一种含电解锰渣道路抗开裂水稳层材料及其制备方法
阅读：1发布：2020-06-16
专利汇可以提供一种含电解锰渣道路抗开裂水稳层材料及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种含 电解 锰渣抗开裂道路 水 稳层材料以及包含所述材料的水温层。所述水稳层材料包括以下重量份的原料：电解锰渣100份、赤泥40-60份，复合 相变 材料 5-10份，其中所述相变 复合材料 由 相变材料 和膨胀 石墨 复合后，经过有机 树脂 包覆而成。本发明水稳层材料成分中添加了复合相变材料，发挥类似“ 润滑剂 ”的作用，还能防止温缩应 力 导致的开裂，控制水稳层 温度 变化，防止 面层 变形 ，还预料不到地发现其对水稳层的无侧限抗压强度有提高作用；利用电解锰渣中的 硫酸 钙 激活赤泥中的活性成分形成凝胶体系，对电解锰渣进行无害化处理，不仅可以消耗大量的工业固废，还能拓展道路工程原材料选择范围和来源。，下面是一种含电解锰渣道路抗开裂水稳层材料及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种含电解锰渣抗开裂道路水稳层材料，其特征在于，所述水稳层材料包括以下重量份的原料：电解锰渣100份、赤泥40-60份，复合相变材料5-10份。
2.如权利要求1所述水稳层材料，其特征在于，所述相变复合材料由相变材料和膨胀石墨复合后，经过有机树脂包覆而成，所述复合相变材料中，相变材料和膨胀石墨重量比为
15-20:1。
3.如权利要求1所述水稳层材料，其特征在于，所述相变材料选自石蜡、硬脂酸正丁酯、丁基硬脂酸盐、硬脂酸异丙醇酯及脂肪酸中的至少一种；和/或所述有机树脂选自密胺树脂、苯乙烯-二乙烯基苯及环氧树脂中的至少一种。
4.如权利要求1所述水稳层材料，其特征在于，所述有机树脂包覆是通过原位聚合法。
5.如权利要求4所述水稳层材料，其特征在于，所述原位聚合法是把有机树脂原料-反应性单体或其预聚体，可选地，还可以加入催化剂，在吸附有相变材料的膨胀石墨复合材料表面进行聚合，有机树脂沉积在复合材料表面得到有机树脂包覆的相变复合材料。
6.权利要求1-5任一项所述水稳层材料的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将100份电解锰渣，20-30份赤泥和5-10份复合相变材料加入密封搅拌机中，加入水搅拌，抽滤回收氨气，得预处理电解锰渣；
第二步，向第一步所得预处理电解锰渣中加入20-30份赤泥，搅拌进一步固结重金属，再次抽滤回收氨气，将处理后电解锰渣烘干、粉化得到水稳层材料。
7.一种抗开裂道路水稳层，其包括如下重量份的原料：30-60份权利要求1-5任一项所述抗开裂道路水稳层材料，40-60份级配骨料、水泥0-10份及水10-20份。
8.如权利要求7所述水稳层，其特征在于，所述级配骨料包括以下重量份数的原料：15-
35wt％粒径为0-4.75mm的骨料、15-35wt％粒径为4.75-10mm的骨料及15-35wt％粒径为10-
20mm的骨料，和/或所述水泥为325或425硅酸盐水泥。
9.权利要求7或8所述抗开裂道路水稳层的制备方法，包括如下步骤：将30-60份含电解锰渣道路水稳层材料、40-60份级配骨料、0-10份水泥及10-20份水，加入搅拌机内，搅拌至均匀，最终含水率10-20％后经压实成型、脱模、覆膜养护。
10.如权利要求9所述水稳层的制备方法，其特征在于，所述覆膜养护的温度为25±1℃，湿度为95±1％。
一种含电解锰渣道路抗开裂水稳层材料及其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 石灰为水泥的主要原料之一，其以来源广泛、成本低而出名，但随着经济的快速发展，中国经济进入高成本增长期，原来便宜低廉的石灰原料单价成翻倍增长趋势，直接导致水泥成本的增加迫使人们不得不寻找其他水泥替代资源。
[0003] 赤泥是铝土矿经浸出氧化铝后产生的残渣，含有SiO2、Al2O3等凝胶活性成分，是非常有潜力的石灰替代资源，国内外不少研究人员已经开展利用赤泥资源制备水泥的研究和应用，比如专利CN201810051563.1公开了电解锰渣-赤泥水泥及其制备方法，该方法步骤是备料；锰渣和矿渣粉混合，400-500℃进行第一煅烧；将第一煅烧物和赤泥添加于水中，再添加碱性改性剂搅拌制备浆体；将上述浆体沉降，除去上层的水，将下层的沉降物烘干；将所述烘干物和水泥生料混合后，进行第二煅烧；第二煅烧物、减水剂和水泥熟料混合后，进行第三煅烧。专利CN201210336112.5公开了利用电解锰渣和赤泥生产水泥的方法，包括首先将电解锰渣和赤泥按干物料400～850℃煅烧；其次将上述煅烧的锰渣和赤泥渣、粒化高炉矿渣、锰渣活性激发剂进行粉磨；再将水泥熟料、石膏粉磨得普通硅酸盐水泥，最后将锰渣和赤泥渣复合矿粉与普通硅酸盐水泥机械混合，制得325、425复合硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
[0004] 上述专利均为利用电解锰渣-赤泥制备水泥，不足之处在于使用上述水泥制备的水稳层受温度变化易产生收缩应力，收缩应力无法释放导致变形，公开的制作工艺复杂且不环保，产生的氨气得不到有效回收利用还污染环境，此外其工序中涉及到高温煅烧，会进一步提高生产成本。
[0005] 道路水稳层由水泥和级配碎石构成，是位于沥青面层下用高质量材料铺筑的基层，承受着本身的岩土自重和路面重力，以及由路面传递而来的行车荷载，是整个公路构造的重要组成部分，水稳层一旦开裂，不仅直接影响道路外观，还会降低制品的力学性能，所以提高水泥的抗开裂性能急需加以研究解决。
发明内容
[0008] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0009] 一种抗开裂道路水稳层材料，所述水稳层材料包括以下重量份的原料电解锰渣100份、赤泥40-60份，复合相变材料5-10份，所述相变复合材料是由相变材料和膨胀石墨复合后，经过有机树脂包覆而成。
[0010] 电解锰渣是电解金属锰生产过程中锰矿浸出后产生的一种高含水率工业固体废弃物，平均每生产1t金属锰会产生8-10t电解锰渣。电解锰渣物理化学性质复杂且锰离子及氨氮含量较高。将电解锰渣堆积会导致可溶性的锰和氨氮转移至土壤、地下水与河流，造成严重的环境污染。
[0011] 赤泥是铝土矿经过强碱浸出氧化铝后剩余的粉状固体残渣，含有SiO2、Al2O3等凝胶活性成分，具有非常好的资源潜力，但又因含有大量的强碱性化学物质，导致其性质极其复杂，而不能得到很好的利用。利用赤泥替代部分水泥凝胶材料是一种实现减量化、资源化及无害化的有效途径，具有重大的经济和环境意义。电解锰渣是一种富含硫酸钙的工业废渣，可以作为赤泥的硫酸盐活性激发剂来生产凝胶材料。本发明采用电解锰渣和赤泥作为主要原料制备道路水稳层中可以代替水泥的材料使用，一方面能够解决电解锰渣和赤泥堆放会污染周围环境，浪费土地空间资源，另一方面能够降低水泥制作成本。
[0013] 所述复合相变材料中相变材料和膨胀石墨重量比为15-20:1，所述复合相变材料粒径为1-10mm。
[0015] 所述有机树脂包括密胺树脂、苯乙烯-二乙烯基苯及环氧树脂中的至少一种。
[0016] 所述复合相变材料是通过原位聚合法制备得到，具体是将有机树脂原料-反应性单体或其预聚体，可选地，还可以加入催化剂，在吸附有相变材料的膨胀石墨复合材料表面进行聚合，有机树脂沉积在复合材料表面得到有机树脂包覆的相变复合材料。由于单体(或预聚体)在单一相中是可溶的，而其聚合物在整个体系中是不溶的。反应开始，单体预聚，预聚体聚合，当预聚体聚合尺寸逐步增大后，有机树脂沉积在芯材物质的表面。
[0017] 所述单体或者预聚体是本领域技术人员所公知的，具体而言，所述密胺树脂的单体为三聚氰胺和甲醛；所述苯乙烯-二乙烯基苯的单体是苯乙烯和二乙烯基苯；所述环氧树脂的单体是指双酚A型环氧树脂，三乙烯四胺。
[0018] 具体而言，所述相变复合材料优选可以选自密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料，密胺包覆硬脂酸正丁酯/膨胀石墨复合材料。
[0019] 本发明采用有机树脂对所得到的复合相变材料进行包覆，可以防止相变材料状态为液态时发生泄露。
[0020] 本发明采用的复合相变材料能够通过相变过程，吸收或释放大量的潜热而控制水稳层温度的大幅度变化。由于水稳层属于半刚性体，具有热胀冷缩的性质，随着温度的降低产生温缩应力，温度降低得愈多愈快，产生的温缩应力愈大，温缩能够在暴露的水稳层表面产生很大的拉应力，温缩应力在养护成型的头几天内即达到最大值，若养护期间温度控制不好则会有极高的开裂风险；此外，水稳层与沥青层或者水泥层的附着性差，将使面层有一定的收缩变形，面层混合料的应力得不到释放，温度应力无法传至水稳层，而在面层内越积越多，最终导致开裂。本发明中复合相变材料利用其自身优良的储热能力，能够控制水稳层温度变化不会过大，防止因温度变化引起的变形产生。
[0021] 本发明采用的复合相变材料具有类似“润滑剂”的作用，能提高电解锰渣和赤泥混合物的流变性，使电解锰渣和赤泥充分混合，为凝胶的形成提供良好的碱性环境。
[0022] 本发明水稳层材料的制备方法，包括如下步骤：
[0023] 第一步，将100份电解锰渣20-30份赤泥和5-10份复合相变材料加入密封搅拌机中，加入水搅拌，抽滤回收氨气，得预处理电解锰渣；
[0024] 第二步，向第一步所得预处理电解锰渣中加入20-30份赤泥，搅拌进一步固结重金属，再次抽滤回收氨气，将处理后电解锰渣烘干、粉化得到水稳层材料；
[0025] 第一步是利用赤泥充分中和新鲜电解锰渣的酸性、初步固结重金属离子并释放氨气进行初步无害化处理，防止新鲜电解锰渣的酸性、重金属离子及氨氮对环境造成污染；第二步是进一步充分的释放氨气，同时为碱性冶金渣和赤泥的进一步水化提供碱性条件，形成钙矾石和C-A-S-H凝胶，C-A-S-H凝胶是本领域技术人员公知的一种凝胶材料水化产物-水化硅(铝)酸钙。C-A-S-H凝胶胶结固化电解锰渣中的重金属锰离子，使其化学稳定，不会对环境造成污染。
[0026] 第一步中所述水用量和搅拌时间没有特别限定，以达到充分混匀，不影响施工的状态为宜，一般水的用量为5-15份，加入水后的搅拌时间为1-10min。
[0027] 第二步中所述搅拌时间为1-10min。
[0028] 所述赤泥优选为拜耳法赤泥，细度为300-400m2/kg，pH为11-12。
[0029] 本发明还提供一种抗开裂道路水稳层，其包括如下重量份的原料：30-60份上述含有复合相变材料，40-60份级配骨料、0-10份水泥及10-20份水，优选2-10份水泥，更优选2-10份硅酸盐水泥。
[0030] 本发明还提供了上述抗开裂道路水稳层的制备方法，包括如下步骤：将30-60份含电解锰渣道路水稳层材料、40-60份级配骨料、0-10份水泥及10-20份水，加入搅拌机内，搅拌至均匀，最终含水率10-20％后经压实成型、脱模、覆膜养护。
[0031] 所述级配骨料包括以下重量份数的原料：15-35wt％粒径为0-4.75mm骨料、15-35wt％粒径为4.75-10mm骨料及15-35wt％粒径为10-20mm的骨料。
[0032] 所述水泥为325或425硅酸盐水泥。
[0033] 所述覆膜养护的温度为25±1℃，湿度为95±1％。
[0034] 与现有技术相比，本发明有益效果在于：
[0035] (1)本发明水稳层材料成分中添加了复合相变材料，起到了类似“润滑剂”的作用，能够有效防止养护期间温缩应力导致的开裂，控制水稳层温度变化不会过大，防止水稳层温度变化大导致的面层变形，还预料不到地发现其对水稳层的无侧限抗压强度具有提高作用。
[0036] (2)本发明中利用电解锰渣中大量存在的硫酸钙激活赤泥中SiO2和Al2O3等活性成分形成凝胶体系，对电解锰渣中锰离子进行胶结固化无害化处理；该利用电解锰渣、赤泥液相反应制备水泥，不仅可以消耗大量的工业固废，同时拓展了道路工程原材料选择范围和来源。
[0037] (3)本发明在对锰离子等有害元素固结的同时对电解锰渣中氨氮进行回收，具有良好的环境效益。
[0039] 图1为实施例1水稳层材料SEM；
[0040] 图2为实施例2水稳层材料SEM；
[0041] 图3为实施例3水稳层材料SEM；
具体实施方式
[0043] 复合相变材料的制备
[0044] 制备例1复合相变材料为自制，其制备方法包括如下步骤：
[0045] 1.1份膨胀石墨在80℃水浴中加热浸渍于15份石蜡中，搅拌吸附2h，过滤，烘干，研磨至粒径为1-5mm备用；
[0048] 制备例2
[0049] 其余与制备例1相同，不同之处在于石蜡为20份。
[0050] 制备例3
[0051] 其余与制备例1相同，不同之处在于石蜡为10份。
[0052] 制备例4
[0053] 其余与制备例1相同，不同之处在于石蜡为25份。
[0054] 制备例5
[0055] 其余与制备例1相同，不同之处在于相变材料石蜡更换为硬脂酸正丁酯，加热温度为60℃，干燥后得密胺包覆硬脂酸正丁酯/膨胀石墨复合材料。
[0056] 对比制备例1
[0057] 其余与制备例1相同，不同之处在于无密胺树脂包覆，省去复合相变材料制备步骤中的步骤2和步骤3。
[0058] 水稳层材料的制备
[0059] 制备例6
[0060] 第一步，将100份电解锰渣，20份赤泥和5份制备例1制备的密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料加入密封搅拌机中，加入10份水搅拌10min，至状态，抽滤回收氨气，得预处理电解锰渣；
[0061] 第二步，向第一步所得预处理电解锰渣中加入20份赤泥，搅拌10min进一步固结重金属，并再次抽滤回收氨气，将处理后电解锰渣烘干、粉化得到水稳层材料。
[0062] 制备例7
[0063] 其余与制备例6相同，不同之处在于制备例1制备的密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料为7.5份。
[0064] 制备例8
[0065] 其余与制备例6相同，不同之处在于制备例1制备的密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料为10份。
[0066] 制备例9
[0067] 其余与制备例6相同，不同之处在于密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料被制备例2所制备的代替，用量为7.5份。
[0068] 制备例10
[0069] 其余与制备例6相同，不同之处在于密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料被制备例3所制备的代替，用量为7.5份。
[0070] 制备例11
[0071] 其余与制备例6相同，不同之处在于密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料被制备例4所制备的代替，用量为7.5份。
[0072] 制备例12
[0073] 其余与制备例6相同，不同之处在于密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料被制备例5所制备的密胺包覆硬脂酸正丁酯/膨胀石墨复合材料代替，用量为7.5份。
[0074] 对比制备例2
[0075] 其余与制备例6相同，不同之处在于不加入密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料。
[0076] 对比制备例3
[0077] 其余与制备例6相同，不同之处在于制备例1所用密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料被对比制备例1所制备的代替，用量为7.5份。
[0078] 对比制备例4
[0079] 其余与制备例6相同，不同之处在于制备例1制备的密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料为15份。
[0080] 对比制备例5
[0081] 其余与制备例6相同，不同之处在于制备例1制备的密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料为2份。
[0082] 水稳层的制备
[0083] 实施例1
[0084] 配方：30份制备例6制得的含有密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料的抗开裂道路水稳层材料，40份级配骨料及10份水。
[0085] 制备步骤：将含电解锰渣道路水稳层水泥材料、级配骨料及水，加入搅拌机内，搅拌至均匀，最终含水率10-20％后经压实成型、脱模、覆膜养护。覆膜养护的温度为25±1℃，湿度为95±1％。
[0086] 级配骨料包括以下的原料：35wt％粒径为0-4.75mm骨料、35wt％粒径为4.75-10mm骨料及30wt％粒径为10-20mm的骨料。
[0087] 实施例2
[0088] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为制备例7所得。
[0089] 实施例3
[0090] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为制备例8所得。
[0091] 实施例4
[0092] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为制备例9所得。
[0093] 实施例5
[0094] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为制备例10所得。
[0095] 实施例6
[0096] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为制备例11所得。
[0097] 实施例7
[0098] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为制备例5所得，用量为25份，配方中还有5份425硅酸盐水泥。
[0099] 实施例8
[0100] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为制备例12所得。
[0101] 对比实施例1
[0102] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为对比制备例2所得。
[0103] 对比实施例2
[0104] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为对比制备例3所得。
[0105] 对比实施例3
[0106] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为对比制备例4所得。
[0107] 对比实施例4
[0108] 其余同实施例1，不同之处在于，水稳层材料为对比制备例5所得。
[0109] 将上述实施例和对比例制备水稳层进行以下检测，
[0110] 温缩实验
[0111] 反映材料温度收缩特性的指标为温缩系数/(10-6/℃)。
[0112] 试验过程是：试件采用100mm×100mm×400mm规格的梁氏试件，实施例和对比例试件分别均标准养护7，28，90d，在养生结束前1天将试件饱水24h，并测取试件初始长度然后将试件置于烘箱中烘干至恒量，于干燥通风处放至常温后转移至高低温交变试验箱内；试验箱内初始温度为60℃，每10℃划分1个温度梯度，保持0.5℃/min的降温速率并在到达每一温度梯度时保温2h；分别读取试验箱内4个温度梯度的千分表读数，结果如表1所示。
[0113] 7天无侧限抗压强度试验
[0114] 制备成Φ150mm×150mm×150mm试件，待其成型后在温度20±1℃，相对湿度95±1％的恒温恒湿养护箱中养护至适当龄期7天，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的T0805-1994，利用压力机测定7天无侧限抗压强度，得到不同水泥剂量混合料的7天无侧限抗压强度。
[0115] 28天无侧限抗压强度试验
[0116] 测试条件参照上述7天无侧限抗压强度试验，养护天数改为28天，结果如表2所示。
[0117] 重金属与氨氮浸出试验
[0118] 重金属浸出试验参考HJ/T300-2007《固体废弃物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》。醋酸缓冲液配制：用试剂水稀释17.25ml的冰醋酸至1L，配制后溶液的pH值应为2.64±0.05。
[0119] 浸出步骤：将样品颗粒烘干磨碎至可以通过9.5mm孔径的筛后称取75-100g样品，置于2L提取瓶中，根据样品的含水率，按液固比为20：1(L/kg)计算出所需醋酸缓冲液的体积，加入醋酸缓冲液，盖紧瓶盖后固定在翻转式振荡装置上，调节转速为30±2r/min，于23±2℃下振荡18±2h。静置4h后过去取浸出液采用ICP光谱分析仪对路面基层材料浸出液分析。分析结果参照GB8978-1996《污水综合排放标准》。浸出试验结果如表3所示。
[0120] 表1
[0121]
[0122]
[0123] 表2
[0124]
[0125]
[0126] 表3
[0127]
[0128] 由表1可以看出：使用含密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料的水稳层材料制备的水稳层温缩系数比不含密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料的水泥制备的水稳层的温缩系数小，也就是说明含密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料的水泥对温度敏感性差，抗温缩能力强。由表2发现，含密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料的水泥对水稳层的无侧限抗压强度也具有一定影响，当其内所含密胺包覆石蜡/膨胀石墨复合材料在一定范围内时，水稳层的无侧限抗压强度得到一定幅度的提升。同理，含密胺包覆硬脂酸正丁酯/膨胀石墨复合材料的水稳层材料也具有类似的性能。
[0129] 上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。
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