一种煤矸石钢渣路面基层混合料及其制备方法

1.本发明涉及道路基层施工技术领域，具体的，涉及一种煤矸石钢渣路面基层混合料及其制备方法。


背景技术：

2.随着国家建设的发展，公路工程建设也发展较快，对路面回填结构材料的需求量越来越大。如此需求量如果单单靠开山取石来获取的话，不仅工作强度大，需要大量的人力物力，还破坏了山体，对生态环境造成严重的破坏。将工业废渣用于公路工程，不仅大大节约了开山取石所需大量的人力物力，同时还变废为宝，有利于环境保护。
3.工业废渣包括钢渣、煤矸石等。钢渣是炼钢厂生产钢材后剩余的废渣，主要是指存放一年以上平炉和转炉钢渣，其组分与普通波特兰水泥熟料相似。钢渣中含有大量的铁，致密的孔隙结构使其成为一种硬质材料，可以用来代替碎石作为基层材料。煤矸石是指煤矿在建设、开拓掘进、釆煤及洗选工程中所排放的含碳岩石及岩石，是煤矿建设和煤炭生产过程中所排放出的固体废弃物的总称，煤矸石中的煤和硫在空气中与氧气相遇发生氧化反应而自燃，煤矸石经自燃后变成了烧岩，其主要成分是al2o3、sio2，另外还含有数量不等的fe2o3、cao、mgo、na2o、k2o、p2o5、so3和微量稀有元素镓、钒、钛、钴等。
4.目前级配钢渣在道路基层应用中面临的问题：由于钢渣中存在游离cao，与水反应使钢渣路基出现严重的体积膨胀变形，导致质量不稳定、路基自身强度降低，同时由于膨胀会引起道路两侧建筑物破坏。因此，将钢渣用作道路基层材料，应重点关注如何安全使用、解决钢渣的稳定性问题。已有研究表明，钢渣堆放1～2年后再使用可大大减小膨胀问题，但大量堆放，会占用耕地、污染环境，使其推广应用受限。


技术实现要素：

5.本发明提出一种煤矸石钢渣路面基层混合料及其制备方法，解决了相关技术中的钢渣路基膨胀严重以及路面基层强度低的问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，包括以下重量份的组分：钢渣8-29份，石灰3-12份，煤矸石64-85份，所述钢渣的粒径≤4.75mm。
8.作为进一步的技术方案，包括以下重量份的组分：钢渣8-29份，石灰4-12份，煤矸石65-85份。
9.作为进一步的技术方案，所述钢渣按照粒径大小分为以下五档：0mm＜粒径≤0.3mm，0.3mm＜粒径≤0.6mm，0.6mm＜粒径≤1.18mm，1.18mm＜粒径≤2.36mm，2.36mm＜粒径≤4.75mm。
10.作为进一步的技术方案，所述钢渣中，所述钢渣中，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，三档的钢渣占所述钢渣总质量的77％。
11.作为进一步的技术方案，所述煤矸石为自燃煤矸石。
12.作为进一步的技术方案，所述煤矸石由以下组分组成：粒径为19mm＜粒径≤31.5mm的第一煤矸石，粒径为9.5mm＜粒径≤19mm的第二煤矸石，粒径为4.75mm＜粒径≤9.5mm的第三煤矸石，粒径为0mm＜粒径≤4.75mm的第四煤矸石，所述第一煤矸石、第二煤矸石、第三煤矸石、第四煤矸石的质量比为10：27：22：41。
13.作为进一步的技术方案，所述煤矸石的压碎值为29.86％。
14.本发明还提供了一种煤矸石钢渣路面基层混合料的制备方法，包括以下步骤：按照上述的煤矸石钢渣路面基层混合料的配方称取钢渣、石灰与煤矸石后，钢渣、石灰、煤矸石与水混合，得到路面基层混合料。
15.作为进一步的技术方案，所述水的用量为所述钢渣、石灰与煤矸石总质量的9％-12％。
16.本发明的工作原理及有益效果为：
17.1、本发明中，路面基层混合料使用粒径≤4.75mm的细钢渣，与石灰、煤矸石混合后，使钢渣中的膨胀成分cao充分释放出来，参与了化学反应来激发煤矸石中的活性成分，稳定性更强，不仅解决了钢渣路基膨胀严重的问题，同时也提高了混合料强度，减少了石灰的用量，提高了固废的利用，而且不需要同钢渣粉一样需要罐装运输，运输方便。
18.2、本发明的路面基层混合料固废利用率好，使用的煤矸石及钢渣固废占比达88％以上。
19.3、本发明的路面基层混合料制备工艺简单、原料成本低。与其它固废路用基层混合料相比，原材料种类数量更少，工艺更简单，成本更低。相比于常用的固废材料如粉煤灰、矿粉等工业固废，煤矸石、钢渣的费用低70％以上，其中材料本身没有成本，主要是运输费。
20.4、本发明的路面基层混合料强度较高，该混合料属于石灰稳定类无机结合料，配比设计时即充分利用了颗粒粒径的骨料效应，同时激发了固废中的活性成分，其7天无侧限抗压强度可达到3.5mpa以上，接近水泥稳定类无机结合料强度，远远高于同类混合料强度值，不仅满足重型特重型公路路面基层底基层使用，同时满足上基层使用。
21.5、本发明的路面基层混合料抗冻性能好、后期强度高。试块28天龄期5次冻融循环后强度损失满足要求，且个别试块有增高趋势，说明28天后化学反应仍在继续，后期强度较高。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
23.下述实施例中，煤矸石为自燃煤矸石，煤矸石由以下组分组成：粒径为19mm＜粒径≤31.5mm的第一煤矸石，粒径为9.5mm＜粒径≤19mm的第二煤矸石，粒径为4.75mm＜粒径≤9.5mm的第三煤矸石，粒径为0mm＜粒径≤4.75mm的第四煤矸石，第一煤矸石、第二煤矸石、第三煤矸石、第四煤矸石的质量比为10：27：22：41，按照t0316-2005《粗集料压碎值试验》进行试验来表征煤矸石的强度，压碎值为29.86％，满足压碎值＜30％的要求；搅拌机采用单
卧轴强制式混凝土搅拌机(hjw-60型，天津市路达建筑仪器有限公司)；试验试件原材取样、材料组成配合比设计、成型和养护等试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)的相关规定；试验试件性能测试项目有7d无侧限抗压强度、28d无侧限抗压强度和28d冻融后抗压强度，具体试验步骤参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)的相关规定。
24.实施例1
25.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，由以下重量份的组分组成：钢渣9份，石灰8份，煤矸石83份，水11份；
26.钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，粒径在1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，粒径在2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，
27.其制备方法，包括以下步骤：按照上述配方中各组分的重量份数，称取钢渣、石灰和煤矸石，然后将钢渣、石灰、煤矸石与水放入搅拌机混合，得到路面基层混合料。
28.实施例2
29.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，由以下重量份的组分组成：钢渣13份，石灰12份，煤矸石75份，水9.3份；
30.钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，粒径在1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，粒径在2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，
31.其制备方法同实施例1。
32.实施例3
33.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，由以下重量份的组分组成：钢渣18份，石灰5份，煤矸石77份，水11.4份；
34.钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，粒径在1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，粒径在2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，
35.其制备方法同实施例1。
36.实施例4
37.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，由以下重量份的组分组成：钢渣22份，石灰9份，煤矸石69份，水11份；
38.钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，粒径在1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，粒径在2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，
39.其制备方法同实施例1。
40.实施例5
41.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，由以下重量份的组分组成：钢渣27份，石灰3份，煤矸石70份，水9.6份；
42.钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，粒径在1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，粒径在2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，
43.其制备方法同实施例1。
44.实施例6
45.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，由以下重量份的组分组成：钢渣29份，石灰7份，煤矸石64份，水9.6份；
46.钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.3mm范围内钢渣占比为10％，粒径在0.3mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为13％，粒径在0.6mm＜粒径≤1.18mm范围内钢渣占比为22％，粒径在1.18mm＜粒径≤2.36mm范围内钢渣占比为28％，粒径在2.36mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，
47.其制备方法同实施例1。
48.实施例7
49.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，由以下重量份的组分组成：钢渣19份，石灰6份，煤矸石75份，水11份；
50.钢渣中，粒径在0mm＜粒径≤0.6mm范围内钢渣占比为73％，粒径在0.6mm＜粒径≤4.75mm范围内钢渣占比为27％，
51.其制备方法同实施例1。
52.实施例8
53.一种煤矸石钢渣路面基层混合料，由以下重量份的组分组成：钢渣29份，石灰6份，煤矸石65份，水9.5份；
54.钢渣的粒径在4.75mm＜粒径≤9.5mm范围内；
55.其制备方法同实施例1。
56.实施例1-8中，不同粒径范围钢渣的重量配比见下表：
57.表1不同粒径范围钢渣的重量配比
58.粒径范围0mm＜粒径≤0.6mm0.6mm＜粒径≤4.75mm4.75mm＜粒径≤9.5mm实施例123％77％-实施例223％77％-实施例323％77％-实施例423％77％-实施例523％77％-实施例623％77％-实施例773％27％-实施例8
‑‑
100％
59.实验例
60.将实施例1-8的煤矸石路面基层混合料按照《公路工程无机结合料稳定材料试验
规程》(jtg e51-2009)的相关规定进行试验，得到7d无侧限抗压强度、28d无侧限抗压强度和28d冻融后抗压强度，结果如下：
61.表2实施例1-8的煤矸石路面基混合料的强度检测结果
[0062][0063]
从表2中可知，本发明实施例1-6的煤矸石路面基混合料的7d无侧限抗压强度、28d无侧限抗压强度和28d冻融后抗压强度均较高，能很好的用作路面基层材料。其中，实施例6的煤矸石路面基混合料的7d无侧限抗压强度高于3.5mpa，这是因为其原料中，钢渣的掺量大且在钢渣与煤矸石、石灰配比时充分利用了颗粒粒径的骨料效应，同时激发了煤矸石和钢渣的活性成分，从而使制得的煤矸石路面基混合料的7d无侧限抗压强度达到3.5mpa以上，接近水泥稳定类无机结合料强度，远远高于同类混合料强度值，不仅满足重型特重型公路路面基层底基层使用，同时满足上基层使用。钢渣中的cao是初期膨胀严重的主要成分，本发明中，使用粒径≤4.75mm的细钢渣，尤其是选用粒径在0.6mm＜粒径≤4.75mm的钢渣占比为77％的钢渣，使钢渣中的膨胀成分cao充分释放出来，稳定性更强。从冻融循环后抗压强度损失bdr(冻融后的抗压强度/对照组的无侧限抗压强度)数据可以看出，煤矸石路面基混合料的抗冻性能好、后期强度高，试块28天龄期5次冻融循环后强度损失满足要求，28天后化学反应仍在继续，后期强度较高。
[0064]
通过实施例3与实施例7比较、实施例6与实施例8比较可得，本发明的路面基层材料无侧限抗压强度明显高于大粒径、小粒径钢渣的混合料。7d、28d无侧限抗压强度检测结果均表明：主要粒径在0mm＜粒径≤0.6mm的混合料试件，游离的cao被释放出来，但粉料较多，骨架效应降低，导致混合料强度降低；主要粒径在4.75mm＜粒径≤9.5mm的混合料试件，钢渣颗粒粒径偏大，试件内部孔隙率增大，钢渣比表面积减小，游离的cao未能充分释放。主要粒径在0.6mm＜粒径≤4.75mm的混合料试件，钢渣中的膨胀成分cao充分释放出来，参与了化学反应来激发煤矸石中的活性成分，通过调整钢渣级配，补充了煤矸石粒径的非连贯性(自燃煤矸石大粒径颗粒和粉料较多)，不仅解决了膨胀问题，同时也提高了混合料强度。
[0065]
钢渣中游离的cao不稳定，造成了钢渣路基的膨胀，本发明按照《钢渣稳定性试验方法》对实施例1-6的煤矸石钢渣混合料进行了膨胀率试验。将钢渣按实施例1-6的粒径配比筛分后，配制煤矸石钢渣混合料，测得混合料按照其最佳含水量和最大干密度进行击实制件，制作三个平行试件放入恒温水浴箱中，同时进行10d浸水膨胀循环试验，试验测得混合料的平均膨胀率为0.34％，小于2％，满足规范要求，故所用钢渣能直接用于路面基层的铺筑。以上说明，本发明的路面基层材料混合料确定了合理的钢渣掺量，通过调整级配，确
定最优配合比，充分利用钢渣中游离cao，有效激活煤矸石中的活性成分，解决了钢渣的膨胀问题。
[0066]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。