CN100410203C

CN100410203C - 水工用护层土的制造方法及再生方法

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Publication number: CN100410203C
Application number: CNB2005100039055A
Authority: CN
Inventors: 张政丰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-10
Filing date: 2005-01-10
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2025-01-10
Also published as: CN1803700A

Abstract

一种水工用护层土的制造方法，以及一种可以将由该护层土建构而成的护层结构物回收成再生护层土的再生工法，该制造方法包含：取用含有铝、硅成份的土壤备用步骤、在土壤中加入含有铝、硅单体的活性矿物的添加步骤、强碱裂解步骤，以及聚合步骤。前述护层土在加水后可以浇置成例如：消波块等结构物，当结构物被弃置后，可利用初步压碎、研磨、添加活性矿物、强碱裂解及聚合等再生工法，形成可以回收再利用的再生护层土。依此制造方法所制成的结构物不仅具有较佳的抗压强度及透水性，其在弃置后也可以被回收再利用。

Description

水工用护层土的制造方法及再生方法

【技术领域】

本发明是涉及一种制造方法及再生工法，特别是涉及一种制成的护层土适合用来建构成消波块、异型块、边坡护岸、石头材料、房屋、透水格框等等水工用护层结构物，且该等护层结构物被弃置时可以被再生利用的水工用护层土的制造方法，以及再生工法。

【背景技术】

在以往的技艺中，为了抵挡海浪侵蚀海岸，通常是依据不同工法排列，将例如：消波块、异型块等等的水工用护层结构物摆放在邻近海岸的位置，借以保护海岸及陆地的安全，而以往水工用护层结构物在制造上，通常需要使用大量水泥及河川砂石来作为胶结料，但是这种以水泥及河川砂石为主的结构物在制造上会产生下述缺失：

一、水泥在制造的过程中会产生大量破坏环境的二氧化碳，因此大量使用水泥会间接破坏环境生态。

二、河川砂石是一种位在河床上，并可保护河床免于过度被河水冲刷的天然石材，但是以往消波块等护层结构物是以河川砂石为主要材料，此将导致砂石被过度开采或盗采，使得河床失去保护而危急防洪构造物或跨河构造物的安全。

三、以往的消波块等结构物在成型后是一种不透水的混凝土块，此种混凝土的颜色与海岸原本的色泽不同，因此会严重破坏海岸的景观。

四、更重要的，以往由砂石及水泥作成的混凝土块无法再生利用，也无法被大自然所分解，故当消波块等结构物被弃置或者被海浪冲到海底时，会造成环境及海洋生态的永远污染。

另有一种以往的水工用护层结构物是使用土壤水泥(soilcement)来作原料，其施工方法是将土壤及水泥混合后，利用辗压机具将土壤水泥辗压到需要的密度及强度，以形成例如河川边波护岸的护层结构物，这种施工方法虽然可以免用河川砂石，但是在施工时需要透过繁琐的材料准备、辗压程序以及施工空间等等的问题，其辗压后的抗压强度大约只能到达10MPa(mega-pascal)以下，抗压强度不足。此外，这种施工方法虽然使用土壤为主要材料，但是土壤的颗粒经过压密后会和水泥连结，故此种由土壤及水泥构成的结构物不透水而无法涵养水源。

因此，找寻消波块等等水工用护层结构物的替代材料，使其在兼顾环保的同时，又可达到足够抗压强度等等的要求，为制造水工用护层结构物急待改进的课题。

【发明内容】

本发明的目的是在提供一种可以制作出强度高、具透水性的结构物，且该结构物可以被回收再利用的水工用护层土的制造方法。

本发明另一目的是在提供一种可以将水工用护层土所建构的护层结构物回收再利用的再生工法。

本发明的水工用护层土的制造方法包含以下步骤：

(一)土壤备用：取用含有铝(Al)、硅(Si)成份的土壤备用，当土壤为粘土时，需要先进行高温锻烧，以破坏土壤中的氢氧化铝[Al(OH)₃]的氢键，使土壤形成介稳定状态的无定型硅铝化合物，当土壤为不含氢键的砂土时，可以直接取用。

(二)添加活性矿物：依据土壤中铝单体与硅单体的含量，在土壤中加入适量的活性矿物，借以补充土壤中的铝、硅单体含量。

(三)强碱裂解：使用强碱将土壤及活性矿物中的铝、硅单体解离出来。

(四)聚合：以聚合介质将被强碱解聚的硅、铝单体重新聚合成具有硅氧四面体及铝氧四面体的水工用护层土。

前述水工用护层土可依用途不同，制作成例如：消波块、异型块、边坡护岸、石头材料、房屋结构、透水格框等等适合邻近水边的水工用护层结构物。制作时是在水工用护层土中加入适当的水调拌成泥浆，再配合模具将泥浆浇置成护层结构物。

本发明的再生工法是将前述护层结构物回收成可再度被利用的再生护层土，该再生工法包含以下步骤：

(一)初步压碎：将依上述制造方法所制成的水工用护层结构物压碎成小土块。

(二)研磨：利用研磨机将小土块研磨成再生土壤。

(三)添加活性矿物：依据再生土壤中铝单体与硅单体的含量，在土壤中加入适量的活性矿物，借以补充土壤中的铝、硅单体含量。

(四)强碱裂解：使用强碱将再生土壤及活性矿物中的铝、硅单体解离出来。

(五)聚合：以聚合介质将被强碱解聚的硅、铝单体重新聚合成具有硅氧四面体及铝氧四面体的再生护层土。

在前述再生护层土中加水后，可再次被浇置成再生护层结构物。

本发明的水工用护层结构物可以是：用来减缓海浪对海岸冲刷力量的消波块、异型块，也可以是建构在河川两岸的边坡护岸，或者为石头、透水格框，或者为房屋等等邻近海边或河边的建筑或材料。

本发明所使用的土壤是依据ASTM D2487的土壤分类法作分类，上述土壤可分为：砾石质土壤(GW、GP、GM、GC、GC-GM、GW-GM、GW-GC、GP-GM、GP-GC)，砂质土壤(SW、SP、SM、SC、SC-SM、SW-SM、SW-SC、SP-SM、SP-SC)，粉土质及粘土质土壤(CL、ML、OL、CH、MH、OH、CL-ML、Pt)。其中G代表砾石质土壤，S代表砂质土壤，M代表无机粉土，C代表无机粘土，O代表有机粉土，也就是有机粘土，Pt代表泥炭土，W代表级配良好，P代表级配不良，L代表低塑性，H代表高塑性。

本发明在土壤备用的步骤中，需要依据土壤的种类做不同的处理，当土壤为含有氢键的粘土时，由于氢键的结构强度差，若未加以排除，不仅会影响到成型结构物的抗压强度，存在的氢键也会在成型时吸收大量的水，造成结构物在成型后产生干缩裂缝，影响到施工的品质，为了避免以上缺失，当采用粘土为土壤时，本发明需要先将粘土矿物加热到700℃，并保持700℃恒温4小时，目的在于破坏土壤中的氢氧化铝[Al(OH)₃]的氢键，使土壤形成无定型硅氧化合物。

本发明所使用的活性矿物是指含有高二氧化硅(SiO₂)及三氧化二铝(Al₂O₃)的活性矿物，具体例有：飞灰(Flyash)、炉石(Slag)、沸石(Zeolite)、硅灰(Silica fume)等等，借由活性矿物的添加，可以补充土壤中铝、硅元素含量的不足。

本发明的强碱解聚步骤主要是使用5～10M的氢氧化钠(NaOH)溶液，并且将经由高温处理后的土壤及活性矿物解离成硅单体及铝单体，解聚的目的在于使聚合的步骤能够顺利的进行，上述聚合步骤主要是使用硅酸钠(Na₂SiO₄)或者硅酸钾(K₂SiO₄)，将强碱解聚后的矿物中的硅及铝单体重新聚合成类似沸石结构的无机水工用护层土，前述类似沸石结构的护层土的基本结构为硅氧四面体及铝氧四面体，各四面体的连结方式是以离子键及共价键为主，而以凡得瓦键(van der Waals bond)为辅。这种以离子键及共价键为主的水工用护层土的特色是，单体间的键结关系类似金属的结合，故可以产生较佳的结构强度，而依水工用护层土的材料比例不同，其键结后的结构体大致可分为以下四型：

(一)第一型：Si：Al＝1，(-Si-O-Al-)，立体结构式如下所示：

(二)第二型：Si：Al＝2，(-Si-O-Al-O-Si-)，立体结构式如下所示：

(三)第三型：Si：Al＝3，(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-)，立体结构式如下所示：

(四)第四型：Si：Al＞3，立体结构式如下所示：

也就是说，经解聚再聚合后的水工用护层土中的硅、铝数量的比值若大致等于1时，该护层土的分子结构类似第一型。当两者的数量比值大致是2时，其分子结构就类似第二型，以此类推，当硅、铝的数量比值是3时属于第三型，两者的比值大于3时，其分子结构就比较类似第四型。

为了成型例如：消波块、异型块、边坡护岸、石头材料、房屋结构、透水格框等的水工用护层结构物，本发明需要在前述护层土中加入适当比例的水，以调拌成预备浇置成型该结构物的泥浆。依试验结果得知，该泥浆较佳是含有：25～50重量％的土壤、25～50重量％的活性矿物、20～35重量％的水、5～10重量％的聚合介质，以及少量的含气量。依此比例调制而成的泥浆在形成护层结构物时，将具有较佳的抗压强度及透水性。

本发明的再生方法主要是用来回收依上述制造方法所制成的水工用护层结构物，并将该护层结构物制成可再度被利用的再生护层土，该再生方法首先将结构物拆卸下来，然后将结构物压碎成小土块，再选用具有直径50～80mm钢球的研磨机研磨成粒径小于0.2mm的粉末，就可形成再生土壤。上述再生土壤再经过高温锻烧、添加活性矿物、强碱裂解、聚合等步骤，就可以制成本发明的再生护层土，此再生护层土在加水后可以再度浇置成再生护层结构物。

【附图说明】

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是本发明制造方法的一较佳实施例的加工流程图；及

图2是本发明再生工法的一较佳实施例的加工流程图

【具体实施方式】

【实施例1】

参阅图1，本发明实施例1的各组成如表1所示，就是将1000重量份的飞灰加入1000重量份锻烧后的土壤中，并以50重量份的10M的氢氧化钠对飞灰及土壤进行解聚，然后以120重量份的硅酸钠(Na₂SiO₂)对解聚后的混合物进行聚合，就可以形成本发明所需的水工用护层土，在该护层土中加入900重量份的水使其形成泥浆，并依用途需要将泥浆浇置成例如：消波块、异型块、边坡护岸、石头材料、房屋结构、透水格框等的水工用护层结构物。其中表1中的飞灰、土壤的组成如表2所示，而硅酸钠的组成包含：14.7％的氧化钠(Na₂O)、29.5％的二氧化硅(SiO₂)，以及55.8％的水，该护层结构物的抗压强度、孔隙率及渗透系数等性能测试则载于表3。

【实施例2～10】

制造的步骤如实施例1所示，不同的地方是土壤、活性矿物比例及成份，其中实施例9～10的土壤是采用不含氢键且未经锻烧的砂石，形成的结构物的性能测试载于表3。

【实施例11】

参阅图2及附件二的再生流程图，本发明实施例11的土壤是采用再生土壤，就是将护层结构物拆解后压成小土块，并以具有直径50～80mm的钢球的研磨机，将小土块研磨成粒径小于0.2mm的再生土壤并高温锻烧，然后将1000重量份锻烧后的再生土壤、1000重量份的飞灰混合，并以50重量份的10M的氢氧化钠进行解聚，以120重量份的硅酸钠进行聚合，就可以形成再生护层土，然后在该再生护层土中加入900重量份的水调制成泥浆，就可以成型再生水工用护层结构物，形成的结构物的性能测试也是载于表3。

【实施例12～16】

制造的步骤如实施例11所示，不同的地方是锻烧后的再生土壤、活性矿物比例及成份，性能测试也是载于表3。

由以上说明可知，本发明各实施例在28天的抗压强度均大于20MPa，而90天的抗压强度大约与28天相当，7天的抗压强度大致是28天的抗压强度的70～80％左右，上述抗压强度都大于目前施工单位对于水工用护层结构物的抗压强度要求，例如目前一般施工单位对于消波块的施工要求，其混凝土在28天时的抗压强度在175～210kgf/cm²，而1MPa＝10.2kgf/cm²，故前述标准的抗压强度可以换算成17.16～20.6MPa，本发明各实施例的抗压强度都高于该标准值。更特别的是，本发明的实施例9、10是直接采用未经锻烧的砂土，该等实施例在28天的抗压强度都大于20MPa，而实施例11～16采用再生土壤，其抗压强度也明显提高许多，故本发明的制造方法及再生工法所制成的水工用护层土，确实可以建构出具有较佳抗压强度的水工用护层结构物。

再由表3及表4的数据也可以了解，本发明各实施例在透水性的试验上，在90天后的透水系数大约介于10^-5～10^-7m/sec，此透水系数与粉质粘土相当，属于透水材料，由于本发明的护层结构物是使用在海岸或者河岸，因此，良好的透水性可以保有土壤原有的多孔性，也就是说，本发明的护层土在制成结构物时，其特性类似天然石头，在使用时可以和大自然溶为一体，利用上也不会破坏生态，当然，本发明最大的优点是护层结构物可以被回收再利用，借此解决以往以水泥为主要材料的水工用护层结构物在弃置后对环境所造成的污染。

表1：本发明各实施例的配置比。

表2：本发明各实施例所使用的土壤的化学成份百分比。

表3：本发明各实施例的性能测试结果。

表4：揭示数种以往土壤与本发明的水工用护层土的渗透系数。

表1：本发明各实施例的成份配置比

表2：本发明各实施例所使用的土壤的化学成份百分比

表3：本发明各实施例的性能测试结果

表4：数种以往土壤与本发明的水工用护层土的渗透系数

材料种类	渗透系数(m/sec)
材料种类	渗透系数(m/sec)	干净砾石	10<sup>-2</sup>～1m/sec
粗砂	10<sup>-2</sup>～10<sup>-4</sup>m/sec	干净砾石	10<sup>-2</sup>～1m/sec
粗砂	10<sup>-2</sup>～10<sup>-4</sup>m/sec	细砂	10<sup>-4</sup>～10<sup>-5</sup>m/sec
粉质粘土	10<sup>-5</sup>～10<sup>-7</sup>m/sec	细砂	10<sup>-4</sup>～10<sup>-5</sup>m/sec
粉质粘土	10<sup>-5</sup>～10<sup>-7</sup>m/sec	粘土	＜10<sup>-7</sup>m/sec
普通混凝土	10<sup>-10</sup>～10<sup>-11</sup>m/sec	粘土	＜10<sup>-7</sup>m/sec
普通混凝土	10<sup>-10</sup>～10<sup>-11</sup>m/sec	高性能混凝土	＜10<sup>-11</sup>m/sec
水工用护层土	10<sup>-5</sup>～10<sup>-7</sup>m/sec	高性能混凝土	＜10<sup>-11</sup>m/sec

Claims

1. 一种水工用护层土的制造方法，其特征在于：包含以下步骤：

(一)土壤备用：取用含有铝、硅成份且不含氢键的土壤备用；

(二)添加活性矿物：在土壤中加入含有高二氧化硅及三氧化二铝的活性矿物；

(三)强碱裂解：使用5～10M的氢氧化钠将土壤及活性矿物中的铝、硅单体解离出来；及

(四)聚合：使用硅酸钠及/或硅酸钾的聚合介质，将铝、硅单体重新聚合成具有硅氧四面体及铝氧四面体的水工用护层土。

2. 一种水工用护层土的制造方法，其特征在于：包含以下步骤：

土壤备用：取用含有铝、硅成份的粘土质土壤备用；

高温锻烧：对土壤进行高温煅烧，以去除粘土中的氢键；

添加活性矿物：在土壤中加入含有高二氧化硅及三氧化二铝的活性矿物；

强碱裂解：使用5～10M的氢氧化钠将土壤及活性矿物中的铝、硅单体解离出来；及

聚合：使用硅酸钠及/或硅酸钾的聚合介质，将铝、硅单体重新聚合成具有硅氧四面体及铝氧四面体的水工用护层土。

3. 如权利要求2所述水工用护层土的制造方法，其特征在于：该高温锻烧是在700℃下持续加热4个小时。

4. 如权利要求1所述水工用护层土的制造方法，其特征在于：该土壤是选自：砾石质土壤、砂质土壤和粉土质土壤。

5. 如权利要求1所述水工用护层土的制造方法，其特征在于：该活性矿物是选自以下活性矿物的至少一种：飞灰、炉石粉、沸石粉及硅灰。

6. 如权利要求2所述水工用护层土的制造方法，其特征在于：该活性矿物是选自至少一种：飞灰、炉石粉、沸石粉及硅灰。

7. 一种再生方法，用以回收再利用由权利要求1或权利要求2所制成的水工用护层土建构而成的结构物，其特征在于：包含以下步骤：

(一)初步压碎：将所述结构物压成小土块；

(二)研磨：将前述小土块研磨成再生土壤；

(三)添加活性矿物：在再生土壤中加入含有高二氧化硅及三氧化二铝的活性矿物；

(四)强碱裂解：使用5～10M的氢氧化钠将再生土壤及活性矿物中的铝、硅单体解离出来；及

(五)聚合：使用硅酸钠及/或硅酸钾的聚合介质，将铝、硅单体重新聚合成具有硅氧四面体及铝氧四面体的再生护层土。

8. 如权利要求7所述的再生方法，其特征在于：该再生土壤的粒径小于0.2mm。

9. 如权利要求7所述的再生方法，其特征在于：该活性矿物是选自以下活性矿物的至少一种：飞石、炉石粉、沸石粉及硅灰。