CN108516781A - 一种磷石膏水泥级配碎石稳定层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层，包括骨料和磷石膏综合稳定材料，骨料包括粗集料和细集料，粗集料包括三种粒径的碎石，其中4.75～9.5mm粒径15～25份、9.5～19mm粒径15～25份、19～26.5mm粒径20～30份，细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑30～40份；磷石膏综合稳定材料添加量为骨料的15～20％；及级配碎石稳定层含水量为7.0～8.1％。有益效果：本发明提供了利用磷石膏的新路径，能有效地解决磷石膏堆积问题；级配碎石稳定层7天无侧限抗压强度平均8.1Mpa，将7天无侧限抗压强度提高到7‑9Mpa，远高于水泥稳定碎石稳定层的5Mpa；级配碎石稳定层采用S95级及以上的矿渣，能够有效地提高级配碎石稳定层的性能的同时降低成本，且不会因矿渣导致污染环境；级配碎石稳定层制作方法简单，不需要大批专业设备即可实现。

Description

一种磷石膏水泥级配碎石稳定层及其制备方法
技术领域
本发明涉及新型级配碎石稳定层领域，具体涉及一种磷石膏水泥级配碎石稳定层。
背景技术
级配碎石是由各种大小不同粒级集料组成的混合料，当其级配符合技术规范的规定时，称其为级配型集料。级配型集料包括级配碎石、级配碎砾石(碎石和砂砾的混合料，也常将砾石中的超尺寸颗粒砸碎后与砂砾一起组成碎砾石)和级配砾石(或称级配砂砾)。粗、细碎石集料和石屑各占一定比例的混合料，当其颗粒组成符合密实级配要求时，称为级配碎石。级配碎石一般是由预先筛分成几个(如四个)大小不同粒级的碎石组配而成，也可用未筛分碎石和石屑组配成。未筛分碎石只控制最大粒径(仅过一个规定筛孔的筛)后，由碎石机轧制的未经筛分的碎石料。石屑指碎石场孔径5mm筛下的筛余料，其实际颗粒组成常为0～10mm，并具有良好的级配。缺乏石屑时，也可以添加细砂砾或粗砂，但其强度和稳定性不如添加石屑的级配碎石。也可以用颗粒组成合适的含细集料较多的砂砾与未筛分碎石配合成级配碎砾石。
水泥稳定碎石材料主要由粒料和灰浆体积组成。粒料为级配碎石，灰浆体积包括水和胶凝材料，胶凝材料由水泥和混合材料组成。普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥均可，但应选用终凝时间较长的水泥。快硬水泥、早强水泥以及已受潮变质的水泥不应使用。宜采用标号较低的水泥。水泥品质必须满足国家标准规定。混合材料分活性和非活性两大类。活性材料是指粉煤灰等物质，可与水泥中析出的氧化钙作用。非活性材料是指不具有活性或活性甚低的人工或天然的矿物材料，对这类材料的品质要求是材料的细度和不含有害的成分。通常适合于饮用的水，均可拌制和养护水泥稳定碎石。如对水质有疑问，要确定水中是否有对水泥强度发展有重大影响的物质时，需要进行试验。从水源中取水制成的水泥砂浆的抗压强度与蒸馏水制成的水泥砂浆抗压强度比，低于90％者，此种水不宜用于水稳施工。
水泥稳定碎石作用原理：水泥稳定碎石是以级配碎石作骨料，采用一定数量的胶凝材料和足够的灰浆体积填充骨料的空隙，按嵌挤原理摊铺压实。其压实度接近于密实度，强度主要靠碎石间的嵌挤锁结原理，同时有足够的灰浆体积来填充骨料的空隙。它的初期强度高，并且强度随龄期而增加很快结成板体，因而具有较高的强度，抗渗度和抗冻性较好。水泥稳定碎石水泥用量一般为混合料3％～6％，7天的无侧限抗压强度可达5.0Mpa，较其他路基材料高。水泥稳定碎石成活后遇雨不泥泞，表面坚实，是高级路面的理想基层材料。根据交通部《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20～2015)规定，水泥稳定碎石均属中粒土，由于水稳中含有水泥等胶凝材料因而要求整个施工过程要在水泥终凝前完成，并且一次达到质量标准，否则不易修整。因而施工中要求加强施工组织设计和计划治理，增加现场施工人员的紧迫感和责任感，加快施工进度，加大机械化施工程度，提高机械效率。水稳的施工方法也符合现代化大规模机械化发展的方向。因而水稳在道路施工中的应用会得到很快推广。
磷石膏是湿法生产磷酸过程中分解磷矿石所产生的固体废渣，主要以二水石膏(CaSO4.2H2O)或半水石膏(CaSO4.1/2H2O)形态存在，通常呈白色或深灰色的潮湿细粉末状，其密度为2.05～2.45g/cm3，体积密度为0.85g/cm3，95％的颗粒小于0.2mm，自由含水量为20％～30％，黏性较强，PH值约为1.5～4.5。目前国内磷石膏堆放量达2.5亿吨，国内大小化肥企业和生产饲料级磷酸氢钙和工业磷酸盐的企业均有上百家，各省市都有生产企业，磷石膏遍布全国各地，产量大、占地广，处理起来有较大难度。因此，国内大部分企业将磷石膏堆放处理。据统计，我国磷石膏年利用量在400～500万吨，综合利用率仅27％左右(日本利用率达90％)。
关于磷石膏的综合利用，目前国内外处理和处置磷石膏的方法有：用于水泥工业，制硫酸联产水泥、水泥缓凝剂；生产石膏建材制品，如石膏粉，石膏板、石膏砌块、免烧砖、吸声板等；生产化工原料，用作土壤改良剂，回填处理等。
矿粉是一种将矿渣(高炉冶炼所产生的以硅酸钙、铝酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后即为粒化高炉矿渣)经细粉磨后而成的粉末状物质，主要成分为SiO2、Al2O3和CaO，具有很高活性，其比表面积为400～600㎡/kg，密度为2900kg/m3，PH值一般为11.5～12.5。工业生产中，矿渣发挥着着重要的作用，尤其是一些重大型工厂。利用矿渣制成提炼加工为矿渣水泥、矿渣微粉、矿粉、矿渣硅酸盐水泥、矿渣棉、高炉矿渣、粒化高炉矿粉、铜矿渣、矿渣立磨，节约了能耗，但是矿渣对于空气有一定的污染。目前按国家标准《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿粉》(GB/T18046～2000)规定共分为S105、S95、S75三个等级，通常将其作为掺合料掺入硅酸盐水泥混凝土生产中，以降低水泥混凝土成本及改善水泥混凝土性能。
目前的级配碎石稳定层种类主要有：
1)水泥级配碎石稳定层，参见中国专利CN 103590295A；
2)回收粉级配碎石稳定层，参见中国专利CN 105442402A；
3)粉煤灰级配碎石稳定层，参见涂帅，黔北电厂粉煤灰半刚性路面基层性能研究[D].重庆大学，2009；
4)矿粉级配碎石稳定层，参见中国专利CN 104074113A，等。
以上种类的级配碎石稳定层，是随着日益增长的技术、原料、工艺等要求不断出现的。随着我国交通基础设施建设规模的不断发展和壮大，工程的种类和施工任务越来越多。基础道路施工材料消耗越来越大，基于对资源的可持续开发和利用原则，对道路施工中涉及的新技术、新工艺、新材料等提出了更高的要求；同时，磷石膏和矿渣等的危害不容忽视。
因此，需要继续提出一种采用新型材料稳定的碎石稳定层，以达到道路施工对级配碎石稳定层更高的要求：保护土路基不受水与冰冻等不利自然条件的侵蚀，良好的隔温性、隔水性和排水性的能力，同时能有效地利用磷石膏和矿渣。
发明内容
本发明提供了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层，是一种以磷石膏为主要稳定材料级配碎石稳定层，解决了工业生产中磷石膏堆积和矿渣污染的问题，且能够更好的满足道路施工对级配碎石稳定层的要求。
为实现目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种磷石膏水泥级配碎石稳定层，包括骨料和磷石膏综合稳定材料，其中骨料包括粗集料和细集料，
粗集料包括三种粒径的碎石，其中4.75～9.5mm粒径的碎石15～25份、9.5～19mm粒径的碎石15～25份、19～26.5mm粒径的碎石20～30份，
细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑30～40份；
磷石膏综合稳定材料添加量为骨料的15～20％；其中级配碎石稳定层含水量为7.0～8.1％；级配碎石含水量是通过击实试验测定的。
进一步地，所述磷石膏综合稳定材料包括磷石膏15～20份、水泥10份、矿粉10份。
特别地，所述碎石、石屑、磷石膏、水泥、矿粉、水均为质量份数。
本发明还提供了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层的制备方法，技术方案包括以下步骤，
S1将磷石膏经过筛分、过滤后和矿渣按比例混合均匀，在陈化池中进行陈化处理48～72h，待用；
S2将水泥按比例加入到步骤S1所得物中，搅拌均匀，待用；
S3将粗集料和细集料按比例混合均匀，待用；
S4将步骤S2所得物按15～20％添加量添加到步骤S3所得物中，并添加适量的水(添加范围10～15％)，混合均匀，待用；
S5将步骤S4所得物铺设在路基上，经过机械碾压即得级配碎石稳定层。
进一步地，S1中陈化池中的温度设定为10～15℃。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)本发明提供了利用磷石膏的新路径，能有效地解决磷石膏堆积问题，同时本发明采用的磷石膏中二水硫酸钙(CaSO4.2H2O)的含量在92％-99％，其它物质为不溶性杂质、可溶性杂质、部分微量元素及残留磷(残留磷含量约为0.33％-3.23％，其中水溶性和不容性磷约占一半，这是影响磷石膏性能和综合再利用的有害物质)，除残留磷外，其它杂质均为不容性固体，由于含量极低，其危害性可忽略不计；
2)本发明提供的级配碎石稳定层7天无侧限抗压强度平均8.1Mpa(最高达到9.5Mpa)，将7天无侧限抗压强度提高到7-9Mpa的标准，远高于水泥稳定碎石稳定层的5Mpa，同时本发明提供的级配碎石稳定层的造价与普通水泥稳定级配碎石稳定层的造价相当，具有较好的推广价值；
3)本发明提供的级配碎石稳定层采用S95级及以上的矿渣，能够有效地提高级配碎石稳定层的性能的同时降低成本，且不会因矿渣导致污染环境；
4)本发明提供的级配碎石稳定层制作方法简单，不需要大批专业设备即可实现，同时，本发明提供的级配碎石明显降低了水泥的使用量，使得级配碎石稳定层的凝结时间适当延长，在铺设的同时方便对其进行修整，有利于提供工程整体质量。
具体实施方式
实施例1
本实施例提出了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层，包括骨料和磷石膏综合稳定材料，其中骨料包括粗集料和细集料，
粗集料包括三种粒径的碎石，其中4.75～9.5mm粒径的碎石15份、9.5～19mm粒径的碎石25份、19～26.5mm粒径的碎石30份，
细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑30份；
磷石膏综合稳定材料添加量为骨料的15％；其中级配碎石稳定层含水量为7.0％。
优选地，所述磷石膏综合稳定材料包括磷石膏15份、水泥10份、矿粉10份。
本实施例还提供了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层的制备方法，包括以下步骤，
S1将磷石膏和矿渣按比例15：10混合均匀，在陈化池中进行陈化处理48h，待用；
S2将水泥按磷石膏：水泥＝15：10的比例加入到步骤S1所得物中，搅拌均匀，待用；
S3将粗集料和细集料按粗集料：4.75～9.5mm粒径的碎石15份、9.5～19mm粒径的碎石25份、19～26.5mm粒径的碎石30份，细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑30份，混合均匀，待用；
S4将步骤S2所得物按15％添加量添加到步骤S3所得物中，并添加10％的水，混合均匀，待用；
S5将步骤S4所得物铺设在路基上，经过机械碾压即得级配碎石稳定层。
优选地，步骤S1中陈化池中的温度设定为10℃。
本实施例中所得的级配碎石稳定层，进行7d无侧限抗压强度检验结果见下表：
表1：实施例1中7d无侧限抗压强度检验结果
实施例2
本实施例提出了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层，包括骨料和磷石膏综合稳定材料，其中骨料包括粗集料和细集料，
粗集料包括三种粒径的碎石，其中4.75～9.5mm粒径的碎石20份、9.5～19mm粒径的碎石20份、19～26.5mm粒径的碎石25份，
细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑35份；
磷石膏综合稳定材料添加量为骨料的18％；其中级配碎石稳定层含水量为7.5％。
优选地，所述磷石膏综合稳定材料包括磷石膏18份、水泥10份、矿粉10份。
本实施例还提供了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层的制备方法，包括以下步骤，
S1将磷石膏和矿渣按比例18：10混合均匀，在陈化池中进行陈化处理60h，待用；
S2将水泥按磷石膏：水泥＝18：10的比例加入到步骤S1所得物中，搅拌均匀，待用；
S3将粗集料和细集料按粗集料：4.75～9.5mm粒径的碎石20份、9.5～19mm粒径的碎石20份、19～26.5mm粒径的碎石25份，细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑35份，混合均匀，待用；
S4将步骤S2所得物按15％添加量添加到步骤S3所得物中，并添加12％的水，混合均匀，待用；
S5将步骤S4所得物铺设在路基上，经过机械碾压即得级配碎石稳定层。
优选地，步骤S1中陈化池中的温度设定为12℃。
本实施例中所得的级配碎石稳定层，进行7d无侧限抗压强度检验结果见下表：
表2：实施例2中7d无侧限抗压强度检验结果
实施例3
本实施例提出了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层，包括骨料和磷石膏综合稳定材料，其中骨料包括粗集料和细集料，
粗集料包括三种粒径的碎石，其中4.75～9.5mm粒径的碎石25份、9.5～19mm粒径的碎石15份、19～26.5mm粒径的碎石30份，
细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑40份；
磷石膏综合稳定材料添加量为骨料的20％；其中级配碎石稳定层含水量为8.1％。
优选地，所述磷石膏综合稳定材料包括磷石膏20份、水泥10份、矿粉10份。
本实施例还提供了一种磷石膏水泥级配碎石稳定层的制备方法，包括以下步骤，
S1将磷石膏和矿渣按比例20：10混合均匀，在陈化池中进行陈化处理70h，待用；
S2将水泥按磷石膏：水泥＝20：10的比例加入到步骤S1所得物中，搅拌均匀，待用；
S3将粗集料和细集料按粗集料：4.75～9.5mm粒径的碎石25份、9.5～19mm粒径的碎石15份、19～26.5mm粒径的碎石30份，细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑40份，混合均匀，待用；
S4将步骤S2所得物按15％添加量添加到步骤S3所得物中，并添加15％的水，混合均匀，待用；
S5将步骤S4所得物铺设在路基上，经过机械碾压即得级配碎石稳定层。
优选地，步骤S1中陈化池中的温度设定为15℃。
本实施例中所得的级配碎石稳定层，进行7d无侧限抗压强度检验结果见下表：
表3:实施例3中7d无侧限抗压强度检验结果
实施例1、实施例2和实施例3中的级配碎石稳定层，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中丙法分别进行击实试验，结果如下：
表4：实施例1击实试验结果
表5：实施例2击实试验结果
表6：实施例3击实试验结果
表4显示实施例1中级配碎石的最大干密度为2.213，最佳含水量为7.0；
表5显示实施例2中级配碎石的最大干密度为2.223，最佳含水量为7.5；
表6显示实施例3中级配碎石的最大干密度为2.230，最佳含水量为8.1；
从以上内容可以看出，各实施例中S4步骤加水量与最后级配碎石最佳含水量成正比，且结合表1～表3看出，各实施例中S4步骤加水量与7d无侧限抗压强度呈反比，加水量10％时级配碎石具有最高强度8.35Mpa。
实施例1、实施例2和实施例3中，所述磷石膏初含水量为10％左右，不需在磷石膏中加入水就能将矿粉拌入其中(仅需根据具体情况调节搅拌程度)；磷石膏(主要成分为CaSO4.2H2O)本身不具备胶凝性，矿粉是潜在的水硬活性的胶凝材料，进行陈化处理是为了促进磷石膏和矿渣之间的胶砂凝结，提高磷石膏的水硬活性(水硬活性胶凝材料是指在建筑工程中能将散粒材料(如砂、石)或块状材料(如砖、瓷砖等)胶结成一个整体的材料。它不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持并继续发展其强度，如各种水泥)；且随陈化时间的增加，级配碎石稳定层的7d无侧限抗压强度呈下降趋势。
实施例1、实施例2和实施例3中，磷石膏综合稳定材料采用分步制备，即首先将磷石膏和矿粉混合，经过陈化处理后再与水泥混合；其中，矿粉中的硅酸三钙和硅酸二钙与水反应生成的水化硅酸钙不溶于水，以胶体微粒析出，并逐渐凝聚成凝胶体即C-S-H凝胶；生成的氢氧化钙在溶液中的浓度很快达到饱和后呈六方晶体析出；铝酸三钙和铁铝酸四钙水化反应生成水化铝酸钙立方晶体，并在氢氧化钙饱和溶液中进一步与反应生成六方晶体的水化铝酸四钙；磷石膏可与矿粉中大量的铝相、铝铁相发生反应(主要与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙)，形成稳定的水化产物单硫型水化硫铝酸钙晶体，难溶于水，不断沉淀在水泥颗粒表面形成保护膜，将该磷石膏综合稳定材料应用于级配碎石稳定层，不仅可以避免级配碎石稳定层由于水泥凝结而导致出现急凝，因此能够适当延长凝结时间，有利于在铺设的同时方便对其进行修整，有利于提供工程整体质量；而且还能改善和提高水泥的性能，使得级配碎石的强度得到较大的提升；且还能够提高级配碎石稳定层保护土路基不受水与冰冻等不利自然条件侵蚀的能力，使其具有良好的隔温性、隔水性和排水性的能力，更能使得级配碎石稳定层具有有效隔断路基与路面之间的地下及地面水等优点，进而有效延长路面使用寿命，具有很强的工程应用价值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种磷石膏水泥级配碎石稳定层，其特征在于，包括骨料和磷石膏综合稳定材料，其中骨料包括粗集料和细集料，
粗集料包括三种粒径的碎石，其中4.75～9.5mm粒径的碎石15～25份、9.5～19mm粒径的碎石15～25份、19～26.5mm粒径的碎石20～30份，
细集料，包括粒径为0～4.75mm的石屑30～40份；
磷石膏综合稳定材料添加量为骨料的15～20％；其中级配碎石稳定层含水量为7.0～8.1％。
2.如权利要求1所述的一种磷石膏水泥级配碎石稳定层，其特征在于，所述磷石膏综合稳定材料包括磷石膏15～20份、水泥10份、矿粉10份。
3.一种权利要求2所述的磷石膏水泥级配碎石稳定层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将磷石膏经过筛分、过滤后和矿粉按比例混合均匀，在陈化池中进行陈化处理48～72h，待用；
S2将水泥按比例加入到步骤S1所得物中，搅拌均匀，待用；
S3将粗集料和细集料按比例混合均匀，待用；
S4将步骤S2所得物按15～20％添加量添加到步骤S3所得物中，并添加适量的水，混合均匀，待用；
S5将步骤S4所得物铺设在路基上，经过机械碾压级配碎石稳定层。
4.如权利要求3所述的磷石膏水泥级配碎石稳定层的制备方法，其特征在于，将S1中陈化池中的温度设定为10～25℃。
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