一种路用赤泥基稳定材料及其制备方法与应用

1.本发明涉及道路工程领域，具体提供一种路用赤泥基稳定材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.赤泥是铝土矿提取al2o3时产生的强碱性固体废物。目前大多数生产厂家每生产1吨al2o3将附带产生0.8-1.5吨赤泥。据统计，全球每年赤泥产量为1.7亿吨，累计堆存量达42亿吨。中国是世界上最大的铝生产国，2020年我国氧化铝产量为6063万吨，产生赤泥量约1亿吨。目前世界赤泥平均利用率为15％，但我国赤泥综合利用率仅为8％。同时，在赤泥利用中，赤泥用量过多容易造成力学性能和稳定性降低，因此，需要在充分利用赤泥的时候解决材料力学性能和稳定性降低的问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提出一种赤泥基稳定材料及其制备方法。该赤泥基稳定材料实现了赤泥的大宗消耗，绿色环保，制备工艺简单，并且该赤泥基稳定材料力学性能和稳定性好，满足道路施工要求，成本低廉，经济效益高，适宜向社会推广应用。
4.为解决以上技术问题，本发明的提供了如下技术方案：
5.本发明第一方面，提供一种赤泥基稳定材料，包括：胶凝材料、胶结剂、骨料和水；
6.其中，胶凝材料按质量百分比计包括：赤泥50％～70％，矿粉20％～50％，固化稳定剂0.5％～5％，纳米改性剂0.01％～1％；
7.胶结剂为赤泥和矿粉质量和的2％～5％；
8.骨料与胶凝材料、胶结剂质量和之比为93～97.5：7～2.5；
9.水为胶凝材料、胶结剂、骨料质量和的3.5％～7％。
10.进一步的，所述赤泥为拜耳法赤泥，其粒径为45目～200目。
11.进一步的，所述矿粉为s95或s75级矿渣粉。
12.进一步的，所述胶结剂为硅酸钠、氢氧化钠、生石灰、氢氧化钾、碳酸钠中任意一种或几种以任意比例混合使用。
13.优选的，硅酸钠的模数为1.2～1.8。
14.进一步的，所述固化稳定剂为固化稳定剂a和固化稳定剂b，其质量比为1～3：0.5～1。
15.优选的，所述固化稳定剂a为水泥、硅灰和粉煤灰，按质量比为0.8～1.2：0.8～1.2：0.3～0.6：0.5～1混合。
16.优选的，所述固化稳定剂b为环氧树脂、脲甲醛树脂、聚酯树脂中的一种。
17.进一步的，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为二级f类粉煤灰。
18.进一步的，所述纳米改性剂为纳米zno、纳米sio2、纳米caco3和纳米al2o3，按质量比为0.4～1.5：0.4～1.5：0.4～1.5：0.4～1.5进行混合。
19.进一步的，所述骨料为建筑固废、尾矿和煤矸石，其质量比为2～5：0.5～2：1～3进行混合。
20.进一步的，所述骨料粒径由以下重量百分比组成：20mm～30mm粒径12％～20％、10mm～20mm粒径32％～42％、5mm～10mm粒径16％～25％、0～5mm粒径25～35％；
21.本发明第二方面，提供一种赤泥基稳定材料的制备方法，包括：
22.(1)将赤泥、矿粉、胶结剂、固化稳定剂、纳米改性剂混合搅拌均匀后得混合料；
23.(2)将混合料与骨料和水混合搅拌均匀后得赤泥基稳定材料。
24.本发明第三方面，提供一种赤泥基稳定材料在道路施工建设中的应用，包括：将赤泥基稳定材料进行填筑后，经摊铺机摊铺，压路机压实，压实度不小于98％。
25.加入胶结剂可促进赤泥和矿粉水化反应进行，生成更多的水化产物，随着水化反应的进行，结构不断被填充密实，强度稳定性不断增加。胶凝材料在水化过程中形成的n-c-s-a-h凝胶、n-s-a-h凝胶、c-s-a-h凝胶以及c-s-a凝胶对重金属具有吸附固化作用，此外，n-c-s-a-h凝胶、n-s-a-h凝胶为三维网络结构，它们在形成过程中对重金属组分具有物理封裹效应。加入少量固化稳定剂，残余游离态重金属元素可以通过吸附、沉降、离子交换、钝化等多种方式被固化，从而有效解决赤泥重金属污染问题。
26.加入纳米sio2，由于纳米sio2颗粒的结晶成核作用促进了赤泥和矿粉的水化，微集料充填效应提高了材料早期强度，提高赤泥基稳定材料的力学性能。加入纳米zno可提高材料结构致密性从而提高力学性能。加入纳米caco3可加快材料水化速度，增加水化程度，最终使材料力学性能均有所提高。加入纳米al2o3可以增大新拌赤泥基浆体的屈服应力和塑性黏度，使得赤泥基稳定材料在各龄期的抗压强度和抗折强度都有所增长，同时弥补了纳米caco3导致的收缩缺陷。每种纳米材料具有其独特的性质，同时又可在体系中协同互补使作用效果最大化。
27.材料中骨料是建筑固废，尾矿和煤矸石中的一种或几种以任意比例混合使用，其中建筑固废，尾矿和煤矸石选用的是不同粒径分布的颗粒集配，能够形成良好的孔隙结构，配合赤泥基胶凝材料作用形成良好的密实结构，提高了体系强度和稳定性。
28.本发明具有以下有益效果：
29.(1)该赤泥基稳定材料中赤泥利用率高，各组分互相配合，实现了在大量使用赤泥的同时保证材料力学性能和稳定性。本发明主要将赤泥与矿粉在胶结剂的作用下组成二元体系聚物类胶凝材料，辅以固化稳定剂和纳米改性剂，结合骨料形成具有优秀抗压强度、劈裂强度的路用材料，且其水稳定系数大，水稳定性好，解决了赤泥掺量过高导致的强度变低，耐久性变差的问题。
30.(2)该赤泥基稳定材料不仅实现了赤泥的大宗消耗，而且实现了减少水泥用量。该材料的骨料采用建筑固废、尾矿等，实现废物利用，达到绿色环保节约资源的目的。该赤泥基稳定材料制备方法工艺简单，成本低廉适宜向社会推广应用。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.实施例1：
34.一种赤泥基稳定材料，其组分为胶凝材料、胶结剂、骨料和水；
35.胶凝材料按质量百分比计包括：赤泥55％，矿粉43.5％，固化稳定剂1.48％，纳米改性剂0.02％，胶结剂为赤泥和矿粉质量和的3％，骨料与胶凝材料、胶结剂质量和的比为2.5：97.5，水为凝材料、胶结剂、骨料质量和的4.5％。
36.所述赤泥为拜耳法赤泥，赤泥的粒径为150目。
37.所述矿粉为s95级矿渣粉。
38.所述胶结剂为1.4模零水硅酸钠。
39.所述固化稳定剂a和固化稳定剂b质量比为2：0.5。
40.所述固化稳定剂a为水泥、硅灰、粉煤灰，其质量比为0.8：0.5：0.6。
41.所述固化稳定剂b为环氧树脂。
42.所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为二级f类粉煤灰。
43.所述纳米改性剂为纳米zno、纳米sio2、纳米caco3、纳米al2o3其质量比为1：0.5：1：0.4。
44.所述骨料为建筑固废、尾矿和煤矸石，其质量比为5：1：1。
45.所述骨料由以下组分组成：20mm～30mm粒径15％、10mm～20mm粒径35％、5mm～10mm粒径20％、0～5mm粒径30％。
46.上述赤泥基稳定材料的制备方法，包括：
47.将赤泥、矿粉、胶结剂、固化稳定剂、纳米改性剂混合搅拌均匀后得混合料。
48.将混合料与集配碎石和水混合搅拌均匀后得赤泥基稳定材料。
49.应用时，将赤泥基稳定材料进行填筑后，经摊铺机摊铺，压路机压实，压实度不小于98％。
50.实施例2：
51.一种赤泥基稳定材料，其组分为胶凝材料、胶结剂、骨料和水；
52.胶凝材料按质量百分比计包括：赤泥68％，矿粉30％，固化稳定剂1.96％，纳米改性剂0.04％，胶结剂为赤泥和矿粉质量和的2.5％，骨料与胶凝材料、胶结剂质量和的比为2.5：97.5，水为凝材料、胶结剂、骨料质量和的5％。
53.所述赤泥为拜耳法赤泥，赤泥的粒径为100目。
54.所述矿粉为s95级矿渣粉。
55.所述胶结剂为1.4模零水硅酸钠。
56.所述固化稳定剂a和固化稳定剂b质量比为3：1。
57.所述固化稳定剂a为水泥、硅灰、粉煤灰，其质量比为1：0.5：0.5。
58.所述固化稳定剂b为环氧树脂。
59.所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为二级f类粉煤灰。
60.所述纳米改性剂为纳米zno、纳米sio2、纳米caco3、纳米al2o3其质量比为0.8：0.6：
1：0.5。
61.所述骨料为建筑固废、尾矿和煤矸石，其质量比为4：2：1。
62.所述骨料由以下组分组成：20mm～30mm粒径20％、10mm～20mm粒径30％、5mm～10mm粒径20％、0～5mm粒径30％。
63.上述赤泥基稳定材料的制备方法，包括：
64.将赤泥、矿粉、胶结剂、固化稳定剂、纳米改性剂混合搅拌均匀后得混合料。
65.将混合料与集配碎石和水混合搅拌均匀后得赤泥基稳定材料。
66.应用时，将赤泥基稳定材料进行填筑后，经摊铺机摊铺，压路机压实，压实度不小于98％。
67.实施例3：
68.一种赤泥基稳定材料，其组分为胶凝材料、胶结剂、骨料和水；
69.胶凝材料按质量百分比计包括：赤泥62％，矿粉36％，固化稳定剂1.5％，纳米改性剂0.5％，胶结剂为赤泥和矿粉质量和的2.8％，骨料与胶凝材料、胶结剂质量和的比为4：96，水为凝材料、胶结剂、骨料质量和的5％。
70.所述赤泥为拜耳法赤泥，赤泥的粒径为200目。
71.所述矿粉为s95级矿渣粉。
72.所述胶结剂为1.4模零水硅酸钠。
73.所述固化稳定剂a和固化稳定剂b质量比为1：1。
74.所述固化稳定剂a为水泥、硅灰、粉煤灰，其质量比为1：0.6：0.1。
75.所述固化稳定剂b为聚脂。
76.所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为二级f类粉煤灰。
77.所述纳米改性剂为纳米zno、纳米sio2、纳米caco3、纳米al2o3其质量比为1：1：1：0.5。
78.所述骨料为建筑固废、尾矿和煤矸石，其质量比为3：2：1。
79.所述骨料由以下组分组成：20mm～30mm粒径20％、10mm～20mm粒径30％、5mm～10mm粒径22％、0～5mm粒径28％。
80.上述赤泥基稳定材料的制备方法，包括：
81.将赤泥、矿粉、胶结剂、固化稳定剂、纳米改性剂混合搅拌均匀后得混合料。
82.将混合料与集配碎石和水混合搅拌均匀后得赤泥基稳定材料。
83.应用时，将赤泥基稳定材料进行填筑后，经摊铺机摊铺，压路机压实，压实度不小于98％。
84.对比例1：
85.与实施例一相比，不同的是不添加纳米改性剂。
86.对比例2：
87.与实施例一相比，不同的是纳米改性剂为纳米sio2、纳米caco3、纳米al2o3其质量比为0.5：1：0.4。
88.对比例3：
89.与实施例一相比，不同的是纳米改性剂为纳米zno、纳米caco3、纳米al2o3其质量比为1：1：0.4。
90.对比例4：
91.与实施例一相比，不同的是纳米改性剂为纳米zno、纳米sio2、纳米al2o3其质量比为1：0.5：0.4。
92.对比例5：
93.与实施例一相比，不同的是纳米改性剂为纳米zno、纳米sio2、纳米caco3质量比为1：0.5：1。
94.性能测试
95.根据jtg e51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》对实施例1-3以及对比例1-5进行性能测试。
96.水稳定性测试方法：在固定胶凝材料掺量的基础上，测定28d龄期的饱水(24h)和非饱水无侧限抗压强度代表值，其比值为水稳定系数，且水稳定性系数越大，水稳定性越高。
97.表1路用赤泥基稳定材料性能测试结果
[0098][0099]
从表1的性能测试结果可知，本发明实现了在大量使用赤泥的同时保证材料力学性能，其抗压强度可达6.6mpa。从表1可知，纳米改性剂中各组分相互配合，大大提高其水化速度、抗压强度、劈裂强度等性能。