CN112125630A - 一种大掺量磷石膏基稳定材料及在道路基层中应用 - Google Patents

一种大掺量磷石膏基稳定材料及在道路基层中应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大掺量磷石膏基稳定材料，该混合材料包括如下干重量百分数的原料组成：磷石膏，矿渣，水泥，改性剂。所述的改性剂由氯化钙、石油焦脱硫灰、膨润土、滑石粉和干酪素组成。大掺量磷石膏基稳定材料制备工艺简单可行、节能环保、易于推广；大掺量磷石膏基稳定材料性能较好、毒性低；磷石膏利用率高。

Description

一种大掺量磷石膏基稳定材料及在道路基层中应用
技术领域
本发明专利涉及一种大掺量磷石膏基稳定材料制备方法及在道路基层中应用，属于道路材料及制备领域。
背景技术
磷石膏是硫酸分解磷矿石萃取磷酸过程中排出的大宗工业固体废物，，制取1吨磷酸约产生5吨磷石膏，磷石膏主要成分包括硫酸钙、磷化合物、可溶氟和有机物等，全世界每年约产生2.8亿吨磷石膏，我国2018年磷石膏产生量为7 800万t，但综合利用率为39.7%，缺乏环保高效大量利用磷石膏的技术，目前主要采取堆存的方式处理，不仅占用大量土地，长期堆存会导致可溶性磷、氟等有害物质浸入土壤、水体、植被，严重影响生态环境，同时困扰磷化工企业经济快速发展和环境保护的瓶颈。
市政道路和公路按其结构形式，在路面和路基之间有50~120cm的道路基层结构，可消消耗大量建筑材料，相关学者也开展磷石膏用于道路基层的研究和应用，但对集中采用碎石、石屑、矿粉、水泥和磷石膏混合，或需要对磷石膏进行湿法粉磨预处理，或添加有机胶粉物理包裹粘结磷石膏。采用原状磷石膏和水泥、矿粉等亚纳米粉体的细粒体系的道路基层研究和应用几乎没有。在当前国家对采石、山林等实行严格的资源和环境控制政策下，集料资源原来越紧张，价格也越来越高，给工程建设带来很大压力。最大限度利用磷石膏，少用碎石、石屑等集料资源，并能满足道路基层技术要求，可以很大程度缓解这种压力。
发明内容
本发明的目的在于充分利用磷石膏颗粒级配和潜在活性特点，采用矿渣、水泥、改性剂等对进行活化改性，通过改性剂中核心成分钝化磷石膏中毒性物质活性、降低毒性物质浸出速率和促进胶凝体系结构形成，主要原料为固体废弃物，成本低，性能好，不仅消耗磷石膏用量大，而且也能拓展道路基层材料新品种，缓解砂石料缺乏但磷石膏丰富地区的道路基层原料紧张状况。
本发明是这样实现上述目的的：
一种大掺量磷石膏基稳定材料，该混合材料包括如下干重量百分数的原料组成：原状磷石膏为64%~74%，矿渣为13%~20%，水泥7%~13%，改性剂4%-6%，，水占干固体总量10~15%。
所述的磷石膏为的尾矿库堆积的原状磷石膏，游离磷含量≤6.0mg/L，游离氟离子≤350mg/L，筛分通过率为50%的粒径＜50um。
所述的矿渣比表面积≥700 m2/kg，筛分通过率为50%的粒径＜15 um。所述的水泥比表面积≥330m2/kg，筛分通过率为50%的粒径＜35um。所述的改性剂由质量分数为25-35%氯化钙、18-25%石油焦脱硫灰、15-25%膨润土、18-27%滑石粉和5-15%干酪素通过超声乳化混合后在50-60℃温度烘干研磨而成。
作为优选方案所述的改性剂由质量分数为30%氯化钙、22%石油焦脱硫灰、18%膨润土、21%滑石粉和9%干酪素通过超声乳化混合后在60℃温度烘干研磨而成。
磷石膏、水泥和矿渣的筛分通过率为50%的粒径不同，主要颗粒粒径呈现梯度分布，在光轮或振动压力机的作用下，部分稍大颗粒会破碎，形成不同粒度大小搭配的连续级配，颗粒间互相填充并逐步密实，颗粒之间接触几率越来越高，接触比表面积扩大，改性剂等中干酪素等更是加快了颗粒间接近速率，在存在适量水分情况下，成分中的胶凝活性物质反应加快；由于原状磷石膏含有少量的酸、磷等有害物质，在反复揉捻和静压中被改性剂中氯化钙、膨润土、滑石粉等等吸附固定；光轮或振动压力机产生的研磨力作用下，颗粒之间摩擦作用加剧，可以将活性物质表面包裹层擦伤进而露出胶凝活性物质，颗粒表面越来越粗糙，此外摩擦作用产生的温升也促进了活性反应进行。这几种作用的叠加和胶凝活性物质的反应胶凝，提高了混合料密实度、强度和降低了有害物质浸出，从而可形成性能良好的道路基层稳定材料。
本发明的一种大掺量磷石膏基稳定材料摊铺至35~45cm，经10~12t双钢轮压路机静压实1~2遍，然后26t单钢轮振动压路机先静压压实1~2遍后再弱振1~2遍，接着采用20~22t单钢轮振动压路机弱振1~2遍，最后26t压路机复压2~4遍，后采用薄膜和土工布覆盖封闭自养护不少于21天，即可形成大掺量磷石膏基稳定材料道路基层。
本发明的优点：（1）大掺量磷石膏基稳定材料制备工艺简单可行、节能环保、易于推广；（2）大掺量磷石膏基稳定材料性能较好、毒性低；（3）磷石膏利用率高。
具体实施方式
实施例1
采用的原状磷石膏中游离磷含量5.2mg/L，游离氟离子329mg/L，筛分通过率为50%的粒径为47.1um，矿渣和水泥筛分通过率为50%的粒径分布为14.6 um和33.5um。干基配比：原状磷石膏为64kg，矿渣为20kg，水泥10kg，改性剂6kg，混合料含水率15.0kg。改性剂由氯化钙1.8kg、石油焦脱硫灰1.32kg、膨润土1.08kg、滑石粉1.26kg和干酪素0.54kg通过超声乳化混合后在60℃温度烘干研磨而成。按照“将计量好的原状磷石膏、矿渣粉、水泥加入连续式稳定土搅拌机均混45s，再加入改性剂混合搅拌20s，随后加入水，混合搅拌25s后，即成大掺量磷石膏基稳定材料”这个程序，即制备出大掺量磷石膏基稳定材料。
大掺量磷石膏基稳定材料通过封闭渣土车在40min~120min的运输至指定的施工场地后，摊铺至35~45cm，经10~12t双钢轮压路机静压实1~2遍，然后26t单钢轮振动压路机先静压压实1~2遍后再弱振1~2遍，接着采用20~22 t单钢轮振动压路机弱振1~2遍，最后26t压路机复压2~4遍，后采用薄膜和土工布覆盖封闭自养护不少于21天。
21天后按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》（HJ 557-2010）制取浸出液。浸出液中总磷的含量按《固体废物总磷的测定偏钼酸铵分光光度法》（HJ 712-2014）进行检测，氟离子的含量按《固体废物氟化物的测定离子选择性电极法》（GB/T 15555.11-1995）进行检测，其浸出液氟离子浓度1.23mg/L，总磷为0.17mg/L，满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类水体标准要求。最低无侧限抗压强度4.12MPa，21天后钻取φ150mm*150mm，取芯最低强度3.87MPa，最低压实度为99.1%，满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017) 一级公路重交通道路基层要求，即可形成大掺量磷石膏基稳定材料道路基层。
实施例2
采用的原状磷石膏中游离磷含量5.2mg/L，游离氟离子329mg/L，筛分通过率为50%的粒径为47.1um，矿渣和水泥筛分通过率为50%的粒径分布为14.6 um和33.5um。干基配比：原状磷石膏为70kg，矿渣为20kg，水泥10kg，混合料含水率15.0kg。按照“将计量好的原状磷石膏、矿渣粉、水泥加入连续式稳定土搅拌机均混45s，随后加入水，混合搅拌25s后，即成磷石膏基稳定材料”这个程序，即为磷石膏基稳定材料。
磷石膏基稳定材料通过封闭渣土车在40min~120min的运输至指定的施工场地后，摊铺至35~45cm，经10~12t双钢轮压路机静压实1~2遍，然后26t单钢轮振动压路机先静压压实1~2遍后再弱振1~2遍，接着采用20~22 t单钢轮振动压路机弱振1~2遍，最后26t压路机复压2~4遍，后采用薄膜和土工布覆盖封闭自养护不少于21天。
21天后按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》（HJ 557-2010）制取浸出液。浸出液中总磷的含量按《固体废物总磷的测定偏钼酸铵分光光度法》（HJ 712-2014）进行检测，氟离子的含量按《固体废物氟化物的测定离子选择性电极法》（GB/T 15555.11-1995）进行检测，其浸出液氟离子浓度2.34mg/L，总磷为0.77mg/L，均不满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类水体标准要求。最低无侧限抗压强度3.23MPa，21天后钻取φ150mm*150mm，取芯最低强度3.11MPa，最低压实度为90.5%，强度不满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017) 一级公路重交通道路基层要求。
实施例3
采用的原状磷石膏中游离磷含量4.7mg/L，游离氟离子291mg/L，筛分通过率为50%的粒径为44.5um，矿渣和水泥筛分通过率为50%的粒径分布为13.9um和31.4um。干基配比：原状磷石膏为69kg，矿渣为13kg，水泥13kg，改性剂5kg，混合料含水率15.0kg。改性剂由氯化钙1.5kg、石油焦脱硫灰1.1kg、膨润土0.9kg、滑石粉1.05kg和干酪素0.45kg通过超声乳化混合后在60℃温度烘干研磨而成。按照“将计量好的原状磷石膏、矿渣粉、水泥加入连续式稳定土搅拌机均混40s，再加入改性剂混合搅拌22s，随后加入水，混合搅拌20s后，即成大掺量磷石膏基稳定材料”这个程序，即制备出大掺量磷石膏基稳定材料。
大掺量磷石膏基稳定材料通过封闭渣土车在40min~120min的运输至指定的施工场地后，摊铺至35~45cm，经10~12t双钢轮压路机静压实1~2遍，然后26t单钢轮振动压路机先静压压实1~2遍后再弱振1~2遍，接着采用20~22 t单钢轮振动压路机弱振1~2遍，最后26t压路机复压2~4遍，后采用薄膜和土工布覆盖封闭自养护不少于21天。
21天后按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》（HJ 557-2010）制取浸出液。浸出液中总磷的含量按《固体废物总磷的测定偏钼酸铵分光光度法》（HJ 712-2014）进行检测，氟离子的含量按《固体废物氟化物的测定离子选择性电极法》（GB/T 15555.11-1995）进行检测，其浸出液氟离子浓度1.36mg/L，总磷为0.29mg/L，满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类水体标准要求。最低无侧限抗压强度3.97MPa，21天后钻取φ150mm*150mm，取芯最低强度3.76MPa，最低压实度为98.8%，满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017) 一级公路重交通道路基层要求，即可形成大掺量磷石膏基稳定材料道路基层。
实施例4
采用的原状磷石膏中游离磷含量4.7mg/L，游离氟离子291mg/L，筛分通过率为50%的粒径为44.5um，矿渣和水泥筛分通过率为50%的粒径分布为13.9um和31.4um。干基配比：原状磷石膏为69kg，矿渣为13kg，水泥12kg，改性剂7kg，混合料含水率15.0kg。改性剂由氯化钙1.5kg、石油焦脱硫灰1.1kg、滑石粉1.05kg通过超声乳化混合后在60℃温度烘干研磨而成。按照“将计量好的原状磷石膏、矿渣粉、水泥加入连续式稳定土搅拌机均混40s，再加入改性剂混合搅拌22s，随后加入水，混合搅拌20s后，即成大掺量磷石膏基稳定材料”这个程序，即为磷石膏基稳定材料。
磷石膏基稳定材料通过封闭渣土车在40min~120min的运输至指定的施工场地后，摊铺至35~45cm，经10~12t双钢轮压路机静压实1~2遍，然后26t单钢轮振动压路机先静压压实1~2遍后再弱振1~2遍，接着采用20~22 t单钢轮振动压路机弱振1~2遍，最后26t压路机复压2~4遍，后采用薄膜和土工布覆盖封闭自养护不少于21天。
21天后按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》（HJ 557-2010）制取浸出液。浸出液中总磷的含量按《固体废物总磷的测定偏钼酸铵分光光度法》（HJ 712-2014）进行检测，氟离子的含量按《固体废物氟化物的测定离子选择性电极法》（GB/T 15555.11-1995）进行检测，其浸出液氟离子浓度1.12mg/L，总磷为0.15mg/L，满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类水体标准要求。最低无侧限抗压强度3.73MPa，21天后钻取φ150mm*150mm，取芯最低强度3.27MPa，最低压实度为89.2%，压实度不满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017) 一级公路重交通道路基层要求。
实施例5
采用的原状磷石膏中游离磷含量4.4mg/L，游离氟离子287mg/L，筛分通过率为50%的粒径为41.6um，矿渣和水泥筛分通过率为50%的粒径分布为12.7um和28.4um。干基配比：原状磷石膏为74kg，矿渣为15kg，水泥7kg，改性剂4kg，混合料含水率15.0kg。改性剂由氯化钙1.2kg、石油焦脱硫灰0.88kg、膨润土0.72kg、滑石粉0.84kg和干酪素0.39kg通过超声乳化混合后在60℃温度烘干研磨而成。按照“将计量好的原状磷石膏、矿渣粉、水泥加入连续式稳定土搅拌机均混35s，再加入改性剂混合搅拌25s，随后加入水，混合搅拌15s后，即成大掺量磷石膏基稳定材料”这个程序，即制备出大掺量磷石膏基稳定材料。
大掺量磷石膏基稳定材料通过封闭渣土车在40min~120min的运输至指定的施工场地后，摊铺至35~45cm，经10~12t双钢轮压路机静压实1~2遍，然后26t单钢轮振动压路机先静压压实1~2遍后再弱振1~2遍，接着采用20~22 t单钢轮振动压路机弱振1~2遍，最后26t压路机复压2~4遍，后采用薄膜和土工布覆盖封闭自养护不少于21天。
21天后按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》（HJ 557-2010）制取浸出液。浸出液中总磷的含量按《固体废物总磷的测定偏钼酸铵分光光度法》（HJ 712-2014）进行检测，氟离子的含量按《固体废物氟化物的测定离子选择性电极法》（GB/T 15555.11-1995）进行检测，其浸出液氟离子浓度1.47mg/L，总磷为0.31mg/L，满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类水体标准要求。最低无侧限抗压强度3.88MPa，21天后钻取φ150mm*150mm芯样，取芯最低强度3.64MPa，最低压实度为98.4%，满足《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017) 一级公路重交通道路基层要求，即可形成大掺量磷石膏基稳定材料道路基层。

Claims (8)

1.一种大掺量磷石膏基稳定材料，其特征在于，该混合材料包括如下干重量百分数的原料组成：磷石膏64%~74%，矿渣13%~20%，水泥7%~13%，改性剂4%-6%。
2.根据权利要求1所述的大掺量磷石膏基稳定材料，其特征在于：所述的磷石膏游离磷含量≤6.0mg/L，游离氟离子≤350mg/L，筛分通过率为50%的粒径＜50um。
3.根据权利要求1所述的大掺量磷石膏基稳定材料，其特征在于：所述的矿渣比表面积≥700 m2/kg，筛分通过率为50%的粒径＜15 um。
4.根据权利要求1所述的大掺量磷石膏基稳定材料，其特征在于：所述的水泥比表面积≥330m2/kg，筛分通过率为50%的粒径＜35um。
5.根据权利要求1所述的大掺量磷石膏基稳定材料，其特征在于：所述的改性剂由质量分数为25-35%氯化钙、18-25%石油焦脱硫灰、15-25%膨润土、18-27%滑石粉和5-15%干酪素通过超声乳化混合后烘干研磨而成。
6.根据权利要求5所述的大掺量磷石膏基稳定材料，其特征在于：所述的改性剂由质量分数为30%氯化钙、22%石油焦脱硫灰、18%膨润土、21%滑石粉和9%干酪素通过超声乳化混合后烘干研磨而成。
7.权利要求1-6任一项所述的大掺量磷石膏基稳定材料的制备方法，其特征在于：将计量好的磷石膏、矿渣粉、水泥加入连续式稳定土搅拌机均混35~45s，再加入改性剂混合搅拌20~25s，随后加入水，水占干原料总量10~15%，混合搅拌15~25s后，即成大掺量磷石膏基稳定材料。
8.采用权利要求1-6任一项所述的大掺量磷石膏基稳定材料作为道路基层材料的用途，其特征在于：大掺量磷石膏基稳定材料摊铺至35~45cm，经10~12t双钢轮压路机静压实1~2遍，然后26t单钢轮振动压路机先静压压实1~2遍后再弱振1~2遍，接着采用20~22 t单钢轮振动压路机弱振1~2遍，最后26t压路机复压2~4遍，后采用薄膜和土工布覆盖封闭自养护不少于21天，即可形成大掺量磷石膏基稳定材料道路基层。
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