一种环保型高性能矿物掺合料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种环保型高性能矿物掺合料及其制备方法和应用 (Environment-friendly high-performance mineral admixture and preparation method and application thereof ) 是由 赵喆 李华 邓曾琦鹃 王捷 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种环保型高性能矿物掺合料及其制备方法和应用,该环保型高性能矿物掺合料由以下重量份的组分组成：矿渣200-400份、粉煤灰400-500份、赤泥100-200份、碱性激发剂1-3份和减水剂1-3份。本发明提供的环保型高性能矿物掺合料的制备原料为工业废固：矿渣、粉煤灰和赤泥,虽然上述的材料都是工业生产产生的废弃物,但是这些材料具备一定的活性,活性矿物材料在碱性激发剂的作用下,能够激发出一定的强度,适合用于替代或部分代替水泥稳定碎石中的水泥,一方面降低建设成本的同时,另一方面通过降低水泥用量来减少基层裂缝的产生,提高道路的服役寿命。(The invention discloses an environment-friendly high-performance mineral admixture, a preparation method and an application thereof, wherein the environment-friendly high-performance mineral admixture is composed of the following components in parts by weight: 400 parts of slag, 400 parts of fly ash, 500 parts of red mud, 100 parts of alkali excitant and 1-3 parts of water reducing agent. The environment-friendly high-performance mineral admixture provided by the invention is prepared from the following raw materials in percentage by mass: the materials are wastes generated in industrial production, but the materials have certain activity, and the active mineral materials can excite certain strength under the action of the alkaline exciting agent, so that the active mineral materials are suitable for replacing or partially replacing cement in cement stabilized macadam, on one hand, the construction cost is reduced, on the other hand, the generation of cracks on a base course is reduced by reducing the cement consumption, and the service life of a road is prolonged.)
技术领域
本发明涉及矿物掺合料技术领域，具体而言，涉及一种环保型高性能 矿物掺合料及其制备方法和应用。
背景技术
在当前交通建设中，采用水泥稳定碎石作为半刚性基层是最为常见的 路面结构。水泥稳定碎石基层具有较高的抗压强度和承载能力，并具有一 定的抗弯拉强度，且随龄期的增加，强度具备延续性增长的特性。因此， 采用水泥稳定碎石基层的沥青路面通常具有较小的变形和较强的荷载扩散 能力，从而提高了路面抵抗行车荷载疲劳破坏的能力。但大量的工程实践 表明，水泥稳定碎石基层存在以下缺点：
①水稳基层要掺入3-6％的水泥。水泥作为一种高能耗材料，其主要生 产原料为石灰石(碳酸钙)。石灰石在采集过程中需要开山采石，会严重 破坏山体的自然景观和绿色植被，采集过程会排出大量温室气体和粉尘， 对环境、大气造成污染。另外，用石灰石生产水泥是一个高能耗、高污染、 高排放的过程；
②水泥稳定碎石基层的收缩开裂会引起沥青路面的反射性裂缝。国内 已建高速公路使用调查表明，不少半刚性路面存在使用1-3年，甚至通车不 久即出现开裂、车辙、泛油、松散、坑槽和水损害等早期路面损坏现象；
③水泥稳定碎石基层平均造价约为300元/m3，建设成本较高。
因此，选择一种合适的胶凝材料全部或者部分替代水泥，是解决上述 问题的有效措施。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种环保型 高性能矿物掺合料及其制备方法和应用。
本发明是这样实现的:
本发明提供一种环保型高性能矿物掺合料，由以下重量份的组分组成： 矿渣200-400份、粉煤灰400-500份、赤泥100-200份、碱性激发剂1-3份 和减水剂1-3份。
本发明还提供一种利用上述环保型高性能矿物掺合料的制备方法，包 括：按比例将矿渣、粉煤灰、赤泥、减水剂、减水剂顺序混合后，研磨成 细粉，得到环保型高性能矿物掺合料。
本发明还提供一种利用上述环保型高性能矿物掺合料在交通道路建设 中的应用。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供一种环保型高性能矿物掺合料及其制备方法和应用，本发 明提供的环保型高性能矿物掺合料的制备原料为工业废固：矿渣、粉煤灰 和赤泥，虽然这些材料都是工业生产产生的废弃物，但是这些材料具备一 定的活性，这些活性矿物材料在碱性激发剂的作用下，能够激发出一定的 强度，适合用于替代或部分代替水泥稳定碎石中的水泥，用在水稳基层的 交通建设中，减少基层裂缝的产生，提高道路的服役寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需 要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些 实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的环保型高性能矿物掺合料的外观形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发 明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件 者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产 厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在当前的交通建设中，采用水泥稳定碎石作为半刚性基层是最为常见 的路面结构。但大量的工程实践表明，水泥稳定碎石基层存在很多缺点， 尤其是水泥和石灰石使用带来的问题。因此，选择一种合适的胶凝材料全 部或者部分替代水泥，是解决上述问题的有效措施。
我国每年工业固体废弃物排放量在30亿吨，其中，包括大量的矿渣、 粉煤灰、赤泥。这些材料的排放与堆放会造成的土地资源浪费和环境污染 问题。但是这些材料具备一定的活性，在碱激发剂的作用下，能够激发出 一定的强度，适合用于替代水泥稳定碎石中的水泥，一方面降低建设成本 的同时，另一方面通过降低水泥用量来减少基层裂缝的产生，提高道路的 服役寿命。
为实现本发明的上述目的，特采用以下的技术方案。
第一方面，本发明实施例提供了一种环保型高性能矿物掺合料，由以 下重量份的组分组成：矿渣200-400份、粉煤灰400-500份、赤泥100-200 份、碱性激发剂1-3份和减水剂1-3份。
本发明实施例提供一种环保型高性能矿物掺合料，其制备原料采用目 前工业上产生的大宗废弃物，如高炉炼铁过程中的副产品：矿渣、以煤为 原料的发电厂排出的工业废渣：粉煤灰和利用铝土矿制备氧化铝过程中所 产生固体废弃物：赤泥。以上述3种物料作为制备环保型高性能矿物掺合 料原材料。原因在于：矿渣本身具有较好的潜在的水硬活性，很容易被碱 激发，而其他铝硅酸盐材料的活性则大多数很难被碱激发和获得如碱矿渣水泥相似的良好性能。赤泥中的氧化钠和氧化钾常结合为碱化合物，因此 赤泥是可以代替部分矿渣的碱胶凝材料的原材料。粉煤灰天然呈酸性，其 活性成分在碱性条件下可以被激发。将上述3种材料在碱激发剂的作用下， 激发出一定的强度，适合用于替代水泥稳定碎石中的水泥，一方面降低建 设成本的同时，另一方面通过降低水泥用量来减少基层裂缝的产生，提高 道路的服役寿命。
在可选的实施方式中，环保型高性能矿物掺合料由以下重量份的组分 组成：矿渣250-350份、粉煤灰420-480份、赤泥120-180份、碱性激发剂 1-3份和减水剂1-3份。
在可选的实施方式中，赤泥应干燥，否则应进行50-60℃的烘干处理。
在可选的实施方式中，碱性激发剂包括氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、 硫酸钙的一种或几种。
在可选的实施方式中，减水剂为聚羧酸型高性能减水剂。
在可选的实施方式中，环保型高性能矿物掺合料的比表面积为350-500 m2/kg，细度为1.0-3.5％。
在可选的实施方式中，环保型高性能矿物掺合料的28d胶砂抗压强度 为40-50MPa。
第二方面，本发明实施例还提供了一种上述环保型高性能矿物掺合料 的制备方法，包括：按比例将矿渣、粉煤灰、赤泥、减水剂、减水剂顺序 混合后，研磨成细粉，得到环保型高性能矿物掺合料。
在可选的实施方式中，混合时间为25min-30min，研磨时间为 60-100min。其制备过程中，混合步骤是为了将原材料混合均匀，研磨使得 所得的环保型高性能矿物掺合料的性能如细度和比表面积、凝结时间等达 到使用的要求。
第三方面，本发明实施例提供了一种环保型高性能矿物掺合料在交通 道路建设中的应用。
在可选的实施方式中，将环保型高性能矿物掺合料应用于水泥稳定基 层的建设中。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明以下实施例中，原材料来源、组分、制备和实验方法与对比例 相同。
以下实施例和对比例所使用的减水剂，性能应满足表1的技术要求。
表1
实施例1
本实施例提供了一种环保型高性能矿物掺合料，制备方法如下：
①按矿渣200份、粉煤灰400份、赤泥100份、碱性激发剂1份、减 水剂1份的比例称取各类原材料。其中，碱性激发剂为氢氧化钙；
②将计量好的各种材料，按矿渣、粉煤灰、赤泥、碱性激发剂、减水 剂的顺序加入到干混机中，干混25min；
③将混合料进行球磨机处理，研磨时间为60min；
④性能测试。外观性能参见图1。材料比表面积、细度、凝结时间、安 全性、胶砂强度等，性能测试结果见表2和表3所示。
实施例2
本实施例提供了一种环保型高性能矿物掺合料，制备方法如下：
按矿渣400份、粉煤灰500份、赤泥200份、碱性激发剂3份、减水 剂3份的比例称取各类原材料。其中，碱性激发剂为氢氧化钠；
②将计量好的各种材料，按矿渣、粉煤灰、赤泥、硫酸钠、醋酸钙、 减水剂的顺序加入到干混机中，干混30min；
③将混合料进行球磨机处理，研磨时间为100min；
④性能测试。测试材料比表面积、细度、凝结时间、安全性、胶砂强 度等。性能测试结果见表2和表3所示。
实施例3
本实施例提供了一种环保型高性能矿物掺合料，制备方法如下：
①按矿渣300份、粉煤灰400份、赤泥100份、碱性激发剂2份、减 水剂2份的比例称取各类原材料。其中，碱性激发剂为硫酸钠；
②将计量好的各种材料，按矿渣、粉煤灰、赤泥、硫酸钠、醋酸钙、 减水剂的顺序加入到干混机中，干混25min；
③将混合料进行球磨机处理，研磨时间为60min；
④性能测试。测试材料比表面积、细度、凝结时间、安全性、胶砂强 度等。性能测试结果见表2和表3所示。
实施例4
本实施例提供了一种环保型高性能矿物掺合料，制备方法如下：
①按矿渣200份、粉煤灰400份、赤泥100份、碱性激发剂3份、减 水剂3份的比例称取各类原材料。其中，碱性激发剂为硫酸钙；
②将计量好的各种材料，按矿渣、粉煤灰、赤泥、硫酸钠、醋酸钙、 减水剂的顺序加入到干混机中，干混30min；
③将混合料进行球磨机处理，研磨时间为100min；
④性能测试。测试材料比表面积、细度、凝结时间、安全性、胶砂强 度等。性能测试结果见表2和表3所示。
以下表2为实施例1-4中的环保型高性能矿物掺合料的性能试验结果。 按照《水泥比表面积测定方法勃氏法》(GB/T 8074)、《水泥细度检验 方法筛析法》(GB/T 1345)、《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性 检验方法》(GB/T 1346-2011)和《水泥化学分析方法》(GB/T 176-2017) 规定的测试方法进行测试。
表2
以下表3为实施例1-4中的环保型高性能矿物掺合料的抗压强度和抗折 强度的试验结果(单位MPa)，根据GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方 法检测胶砂强度。
表3
从上述表2和表3的检测结果来看，本发明实施例提供的环保型高性 能矿物掺合料胶砂抗压强度与P.O 42.5水泥大体相当，但抗折强度更为优 异，符合国家标准要求。完全可以代替部分水泥，应用于交通道路的建设 中，一方面降低建设成本的同时，另一方面通过降低水泥用量来减少基层 裂缝的产生，提高道路的服役寿命。
对比例1
与实施例1的步骤相似，不同之处仅在于：矿渣200份、粉煤灰400 份、赤泥0份、碱性激发剂3份、减水剂3份的比例称取各类原材料。
对比例2
与实施例2的步骤相似，不同之处仅在于：矿渣0份、粉煤灰500份、 赤泥200份、碱性激发剂1份、减水剂1份。
对比例3
与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：矿渣300份、粉煤灰0份、 赤泥100份、碱性激发剂2份、减水剂2份。
对比例4
与实施例1的步骤相似，不同之处仅在于：研磨时间为30min。其结果 是：混合料比表面积为266m2/kg，不满足≥320m2/kg的要求。
以下表4为对比例1-3中的环保型高性能矿物掺合料的抗压强度和抗折 强度的试验结果(单位MPa)，根据GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方 法检测胶砂强度。
表4
根据上表4的试验结果看，若不掺加赤泥，只掺矿渣和粉煤灰时，掺 合料水化反应较慢，强度特别是早期衰减过大；若提高赤泥比例，掺合料 强度增加较为明显，但容易产生裂缝，不适合用于水稳基层，并且赤泥中 含碱量较高，容易产生碱集料反应。因此，宜将赤泥的比例控制在20％以 下。
综上，本发明实施例提供了一种环保型高性能矿物掺合料，环保型高 性能矿物掺合料由以下重量份的组分组成：矿渣200-400份、粉煤灰400-500 份、赤泥100-200份、碱性激发剂1-3份和减水剂1-3份。其中，碱性激发 剂包括氢氧化钙、氢氧化钠、硫酸钠、硫酸钙、碳酸钠材料的一种或几种， 减水剂为聚羧酸型高性能减水剂，赤泥应干燥，否则应进行50-60℃的烘干 处理。上述环保型高性能矿物掺合料的制备方法包括以下步骤：首先，按 照重量比例，将矿渣、粉煤灰、赤泥、碱性激发剂和减水剂称量备用；然 后，将计量好的各种材料，按矿渣、粉煤灰、赤泥、碱性激发剂和减水剂 的顺序加入到干混机中，干混25min-30min，最后，将混合料进行球磨机处 理，研磨时间为60-100min，即可得到环保型高性能矿物掺合料。从检测结 果看，本发明实施例提供的环保型高性能矿物掺合料胶砂抗压强度与P.O 42.5水泥大体相当，但抗折强度更为优异。完全可以代替或部分代替水泥， 应用于交通道路的建设中，一方面降低建设成本的同时，另一方面通过降 低水泥用量来减少基层裂缝的产生，提高道路的服役寿命。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。