CN101035879A - 固化材料 - Google Patents

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Abstract

含有水硬率(H.M.)为1.8～2.3、硅酸率(S.M.)为1.3～2.3、铁率(I.M.)为1.3～2.8的烧结物A的粉碎物和石膏的固化材料。该固化材料用于地基改良，特别适合于高含水量土和高有机质土等软土的固化处理。

Description

固化材料
技术领域
本发明涉及地基改良用的固化材料，特别涉及适合于高含水量土和高有机质土等的固化处理的固化材料。
背景技术
一直以来，在土木和建设领域中，为了有效利用河流、湖泊、海洋等附近的由污泥等构成的软地基，以固化材料对它们进行固化。此外，为了防止在河流、湖泊、海洋等中进行的土木建设工程的过程中产生的建设污泥的再污泥化，也使用固化材料。
作为这种固化材料的一例，提出有如下的土壤固化材料：以在800～900℃下烧结而成的造纸浆灰为原料，将50～70质量％造纸浆灰、10质量％高炉矿渣微粉、10～20质量％石灰或生石灰、10～20质量％无水石膏或熟石膏混合而成(例如专利文献1)。
然而，这样的土壤固化材料因土的种类(例如高含水量土和高有机质土等)不同，可能会有即使大量使用也难以获得目标强度的情况，或者经固化处理的土的耐久性低。
专利文献1：日本专利特开2002-88362号公报
发明的揭示
因此，本发明的目的在于提供适合于高含水量土和高有机质土等软土的固化处理的固化材料。
在所述的实际情况下，本发明人认真研究后发现，如果组合具有特定的水硬率、硅酸率和铁率的烧结物的粉碎物与石膏使用，则可以获得适合于高含水量土和高有机质土等软土的固化处理的固化材料，从而完成了本发明。
即，本发明提供含有水硬率(H.M.)为1.8～2.3、硅酸率(S.M.)为1.3～2.3、铁率(I.M.)为1.3～2.8的烧结物A的粉碎物和石膏的固化材料。
本发明的固化材料在用于高含水量土和高有机质土等软土时也可以获得高强度。此外，经固化处理的土的耐久性也良好。
另外，也可以使用以工业废弃物、一般废弃物、工程建设废土为原料的烧结物，所以可以促进废弃物的有效利用。
实施发明的最佳方式
本发明中所用的烧结物A的水硬率(H.M.)为1.8～2.3，较好是2～2.2。水硬率不到1.8时，烧结物中的3CaO·SO2(C3S)的含量少，经固化处理的土的早期强度表现性下降，而且烧结物A的烧结也困难。若水硬率超过2.3，虽然经固化处理的土的早期强度表现性提高，但长期强度的持续性变差。
烧结物A的硅酸率(S.M.)为1.3～2.3，较好是1.5～2。硅酸率不到1.3时，烧结物A的烧结变得困难。若硅酸率超过2.3，则经固化处理的土的强度表现性下降，而且烧结物中的3CaO·Al2O3(C3A)和4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)的含量减少，烧结物A的烧结变得困难。
此外，烧结物A的铁率(I.M.)为1.3～2.8，较好是1.5～2.6。铁率不到1.3时，烧结物A的粉碎性下降，而且经固化处理的土的早期强度表现性下降。若铁率超过2.8，则烧结物中的C3A含量增多，为了表现出所需的固化性能而要添加的石膏量增加，在成本方面是不利的。
另外，水硬率(H.M.；hydraulic modulus)、硅酸率(S.M.；silica modulus)、铁率(I.M.；iron modulus)以下式表示。
Figure A20048004414100041
Figure A20048004414100042
烧结物A可以使用一般的硅酸盐水泥熟料的原料进行制造，即石灰石、生石灰、消石灰等CaO原料，硅石、粘土等SiO2原料，粘土等Al2O3原料，铁矿渣、铁块等Fe2O3原料。
此外，本发明中，作为烧结物A的原料，可以使用选自工业废弃物、一般废弃物和工程建设废土的1种以上。作为工业废弃物，可以例举新制混凝土淤渣、各种污泥(例如下水道污泥、净水污泥、建筑污泥、制铁污泥等)、建筑废料、混凝土废料、钻探废弃土、各种焚烧灰、铸型砂、石棉、废玻璃、高炉二次灰等。作为一般废弃物，可以例举下水道污泥干粉、都市垃圾焚烧灰、贝壳等。作为工程建设废土，可以例举由建筑工地和工程工地等产生的泥土和残渣以及废弃土壤等。
可以将这些原料混合，使其达到规定的水硬率、硅酸率、铁率，较好是在1200～1550℃、更好是1350～1450℃的温度下进行烧结，从而制造烧结物A。
混合各原料的方法没有特别限定，可以使用惯用的装置等。此外，烧结所用的装置也没有特别限定，可以使用例如转炉等。用转炉进行烧结时，可以使用替代燃料的废弃物，例如废油、废轮胎、废塑料等。
作为本发明中所用的石膏，没有特别限定，可以例举生石膏、α型或β型熟石膏、无水石膏等，可以使用1种，或2种以上组合使用。特别是从经固化处理的土的强度表现性和耐久性等角度来看，较好是使用无水石膏。
本发明的固化材料中，从经固化处理的土的强度表现性和耐久性等角度来看，石膏的含量相对于100质量份烧结物A的粉碎物以SO3换算较好是1～15质量份，特别好是3～10质量份。
本发明的固化材料可以通过例如
(1)同时粉碎烧结物A和石膏来进行制造的方法，
(2)粉碎烧结物A后在该粉碎物中混合石膏来进行制造的方法等进行制造。
(1)的情况下，烧结物A和石膏较好是粉碎至布莱恩比表面积为2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g。
(2)的情况下，烧结物A较好是粉碎至布莱恩比表面积为2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g，石膏较好是使用布莱恩比表面积为2500～7000cm2/g、特别好是3000～6000cm2/g的材料。
另外，从经固化处理的土的强度表现性和耐久性以及固化材料的成本等角度来看，本发明的固化材料的布莱恩比表面积较好是2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g。
本发明的固化材料可以含有选自高炉矿渣粉末、粉煤灰、石灰石粉末、硅石粉末和硅粉的1种以上的无机粉末。通过含有这些无机粉末，可以使经固化处理的土的长期强度进一步增大。
从经固化处理的土的强度表现性和耐久性以及固化材料的成本等角度来看，高炉矿渣粉末、粉煤灰、石灰石粉末、硅石粉末的布莱恩比表面积较好是3000～10000cm2/g，特别好是4000～9000cm2/g。此外，硅粉的BET比表面积较好是5～25m2/g，特别好是5～20m2/g。
从经固化处理的土的强度表现性和耐久性等角度来看，固化材料中的无机粉末含量在例如采用高炉矿渣粉末的情况下，相对于100质量份烧结物A的粉碎物，较好是在150质量份以下，特别好是20～100质量份。粉煤灰、石灰石粉末、硅石粉末相对于100质量份烧结物A的粉碎物，较好是在10～100质量份，特别好是20～80质量份，硅粉相对于100质量份烧结物A的粉碎物，较好是在1～50质量份，特别好是5～30质量份。
含有无机粉末的固化材料可以通过例如
(3)在由烧结物A和石膏构成的固化材料中混合无机粉末来进行制造的方法，
(4)在烧结物A和无机粉末的同时粉碎物中混合石膏来进行制造的方法，
(5)在烧结物A的粉碎物中混合石膏和无机粉末来进行制造的方法，
(6)将烧结物A、石膏和无机粉末同时粉碎来进行制造的方法等进行制造。
从经固化处理的土的强度表现性和耐久性等角度来看，含无机粉末的固化材料的布莱恩比表面积较好是2500～5000cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g。
本发明的固化材料还可以含有烧结物B，烧结物B中相对于100质量份2CaO·SiO2(C2S)含有10～2000质量份2CaO·Al2O3·SiO2(C2AS)，且3CaO·Al2O3(C3A)的含量在20质量份以下。通过含有烧结物B，可使经固化处理的土的长期强度增大。
烧结物B含有C2S和C2AS，相对于100质量份C2S，含有10～2000质量份、较好是10～200质量份、特别好是10～100质量份C2AS。C2AS含量不到10质量份时，烧结变得困难，而且生成的C2S为不具有水合活性的γ型C2S的可能性升高，无法使经固化处理的土的长期强度充分增大。另一方面若C2AS含量超过2000质量份，则无法充分获得使经固化处理的土的长期强度增大的效果。
此外，烧结物B中，C3A相对于100质量份C2S的含量在20质量份以下，较好是10质量份以下。若C3A的含量超过20质量份，则无法使经固化处理的土的长期强度充分增大。
烧结物B可以使用一般的硅酸盐水泥熟料的原料进行制造，即石灰石、生石灰、消石灰等CaO原料，硅石、粘土等SiO2原料，粘土等Al2O3原料，铁矿渣、铁块等Fe2O3原料。
此外，烧结物B可以使用例如选自工业废弃物、一般废弃物和工程建设废土的1种以上作为原料。作为工业废弃物，可以例举煤灰；新制混凝土淤渣、下水道污泥、净水污泥、建筑污泥、制铁污泥等各种污泥；钻探废弃土、各种焚烧灰、铸型砂、石棉、废玻璃、高炉二次灰、建筑废料、混凝土废料等。作为一般废弃物，可以例举下水道污泥干粉、都市垃圾焚烧灰、贝壳等。此外，作为工程建设废土，可以例举由建筑工地和工程工地等产生的泥土和残渣以及废弃土壤等。
另外，根据烧结物B的原料组成，特别是使用前述选自工业废弃物、一般废弃物和工程建设废土的1种以上作为原料时，会生成4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)，烧结物B中，C2AS的一部分、较好是C2AS的70质量％以下可以被C4AF置换。如果C4AF的置换超出该范围，则烧结的温度范围变窄，烧结物B的制造变得难以管理。
烧结物B的矿物组成可以根据使用原料中的CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的各含量(质量％)由下式求得。
C4AF＝3.04×Fe2O3
C3A＝1.61×CaO-3.00×SiO2-2.26×Fe2O3
C2AS＝-1.63×CaO+3.04×SiO2+2.69×Al2O3+0.57×Fe2O3
C2S＝1.02×CaO+0.95×SiO2-1.69×Al2O3-0.36×Fe2O3
可以将如上所述的原料以规定的组成进行混合，较好是在1000～1350℃、更好是1150～1350℃的温度下进行烧结，从而制造烧结物B。
混合各原料的方法没有特别限定，可以使用惯用的装置等。此外，烧结所用的装置也没有特别限定，可以使用例如转炉等。用转炉进行烧结时，可以使用替代燃料的废弃物，例如废油、废轮胎、废塑料等。
从经固化处理的土的强度表现性和耐久性等角度来看，烧结物B的粉碎物的含量相对于100质量份烧结物A的粉碎物较好是10～100质量份，特别好是20～60质量份。
含有烧结物B的粉碎物的固化材料可以通过例如
(7)将烧结物A、烧结物B和石膏同时粉碎来进行制造的方法，
(8)将烧结物A和烧结物B同时粉碎后在该粉碎物中混合石膏来进行制造的方法，
(9)将烧结物A和石膏同时粉碎后在该粉碎物中混合烧结物B的粉碎物来进行制造的方法，
(10)将烧结物B和石膏同时粉碎后在该粉碎物中混合烧结物A的粉碎物来进行制造的方法，
(11)分别粉碎烧结物A、烧结物B后将该粉碎物和石膏混合来进行制造的方法，
(12)在上述(7)～(11)中混合无机粉末来进行制造的方法等进行制造。
(7)的情况下，从经固化处理的土的强度表现性和耐久性等角度来看，烧结物A、烧结物B和石膏的布莱恩比表面积较好是2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g。
(8)的情况下，烧结物A和烧结物B较好是粉碎至布莱恩比表面积为2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g，石膏较好是使用布莱恩比表面积为2500～7000cm2/g、特别好是3000～6000cm2/g的材料。
(9)的情况下，烧结物A和石膏较好是粉碎至布莱恩比表面积为2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g，烧结物B较好是使用布莱恩比表面积为2500～4500cm2/g、特别好是3000～4500cm2/g的材料。
(10)的情况下，烧结物B和石膏较好是粉碎至布莱恩比表面积为2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g，烧结物A较好是使用布莱恩比表面积为2500～4500cm2/g、特别好是3000～4500cm2/g的材料。
(11)的情况下，烧结物A、烧结物B较好是分别粉碎至布莱恩比表面积为2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g，石膏较好是使用布莱恩比表面积为2500～7000cm2/g、特别好是3000～6000cm2/g的材料。
另外，从经固化处理的土的强度表现性和耐久性以及固化材料的成本等角度来看，含有烧结物A的粉碎物、烧结物B的粉碎物和石膏的固化材料的布莱恩比表面积较好是2500～4500cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g。
此外，从经固化处理的土的强度表现性和耐久性以及固化材料的成本等角度来看，含有烧结物A的粉碎物、烧结物B的粉碎物、石膏和无机粉末的固化材料的布莱恩比表面积较好是2500～5000cm2/g，特别好是3000～4500cm2/g。
为了经固化处理的土的强度表现性和耐久性的提高，本发明的固化材料可以使用木素类、萘磺酸类、三聚氰胺类、聚羧酸类的减水剂(包括AE减水剂、高性能减水剂、高性能AE减水剂)等混合剂。
使用本发明的固化材料对地基进行固化处理时的添加量也根据作为对象的土的性状和施工条件、经固化处理的土的要求强度而不同，一般每1m3作为对象的土较好是50～300kg，特别好是100～250kg。
本发明的固化材料可以通过例如1)在作为对象的土中以粉体的状态直接添加混合的干法添加、2)加水制成浆料而进行添加混合的浆料添加来使用。浆料添加的情况下，水/固化材料的质量比值较好是0.5～1.5，特别好是0.6～1.0。
实施例
以下，例举实施例，对本发明进行更详细的说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1～3
(1)烧结物A的制造：
作为原料，使用下水道污泥、工程建设废土和石灰石等一般的硅酸盐水泥熟料，调合原料，使其达到表1所示的水硬率(H.M.)、硅酸率(S.M.)、铁率(I.M.)。将调合原料用小型转炉在1400～1450℃进行烧结，得到烧结物A。这时，作为燃料，除了一般的重油之外，使用了废油和废塑料。使用的下水道污泥、工程建设废土的化学组成如表2所示。
另外，各烧结物中的游离石灰量为0.6～1质量％。
[表1]
(烧结物A)
  烧结物编号   水硬率(H.M.)   硅酸率(S.M.)   铁率(I.M.)   备注
  1   2.10   1.65   1.99   原料未使用废弃物
  2   2.10   1.65   1.99   部分原料使用下水道污泥
3 2.12 1.95 1.89   部分原料使用下水道污泥和工程建设废土
[表2]
  Ig.烧失量   SiO2   Al2O3  Fe2O3   CaO   Na2O   P2O5   SO3   MgO   K2O
  下水道污泥   15.0   30.0   16.1   8.0   10.9   4.2   10.7   0.4   0.01   0.02
  工程建设废土 13.3 52.7 13.8 8.7 2.5 1.5 0.5 2.7 1.2 1.94
(2)固化材料的制造：
将表1的各烧结物A用间歇式球磨机粉碎至布莱恩比表面积为3250±50cm2/g。相对于100质量份该粉碎物，添加无水石膏(布莱恩比表面积5800cm2/g)，使其以SO3换算达到7质量份，制成固化材料。
(3)单轴压缩强度试验：
对于按照“JGS 0821(稳定处理土的不进行压实的试件制作方法)”制成的试件，按照“JIS A 1216(土的单轴压缩试验方法)”测定压缩强度(7天和28天)。结果示于表3。
另外，本试验中，作为对象的土使用含水率30％的砂质土、含水率75％的粘性土和含水率175％的关东垆坶，固化材料的添加量对于砂质土每1m3为60kg，对于粘性土每1m3为100kg，对于关东垆坶每1m3为250kg，
[表3]
烧结物编号   单轴压缩强度(kN/m2)
  砂质土   粘性土   关东垆坶
  7天   28天   7天   28天   7天   28天
  实施例   1   1   650   995   620   735   1035   1110
  2   2   645   1002   610   728   1040   1105
  3   3   551   892   525   657   890   976
  比较例   普通硅酸盐水泥   480   775   458   570   770   850
由表3的结果可知，使用本发明的固化材料的情况下，经固化处理的土的强度表现性良好，超过实用所需的值。
实施例4～6
(1)固化材料的制造：
将表1的各烧结物A用间歇式球磨机粉碎至布莱恩比表面积为3250±50cm2/g。相对于100质量份该粉碎物，添加无水石膏(布莱恩比表面积5800cm2/g)，使其以SO3换算达到7质量份，混合70质量份高炉矿渣粉末(布莱恩比表面积4500cm2/g)，得到固化材料。
(2)单轴压缩强度试验：
与实施例1～3同样地进行操作，对含水率400％的污泥进行固化处理，测定压缩强度(7天和28天)。固化材料的添加量为每1m3污泥200kg结果示于表4。
[表4]
烧结物编号     单轴压缩强度(kN/m2)
    7天   28天
  实施例   4   1     395   720
  5   2     410   755
  6   3     375   690
  比较例   普通硅酸盐水泥     -   500
由表4的结果可知，使用含有高炉矿渣粉末的本发明的固化材料的情况下，经固化处理的土的强度表现性也良好，超过实用所需的值。
实施例7～11
(1)烧结物B的制造：
作为原料，使用石灰石、下水道污泥，以表5所示的组成调合，用小型转炉在1300℃进行烧结，得到烧结物B。这时，燃料除一般的重油之外，还使用了废油和废塑料。烧结后，用间歇式球磨机粉碎至布莱恩比表面积为3250cm2/g。
[表5]
原料组成(质量份)   矿物组成(质量份)
石灰石 下水道污泥   f-CaO     C2S     C2AS     CAF     C3A
100 90   0.4     100     33     34     12
(2)固化材料的制造：
将表1的各烧结物A用间歇式球磨机粉碎至布莱恩比表面积为3250±50cm2/g。相对于100质量份该粉碎物，以表6所示的比例混合无水石膏(布莱恩比表面积5800cm2/g)、高炉矿渣粉末(布莱恩比表面积4500cm2/g)和上述烧结物B，得到固化材料。
(3)单轴压缩强度试验：
与实施例1～3同样地进行操作，对含水率400％的污泥进行固化处理，测定压缩强度(7天和28天)。固化材料的添加量为每1m3污泥200kg结果示于表6。
[表6]
固化材料(质量份)   单轴压缩强度(kN/m2)
  烧结物A    无水石膏*   高炉矿渣粉末     烧结物B   7天   28天
  编号   量
实施例 7 1 100 7 - 30 380 715
  8   2   100     7     -     30   394   750
  9   3   100     7     -     30   365   682
  10   2   100     7     50     20   405   757
  11   3   100     7     50     20   373   694
比较例   普通硅酸盐水泥   -   500
*：SO3换算
由表6的结果可知，使用含有烧结物B的本发明的固化材料的情况下，经固化处理的土的强度表现性良好，超过实用所需的值。

Claims (5)

1.固化材料，其特征在于，含有水硬率(H.M.)为1.8～2.3、硅酸率(S.M.)为1.3～2.3、铁率(I.M.)为1.3～2.8的烧结物A的粉碎物和石膏。
2.如权利要求1所述的固化材料，其特征在于，还含有选自高炉矿渣粉末、粉煤灰、石灰石粉末、硅石粉末和硅粉的1种以上的无机粉末。
3.如权利要求1或2所述的固化材料，其特征在于，还含有烧结物B的粉碎物，烧结物B中相对于100质量份2CaO·SiO2含有10～2000质量份2CaO·Al2O3·SiO2，且3CaO·Al2O3的含量在20质量份以下。
4.如权利要求1～3中任一项所述的固化材料，其特征在于，烧结物A以选自工业废弃物、一般废弃物、工程建设废土的1种以上为原料制造。
5.如权利要求3或4所述的固化材料，其特征在于，烧结物B以选自工业废弃物、一般废弃物、工程建设废土的1种以上为原料制造。
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