一种道路基层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于道路材料技术领域，更具体地说，涉及一种道路基层材料及其制备方法。
背景技术
道路工程建设领域，我国高等级公路(道路)基层形式多采用半刚性基层，如：石灰稳定土、水泥稳定土、二灰碎石、二灰砂砾、水稳碎石、水稳砂砾等，这类半刚性材料生产往往需要大量的开山采石，造成植被破坏、水土流失，对自然生态环境造成不同程度的破坏。目前，随着国家对环境保护治理力度的加强，作为量大面广的道路基层主要材料—砂石的开采受到愈来愈严格控制，原材料来源大幅减少，材料价格急剧攀升。与此同时，道路施工过程中存在着大量土方的内排外运，在强化城市环境治理的今天，排土成本急剧攀升。因此，如何开发利用新型材料，节约天然石料使用，减少运输成本，已成为道路研究人员亟待解决的问题。
铁尾矿属于冶金工业固体废弃物，每生产1吨铁精矿,约产生2吨尾矿废弃物，其中铁尾矿约占全部尾矿堆存总量的1/3。目前，我国处理尾矿主要以修库填充为主，主要因为铁尾矿粒度较细且化学性质不活泼，且其中含有大量重金属物质，无法大量应用于工程建设。据统计，截止2019年初国内已有超过200亿吨的尾矿堆存量。
因此，目前对尾矿固废应用于道路的研究比较广泛；但是受限于铁尾矿砂自身化学性质不活泼、颗粒间吸附力小，整体强度较低，无法大规模应用于道路建设中。如中国专利申请号CN201510295108.2，公开日为2015年9月30日，该专利公开了一种大掺量铁尾矿砂道路基层混合料，包括：铁尾矿砂：100份；水泥：2份；石灰：2～10份；且还包括水，所述的水的加入质量为铁尾矿砂、水泥、石灰总质量的8～16％。但是该专利的不足之处在于：混合料中尾矿掺量为100％，虽解决了尾矿砂的大宗利用，降低了施工成本，具备良好的经济效益，但是其7d无侧限抗压强度仅有0.8MPa，无法满足高等级道路对于结构层的要求。
又如中国专利申请号CN201210514337.5，公开日为2013年3月27日，该专利公开了水泥与土壤固化剂综合稳定铁尾矿砂砾路面基层方法，是按照室内试验确定出混合料配合比为水泥:铁尾矿砂:砂砾:固化剂＝4:48:48:0.02以及最佳含水率wopt＝8.5％和最大干密度ρmax＝%202.181g/cm3，工地实际采用的固化剂增加0.001％；采用路拌法施工时，水泥剂量增加1％；采用集中厂拌法施工时，水泥剂量增加0.5％；施工时需将固化剂稀释100倍，固化剂使用前充分摇匀，使沉淀充分溶解。养生期间相对湿度保持在95％～98％，养生期为7～10天。该专利的不足之处在于：该方法将土壤固化剂和水泥作为复合固结材料来稳定铁尾矿砂和天然砂砾，但铁尾矿砂本身其活性未被激发，其形成的基层材料整体内部空隙较多，各骨料之间连接不紧密，强度较低，对于不同等级道路使用具有局限性。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中铁尾矿应用道路领域时强度较低和利用率不高的问题，本发明提供一种道路基层材料及其制备方法。通过催化剂为整体混合料提供碱性环境，激发铁尾矿砂与土壤的活性使二者发生反应提高整体混合料的强度，提高铁尾矿砂的利用率；通过土体稳定剂改变土壤颗粒表面电子极性，使土壤易于压实和稳定，继而有效包裹铁尾矿砂，提高整体混合料的稳定性；整个制备工艺简单，无废水废物的产生，符合绿色环保的健康理念。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种道路基层材料，包括按质量份数计的如下组分：30-70份土壤，30-70份铁尾矿砂，%200-15份水，2-10份催化剂，1-5份土体稳定剂。
更进一步的，所述土壤有机质不大于5％，铁尾矿砂粒径不大于8mm。
更进一步的，所述催化剂包括按重量百分数的如下组分：15％-55％的粉煤灰，30％-60％的矿渣微粉和10％-30％的无机盐复合物。
更进一步的，所述粉煤灰、矿渣微粉和无机盐复合物的比表面积均为300-500m2/kg。
更进一步的，所述土体稳定剂包括按重量百分数的如下组分：10％-50％的强氧化剂，%2010％-50％的高分子活性剂和20％-40％的稳定剂。
更进一步的，所述强氧化剂包括高锰酸钾和高铁酸钙，高锰酸钾重量和高铁酸钙重量之比为(30％-50％)：(50％-70％)。
更进一步的，所述高分子活性剂包括离子硫酸化油和高级脂肪醇硫酸酯，离子硫酸化油的重量和高级脂肪醇硫酸酯的重量之比为(40％-60％)：(40％-60％)。
更进一步的，所述稳定剂包括醋酸乙烯酯、二乙基二硫代氨基甲酸钠和二烷基环己基二羧酸酯，醋酸乙烯酯的重量、二乙基二硫代氨基甲酸钠的重量和二烷基环己基二羧酸酯的重量之比为(20％-60％)：(30％-50％)：(20％-50％)。
一种上述任一项所述的道路基层材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将道路基层材料的各组分按质量份数进行混合，混合后进行击打试验，测得混合后物料的最大干密度和最佳含水量；
(2)将土壤、铁尾矿砂、水和催化剂按照质量份数进行混合均匀得到混合料；
(3)在所需质量份数的土体稳定剂中加入水形成改性水，加水的总质量大于步骤(1)%20所测混合后物料的最佳含水量质量；
(4)将步骤(3)所配制的改性水加入混合液中，充分搅拌并且闷料；
(5)闷料结束后，再次在混合料中加入改性水，最后将混合料充入模具压实成型。
更进一步的，所述步骤(3)中加入水的总质量大于最佳含水量质量的1％-2％
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明将铁尾矿砂作为道路基层材料成分的一种，有效解决铁尾矿砂存量大无法合理运用的难题；并且道路基层材料成分中催化剂遇水发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫酸钙等凝胶状的水化物，并吸附于铁尾矿砂颗粒表面，因此其表面变得粗糙，颗粒间摩擦力增大，且该水化物充斥于铁尾矿砂颗粒间隙中，使其整体更为密实，具有较高的强度；
(2)本发明中土体稳定剂与土壤成分进行离子吸附与交换，使土壤胶团表面电量降低，减薄土壤胶团双电层厚度，使土壤颗粒趋于凝聚，同时土体稳定剂溶于水后可促进吸附于铁尾矿砂颗粒表面的水化物与土壤中矿物的活性成分反应生成片状、纤维状或针状晶，互相交错，增进土壤粒子之间的连接，在土壤中形成稳定网状结构，使固化土体结构更加稳固，有的还生成膨胀性物质能填充网状结构之间的孔隙或者改善土壤中的孔隙结构，提高尾矿固化土强度；
(3)本发明所述的土壤、铁尾矿砂均都是常规材料，并且来源广泛，原料的成本低，同时可以实现废气资源的再回收利用，减小环境的污染；并且该道路基层材料各组分对人体及环境无害，符合“以人为本、绿色环保”的发展理念；
(4)本发明所述的道路基层材料的制备方法工艺简单，在制备过程中无废水废物产生，并且可以就地取材，节约石料的使用，无需大量土方内排；并且能耗低，制备过程简单快捷，无需大型设备的投入，节约制备成本，应用前景较为广阔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
目前，国内外对铁尾矿砂应用道路的研究较多，杨青等人研究发现：水泥单独稳定铁尾矿砂时，水泥含量要达到13％，强度才能满足低等级道路基层强度>2.5MPa的要求；粉煤灰单独稳定铁尾矿砂时，粉煤灰含量要达到29％，才能满足低等级道路基层强度>0.8MPa的要求；粉煤灰水泥综合稳定铁尾矿砂的情况下，使用12％粉煤灰和2％水泥就可以达到低等级道路基层强度>0.8的要求；但是铁尾矿自身化学性质不活泼，强度低，导致其不能大规模利用。本申请人经过大量的理论分析以及试验，总结了一种道路基层材料及其制备方法，利用铁尾矿砂作为道路基层材料组分的同时提高铁尾矿砂自身活性，改善铁尾矿砂自身惰性，使其铁尾矿砂具有较高的强度且能够大规模应用于道路建设中，具有较高的使用前景。
实施例1
一种道路基层材料，包括按质量份数计的如下组分：30-70份土壤，30-70份铁尾矿砂，%200-15份水，2-10份催化剂，1-5份土体稳定剂；其中，催化剂的加入遇水发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫酸钙等凝胶状的水化物，并吸附于铁尾矿砂颗粒表面，因此其表面变得粗糙，颗粒间摩擦力增大，且该水化物充斥于铁尾矿砂颗粒间隙中，使其整体更为密实，具有较高的强度；土体稳定剂的加入与土壤成分进行离子吸附与交换，使土壤胶团表面电量降低，减薄土壤胶团双电层厚度，使土壤颗粒趋于凝聚，同时土体稳定剂溶于水后可促进吸附于铁尾矿砂颗粒表面的水化物与土壤中矿物的活性成分反应生成片状、纤维状或针状晶，互相交错，增进土壤粒子之间的连接，在土壤中形成稳定网状结构，使固化土体结构更加稳固，有的还生成膨胀性物质能填充网状结构之间的孔隙或者改善土壤中的孔隙结构，提高尾矿固化土强度；土壤、铁尾矿砂均是常见的材料，来源广泛，原料成本低并且可以实现铁尾矿砂废资源的再利用，解决了铁尾矿砂应用于道路建设强度不高和利用率低的问题，具有较高的推广前景。
更进一步的，所述土壤有机质不大于5％，铁尾矿砂粒径不大于8mm；并且在本实施例中所述催化剂包括按重量百分数的如下组分：15％-55％的粉煤灰，30％-60％的矿渣微粉和%2010％-30％的无机盐复合物；所述粉煤灰、矿渣微粉和无机盐复合物的比表面积均为300-500m2/kg，可保证与铁尾矿砂和土壤的充分密切接触；且所述土体稳定剂包括按重量百分数的如下组分：10％-50％的强氧化剂，10％-50％的高分子活性剂和20％-40％的稳定剂，此种条件下的配比更有利于铁尾矿砂化学性质的稳定；所述强氧化剂包括高锰酸钾和高铁酸钙，高锰酸钾重量和高铁酸钙重量之比为(30％-50％)：(50％-70％)，有效改善土壤特性；所述高分子活性剂包括离子硫酸化油和高级脂肪醇硫酸酯，离子硫酸化油的重量和高级脂肪醇硫酸酯的重量之比为(40％-60％)：(40％-60％)，这样的比例设置使土壤中的颗粒间活性增加；所述稳定剂包括醋酸乙烯酯、二乙基二硫代氨基甲酸钠和二烷基环己基二羧酸酯，醋酸乙烯酯的重量、二乙基二硫代氨基甲酸钠的重量和二烷基环己基二羧酸酯的重量之比为(20％-60％)：%20(30％-50％)：(20％-50％)；此三种材料广泛用于土体性质改性，作用较为明显；
一种如上述所述的道路基层材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将道路基层材料的各组分按质量份数进行混合，混合后进行击打试验，测得混合后物料的最大干密度和最佳含水量；
(2)将土壤、铁尾矿砂、水和催化剂按照质量份数进行混合均匀得到混合料；
(3)在所需质量份数的土体稳定剂中加入水形成改性水，加水的总量大于步骤(1)所测混合后物料的最佳含水量；具体的，所述步骤(3)中加入水的总量大于最佳含水量质量的%201％-2％；在该区间范围内，保证现实操作中因为环境温度所造成的失水，减小误差；
(4)将步骤(3)所配制的改性水加入混合料中，充分搅拌并且闷料；所述闷料即用塑料薄膜覆盖混合料并且静止2h左右；
(5)闷料结束后将混合料充入模具压实成型。
本发明所述的道路基层材料的制备方法工艺简单，在制备过程中无废水废物产生，符合“以人为本、绿色环保”的发展理念，并且能耗低，制备过程简单快捷，无需大型设备的投入，节约制备成本，应用前景较为广阔。
实施例2
基本同实施例1，具体的，在本实施例中，所述道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：40份土壤，60份铁尾矿砂，0份水，5份催化剂，3份土体稳定剂；并且该道路基层材料的制备方法如下：
(1)将道路基层材料的各组分按质量份数进行混合，混合后进行击打试验，测得混合后物料的最大干密度和最佳含水量；
(2)将土壤、铁尾矿砂、水和催化剂按照质量份数进行混合均匀得到混合料；
(3)在所需质量份数的土体稳定剂中加入水形成改性水，加水的总量大于步骤(1)所测混合后物料的最佳含水量；
(4)将步骤(3)所配制的改性水加入混合液中，充分搅拌并且闷料；
(5)闷料结束后将混合料充入模具压实成型。
将成型后的试件放入标准养护箱(养护温度20±2℃，湿度95％)，养护6天后泡水1天，擦干试件表面水分，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行7天无侧限抗压强度试验作为实施例1；在本实施例中，再添加四组对比例，对比例1的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：20份土壤，80份铁尾矿砂，0份水，5份催化剂，3份土体稳定剂；对比例2的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：30份土壤，70份铁尾矿砂，0份水，%205份催化剂，3份土体稳定剂；对比例3的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：50%20份土壤，50份铁尾矿砂，0份水，5份催化剂，3份土体稳定剂；对比例4的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：60份土壤，40份铁尾矿砂，0份水，5份催化剂，3份土体稳定剂；四组对比例与实施例1的催化剂、土体稳定剂完全相同，四组对比例按照与实施例1%20相同的制备方法进行制备且放入同等的养护条件下进行养护，并且养护后泡水1天擦干试件表面水分，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行无侧限抗压强度试验，所得结果如下表1所示：
表1测试结果比照表
由表1可知，不改变水泥和催化剂的用量时，铁尾矿砂与土壤比例不同，强度随着铁尾矿砂掺量增加，呈现先增后减趋势，当铁尾矿砂与土壤比例为60％：40％时，强度到达峰值。这是因为在铁尾矿砂含量很少时，材料内部主要由团聚体堆叠而成，生成的C-S-H凝胶较少，各团聚体之间粘聚力较差，强度较低；随着铁尾矿砂增加，生成的C-S-H凝胶逐渐增多，C-S-H 凝胶可以有效填充材料内部空隙，与团聚体相互胶结，从而提高混合土体强度；当铁尾矿砂含量进一步增加，土壤含量减少，大量孔隙无足够混合土粘接填充，会造成整体孔隙结构增多，混合土体强度下降。总体而言，在铁尾矿砂掺量为60％时，混合土体整体结构最为致密。
实施例3
基本同实施例2，在本实施例中，所述道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：40 份土壤，60份铁尾矿砂，0份水，5份催化剂，3份土体稳定剂；并且该道路基层材料的制备方法如下：
(1)将道路基层材料的各组分按质量份数进行混合，混合后进行击打试验，测得混合后物料的最大干密度和最佳含水量；
(2)将土壤、铁尾矿砂、水和催化剂按照质量份数进行混合均匀得到混合料；
(3)在所需质量份数的土体稳定剂中加入水形成改性水，加水的总量大于步骤(1)所测混合后物料的最佳含水量的1％-2％；
(4)将步骤(3)所配制的改性水加入混合料中，充分搅拌并且闷料；
(5)闷料结束后混合料充入模具压实成型。
将成型后的试件分为五组，分别放入标准养护箱(养护温度20±2℃，湿度95％)，养护6 天、13天、27天、59天、89天后泡水1天，擦干试件表面水分，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行第7天、14天、28天、60天和90天的间接抗拉试验试验(劈裂实验)，所述结果如下表2所示：
表2抗拉强度对照表
由表2所知，随着养护周期的增加，道路基层材料的抗拉强度也随着增加。
实施例4
基本同实施例2，在本实施例中，所述道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：40 份土壤，60份铁尾矿砂，0份水，5份催化剂，3份土体稳定剂；并且该道路基层材料的制备方法如下：
(1)将道路基层材料的各组分按质量份数进行混合，混合后进行击打试验，测得混合后物料的最大干密度和最佳含水量；
(2)将土壤、铁尾矿砂、水和催化剂按照质量份数进行混合均匀得到混合料；
(3)在所需质量份数的土体稳定剂中加入水形成改性水，加水的总量大于步骤(1)所测混合后物料的最佳含水量的1％-2％；
(4)将步骤(3)所配制的改性水加入混合料中，充分搅拌并且闷料；
(5)闷料结束后，将混合料按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中重型(II-2) 击实方法击实成型，然后将试筒与多孔板一同放入水中，拉紧模具，并读取千分表的初始读数。向水槽放水，以水面过试件表面25mm为宜，泡水4昼夜，将泡水后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，按照《土工试验方法标准》进行加州承载比(CBR)试验作为实施例4,；
在本实施例中再添加三组对比例，对比例1的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：40份土壤，60份铁尾矿砂，0份水，5份催化剂；对比例2的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：40份土壤，60份铁尾矿砂，0份水，3份土体稳定剂；对比例3的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：40份土壤，60份铁尾矿砂，0份水，5份催化剂，3 份土体稳定剂；将三组对比例按照与实施例4同样的制备方法其测试方法进行测试，结果如下表3所示：
表3测试结果对比表
由表3可知，催化剂和土体稳定剂均可不同程度提高尾矿固化土承载比强度及不同程度降低膨胀量；但是二者混合使用时，效果远高于单一成分的添加效果；二者混合使用时，膨胀量相比较于对比例3降低了99.2％，而对比例1相较于对比例3降低了59.3％，对比例2 相较于对比例3降低了75.6％，所以催化剂和土体稳定剂同时使用，其对7天抗压强度的提高程度高于单一成分添加效果；二者混合使用时，承载比(CBR强度)相比较于对比例3提高了98.3％，而对比例1相较于对比例3提高了32.2％，对比例2相较于对比例3提高了42％，所以催化剂和土体稳定剂同时使用，其水稳定系数的提高程度高于单一成分的添加效果。
实施例5
基本同实施例2，具体的，在本实施例中，所述道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：60份铁尾矿砂，40份土壤，5份催化剂以及5份土体稳定剂，并且该道路基层材料的制备方法如下：
(1)将道路基层材料的各组分按质量份数进行混合，混合后进行击打试验，测得混合后物料的最大干密度和最佳含水量；
(2)将土壤、铁尾矿砂、水和催化剂按照质量份数进行混合均匀得到混合料；
(3)在所需质量份数的土体稳定剂中加入水形成改性水，加水的总量大于步骤(1)所测混合后物料的最佳含水量的1％-2％；
(4)将步骤(3)所配制的改性水加入混合料中，充分搅拌并且闷料；
(5)闷料结束后，将混合料充入模具压实成型。
将成型后的试件按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》放入标准养护箱(养护温度20±2℃，湿度95％)，根据规定养护龄期后取出作为实施例5，进行浸出液重金属含量检测；
在本实施例中，再添加两组对比例，对比例1的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：60份铁尾矿砂，40份土壤，5份催化剂；对比例2的道路基层材料包括按质量份数计的如下组分：50份铁尾矿砂，50份土，5份土体稳定剂；并且按照相同的环境对对比例1和2的成型试件进行养护，得出的浸出液重金属含量检测如表4所示：
表4浸出液重金属含量检测结果
由表4可以得知，采用本发明所述的道路基层材料成分制备的道路基层浸出液重金属含量较少，整体制备的道路基层强度高。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。
