CN101717213A

CN101717213A - 一种土体增强剂及其制备和应用

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Publication number: CN101717213A
Application number: CN200910199525A
Authority: CN
Inventors: 李阳
Original assignee: SHANGHAI JIANYAN BUILDING MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd; Shanghai Building Science Research Institute Group Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI JIANYAN BUILDING MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd; Shanghai Building Science Research Institute Group Co Ltd
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2010-06-02

Abstract

本发明公开了一种土体增强剂，以脱硫石膏、火山灰活性的材料、矿渣粉和水泥为原料，按100份重量计，脱硫石膏的含量为10～30份，火山灰活性材料的含量为5～35份，矿渣粉的含量为30～70份，水泥的含量为10～20份。这种土体增强剂能代替水泥，用于加固软土地基处理和加固，具有强度高的特点，经济效益、社会效益和实用价值明显。

Description

一种土体增强剂及其制备和应用

技术领域

本发明涉及建筑材料和建筑地基领域，具体涉及水硬性胶凝材料，具体地说是将脱硫废渣与其它材料制成土体增强剂，用于软土地基加固和处理。

背景技术

随着环保意识的增强和《大气污染防治法》的颁布实施，电厂烟气脱硫势在必行，正在上马和计划内的脱硫工程越来越多，2006年底前我国已有400家老火力发电厂完成脱硫项目改造。目前，我国烟气脱硫采用的是工业化比较成熟和应用广泛的石灰/石灰石-石膏湿法脱硫工艺。但这种工艺的后遗症就是产生大量的脱硫石膏。现在我国堆储的脱硫石膏已达4000多万吨，预计2010年，脱硫石膏的积存量将超过1亿吨。

除了湿法脱硫工艺以外，干法脱硫工艺也被一些电厂采用。干法脱硫是采用粉状或粒状吸收剂或催化剂来脱除烟气中的二氧化硫，排放出的脱硫粉煤灰是一种新型的高钙高硫型灰渣，虽具有火山灰活性，但它含有多种对水泥、混凝土安定性、耐久性不利的潜在因素，如过高的SO₃、f-CaO、CaCl₂含量以及特有的CaSO₃成分等，综合利用难度大。

目前我国处理脱硫废渣的方式大多采用堆存抛弃，随着脱硫废渣产生量和积存量不断上升，若不进行必要处置，必将对环境造成极大影响。

另一方面，在我国沿江、沿湖、沿海地区，地质条件大多为软土地基，土体的天然含水量很高，工程上往往需要加入固化材料，以提高土体的强度及水稳定性。土体固化材料的应用量大面广。但是，现有的普通水泥加固土体的效果并不理想，强度偏低。有必要对土体固化材料的技术进行优化。

发明内容

本发明目的是利用脱硫废渣制成一种土体增强剂，用于软土地基加固和处理。

本发明还提供上述土体增强剂的制备方法。

本发明还将上述土体增强剂用于加固和处理软土地基。

技术方案为，一种脱硫废渣土体增强剂，其组分包括脱硫石膏、火山灰活性材料、矿渣粉和水泥；按100份重量计，脱硫石膏的含量为10～30份，火山灰活性材料的含量为5～35份，矿渣粉的含量为30～70份，水泥的含量为10～20份。

火山灰活性材料选自脱硫粉煤灰、粉煤灰、高钙粉煤灰、钢渣粉、石灰石粉或硅粉。

脱硫石膏和脱硫粉煤灰均是烟气脱硫后的废弃物，其中脱硫石膏主要成分是二水硫酸钙，而火山灰活性的材料，如脱硫粉煤灰则含有硫酸钙、亚硫酸钙、游离氧化钙、氯化钙等成分。为了调整土体液相，添加了适量的水泥；为了能提高加固土体的强度，生成较多的钙矾石和水化硅酸钙，添加了一定量的矿渣粉。

优选的，按100份重量计，脱硫石膏的含量为10～20份，火山灰活性材料的含量为10～20份，矿渣粉的含量为40～60份，水泥10～20份。

这种土体增强剂的80μm筛筛余量一般为0～20％，优选为1％～5％。

上述土体增强剂的制备方为，将干燥后的脱硫石膏与脱硫粉煤灰、矿渣粉、水泥按比例混合。由于脱硫石膏含水率高达10-20％，需经过干燥预处理后再与其它材料混合。脱硫石膏干燥时的烘干温度为50～300℃，优选烘干温度为100℃～120℃。

由于脱硫石膏的颗粒较细(50～100μm)，为了降低生产能耗，也可先将脱硫粉煤灰、矿渣粉和水泥混合，使用过程中投入湿态的脱硫石膏(以干燥的脱硫石膏计)共同搅拌。

上述脱硫废渣土体增强剂可用于软土地基加固和处理，脱硫废渣土体增强剂与土的用量比为0.05∶1～0.3∶1，优选为0.1∶1～0.2∶1。

本发明利用价格低廉、资源丰富的脱硫废渣为原材料，与其它材料复合，制成一种土体增强剂，加固土体的效果明显优于普通水泥。其反应机理如下：

脱硫废渣土体增强剂固化土的强度主要来源于水化物的包裹胶结土颗粒作用和填充颗粒间孔隙作用。首先是水泥中包含的4种矿物：3CaO·SiO₂、2CaO·SiO₂、3CaO·Al₂O₃和4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃，遇水水化生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物。由于掺加了大量的脱硫石膏和脱硫粉煤灰，水化铝酸钙转化为钙矾石(AFt)。以上反应式为：

3CaO·SiO₂+nH₂O→xCaO·2SiO₂·yH₂O+(3-x)Ca(OH)₂

2CaO·SiO₂+mH₂O→xCaO·2SiO₂·yH₂O+(2-x)Ca(OH)₂

3CaO·Al₂O₃+3(3CaSO₄·2H₂O)+26H₂O→

3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃+2Ca(OH)₂+6(CaSO₄·2H₂O)+50H₂O

→2[3CaO·(Al₂O₃·Fe₂O₃)·3CaSO₄·32H₂O]

脱硫粉煤灰中的游离氧化钙含量较高，遇水反应成Ca(OH)₂，提高了液相的碱度。

水泥、山灰活性材料中的矿物成分水化产生的Ca(OH)₂，与矿渣粉和火山灰活性材料中的活性SiO₂和活性Al₂O₃化合，生产水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物：

活性SiO₂+3Ca(OH)₂+nH₂O→3CaO·SiO₂·(n+3)H₂O

活性3Ca(OH)₂+Al₂O₃+nH₂O→3CaO·Al₂O₃·(n+3)H₂O

在Ca(OH)₂存在条件下，脱硫石膏的CaSO₄·2H₂O与矿渣中活性Al₂O₃的化合，生成钙矾石：

3CaSO₄+3CaO·Al₂O₃+32H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

除了脱硫石膏、火山灰活性材料、水泥、矿渣粉之间发生水化反应外，粘土矿物中的SiO₂和Al₂O₃化合也同时参与反应。在Ca(OH)₂存在条件下，粘土中的SiO₂和Al₂O₃发生火山灰反应，生成更多的水化硅酸钙和水化铝酸钙。在石膏的存在下，水化铝酸钙缓慢转化为钙矾石。反应式同上。

由于钙矾石的生成，将粘土中大量的自由水转化为结晶水，降低了粘土的含水量，并且钙矾石为针状晶体，填充土中的孔隙和空隙，提高了土体的强度。此外，水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物起到胶结土颗粒的作用。

本发明的脱硫废渣土体增强剂，以脱硫废渣(脱硫石膏、脱硫粉煤灰)为主要原料，能代替水泥，用于加固软土地基处理和加固，具有强度高的特点。而且本发明充分利用脱硫废渣(脱硫石膏、脱硫粉煤灰)、粉煤灰这些工业废渣，减少污染，降低成本。

具体实施方式

本发明用的脱硫石膏是电力工业中石灰/石灰石-石膏湿法脱硫工艺的剩余物。由于含水率达10％-20％以上，应经干燥预处理后再使用。脱硫石膏的化学分析结果(质量百分数)列于表1中，主要成分是二水硫酸钙。

表1

SiO₂	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	MgO	SO₃	Na₂O	K₂O	H₂O
SiO₂	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	MgO	SO₃	Na₂O	K₂O	H₂O	1.82	31.24	0.20	0.39	0.64	41.80	0.05	0.13	18.56

干法脱硫是采用粉状或粒状吸收剂或催化剂来脱除烟气中的二氧化硫，排放出的脱硫粉煤灰是一种新型的高钙高硫型灰渣，化学分析结果列于表2中

表2

SiO₂	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	MgO	SO₃	LOSS	f-CaO	CaSO₃	CaCl₂
SiO₂	CaO	Fe₂O₃	Al₂O₃	MgO	SO₃	LOSS	f-CaO	CaSO₃	CaCl₂	44.40％	14.75％	3.83％	28.89％	1.22％	2.30％	6.8％	1.83％	5.04％	0.19％

本发明方法用混合方法制得的脱硫废渣土体增强剂，按GB/T1345-2005《水泥细度检验方法筛析法》的80μm筛筛余一般为0～20％，优选为1％～5％。

以下参照实施例，对本发明作进一步的说明。但应当认为，实施例

仅是说明性，而不应对本发明的保护范围起限制作用。

实施例1

取脱硫石膏(上海外高桥石化厂生产)，用烘箱进行烘干处理，温度为100±5℃，时间为24h。取脱硫粉煤灰(宝钢电厂生产)、S95矿渣粉(上海宝田新型建材公司生产)、P.O32.5水泥(上海海螺水泥公司生产)，按表3的比例分别进行配料，用HLL立式混合机(上海耐佳机电工程有限公司)进行混料。混料后的产品，按GB/T 1345-2005《水泥细度检验方法筛析法》，测定80μm筛筛余，见表3。

表3

土体增强剂编号	脱硫石膏(％)	脱硫粉煤灰(％)	矿渣粉(％)	水泥(％)	混料时间	80μm筛筛余(％)
土体增强剂编号	脱硫石膏(％)	脱硫粉煤灰(％)	矿渣粉(％)	水泥(％)	混料时间	80μm筛筛余(％)	A1	15	10	55	20	3min	3.4
A2	18	32	35	15	3min	7.5	A1	15	10	55	20	3min	3.4

实施例2

用P.O32.5水泥、两种脱硫废渣土体增强剂(A1、A2)，掺入淤泥质粘土(上海重庆南路工地取样，取土深度-8.0m，天然含水量45％)，脱硫废渣土体增强剂与淤泥质粘土的用量比为0.13∶1，水灰比0.6。按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70-2009进行强度实验。实验结果见表4。

表4

由表4可见：

土体增强剂含25％的脱硫石膏和脱硫粉煤灰(A1)时，加固土抗压强度是水泥土的3.6倍；即使土体增强剂含50％的脱硫石膏和脱硫粉煤灰(A2)时，加固土抗压强度仍是水泥土的2.5倍。

实施例3

取脱硫石膏，用高温炉进行烘干处理，温度为300±5℃，时间为10h。取钢渣粉、矿渣粉(均为上海宝田新型建材公司生产)、II级粉煤灰(华能石洞口电厂生产)，按表4的比例分别进行配料，再投入混料机，混料3min。按GB/T 1345-2005《水泥细度检验方法筛析法》，测定80μm筛筛余，见表4。

对于A5组，先将脱硫粉煤灰、矿渣粉、水泥进行混料，在与粘土拌合时，再掺入原状的脱硫石膏(折算为干燥后的脱硫石膏重量)。

表4

实施例4

用A3～A7脱硫废渣土体增强剂，掺入淤泥质粘土，脱硫废渣土体增强剂与淤泥质粘土的用量比为0.13∶1，水灰比0.6。按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70-2009进行强度实验。实验结果见表5。

表5

由表5可见：

(1)脱硫石膏在温度为300±5℃条件下烘干，生产无水硫酸钙，用于配制土体增强剂，加固土强度有所提高。但生产能耗提高，故优选烘干温度为100±5℃。

(2)用原状的脱硫石膏，对加固土强度几乎没有影响，但施工应用，略微增加了操作难度。

(3)钢渣粉、粉煤灰可以代替脱硫粉煤灰。其中利用钢渣粉，可略微提高强度；利用粉煤灰，强度略微下降。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明的保护范围；对于本领域的技术人员来说，可以有更改和变化，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种脱硫废渣土体增强剂，其特征在于，包括脱硫石膏、火山灰活性材料、矿渣粉和水泥；按100份重量计，脱硫石膏的含量为10～30份，火山灰活性材料含量为5～35份，矿渣粉的含量为30～70份，水泥的含量为10～20份。

2.权利要求1所述一种脱硫废渣土体增强剂，其特征在于，按100份重量计，脱硫石膏的含量为10～20份，火山灰活性材料的含量为10～20份，矿渣粉的含量为40～60份，水泥的含量为10～20份。

3.权利要求1或2所述一种脱硫废渣土体增强剂，其特征在于，所述火山灰活性材料选自脱硫粉煤灰、粉煤灰、高钙粉煤灰或钢渣粉。

4.权利要求1或2所述一种脱硫废渣土体增强剂，其特征在于，80μm筛筛余量为0～20％。

5.权利要求4所述一种脱硫废渣土体增强剂其特征在于，80μm筛筛余量为1％～5％。

6.权利要求1、2、3、4或5所述一种脱硫废渣土体增强剂的制备方法，其特征在于，将脱硫石膏烘干后，与火山灰活性的材料、矿渣粉和水泥按比例混合制成。

7.权利要求1、2、3、4或5所述一种脱硫废渣土体增强剂的制备方法，其特征在于，先将火山灰活性的材料、矿渣粉和水泥混合，使用过程中投入原状的脱硫石膏共同搅拌。

8.权利要求6所述脱硫废渣土体增强剂的制备方法，其特征在于，脱硫石膏烘干温度为50℃～300℃。

9.权利要求1、2、3、4或5所述一种脱硫废渣土体增强剂在加固和处理软土地基方面的应用，其特征在于，所述脱硫废渣土体增强剂与土的用量比为0.05∶1～0.3∶1。

10.权利要求9所述一种脱硫废渣土体增强剂在加固和处理软土地基方面的应用，其特征在于，所述脱硫废渣土体增强剂与土的用量比为0.1∶1～0.2∶1。