75mm煤矸石为细骨料，-0.15mm煤矸石粉为填料。

26、（3）环境友好，生产成本低

27、本发明的路面材料不使用任何天然砂石骨料，普通硅酸盐水泥用量（仅为260-300份），低于传统c30混凝土路面材料的水泥用量（大于350份），所用外加剂也为来源广泛的常用外加剂。

28、（4）材料的施工工艺简单

29、本发明所制备的路面材料为半干硬性路面材料，其道路施工通过摊铺、振捣、抹平后，可作为道路的基层面层一体化材料使用，施工周期短，所制备的道路工程材料28d抗压强度达到30 mpa以上。