赤泥基高速公路基层材料及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及道路工程建设技术领域，特别涉及赤泥基高速公路基层材料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
氧化铝生产工艺过程中，产出大量的固体废弃物，俗称赤泥。赤泥是用铝矾土矿提取氧化铝过程中产生的废弃物。
[0003]
据统计，生产1吨铝大约需要2吨氧化铝，而生产1吨氧化铝要产生1～1.8吨赤泥。大量赤泥不但要占用良田土地，而且游离碱和其它有害成份污染环境。氧化铝厂一般采用平地筑台，河谷拦坝，凹地填充等方法堆存赤泥。由于没有采取防护措施，赤泥液污染地下水源200～700米深，使该地水源永久碱化，破坏生态系统。赤泥问题如不及时解决，将带来严重的环境问题，并污染地下水源。同时，还因为固废的堆放存在着晴天产生大量扬尘、污染环境，雨天会产生溃坝的安全隐患。
[0004]
我国赤泥的综合利用率不到4％，而世界平均水平也只有15％，所以，急需研究开发赤泥新的解决办法。目前，赤泥大部分都是设置堆场堆放，这样既浪费良田又污染环境。如何利用赤泥这种固体废弃物进行资源化利用，变废为宝，成为了行业工作者需要解决的技术难题。


技术实现要素：

[0005]
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种赤泥基高速公路基层材料，本发明的目的之二在于提供这种赤泥基高速公路基层材料的制备方法。
[0006]
本发明是基于发明人以下的认识和发现作出的：固体废弃物是放错了位置的资源，如能将大量堆弃无用的工业废渣制备成高价值的道路材料，使之满足道路设计所要求的标准，则能将固废资源变废为宝。赤泥就是一种具有应用于道路前景的固废资源，其应用难点在于研究和采用相适应的固化技术与筑路工艺。本发明人经过大量试验研究，研究出将赤泥应用于制备高速公路基层材料的技术方案，实现环保与基础建设的完美结合，将使赤泥综合利用达到一个新的阶段。
[0007]
赤泥的主要化学组分为占总量55％以上的氧化钙和二氧化硅，20％左右的铁铝氧化物，少量的tio2、mgo、na2o、k2o和几十种微量稀散元素。同时赤泥中含有的矿物主要来自于熟料高温反应形成的不溶性矿物和溶出过程水化、水解产生的衍生物，水合物以及二次副反应形成的新生矿物。如能在赤泥中添加适量的活性al2o3、cao及sio2，使其达到最佳的比例，在一定的ph条件下(碱性环境中)，通过各种途径的一系列化学反应和离子交换作用，使混合料中的矿物成分在微颗粒周围形成晶体结构的多种水化物。这种以微颗粒和水化物组成的胶体粒子在分子力作用下，凝聚成网状结构，在吸收化学反应过程中放出的热量、外界压力(碾压)、温度(气温)的作用下而硬化，形成以化学键相结合的结晶体网状结构骨架而形成强度，生成密实而坚硬的满足高速公路基层要求的材料。
[0008]
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
[0009]
本发明的第一方面提供一种赤泥基高速公路基层材料，包括以下组分：活性赤泥粉、粉煤灰、石灰和激发剂；其中，活性赤泥粉是由赤泥经煅烧处理后制得；激发剂包括碱金属盐、苯丙乳液和纳米铝溶胶。
[0010]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料包括以下质量份的组分：45～70份活性赤泥粉，7～20份粉煤灰，7～20份石灰，2～10份碱金属盐，3～8份苯丙乳液，5～13份纳米铝溶胶；进一步优选的，这种赤泥基高速公路基层材料包括以下质量份的组分：48～67份活性赤泥粉，8～16份粉煤灰，8～17份石灰，4～8份碱金属盐，3～7份苯丙乳液，5～13份纳米铝溶胶。
[0011]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，碱金属盐选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一种。
[0012]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，当碱金属盐选用十二烷基硫酸钠时，十二烷基硫酸钠的活性物质的含量不小于90wt％，石油醚可溶物不大于2.1％，以硫酸钠和氯化钠计的无机盐含量不大于5.0％，白度大于75，水分含量为3％。
[0013]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，赤泥的煅烧温度为700℃～900℃。
[0014]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，活性赤泥粉按质量百分比计的成分如下：18.15～25.14％sio2，34.20～40.21％cao，9.14～13.19％fe2o3，7.21～11.85％al2o3，1.10～2.45％mgo，3.00～7.70％tio2，2.12～4.23％na2o，0.11～1.23％k2o，6.17～8.15％灼减量。
[0015]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，活性赤泥粉的粒径为150目～250目。
[0016]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，粉煤灰为ⅱ级f类粉煤灰。
[0017]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，石灰按质量百分比计的成分如下：82～90％cao，2～3％mgo，3～4％sio2。
[0018]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，苯丙乳液的固含量为48～55％，粘度为1000～3000cps(25℃)，ph值为7～9，粒径为0.1μm～0.3μm。
[0019]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，纳米铝溶胶的固含量为20～30％，晶型为boehmite型，粒径为8～12nm，ph值为4～6。
[0020]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料的组分还包括水。
[0021]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料中，水与活性赤泥粉、粉煤灰、石灰和激发剂总和的质量比(水灰比)为(0.35～0.50)：1；进一步优选的，水与活性赤泥粉、粉煤灰、石灰和激发剂总和的质量比为(0.4～0.45)：1。
[0022]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料的7天无侧限抗压强度≥2mpa；进一步优选的，这种赤泥基高速公路基层材料的7天无侧限抗压强度为2～2.71mpa。
[0023]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料的28天无侧限抗压强度≥2.7mpa；进一步优选的，这种赤泥基高速公路基层材料的28天无侧限抗压强度为2.71～4.13mpa。
[0024]
本发明的第二方面提供上述第一方面提供的赤泥基高速公路基层材料的制备方法，包括以下步骤：
[0025]
将赤泥进行煅烧处理，球磨，得到活性赤泥粉；
[0026]
将活性赤泥粉、粉煤灰和石灰混合，得到初混料；
[0027]
将碱金属盐、苯丙乳液和纳米铝溶胶混合，得到激发剂；
[0028]
将初混料、激发剂和水混合，得到赤泥基高速公路基层材料。
[0029]
在本发明中，将赤泥进行煅烧处理，可以使赤泥中的铝硅酸盐矿物结构变异，其中的大量si-o键和al-o键断裂，活性质点大量产生，最终生成β-2cao
·
sio2、fe2o3·
h2o、caco3等活性成分。
[0030]
优选的，这种赤泥基高速公路基层材料的制备方法中，将赤泥进行煅烧处理的煅烧温度为700℃～900℃，煅烧的时间为15h～18h。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
本发明提供了一种赤泥基高速公路基层材料，具有良好的抗压强度和缓凝性能，冻稳性好，不但可以大量地利用堆积的赤泥，同时也有利于减少工程中水泥的应用，达到保护环境和节省工程成本的目的。
具体实施方式
[0033]
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
[0034]
以下实施例/对比例中采用的原料说明如下：
[0035]
活性赤泥粉主要成分为(质量百分比)：18.15～25.14％sio2，34.20～40.21％cao，9.14～13.19％fe2o3，7.21～11.85％al2o3，1.10～2.45％mgo，3.00～7.70％tio2，2.12～4.23％na2o，0.11～1.23％k2o，6.17～8.15％灼减量。赤泥中的各物相主要为(质量百分比)：β-2cao
·
sio2占58～62％，fe2o3·
h2o占6～12％，caco3占5～15％及其他少量其他物相等。
[0036]
粉煤灰为符合国家标准的市售ⅱ级f类粉煤灰。
[0037]
石灰是一种高钙灰，其化学成分及比例为：cao含量为84.1wt％，mgo含量为2.6wt％，sio2含量为3.6wt％。
[0038]
十二烷基硫酸钠的活性物质的含量不小于90wt％，石油醚可溶物不大于2.1％，以硫酸钠和氯化钠计的无机盐含量不大于5.0％，白度大于75，水分含量为3％。
[0039]
苯丙乳液为乳白色乳液，固含量为48～55wt％，粘度为1000～3000cps(25℃)，ph为7.0～9.0，粒径为0.1～0.3μm。
[0040]
纳米铝溶胶为白色半透明液体，固含量为20～30wt％，boehmite型晶型，粒径为10nm，ph为4～6。
[0041]
实施例1
[0042]
本例赤泥基高速公路基层材料各组分的组成如表1所示。
[0043]
表1实施例1赤泥基高速公路基层材料组成
[0044]
原料质量份活性赤泥粉体56粉煤灰16石灰8十二烷基硫酸钠8
苯丙乳液6.4纳米铝溶胶5.6
[0045]
实施例2
[0046]
本例赤泥基高速公路基层材料各组分的组成如表2所示。
[0047]
表2实施例2赤泥基高速公路基层材料组成
[0048][0049][0050]
实施例3
[0051]
本例赤泥基高速公路基层材料各组分的组成如表3所示。
[0052]
表3实施例3赤泥基高速公路基层材料组成
[0053]
原料质量份活性赤泥粉体61.5粉煤灰8.2石灰12.5十二烷基硫酸钠5.2苯丙乳液6.3纳米铝溶胶6.3
[0054]
实施例4
[0055]
本例赤泥基高速公路基层材料各组分的组成如表4所示。
[0056]
表4实施例4赤泥基高速公路基层材料组成
[0057]
原料质量份活性赤泥粉体66.7粉煤灰8.3石灰8.3十二烷基硫酸钠5.8苯丙乳液4.2纳米铝溶胶6.7
[0058]
实施例5
[0059]
本例赤泥基高速公路基层材料各组分的组成如表5所示。
[0060]
表5实施例5赤泥基高速公路基层材料组成
[0061][0062][0063]
实施例1～5赤泥基高速公路基层材料的制备方法如下：
[0064]
1)赤泥的煅烧预处理
[0065]
将赤泥放入回转式煅烧炉中，在700-900℃的温度下煅烧15-18h，使赤泥中的铝硅酸盐矿物结构变异，其中的大量si-o键和al-o键断裂，活性质点大量产生，最终生成β-2cao
·
sio2、fe2o3·
h2o、caco3等活性成分。
[0066]
2)活性赤泥粉体的制备
[0067]
将煅烧后的赤泥在空气中进行自然冷却至室温，然后送入行星式球磨机中进行球磨，制得粒径为150-250目的活性赤泥粉体。
[0068]
3)赤泥基层材料初混
[0069]
将活性赤泥粉体、粉煤灰、石灰加入大型卧式球磨机中，加入适量的钢珠球磨子，开启球磨机，使其高速旋转，设定程序正转30min，反转30min，使其充分混合均匀和团聚的小块彻底解聚，得到初混料。
[0070]
4)高分子聚合激发剂的制备
[0071]
称取十二烷基硫酸钠、苯丙乳液、纳米铝溶胶加入搅拌机中，开启搅拌机搅拌30min，使其充分混合均匀，得到高分子聚合激发剂。
[0072]
5)赤泥基高速公路基层材料的制备
[0073]
将步骤3)中制得的初混料和步骤4)中制得的高分子聚合激发剂分别加入混凝土搅拌站中，控制水灰比为0.45，搅拌混合均匀，即可得到满足高速公路标准要求的赤泥基高速公路基层材料。
[0074]
实施例1～5赤泥基高速公路基层材料的原料分别按表1～5的组成称取。
[0075]
对比例1
[0076]
本例高速公路基层材料各组分的组成如表6所示。
[0077]
表6对比例1高速公路基层材料组成
[0078]
[0079][0080]
对比例2
[0081]
本例高速公路基层材料各组分的组成如表7所示。
[0082]
表7对比例2高速公路基层材料组成
[0083]
原料质量份325#水泥35石灰30粉煤灰15碎石20
[0084]
对比例1～2高速公路基层材料的制备方法是分别按表6-7的组成称取原料，加入混凝土搅拌站中，控制水灰比为0.45，搅拌混合均匀，即可得到对比例1～2的高速公路基层材料。
[0085]
对比例3
[0086]
本例赤泥基高速公路基层材料各组分的组成如表8所示。
[0087]
表8对比例3赤泥基高速公路基层材料组成
[0088]
原料质量份赤泥粉体(不煅烧)45粉煤灰16石灰16十二烷基硫酸钠7苯丙乳液4纳米铝溶胶12
[0089]
对比例3的制备方法与实施例1～5的不同之处仅在于是按表8的组成称取原料，赤泥不经煅烧预处理，其余与实施例的制备方法相同。
[0090]
性能测试
[0091]
依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtj057-94)进行了试验研究，测定实施例1～5试样以及对比例1～3试样的无侧限饱水抗压强度。同时进行材料的抗冻融强度稳定性测试，采用5次冻融后与冻融前的抗压强度进行对比，试件在28天龄期时进行冻融试验，试验前4天从养护箱取出试件在15～20℃恒温水槽中浸泡。冻融试验在冻融试验机和恒温水槽中进行，冻融试验机温度保持在-15～20℃，每4小时循环一次。试验结果见下表9。
[0092]
表9高速公路基层材料试验结果
[0093][0094]
高速公路的路基层强度要求为：7天无侧限抗压强度不低于2mpa。根据表9的测试结果可知，本发明实施例制得的赤泥基高速公路基层其7天无侧限饱水抗压强度，均能满足高速和一级公路对基层的抗压强度要求。同时赤泥基层具有缓凝的优良性能，28天强度相对于7天强度有比较明显的提高，缓凝性给施工创造了有利条件，各施工工序的衔接可以不需要像水泥稳定土那样严格。
[0095]
本发明实施例的试件经5次冻融后仍具有较高的抗压强度，其测试值大体与冻融前试件的强度相当。这样可以说明用赤泥、粉煤灰、石灰、十二烷基硫酸钠、苯丙乳液、纳米铝溶胶组成的混合料具有足够的冻稳性，能满足使用标准要求。
[0096]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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