CN116003009A - 一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物及其制备方法，涉及公路工程技术领域。本发明所述飞灰基地聚合物由以下质量百分含量原料制成：飞灰37.44～37.80％、偏高岭土9.36～9.44％、氢氧化钠6.48～7.49％、硅酸钠15.81～15.96％、蒸馏水29.31～30.90％。本发明所述飞灰基地聚合物抗压强度高，重金属浸出浓度低，对环境影响较小，经所述飞灰基地聚合物稳定后的尾渣路基材料的力学强度、水稳定性和水污染程度满足路基填筑技术要求。

Description

一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物及其制备方法

技术领域

本发明属于公路工程技术领域，具体涉及一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物及其制备方法。

背景技术

飞灰是指在烟气净化系统和热回收利用系统中收集而得的残余物，约占灰渣质量的20％左右。飞灰含有重金属等有害物质，属于危险废物，需固化处理后填埋，因此限制了它的资源化利用。目前常用的焚烧飞灰处置方法有水泥固化法、化学药剂固化法、提取和分离处理法等，这些方法虽各有优势，但也存在各自的局限性。因此，近几年国内外学者开始研究地聚合物来处理飞灰，通过碱激发作用，地聚合物可生成三维网络状的类沸石笼状立体结构，将重金属离子固化在结构中。但大多数学者只局限于研究地聚合物对飞灰的固化作用，极少发掘飞灰做为原材料制备地聚合物，并将其运用到道路工程中。此外，飞灰基地聚合物的强度等性能受碱激发剂的种类与掺量、制备工艺等影响，需要根据应用场合精细化设计其配方组成。

炉渣是指垃圾燃烧后残留在炉床上的产物，占灰渣质量的80％左右，主要由熔渣、金属制品、陶瓷碎片、砖石、玻璃和其他一些不可燃物质及未燃有机物组成。炉渣为一般固体废物，在进行湿法处理后，祛除杂质，将金属物质回收利用，得到的产物称作尾渣。尾渣经过破碎分级、调整粒径等方法，可用于路基填筑，但其重金属浸出浓度偏高，因此不适用于地下水丰富及多雨地区路段，并且有污染饮用水源的隐患，这大大限制了尾渣路基填料的利用前景。另一方面，道路工程建设需要消耗大量砂石和填土材料，供需矛盾日益突出，价格逐渐上涨，供不应求的现象时有发生，严重影响了工程施工进度，寻求道路建设砂石和填土材料的替代途径迫在眉睫。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物及其制备方法。本发明所述飞灰基地聚合物抗压强度高，重金属浸出浓度低，对环境影响较小，经所述飞灰基地聚合物稳定后的尾渣路基材料的力学强度、水稳定性和水污染程度满足路基填筑技术要求。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物，由以下质量百分含量的原料制成：飞灰37.44～37.80％、偏高岭土9.36～9.44％、氢氧化钠6.48～7.49％、硅酸钠15.81～15.96％、蒸馏水29.31～30.90％。

优选的，所述地聚合物的硅铝比为7.0、钠硅比为0.82～0.86、水灰比为0.62～0.66。

优选的，所述飞灰为生活垃圾焚烧发电炉渣中粒径小于0.075mm的细微颗粒。

优选的，所述偏高岭土中SiO₂和Al₂O₃的含量≥90％；所述偏高岭土的粒径≤700μm；所述偏高岭土的粒径在100μm以下的含量≥85％。

优选的，所述氢氧化钠纯度≥90％。

优选的，所述硅酸钠为速溶粉状硅酸钠；所述硅酸钠的溶解速度在30℃下≤240s；所述硅酸钠在120目下过筛率≥95％；所述硅酸钠的模数≥3.0。

本发明还提供了所述用于路基改善层的飞灰基地聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)称重：称取飞灰、偏高岭土、氢氧化钠、硅酸钠和蒸馏水；

(2)制备碱激发剂：将称取的硅酸钠和氢氧化钠溶解于蒸馏水中，用聚乙烯薄膜密封陈化，得到碱激发剂；

(3)配置地聚合物浆体：将称取的飞灰和偏高岭土慢搅1min，然后将得到的碱激发剂均匀倒入其中搅拌均匀得到地聚合物浆体；

(4)制模成型与养护：将得到的地聚合物浆体倒入试模内，在一定温度下养护至规定龄期。

优选的，步骤(2)所述陈化时间为3～8h；步骤(4)所述温度为55～65℃。

本发明还提供了一种路基尾渣填料，包括所述的飞灰基地聚合物。

优选的，飞灰基地聚合物的不同掺量制备得到的路基尾渣填料在规定的最小压实度条件下，路基尾渣填料的强度特性、水稳定特性以及重金属固化特性满足不同层位、不同等级公路路基的要求，并且符合水泥混凝土路面和沥青路面中对路基顶面回弹模量的规定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物及其制备方法，本发明所述飞灰基地聚合物与普通硅酸盐水泥相比较，其具有高强、早强和耐久性好等优点。将本发明所述的飞灰基地聚合物养护28d后的抗压强度最高可达到15.78MPa，且有害物质浸出量满足环保要求。与普通硅酸盐水泥相比较，本发明所述飞灰基地聚合物制备过程节能环保，每生产一吨地聚合物的二氧化碳释放量仅是生产一吨水泥的1/4～1/6。本发明将有害飞灰和尾渣转化为建筑材料，避免了飞灰和尾渣填埋带来的环境污染等问题，大大减轻工程对水泥材料的需求量，实现了飞灰与尾渣的协同利用，提升了生活垃圾焚烧灰渣的资源化利用效率，缓解道路砂石和填土材料短缺的紧张局面，达到节约资源、减少工程成本的目的，具有显著的经济与社会环境效益。

附图说明

图1为飞灰基地聚合物的制备流程图；

图2为实施例1中的飞灰基地聚合物XRD图；

图3为实施例1中的飞灰基地聚合物SEM图；

图4为实施例1中的飞灰基地聚合物FTIR图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

本发明提供了一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物，由以下质量百分含量原料制成：飞灰37.44～37.80％、偏高岭土9.36～9.44％、氢氧化钠6.48～7.49％、硅酸钠15.81～15.96％、蒸馏水29.31～30.90％。

在本发明中，所述地聚合物的硅铝比优选为7.0、钠硅比优选为0.82～0.86、水灰比优选为0.62～0.66。

在本发明中，所述飞灰优选为生活垃圾焚烧发电炉渣中粒径小于0.075mm的细微颗粒。

在本发明中，所述偏高岭土中SiO₂和Al₂O₃的含量优选为≥90％；所述偏高岭土的粒径优选为≤700μm；所述偏高岭土的粒径在100μm以下的含量优选为≥85％。

在本发明中，所述氢氧化钠纯度优选为≥90％。

在本发明中，所述硅酸钠优选为速溶粉状硅酸钠；所述硅酸钠的溶解速度优选为在30℃下≤240s；所述硅酸钠在120目下过筛率≥95％；所述硅酸钠的模数优选为≥3.0。

本发明还提供了所述用于路基改善层的飞灰基地聚合物的制备方法，包括以下步骤：

(1)称重：称取飞灰、偏高岭土、氢氧化钠、硅酸钠和蒸馏水。

(2)制备碱激发剂：将称取的蒸馏水放置在磁力搅拌器上加热到40℃左右，将称取的硅酸钠和NaOH分5～6次倒入蒸馏水中，同时用玻璃棒不断搅拌，直至颗粒大部分溶解完成，将搅拌好的混合溶液放在磁力搅拌器上，进行磁力搅拌15min，直至溶液颜色变成透明澄清且看不见硅酸钠和NaOH颗粒，最后将搅拌均匀的混合溶液取出，杯口封上聚乙烯薄膜进行陈化得到碱激发剂；在本发明中，所述陈化时间优选为3～8h，更优选为3h。本发明在杯口封上聚乙烯薄膜可以防止水分蒸发流失。

(3)配置地聚合物浆体：将称量好的飞灰和偏高岭土倒入干燥的搅拌锅中，打开开关，慢搅1min至飞灰与偏高岭土混合均匀，随后将陈化好的碱激发剂均匀倒入搅拌锅内，打开开关后快搅1min，直至搅拌充分得到地聚合物浆体；在本发明中，所述聚合物浆体中飞灰、偏高岭土、氢氧化钠、硅酸钠及蒸馏水的质量百分数分别为37.44-37.80％、9.36-9.44％、6.48-7.49％、15.81-15.96％和29.31-30.90％，即硅铝比为7.0，钠硅比为0.82-0.86、水灰比为0.62-0.66；所述浆体状态粘稠且流动性良好。

(4)制模成型与养护：事先对三联模的内部以及表面进行清理，保证没有污垢，随后用油将其内壁涂抹均匀，将得到的地聚合物浆体倒入三联模的二分之一位置，放置在振动台上振动1min，然后将剩余二分之一倒满，再进行振动1min，随后用刮尺将其表面刮平并确保没有气泡产生，试块制模完毕后在室温静置24h后拆模，放入标准养护箱在一定温度下养护至规定期龄。在本发明中，所述温度优选为55～65℃；所述养护至规定期龄为分别养护3d、7d、28d。

本发明还提供了一种路基尾渣填料，包括所述的飞灰基地聚合物。

在本发明中，所述飞灰基地聚合物的不同掺量制备得到的路基尾渣填料在规定的最小压实度条件下，路基尾渣填料的强度特性、水稳定特性以及重金属固化特性满足不同层位、不同等级公路路基的要求，并且符合水泥混凝土路面和沥青路面中对路基顶面回弹模量的规定。

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

(1)称重：按照飞灰、偏高岭土、片状氢氧化钠、速溶粉状硅酸钠及蒸馏水的质量百分数分别为37.45％、9.36％、6.48％、15.81％和30.90％，即硅铝比为7.0，钠硅比为0.82，水灰比为0.66分别称取飞灰240g、偏高岭土60g、片状氢氧化钠41.55g、速溶粉状硅酸钠101.36g、蒸馏水198.09g。

(2)制备碱激发剂：将称取的蒸馏水放置在磁力搅拌器上加热到40℃左右，将称取的硅酸钠和NaOH分5～6次倒入蒸馏水中，同时用玻璃棒不断搅拌，直至颗粒大部分溶解完成，将搅拌好的混合溶液放在磁力搅拌器上，进行磁力搅拌15min，直至溶液颜色变成透明澄清且看不见硅酸钠和NaOH颗粒，最后将搅拌均匀的混合溶液取出，杯口封上聚乙烯薄膜陈化3h得到碱激发剂。

(3)配置地聚合物浆体：将称量好的飞灰和偏高岭土倒入干燥的搅拌锅中，打开开关，慢搅1min至飞灰与偏高岭土混合均匀，随后将陈化好的碱激发剂均匀倒入搅拌锅内，打开开关后快搅1min，直至搅拌充分得到地聚合物浆体。

(4)制模成型与养护：事先对三联模的内部以及表面进行清理，保证没有污垢，随后用油将其内壁涂抹均匀，将得到的地聚合物浆体倒入三联模的二分之一位置，放置在振动台上振动1min，然后将剩余二分之一倒满，再进行振动1min，随后用刮尺将其表面刮平并确保没有气泡产生，试块制模完毕后在室温静置24h后拆模，放入标准养护箱在55℃下分别养护3d、7d、28d。测试其3d、7d及28d的无侧限抗压强度及重金属浸出特性，测试结果如表1所示。

将粗、细尾渣协同用于路基填料，粗尾渣与细尾渣质量比取5:5；飞灰基地聚合物与路基填料的质量比取9％，制备飞灰基地聚合物固化尾渣试件。测试其CBR、回弹模量、7d无侧限抗压强度、水稳定性以及重金属动态浸出特性，测试结果如表1所示。

各项目测试方法及试验条件如下：

(a)CBR

本试验采用CBR表征飞灰基地聚合物固化尾渣路基的强度特性。试验条件控制如下：压实度控制为96％，采用静压法在最佳含水率下成型试件，养护7d、泡水4d后测定试件的CBR。

(b)回弹模量

本试验采用回弹模量表征飞灰基地聚合物固化尾渣路基的强度特性。试验条件控制如下：压实度控制为96％，在最佳含水率下成型试件，养护7d后测定试件的回弹模量。

(c)7d无侧限抗压强度

本试验采用7d无侧限抗压强度表征飞灰基地聚合物及其固化尾渣路基的强度特性。试验条件控制如下：试件的尺寸为

将成型的试件在温度25℃±2℃，湿度>95％的条件下养护至3d、7d、14d，用液压压力机对试件进行抗压试验，加载速率为0.5mm/min。

(d)水稳定性试验

本试验采用CBR浸水折减系数和回弹模量的浸水折减系数表征飞灰基地聚合物固化尾渣路基的水稳定特性。试验条件控制如下：压实度控制为96％，采用静压法在最佳含水率下成型试件，以浸水9d作为路基处于最不利季节的情况模拟。

(e)重金属浸出特性

本试验采用重金属动态循环浸出试验，并参照《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)对飞灰基地聚合物及其固化尾渣路基材料的环境影响进行评价。试验条件控制如下：以96％的压实度为成型条件，在最佳含水率下采用静压法成型试件，试件尺寸为

表1

由表1可知，飞灰基地聚合物的3d、7d以及28d的抗压强度，分别为14.54MPa、15.55MPa、15.78MPa，满足GB14569.1-2011《低、中水平放射性废物固化体性能要求－水泥固化体》不小于7MPa的技术要求。试件浸出液中Cd和Pb浓度，分别为4.12μg/L和4.06μg/L。试件中的Cd和Pb离子浓度相较飞灰明显减小，其中，Cd离子浓度小于GB 16889—2008浓度限值(1mg/L)，Pb离子浓度满足GB 16889—2008浓度限值(5mg/L)。此外，飞灰基地聚合物固化尾渣路基填料的力学强度(CBR、抗压回弹模量以及抗压强度)和水稳定性能良好，满足路基填筑要求。其中，路基填料试件7d的抗压强度为1.39MPa；试件浸出液中Cd和Pb浓度，分别为3.5μg/L和18.9μg/L，满足GB/T14848-2017地下水Ⅳ类标准。

实施例2

(1)称重：按照飞灰、偏高岭土、片状氢氧化钠、速溶粉状硅酸钠及蒸馏水的质量百分数分别为37.62％、9.40％、6.99％、15.89％和30.10％，即硅铝比为7.0，钠硅比为0.84，水灰比为0.64分别称取飞灰240g、偏高岭土60g、片状氢氧化钠44.57g、速溶粉状硅酸钠101.36g、蒸馏水192g。

(2)制备碱激发剂：将称取的蒸馏水放置在磁力搅拌器上加热到40℃左右，将称取的硅酸钠和NaOH分5～6次倒入蒸馏水中，同时用玻璃棒不断搅拌，直至颗粒大部分溶解完成，将搅拌好的混合溶液放在磁力搅拌器上，进行磁力搅拌15min，直至溶液颜色变成透明澄清且看不见硅酸钠和NaOH颗粒，最后将搅拌均匀的混合溶液取出，杯口封上聚乙烯薄膜陈化8h得到碱激发剂。

(3)配置地聚合物浆体：将称量好的飞灰和偏高岭土倒入干燥的搅拌锅中，打开开关，慢搅1min至飞灰与偏高岭土混合均匀，随后将陈化好的碱激发剂均匀倒入搅拌锅内，打开开关后快搅1min，直至搅拌充分得到地聚合物浆体。

(4)制模成型与养护：事先对三联模的内部以及表面进行清理，保证没有污垢，随后用油将其内壁涂抹均匀，将得到的地聚合物浆体倒入三联模的二分之一位置，放置在振动台上振动1min，然后将剩余二分之一倒满，再进行振动1min，随后用刮尺将其表面刮平并确保没有气泡产生，试块制模完毕后在室温静置24h后拆模，放入标准养护箱在65℃下分别养护3d、7d、28d。测试其3d、7d及28d的无侧限抗压强度及重金属浸出特性，测试结果如表2所示。

将粗、细尾渣协同用于路基填料，粗尾渣与细尾渣质量比取5:5；飞灰基地聚合物与路基填料的质量比取9％，制备飞灰基地聚合物固化尾渣试件。测试其CBR、回弹模量、7d无侧限抗压强度、水稳定性以及重金属动态浸出特性，测试结果如表2所示。

各项目测试方法及试验条件同实施例1。

表2

由表2可知，飞灰基地聚合物的3d、7d以及28d的抗压强度，分别为12.06MPa、12.28MPa、13.07MPa，满足GB14569.1-2011《低、中水平放射性废物固化体性能要求－水泥固化体》不小于7MPa的技术要求。试件浸出液中Cd和Pb浓度，分别为3.83μg/L和2.71μg/L。试件中的Cd和Pb离子浓度相较飞灰明显减小，其中，Cd离子浓度小于GB 16889—2008浓度限值(1mg/L)，Pb离子浓度满足GB 16889—2008浓度限值(5mg/L)。此外，飞灰基地聚合物固化尾渣路基填料的力学强度(CBR、抗压回弹模量以及抗压强度)和水稳定性能良好，满足路基填筑要求。其中，路基填料试件7d的抗压强度为1.15MPa；试件浸出液中Cd和Pb浓度，分别为3.24和12.61μg/L，满足GB/T14848-2017地下水Ⅳ类标准。

实施例3

(1)称重：按照飞灰、偏高岭土、片状氢氧化钠、速溶粉状硅酸钠及蒸馏水的质量百分数分别为37.80％、9.44％、7.49％、15.96％和29.31％，即硅铝比为7.0，钠硅比为0.86，水灰比为0.62分别称取飞灰240g、偏高岭土60g、片状氢氧化钠47.56g、速溶粉状硅酸钠101.36g、蒸馏水186.10g。

(2)制备碱激发剂：将称取的蒸馏水放置在磁力搅拌器上加热到40℃左右，将称取的硅酸钠和NaOH分5～6次倒入蒸馏水中，同时用玻璃棒不断搅拌，直至颗粒大部分溶解完成，将搅拌好的混合溶液放在磁力搅拌器上，进行磁力搅拌15min，直至溶液颜色变成透明澄清且看不见硅酸钠和NaOH颗粒，最后将搅拌均匀的混合溶液取出，杯口封上聚乙烯薄膜陈化6h得到碱激发剂。

(3)配置地聚合物浆体：将称量好的飞灰和偏高岭土倒入干燥的搅拌锅中，打开开关，慢搅1min至飞灰与偏高岭土混合均匀，随后将陈化好的碱激发剂均匀倒入搅拌锅内，打开开关后快搅1min，直至搅拌充分得到地聚合物浆体。

(4)制模成型与养护：事先对三联模的内部以及表面进行清理，保证没有污垢，随后用油将其内壁涂抹均匀，将得到的地聚合物浆体倒入三联模的二分之一位置，放置在振动台上振动1min，然后将剩余二分之一倒满，再进行振动1min，随后用刮尺将其表面刮平并确保没有气泡产生，试块制模完毕后在室温静置24h后拆模，放入标准养护箱在60℃下分别养护3d、7d、28d。测试其3d、7d及28d的无侧限抗压强度及重金属浸出特性，测试结果如表3所示。

将粗、细尾渣协同用于路基填料，粗尾渣与细尾渣质量比取5:5；飞灰基地聚合物与路基填料的质量比取9％，制备飞灰基地聚合物固化尾渣试件。测试其CBR、回弹模量、7d无侧限抗压强度、水稳定性以及重金属动态浸出特性，测试结果如表3所示。

各项目测试方法及试验条件同实施例1。

表3

由表3可知，飞灰基地聚合物的3d、7d以及28d的抗压强度，分别为11.37MPa、12.21MPa、12.65MPa，满足GB14569.1-2011《低、中水平放射性废物固化体性能要求－水泥固化体》不小于7MPa的技术要求。试件浸出液中Cd和Pb浓度，分别为2.39μg/L和2.25μg/L。试件中的Cd和Pb离子浓度相较飞灰明显减小，其中，Cd离子浓度小于GB 16889—2008浓度限值(1mg/L)，Pb离子浓度满足GB 16889—2008浓度限值(5mg/L)。此外，飞灰基地聚合物固化尾渣路基填料的力学强度(CBR、抗压回弹模量以及抗压强度)和水稳定性能良好，满足路基填筑要求。其中，路基填料试件7d的抗压强度为1.32MPa；试件浸出液中Cd和Pb浓度，分别为2.31和10.84μg/L，满足GB/T14848-2017地下水Ⅳ类标准。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于路基改善层的飞灰基地聚合物，其特征在于，由以下质量百分含量原料制成：飞灰37.44～37.80％、偏高岭土9.36～9.44％、氢氧化钠6.48～7.49％、硅酸钠15.81～15.96％、蒸馏水29.31～30.90％。

2.根据权利要求1所述的用于路基改善层的飞灰基地聚合物，其特征在于，所述地聚合物的硅铝比为7.0、钠硅比为0.82～0.86、水灰比为0.62～0.66。

3.根据权利要求1所述的用于路基改善层的飞灰基地聚合物，其特征在于，所述飞灰为生活垃圾焚烧发电炉渣中粒径小于0.075mm的细微颗粒。

4.根据权利要求1所述的用于路基改善层的飞灰基地聚合物，其特征在于，所述偏高岭土中SiO₂和Al₂O₃的含量≥90％；所述偏高岭土的粒径≤700μm；所述偏高岭土的粒径在100μm以下的含量≥85％。

5.根据权利要求1所述的用于路基改善层的飞灰基地聚合物，其特征在于，所述氢氧化钠纯度≥90％。

6.根据权利要求1所述的用于路基改善层的飞灰基地聚合物，其特征在于，所述硅酸钠为速溶粉状硅酸钠；所述硅酸钠的溶解速度在30℃下≤240s；所述硅酸钠在120目下过筛率≥95％；所述硅酸钠的模数≥3.0。

7.权利要求1～6任一项所述的用于路基改善层的飞灰基地聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)称重：称取飞灰、偏高岭土、氢氧化钠、硅酸钠和蒸馏水；

(2)制备碱激发剂：将称取的硅酸钠和氢氧化钠溶解于蒸馏水中，用聚乙烯薄膜密封陈化，得到碱激发剂；

(3)配置地聚合物浆体：将称取的飞灰和偏高岭土慢搅1min，然后将得到的碱激发剂均匀倒入其中搅拌均匀得到地聚合物浆体；

(4)制模成型与养护：将得到的地聚合物浆体倒入试模内，在一定温度下养护至规定龄期。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述陈化时间为3～8h；步骤(4)所述温度为55～65℃。

9.一种路基尾渣填料，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的飞灰基地聚合物。

10.根据权利要求9所述的路基尾渣填料，其特征在于，所述飞灰基地聚合物的不同掺量制备得到的路基尾渣填料在规定的最小压实度条件下，路基尾渣填料的强度特性、水稳定特性以及重金属固化特性满足不同层位、不同等级公路路基的要求，并且符合水泥混凝土路面和沥青路面中对路基顶面回弹模量的规定。

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