一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及公路和市政工程道路技术领域，更具体的是涉及含工业固废钛矿渣的道路基层材料及其制备方法技术领域。


背景技术：

2.水泥稳定碎石基层作为我国高等级公路以及市政公路基层采用的最主要的道路基层形式，因其具有承载力高、强度高，并且具备一定的抗弯拉强度，同时使用这种道路基层材料作为道路基层建设的沥青路面会具有弯拉变形较小，弯拉应力值较小，抵抗疲劳破坏能力较强，承受荷载能力较强，稳定性较好的优点。
3.然而实际生产应用过程中，单一的强调抗压强度性能，粗放的生产施工方式，经济成本因素的限制，交通运输量的快速增加等因素使得已经建成的许多道路出现了开裂、冲刷破坏等早期损坏现象；早期的裂缝的产生对车辆通行影响不大，随着雨水的不断渗入另外，水泥稳定碎石基层材料呈现脆性，当粗细骨料级配设计未达到最理想状态时，便需要通过增加水泥用量，达到强度设计值目标，水泥用量的增加，会使得水泥稳定碎石基层材料，在施工及使用过程中遇到温度或湿度剧烈变化时容易产生收缩开裂，进而影响道路的建设和使用寿命。
4.为阻止上述情况的发生，延长道路的使用寿命，相关技术人员针对该类问题进行专门研究，改变水泥稳定碎石基层半刚性路面基层特质，增加材料的柔性，从而增加其抵抗因温度应力、拉应力等应力导致开裂变形的能力，从而提高路面的使用寿命。
5.目前，相关技术研究人员通过以下几类措施改善公路基层材料的使用寿命，具体技术措施包括以下几类：
6.(1)通过优化基层材料的粗细骨料级配。使其实现最紧密堆积，从而减小基层材料的收缩系数，从而增大道路基层材料的抗裂能力。
7.(2)降低水泥用量。在能满足道路基层设计无侧限抗压强度的基础上，降低水泥用量，采用低标号水泥以及使用产生水化热较小的水泥。
8.(3)通过加入聚丙烯纤维、聚合物纤维以及玄武岩纤维等材料限制道路基层材料的收缩。
9.这些方法从理论上可以实现降低水泥稳定碎石基层收缩性能，提高道路基层材料的抗裂能力，但是在实际生产应用过程中，会带来生产成本明显提高，生产工序复杂，道路基层材料的质量控制难度陡升，生产难度增大，再加上粗放的生产施工方式，这就使得在道路基层材料在实际生产过程中，能提高无侧限抗压强度的同时降低道路基层材料收缩的经济性技术措施，且在实体工程中应用较好的，无相关案例。
10.因此，有必要研究一种技术措施来降低水泥稳定碎石基层材料的收缩率来应对当前技术与生产的不足，同时解决以上提出的问题。
11.钛矿渣作为钒钛磁铁矿提炼生铁的工业副产物，其排放量与日俱增，每年有1000万吨需要倾倒，至今累计堆存接近7000万吨。而通常对钛矿渣的处理方式一般有掩埋处理
或者堆置处理，这两种方式处理钛矿渣不仅造成资源的浪费，还会占用并浪费土地资源，尤其是钛矿渣含有少量的重金属离子成分，在雨水的作用下会慢慢的渗入到地下，从而污染地表水以及危害陆地生物。
12.钛矿渣是具有一定强度的多孔低活性材料，成分以钙钛矿、钛辉石为主，且含有较高含量的tio2(tio2＞20％)，储存量巨大但是活性不高使得钛矿渣的应用存在问题。因其tio2含量与玻璃态物质含量成反比，使得其水化活性较低，当加入到水泥作为活性混合材或者混凝土中作为矿物掺合料时会降低强度；如果选择提钛处理的话，由于钛矿渣中的含钛物质稳定，必须使用强酸、强碱、高温加压等方法，使得提钛成本较高，且提取率偏低，同时酸碱处理后的废液与废渣容易造成二次污染，使得该种方法并不可取。
13.因此，有必要研究一种合理的经济性技术措施来处理钛矿渣这一固体废弃物使用处理问题，降低污染。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料及其制备方法。该道路基层材料不仅可以用很小的水泥用量实现很高的无侧限抗压强度，同时具备很强的抗裂能力以及较小的收缩性能，从而提高水泥稳定道路基层的承载力性能和路面的使用寿命；且解决了工业固废钛矿渣因堆积或掩埋处理，带来环境污染、资源浪费的问题；同时减小天然砂石骨料的使用，降低开采砂石骨料由此带来的环境污染问题。
15.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
16.本发明提供一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料的制备方法，包括如下步骤：
17.s01、通过相应级配设计方法以及相关性能测试得到最优钛矿渣粗细骨料级配，此级配下钛矿渣砂与钛矿渣石骨料紧密堆积达到骨架密实结构；
18.s02、准备水泥和饮用水；
19.s03、将步骤s01中得到的钛矿渣粗细骨料以及步骤s02的水泥和饮用水放入拌合设备中进行拌和，得到道路基层材料。
20.具体来说，使用工业固废钛矿渣替代普通道路基层材料中砂石，起到为道路基层材料提供骨架的作用，为实现优异的7d无侧限抗压强度大于5mpa的同时，材料收缩系数小；该材料使用的钛矿渣石和钛矿渣砂粗细骨料需通过级配设计达到紧密堆积从而形成骨架密实型结构。
21.在一个实施方式中，步骤s01中，使用钛矿渣作为粗细骨料时，级配需通过k法进行计算，
22.k法按照式2-1、式2-2、式2-3进行计算：
[0023][0024]
x＝3.32lg(d/d)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2-2)
[0025]
y＝3.32lg(d/0.004)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2-3)
[0026]
式中：k-颗粒分级重量递减系数；x-粒料分档所在级；y-总级数,一般情况下k取
0.6～0.8。
[0027]
在一个实施方式中，步骤s01中，通过k法粗细骨料级配设计，使用的钛矿渣分成4个级配粒径区间，分别分为：粒径为31.5～19mm的钛矿渣石、粒径为19～9.5mm的钛矿渣石、粒径为9.5～4.75mm的钛矿渣石以及粒径为4.75mm以下的钛矿渣砂，4个级配粒径区间的钛矿渣石材料均是钙钛矿经过提炼后工业固体废弃物经过颚式破碎机破碎后在分级筛上进行分级筛选得到。
[0028]
在一个实施方式中，步骤s01中，相关性能测试包括最大干密度、紧实密度、堆积密度以及7d无侧限抗压强度性能测试。
[0029]
在一个实施方式中，通过相关性能测试，钛矿渣按重量份选取如下组分：粒径为31.5～19mm的钛矿渣石504份、粒径为19～9.5mm的钛矿渣石398份、粒径为9.5～4.75mm的钛矿渣石389份以及粒径为4.75mm以下的钛矿渣砂909份。
[0030]
具体来说，所述骨架密实型材料结构的实现需通过良好的粗细骨料级配搭配得以实现，所述良好的粗细骨料级配需通过k法进行设计，通过测试相关性能，通过相关性能测试结果反映粗细集料的紧密堆积程度，从而选出最优钛矿渣石与钛矿渣砂粗细骨料级配。
[0031]
在一个实施方式中，步骤s02中，水泥为32.5级级普通硅酸盐水泥或42.5级普通硅酸盐水泥，32.5级级普通硅酸盐水泥的28d抗压强度≥32.5mpa，42.5级普通硅酸盐水泥的28d抗压强度≥42.5mpa，水泥初凝时间不得短于45min，终凝时间不得超过6.5h。
[0032]
在一个实施方式中，步骤s03中，拌和时间为20～30s，拌和温度为10℃～50℃。
[0033]
本发明的另一个方面一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料，适用于上述的制备方法，包括按质量份的如下组分：钛矿渣石1200～1300份、钛矿渣砂900～1000份，水泥66～100份以及饮用水118～150份。
[0034]
在一个实施方式中，包括按质量份的如下组分：钛矿渣石1291份、钛矿渣砂909份，水泥66份以及饮用水118份。
[0035]
在一个实施方式中，包括按质量份的如下组分：钛矿渣石1291份、钛矿渣砂909份、水泥88份以及饮用水126份。
[0036]
本发明的有益效果如下：
[0037]
1、本发明制备的该材料可以获得更高的无侧限抗压强度，更低的收缩率，更好的抗裂能力，经济性优异(生产成本低)，简单的生产工艺，道路基层整体承载力以及使用寿命增强。
[0038]
2、与现有钛矿渣的处理方式相比，使用钛矿渣石和钛矿渣砂制备的道路基层材料，本发明可以获得以下技术效果：改变传统钛矿渣的堆积以及掩埋处理等方式，降低该处理方式带来的环境污染问题，减小土地资源浪费，实现工业固废钛矿渣的资源化利用。
[0039]
3、与现有道路基层材料制备的原材料相比，本发明可以获得以下技术效果：本发明中不采用天然砂石骨料作为道路基层材料骨架，减少了开采和生产天然砂石所带来的环境污染，能源消耗以及水资源浪费等问题。
具体实施方式
[0040]
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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是
全部的实施例。
[0041]
实施例1
[0042]
本实施例提供一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料，所使用的42.5级普通硅酸盐水泥28d抗压强度分别≥42.5mpa，初凝时间不得短于45min，终凝时间不得超过6.5h。
[0043]
所使用的水为饮用水或市政自来水，经检验应符合《公路工程无机稳定结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)中关于水的规定。
[0044]
钛矿渣粗细骨料是经过工业固废钛矿渣经颚式破碎机破碎后，通过皮带传送至分级筛上分级筛选，再通过分级筛将钛矿渣分级为粒径为5-25mm钛矿渣石以及5mm以下钛矿渣砂，分级后的钛矿渣石或砂经检验符合《公路工程无机稳定结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)。
[0045]
使用钛矿渣石以及钛矿渣砂作为水泥稳定道路基层材料中的粗细骨料，使用k法计算粗细骨料级配，即：
[0046]
k法按照式3-1、式3-2、式3-3进行计算：
[0047][0048]
x＝3.32lg(d/d)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式3-2)
[0049]
y＝3.32lg(d/0.004)
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(式3-3)
[0050]
式中：k-颗粒分级重量递减系数；x-粒料分档所在级；y-总级数,一般情况下k取0.6～0.8。
[0051]
分别取值k＝0.6、0.7、0.8，使用k法计算出钛矿渣粗细骨料的级配数据，再通过无机结合料击实，成型强度试件，测试最大干密度、紧实密度、表观密度以及7d无侧限抗压强度等性能指标，选出最佳钛矿渣粗细骨料的级配设计结果。
[0052]
使用k法计算出的钛矿渣石和砂的级配数据如下：
[0053]
表1钛矿渣石与砂设计级配数据表
[0054][0055]
钛矿渣石与砂设计级配的相关性能测试结果如下：
[0056]
表2钛矿渣石与砂设计级配数据性能测试结果
[0057][0058]
根据性能测试结果，k＝0.7时，各项性能测试结果最优，选择k取值0.7时得到的钛矿渣石与砂级配数据，作为钛矿渣砂与钛矿渣砂的最优设计级配。再根据最大干密度与最
优级配结果计算，分别确定钛矿渣粗细骨料的具体用量。
[0059]
道路基层材料具体制备方法如下：
[0060]
s01、材料的准备：钛矿渣石1291份、钛矿渣砂909份、42.5级普通硅酸盐水泥66份以及饮用水118份；
[0061]
其中，钛矿渣石1291份由粒径26.5～16mm钛矿渣石504份、粒径16.0～9.5mm钛矿渣石398份、粒径9.5～4.75mm钛矿渣石389份组成。
[0062]
s02、将步骤s01中准备的材料放入水泥基层生产设备中进行拌和得到道路基层材料，拌和时间为20s，拌和温度为10℃。
[0063]
拌和生产过程中应注意的事项如下：
[0064]
对于高速公路和一级公路，应采用专用稳定材料拌和设备拌制混合料,混合料拌合设备的产量宜大于500t/h，拌和设备的料仓数目应与规定的备料档数相匹配，宜较规定的备料档数增加1个。
[0065]
装水泥的料仓应密闭、干燥，同时内部应装有破拱装置、计量装置。
[0066]
环境温度低于10℃时，水泥进入搅拌缸中温度不低于10℃；环境温度高于30℃时，水泥进入搅拌缸中温度不高于50℃。
[0067]
当环境温度较高时或远距离运输时，含工业固废钛矿渣的骨架密实型道路基层材料在拌和时需要在最佳含水量的基础上适当增加含水率。
[0068]
实施例2
[0069]
一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料，包括按质量份的如下组分：钛矿渣石1291份、钛矿渣砂909份、42.5级普通硅酸盐水泥88份、饮用水126份。
[0070]
其制备方法如下：
[0071]
s01、材料的准备：钛矿渣石1291份、钛矿渣砂909份、42.5级普通硅酸盐水泥88份、饮用水126份；
[0072]
其中，钛矿渣石1291份由粒径26.5～16mm钛矿渣石504份、粒径16.0～9.5mm钛矿渣石398份、粒径9.5～4.75mm钛矿渣石389份组成；
[0073]
s02、将步骤s01中准备的材料放入水泥基层生产设备中进行拌和得到道路基层材料，拌和时间为20s，拌和温度为10℃。
[0074]
其他内容与实施例1相同。
[0075]
对照组1
[0076]
一种道路基层材料，包括按质量份的如下组分：砂石2200份、42.5级普通硅酸盐水泥66份、饮用水113份。
[0077]
其制备方法如下：
[0078]
s01、材料的准备：砂石2200份、42.5级普通硅酸盐水泥66份、饮用水113份；
[0079]
其中，砂石2200份由粒径26.5～16mm的碎石504份、粒径16.0～9.5mm的碎石398份、粒径9.5～4.75mm的碎石389份、粒径4.75mm及以下的天然河砂909份组成；
[0080]
s02、将步骤s01中准备的材料放入水泥基层生产设备中进行拌和得到道路基层材料，拌和时间为20s，拌和温度为10℃。
[0081]
对照组中使用砂石等粗细骨料作为水泥稳定道路基层材料中的支撑骨架。
[0082]
对照组2
[0083]
一种道路基层材料，包括按质量份的如下组分：砂石2200份、42.5级普通硅酸盐水泥110份、饮用水127份。
[0084]
其制备方法如下：
[0085]
s01、材料的准备：砂石2200份、42.5级普通硅酸盐水泥110份、饮用水127份；
[0086]
其中，砂石2200份由粒径26.5～16mm的碎石504份、粒径16.0～9.5mm的碎石398份、粒径9.5～4.75mm的碎石389份、粒径4.75mm及以下的天然河砂909份组成；
[0087]
s02、将步骤s01中准备的材料放入水泥基层生产设备中进行拌和得到道路基层材料，拌和时间为20s，拌和温度为10℃。
[0088]
对照组中使用天然砂石等粗细骨料作为水泥稳定道路基层材料中的支撑骨架。
[0089]
为了进一步验证含工业固废钛矿渣的道路基层材料的7d无侧限强度、抗收缩性能以及成本等性能优劣并进行实际生产指导使用，对上述含工业固废钛矿渣的道路基层材料与实际工程施工中使用的水泥稳定碎石基层材料的7d无侧限强度、抗收缩性能以及成本等因素进行对比。对比条件包括相同水泥掺量以及相同7d无侧限抗压强度等级，进行性能与成本对比。对照组中使用天然砂石等粗细骨料作为水泥稳定道路基层材料中的支撑骨架，配合比设计如表3所示，考虑到市场水泥售价为400元/吨，砂石骨料为90元/吨，钛矿渣砂石为60元/吨(材料免费，运输产生的费用)，相关性能测试结果见表4。
[0090]
表3配合比对照设计表
[0091][0092]
表4不同种水稳层性能测试与成本测算结果表
[0093][0094][0095]
根据表3和表4的结果可得到以下结论：
[0096]
实施例1与对照组1拥有相同的水泥掺量，水泥掺量为3％，但实施例1的7d无侧限抗压强度远远高于对照组1的7d无侧限抗压强度，高出2.7mpa左右，钛矿渣因为其具备一定
强度使其可以作为骨架，起到支撑作用，其中还存在一定量的活性sio2、al2o3等物质，水泥水化后水化产物可以不断与其反应，界面过渡区不断增强，7d无侧限抗压强度会出现大幅度提升；同时，实施例1的干缩系数也远小于对照组1的干缩系数，而越小的干缩系数代表着材料拥有更低的干缩变形量，材料拥有更好的抗开裂能力，即含工业固废钛矿渣的道路基层材料拥有更好的抗开裂能力，这是因为在水泥用量相同的情况下，钛矿渣中的活性物质与水泥反应的产物具有微膨胀特性，可以弥补一定的收缩变形，使得含工业固废钛矿渣的骨架密实型道路基层材料干缩系数更小；另外，在原材料成本上，含工业固废钛矿渣的道路基层材料也是远低于普通水泥稳定碎石基层材料。
[0097]
实施例2与对照组2拥有相同的7d无侧限抗压强度等级，但相较于对照组2，实施例2的水泥掺量更低，干缩系数更小，成本更低。
[0098]
实施例与对照组经过性能测试对比后发现，本发明制备的一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料相较于普通水泥稳定碎石基层材料，其性能远好于普通水泥稳定碎石基层材料，使用较小的水泥掺量能实现较大的无侧限抗压强度，同时，材料的干缩系数小，抗开裂能力更强，原材料的成本更低，克服了半刚性路面基层如今应用中存在的一系列问题，同时也实现了工业固废钛矿渣的资源化利用。

技术特征：
1.一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s01、通过级配设计以及相关性能测试结果得到钛矿渣粗细骨料的相应级配，使用该级配制备道路基层材料，可以形成骨架密实型结构；s02、准备水泥和饮用水；s03、将步骤s01中得到的钛矿渣各级配用量以及步骤s02中的水泥和饮用水放入拌合设备中进行拌和，得到道路基层材料。2.根据权利要求1所述的一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料的制备方法，其特征在于，步骤s01中，使用钛矿渣作为道路基层材料的粗细骨料，其级配数据通过k法进行计算，k法按照式1-1、式1-2、式1-3进行计算：x＝3.32lg(d/d)(式1-2)y＝3.32lg(d/0.004)(式1-3)式中：k-颗粒分级重量递减系数；x-粒料分档所在级；y-总级数,一般情况下k取0.6～0.8。3.根据权利要求2所述的一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料的制备方法，其特征在于，步骤s01中，使用k法进行钛矿渣粗细骨料级配设计，钛矿渣分成4个级配粒径区间，分别分为：粒径为31.5～19mm的钛矿渣石、粒径为19～9.5mm的钛矿渣石、粒径为9.5～4.75mm的钛矿渣石以及粒径为4.75mm以下的钛矿渣砂，4个级配粒径区间的钛矿渣均是钙钛矿经过提炼后工业固体废弃物经过颚式破碎机破碎后在分级筛上进行分级筛选得到。4.根据权利要求3所述的一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料的制备方法，其特征在于，步骤s01中，相关性能测试包括最大干密度、紧实密度、堆积密度以及7d无侧限抗压强度性能测试。5.根据权利要求4所述一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料的制备方法，其特征在于，从上述性能测试的结果中选出钛矿渣石与钛矿渣砂能达到骨架密实型结构的级配，再根据最大干密度与级配数据分别确定钛矿渣石与钛矿渣砂用量。6.根据权利要求1所述一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料的制备方法，其特征在于，步骤s02中，水泥为32.5级级普通硅酸盐水泥或42.5级普通硅酸盐水泥，32.5级级普通硅酸盐水泥的28d抗压强度≥32.5mpa，42.5级普通硅酸盐水泥的28d抗压强度≥42.5mpa，水泥初凝时间不得短于45min，终凝时间不得超过6.5h。7.根据权利要求1所述一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料的制备方法，其特征在于，步骤s03中，拌和时间为20～30s，拌和温度为10℃～50℃。8.一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料，适用于权利要求1至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，包括按质量份的如下组分：钛矿渣石1200～1300份、钛矿渣砂900～1000份，水泥66～100份以及饮用水118～150份。9.根据权利要求8所述的一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料，其特征在于，包括按质量份的如下组分：钛矿渣石1291份、钛矿渣砂909份、水泥66份以及饮用水118份。
10.根据权利要求8所述的一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料，其特征在于，包括按质量份的如下组分：钛矿渣石1291份、钛矿渣砂909份，水泥88份以及饮用水126份。

技术总结
本发明公开了一种含工业固废钛矿渣的道路基层材料及其制备方法，涉及公路和市政工程道路技术领域，包括如下步骤：S01、通过相应级配设计方法以及相关性能测试得到最优的钛矿渣粗细骨料级配，用以满足材料形成骨架密实型结构；S02、准备水泥和饮用水；S03、将钛矿渣、水泥和饮用水放入拌合设备中进行拌和，得到道路基层材料。本发明中该材料使用工业固废钛矿渣替代砂石制备道路基层材料，钛矿渣起到为道路基层材料提供骨架的作用，同时钛矿渣具备一定的活性，再通过合理的粗细骨料级配设计方法，使得道路基层材料形成骨架密实性结构，道路基层材料便可以获得更高的无侧限抗压强度和更低的收缩率，道路基层材料的收缩系数减小，进一步提高道路基层的整体承载力与使用寿命。另外，也可以实现工业固体废弃物钛矿渣的资源化利用。利用。


技术研发人员：江晓君 刘先亮 丁浩 彭文彬 韩跃伟 魏天酬 刘登贤 关素敏 张颜科 李清
受保护的技术使用者：四川华西绿舍建材有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/10/6