本發(fā)明屬于道路工程領(lǐng)域中的路面建設(shè)材料，具體涉及一種改性礦渣棉增強(qiáng)水泥混凝土路面的制備方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)公路路面主要采用瀝青鋪設(shè)，而水泥混凝土路面只占一小部分。水泥混凝土材料具有承載力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、耐久性優(yōu)異、日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于瀝青資源有限，而水泥生產(chǎn)量大的我國(guó)而言，采用水泥混凝土鋪設(shè)路面不失為解決問題的關(guān)鍵。但是普通的水泥混凝土路面因水泥混凝土材料自身的特點(diǎn)，存在脆性大，抗拉、抗折強(qiáng)度低，易收縮開裂，韌性差，抗沖擊性能較低等固有缺陷，從而會(huì)降低水泥混凝土路面的耐久性能。

為改善水泥混泥土材料的性能，目前人們常用的方法有加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)、采取修補(bǔ)技術(shù)以及在水泥混凝土基體中摻合纖維等途徑。較常用的纖維有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、維綸纖維及聚丙烯纖維等，如混合纖維水泥混凝土(申請(qǐng)?zhí)?01010116108.9)，就是在水泥混凝土中摻入鋼絲型鋼纖維、銑削型鋼纖維和聚丙烯纖維。但鋼纖維在水泥混凝土中易腐蝕，聚丙烯纖維強(qiáng)度和模量低，在一定的外界條件下易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，喪失一定的使用性能，碳纖維價(jià)格昂貴，工程應(yīng)用中受到一定的限制。

礦渣棉的主要原料是高爐廢渣，成本較低。高爐渣是鋼鐵冶煉過程產(chǎn)生的主要副產(chǎn)品，是冶金廢渣中數(shù)量最多的一種。目前高爐廢渣的主要利用途徑，使其附加值較低。大部分高爐廢渣為水淬高爐渣，主要用于水泥和混凝土的摻合料，每噸售價(jià)只有30～50元，其次是生產(chǎn)礦渣骨料和透水磚，少量的用于生產(chǎn)膨珠、礦渣棉、礦渣微晶玻璃、無機(jī)涂料和無機(jī)膠凝材料等。研究表明，把廢渣制成纖維棉用于混凝土的增強(qiáng)材料，能夠在一定程度上改善混凝土性能方面的缺陷。但礦渣棉在水泥中不僅易被水泥水化時(shí)產(chǎn)生的堿性物質(zhì)所腐蝕、粉化，導(dǎo)致基體內(nèi)的纖維斷裂，而且礦渣棉在與混合料攪拌過程中也易被石子所破壞，出現(xiàn)纖維表層被劃傷、甚至斷裂的現(xiàn)象，造成其性能的下降，失去了纖維增強(qiáng)增任的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)水泥混凝土材料性能的不足及缺陷，提供一種適用于普通路面的纖維增強(qiáng)水泥混凝土材料。通過添加由高爐廢渣制備的改性礦渣棉纖維來增強(qiáng)和改善水泥混凝土材料的強(qiáng)度、韌性以及耐久性，同時(shí)也能有效的抑制早期微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。其中由高爐廢渣生產(chǎn)而來的礦渣棉，來源于工業(yè)固體廢棄物，因此原料不僅來源廣泛，且成本低廉，變廢為寶。

本發(fā)明所述的基準(zhǔn)混凝土配合比：每立方的組成為水泥370kg～430kg、河砂645kg～800kg、石子1100kg～1270kg，改性礦渣棉12kg～60kg、粉煤灰18kg～85kg、水150～190kg、減水劑2.5kg～4.3kg。

上述所用的粉煤灰化學(xué)成分SiO₂的含量為45wt％～65wt％，Al₂O₃含量為22wt％～35wt％，其他成分的含量不大于33wt％。

上述所用的水泥為礦渣硅酸鹽水泥，SiO₂含量為20wt％～30wt％，CaO含量為40wt％～60wt％，Al₂O₃含量為5wt％～15wt％，MgO含量為1wt％～wt 8％，F(xiàn)e₂O₃含量為1wt％～3wt％。

上述所用的礦渣棉酸度系數(shù)為1.1～1.4，單絲直徑為3μm～7μm，長(zhǎng)度為5cm～20cm，彈性模量為20GPa～30GPa，抗拉強(qiáng)度為30MPa～60MPa；

為改善礦渣棉的耐堿性能，通過用一定溶度的粉煤灰溶液對(duì)其進(jìn)行表面改性，其改性方法及步驟如下進(jìn)行：

礦渣棉由高爐廢渣經(jīng)重熔、調(diào)質(zhì)、離心制得，將礦渣棉放入固體濃度為15wt％～45wt％的粉煤灰溶液中進(jìn)行攪拌混合，礦渣棉與粉煤灰溶液的固液比是1g：20mL～1g：10mL，攪拌轉(zhuǎn)速為200～1000r/min，攪拌5min～10min后，將礦渣棉打撈出進(jìn)行低溫烘干，烘干溫度為75℃～105℃，保溫時(shí)間為40min～100min，烘干后進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為500℃～650℃，保溫時(shí)間20min～60min后即得到改性的礦渣棉。

而且為了避免石子在攪拌過程中對(duì)礦渣棉造成損害，采用先添加礦渣棉后加石子的方式，使添加石子之前，礦渣棉已經(jīng)均勻分布于混合料中，且加石子時(shí)同時(shí)加水，增加混合料的流動(dòng)性，減小石子與纖維的摩擦機(jī)率和強(qiáng)度，使其保持原狀態(tài)，發(fā)揮其增強(qiáng)的作用，具體的操作步驟為：首先，將膠凝材料、細(xì)骨料加到攪拌機(jī)中，攪拌2min～3min；然后，將改性礦渣棉加入后再攪拌2min～4min，使纖維盡量均勻分布混合料內(nèi)；最后，再將混合均勻的水和減水劑，以及石子同時(shí)加入攪拌機(jī)中，攪拌2min～3min，待攪拌均勻后即得到改性礦渣棉增強(qiáng)水泥混凝土的路面材料。

此外，本發(fā)明還摻合了一定含量的粉煤灰，利用粉煤灰優(yōu)良的流動(dòng)性，更好地填充了骨料之間的表面間隙，且粉煤灰成分中SiO₂、Al₂O₃含量超過65％，能夠?qū)λ嗨^程中產(chǎn)生的Ca(OH)₂起到稀釋作用，降低水泥漿體的堿性，減緩其對(duì)礦渣棉的腐蝕；兩者的協(xié)同作用增強(qiáng)水泥混凝土性能，使得明混凝土材料抗壓、抗折能力都顯著改善。本發(fā)明所用的原材料都很常見，加工工藝也較為簡(jiǎn)單，材料成本、加工成本低；為礦渣棉增強(qiáng)水泥混凝土材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

本申請(qǐng)重點(diǎn)在于使用了改性的礦渣棉。在本領(lǐng)域中，普通礦渣棉可以增強(qiáng)水泥性能，但是，水泥為堿性環(huán)境，在水泥那樣的減溶液中，礦渣棉容易堿化腐蝕，本申請(qǐng)首先將普通礦渣棉通過用粉煤灰高溫改性，形成一個(gè)致密的保護(hù)膜，其次，通過改變添加順序和攪拌順序，防止改性礦渣棉斷裂。在現(xiàn)有技術(shù)中，并未發(fā)現(xiàn)通過粉煤灰改性礦渣棉的公開報(bào)道，同時(shí)也未發(fā)現(xiàn)有如本申請(qǐng)技術(shù)方案相同的制備工藝。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施的工藝流程圖。

圖2實(shí)施例1使用本發(fā)明所述的方法制備的實(shí)驗(yàn)樣品的SEM照片。

圖3實(shí)施例2使用本發(fā)明所述的方法制備的實(shí)驗(yàn)樣品的SEM照片。

圖4實(shí)施例3使用本發(fā)明所述的方法制備的實(shí)驗(yàn)樣品的SEM照片。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步闡述說明。

下面三個(gè)實(shí)施例所用的粉煤灰均為二級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分如1表：

表1粉煤灰化學(xué)成分分析(％)

實(shí)施例中所用的河砂細(xì)度模數(shù)為2.36，密度為2650kg/m³；

所用石子粒徑為5mm～15mm，其中5mm～10mm占90％，10mm～15mm占10％，密度為2680kg/m³；

所用水泥為礦渣硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為P·S·B 32.5，其化學(xué)成分礦渣棉的化學(xué)成分為CaO含量52.15％，Al₂O₃含量7.84％，SiO₂含量27.31％，MgO含量6.93％；

實(shí)施例1：本實(shí)施例涉及一種改性礦渣棉增強(qiáng)水泥混凝土路面，所述發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

第一步：改性礦渣棉的制備。試驗(yàn)所用的礦渣棉由高爐廢渣經(jīng)重熔、調(diào)質(zhì)、離心制得，離心所得礦渣棉的酸度系數(shù)為1.4，單絲均直徑為5μm，均長(zhǎng)度為15cm，彈性模量為30GPa，抗拉強(qiáng)度50MPa。礦渣棉的化學(xué)成分為CaO含量30.10wt％；MgO含量7.80wt％；Al₂O₃含量15.45wt％；SiO₂含量41.74wt％；Fe₂O₃含量1.39wt％；TiO₂含量1.33wt％；MnO含量0.24wt％；Na₂O含量0.71wt％；K₂O含量1.02wt％；S含量0.31wt％；P含量0.020wt％。將上述礦渣棉放入固體濃度為20wt％的粉煤灰溶液中進(jìn)行攪拌混合，礦渣棉與粉煤灰溶液的固液比是1g：15mL，攪拌轉(zhuǎn)速為200r/min，攪拌7min后，打撈出進(jìn)行烘干，烘干溫度為100℃，保溫時(shí)間為50min，烘干后進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為550℃，保溫時(shí)間50min后即可得到改性礦渣棉。

第二步，混合料制備。將礦渣硅酸鹽水泥420kg、河砂760kg、粉煤灰80kg倒入攪拌機(jī)中，攪拌2min后，摻入改性礦渣棉12kg，干式攪3min以保證纖維均勻分布，均勻后再往攪拌機(jī)中加入水170kg與減水劑3kg的混合物以及石子1270kg，攪拌2min，即得到改性礦渣棉增強(qiáng)水泥混凝土材料。

實(shí)施效果：本實(shí)施例制備的單摻改性礦渣棉增強(qiáng)的水泥混凝土在7d后，與相同配合比的素水泥混凝土相比，抗壓強(qiáng)度提升7.04％，抗折強(qiáng)度提升7.27％；28d后，與相同配合比的素水泥混凝土相比，抗壓強(qiáng)度提升20.61％，抗折強(qiáng)度提升17.42％。

實(shí)施例2：本實(shí)施例涉及一種改性礦渣棉與粉煤灰復(fù)合材料增強(qiáng)的水泥混凝土路面，所述發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

第一步：改性礦渣棉的制備。試驗(yàn)所用的礦渣棉由高爐廢渣經(jīng)重熔、調(diào)質(zhì)、離心制得，離心所得礦渣棉的酸度系數(shù)為1.2，單絲均直徑為4μm，均長(zhǎng)度為10cm，彈性模量為25GPa，抗拉強(qiáng)度45MPa。礦渣棉的化學(xué)成分為CaO含量29.15wt％；MgO含量8.10wt％；Al₂O₃含量15.04wt％；SiO₂含量42.25wt％；Fe₂O₃含量1.28wt％；TiO₂含量1.34wt％；MnO含量0.27wt％；Na₂O含量0.68wt％；K₂O含量1.02wt％；S含量0.33wt％；P含量0.010wt％。將上述礦渣棉放入固體濃度為30wt％的粉煤灰溶液中進(jìn)行攪拌混合，礦渣棉與粉煤灰溶液的固液比是1g∶15mL。攪拌轉(zhuǎn)速為700r/min，攪拌6min后，打撈出進(jìn)行烘干，烘干溫度為95℃，保溫時(shí)間為50min，烘干后進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為600℃，保溫時(shí)間45min后即可得到改性礦渣棉。

第二步，混合料制備。將礦渣硅酸鹽水泥400kg、河砂700kg、粉煤灰20kg倒入攪拌機(jī)中，攪拌4min后，摻入改性礦渣棉30kg，干式攪3min以保證纖維均勻分布，均勻后再往攪拌機(jī)中加入水170kg與減水劑3.5kg的混合物以及石子1100kg，攪拌2.5min，即得到改性礦渣棉增強(qiáng)水泥混凝土材料。

實(shí)施效果：本實(shí)施例制備的改性礦渣棉及粉煤灰復(fù)合材料增強(qiáng)的水泥混凝土在7d后，與相同配合比的素水泥混凝土相比，抗壓強(qiáng)度提升18.29％，抗折強(qiáng)度提升34.23％；28d后，與相同配合比的素水泥混凝土相比，抗壓強(qiáng)度提升21.94％，抗折強(qiáng)度提升23.29％。

實(shí)施例3：本實(shí)施例涉及一種改性礦渣棉與粉煤灰復(fù)合材料增強(qiáng)的水泥混凝土路面，所述發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

第一步：改性礦渣棉的制備。試驗(yàn)所用的礦渣棉由高爐廢渣經(jīng)重熔、調(diào)質(zhì)、離心制得，離心所得礦渣棉的酸度系數(shù)為1.4，單絲均直徑為5μm，均長(zhǎng)度為15cm，彈性模量為30GPa，抗拉強(qiáng)度50MPa。礦渣棉的化學(xué)成分為CaO含量30.10wt％；MgO含量7.80wt％；Al₂O₃含量15.45wt％；SiO₂含量41.74wt％；Fe₂O₃含量1.39wt％；TiO₂含量1.33wt％；MnO含量0.24wt％；Na₂O含量0.71wt％；K₂O含量1.02wt％；S含量0.31wt％；P含量0.020wt％。將上述礦渣棉放入固體濃度為15wt％的粉煤灰溶液中進(jìn)行攪拌混合，礦渣棉與粉煤灰溶液的固液比是1g：20mL。攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min，攪拌6min后，打撈出進(jìn)行烘干，烘干溫度為100℃，保溫時(shí)間為60min，烘干后進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為500℃，保溫時(shí)間55min后即可得到改性礦渣棉。

第二步，混合料制備。將礦渣硅酸鹽水泥380kg、河砂780kg、粉煤灰56kg倒入攪拌機(jī)中，攪拌2.5min后，摻入改性礦渣棉17kg，干式攪2.5min以保證纖維均勻分布，均勻后再往攪拌機(jī)中加入水170kg與減水劑3kg的混合物以及石子1270kg，攪拌2min，即得到改性礦渣棉增強(qiáng)水泥混凝土材料。

實(shí)施效果：本實(shí)施例制備的改性礦渣棉及粉煤灰復(fù)合材料增強(qiáng)的水泥混凝土在7d后，與相同配合比的素水泥混凝土相比，抗壓強(qiáng)度提升9.30％，抗折強(qiáng)度提升18.87％；28d后，與相同配合比的素水泥混凝土相比，抗壓強(qiáng)度提升21.33％，抗折強(qiáng)度提升18.21％。