CN102071029B

CN102071029B - 一种用于土体固化的绿色低碳固化剂

Info

Publication number: CN102071029B
Application number: CN 201010604325
Authority: CN
Inventors: 易耀林; 马丁·利什卡; 阿尔比·阿勒-塔瓦; 刘松玉; 杜延军
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102071029A

Abstract

一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，其特征在于：土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括活性氧化镁，激发剂为土体固化剂总质量的30％～5％，粒化高炉矿渣微粉占固化剂总质量的70％～95％。所述激发剂包括熟石灰，熟石灰为活性氧化镁质量的10%~90%。所述激发剂包括生石灰，生石灰为活性氧化镁质量的7%~66%。

Description

一种用于土体固化的绿色低碳固化剂

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，是一种用于固化土体的绿色低碳的环保型固化剂。

背景技术

搅拌桩技术（湿法、干法）是加固软土地基的有效方法之一，它通过深层搅拌机械边钻进边往软土中喷射固化剂（浆液或者干粉），并就地将软土和固化剂强制搅拌，通过固化剂和软土之间的物理化学作用，形成强度较高、整体性、水稳性好的固化土。传统的搅拌桩固化剂主要为水泥和生石灰。生石灰是搅拌桩技术早期（上世纪70年代末）的主要固化剂，但是它的缺点是形成的搅拌桩强度太低，特别是软土地基处理的效果不好。现在工程中使用的搅拌桩固化剂大多是水泥，由于水泥土搅拌桩的强度相对较高，性质稳定，现在已经成为我国最主要的软土地基处理技术之一。但是水泥在生产过程需要高温煅烧，煅烧温度约为1450度，同时在水泥生产过程中需要释放大量的二氧化碳，生成1吨水泥需要向大气排放0.85吨二氧化碳。研究表明由于水泥产业排放的二氧化碳占世界上人为排放二氧化碳的10%左右，二氧化碳作为主要温室气体对全球变暖影响很大。中国作为京都协议的签约国，承担着很重的二氧化碳减排责任，而土木建筑领域是二氧化碳排放的主要重要领域之一。

本发明主要是针对该问题，研发可以替代水泥的低碳、环保的新型土体固化剂。新型土体固化剂需要满足三个主要要求：（1）能满足实际工程性能需要，主要是在固化强度上要能达到与水泥相近或者更优的效果；（2）能满足低碳、环保要求，新型固化剂的生产、使用过程中的能耗和二氧化碳排放需要比水泥低；（3）能满足工程经济需要，新型固化剂的价格不能远高于水泥，最好比水泥价格低。基于以上考虑，发明人通过大量的试验，研发了一种绿色、低碳的土体固化剂。该固化剂的主要成分是粒化高炉矿渣微粉（Ground granulated blast furnace slag，满足国标G/T 18046-2008），它是钢铁工业的一种废料，如不加以利用，其本身的堆放也会占用一定土地资源。粒化高炉矿渣微粉的化学成分与普通波特兰水泥相似，是一种潜在的胶凝材料，而且该原料的性质稳定、来源较广，价格是水泥的一半左右，能满足土木工程行业的大规模需要。但是这种材料的水化速度和强度增长很慢，需要半年甚至几年，很难满足土木工程的使用需求，所以通常少量掺加在水泥中使用。发明人经过了大量的试验（在后面的实施例将举例说明）发现，当将粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁或者熟石灰以适当的比例配合在一起使用时能达到与水泥接近，甚至更高的固化效果。需要指出的，发明人的试验结果表明，当以粒化高炉矿渣微粉直接与氢氧化镁（Mg（OH）₂）或死烧氧化镁（煅烧温度高于1500度）作为固化剂使用时，并没有固化效果，必须采用活性氧化镁。

活性氧化镁（Reactive MgO）生产过程的煅烧温度约为750度，远低于水泥，故又叫轻烧镁或者轻烧粉，在此温度下生成的氧化镁与水反应较快，水化生成氢氧化镁（Mg（OH）₂），故称为活性氧化镁，其价格等于或稍高于水泥。当煅烧温度过高，超过1500度后，生成的氧化镁失去活性，称为死烧氧化镁或者过烧氧化镁。生石灰和熟石灰是土木工程常有的材料，他们的价格均低于水泥，其中生石灰能与水迅速发生水化反应生成氢氧化钙（Ga（OH）₂），即熟石灰，所以生石灰可以代替熟石灰产生相同的效果，由于二者分子量的比值为0.737，0.737公斤的生石灰可以代替1公斤的熟石灰，另外由于生石灰水化时释放热量、吸收水分可以降低需固化土体中的含水量，提高土体的强度。活性氧化镁、熟石灰、生石灰生产过程中同水泥一样会排放大量的二氧化碳，但是在长期使用过程中会与空气、土体孔隙中的二氧化碳发生反应，吸收二氧化碳生成碳酸镁和碳酸钙。故从产品的生产、使用全过程来看，活性氧化镁、熟石灰、生石灰的二氧化碳排放量远低于水泥。综上，本发明的固化剂主要成分为粒化高炉矿渣微粉，是一种钢铁工业的副产品，利用它可以减少水泥生产过程中向大气排放的二氧化碳，本发明的激发剂为活性氧化镁，或者其与熟石灰、生石灰的混合物，这些物质的水化产物在长期使用时会与二氧化碳反应，所以，本发明的新型土体固化剂是一种绿色、低碳和经济的环保型固化剂，而且在达到与水泥相同固化效果的前提下，造价低于水泥。

发明人通过大量的试验发现（考虑不同土体类型、不同含水量、不同掺量等，在后面的实施例将列出部分试验结果），粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁，或者粒化高炉矿渣微粉与熟石灰，在使用过程中存在一个最佳的配比范围。其中，粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁一起使用时，当活性氧化镁占固化剂的质量比为5％～30％，效果相对较好；粒化高炉矿渣微粉与熟石灰一起使用时，当熟石灰占固化剂的质量比为5％～20％，效果相对较好。在该配比范围内，粒化高炉矿渣微粉和活性氧化镁对土体的整体固化效果要高于相同情况下的水泥，而粒化高炉矿渣微粉与熟石灰对土体的整体固化效果低于或者接近水泥。但活性氧化镁的价格高于熟石灰和生石灰，由于二者为性质相近的物质不会相互反应而影响与它们粒化高炉矿渣微粉之间的反应，故可以将活性氧化镁与熟石灰（或者生石灰）混合使用，生石灰的质量占活性氧化镁的质量比10%~90%，或者用生石灰代替（部分或者全部）熟石灰，考虑到生石灰和熟石灰分子量的比值为0.737，生石灰的质量占活性氧化镁的质量比7%~66%，从而使固化土的强度和造价介于二者之间。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，本发明能够提高土体的固化效果，降低相应土木工程（如搅拌桩工程）中的能耗和二氧化碳排放，同时降低工程造价。

技术方案：一种用于土体固化的绿色低碳固化剂：

土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括活性氧化镁，激发剂为土体固化剂总质量的30％～5％，粒化高炉矿渣微粉占固化剂总质量的70％～95％。所述激发剂包括熟石灰，熟石灰为活性氧化镁质量的10%~90%。所述激发剂还包括生石灰，生石灰为活性氧化镁质量的7%~66%。

与现有技术相比，本发明在达到相同固化效果的前提下，可减少70％～90％的二氧化碳排放，50％～70％的能耗，节省20％～40％的工程造价。

附图说明

图1为粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁、熟石灰固化砂性土的强度。

图2为粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁、熟石灰固化黏性土的强度。

图3为粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁、熟石灰固化不同含水量的砂性土的强度。

图4为粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁、熟石灰固化不同含水量的黏性土的强度。

具体实施方式

本发明所述的土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括活性氧化镁，激发剂为土体固化剂总质量的30％～5％，粒化高炉矿渣微粉占固化剂总质量的70％～95％。所述激发剂包括熟石灰，熟石灰为活性氧化镁质量的10%~90%。所述激发剂还包括生石灰，生石灰为活性氧化镁质量的7%~66%。具体的配比可以在本发明提供的范围内，采用所需要处理的土体进行几组不同的室内配合比试验，确定最优配比。然后根据工程需要利用相应的施工机械与所需要加固的土体进行混合、固化，如用于搅拌桩施工时，可以根据所需固化土体的性质，与常规的水泥搅拌桩一样先确定采用湿法（喷射固化剂与水的混合浆液）或干法（喷射固化剂干粉），采用与常规水泥搅拌桩相同的施工方法进行施工。

实施例1

本实施例中所需要加固的土为砂性土，含水量为15％，固化剂掺量（固化剂与土体和固化剂总质量之比）分别为5％、10％。采用三种固化剂：（1）粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁，其中活性氧化镁占固化剂的质量比分别为0％（即不含活性氧化镁）、5％、10％、20％、30％、50％、100％（即只含活性氧化镁）；（2）粒化高炉矿渣微粉与熟石灰，其中活熟石灰占固化剂的质量比分别为0％（即不含熟石灰）、5％、10％、20％、30％、50％、100％（即只含熟石灰）；（3）普通硅酸盐水泥。将上述固化剂与湿土在实验室搅拌均匀后，灌入直径5公分、高度为10公分的标准模具，进行轻微振捣、密实，然后在温度为20度，相对湿度为98％的养护室养护至28天，测试试样的无侧限抗压强度（因为一般的搅拌桩工程中，通常在搅拌桩施工一个月后进行上部施工，施加荷载，所以28天无侧限抗压强度是用来评价固化土强度的常用指标），同一配比制作三个试样，取其测试强度的平均值作为结果，见图1。结果表明，5％、10％的普通硅酸盐水泥固化土的强度分别为1515kPa、6100kPa，而粒化高炉矿渣微粉（不掺加活性氧化镁、熟石灰）固化土的28天强度非常低，5％、10％掺量的强度均不到100kPa，远远难以满足工程要求。对于粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁固化土，当活性氧化镁占固化剂的质量比为5％、10％、20％、30％时，5％、10％掺量的强度均高于相同掺量的普通硅酸盐水泥固化土。对于粒化高炉矿渣微粉与熟石灰固化土，当熟石灰占固化剂的质量比为5％、10％、20％时，其强度较为接近相同掺量的普通硅酸盐水泥，但整体来说低于普通硅酸盐水泥固化土强度，其效果不如相同情况的粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁。完成上述组试验后，还进行了掺量为10％的粒化高炉矿渣微粉与氢氧化镁（Mg（OH）₂），粒化高炉矿渣微粉与死烧氧化镁（煅烧温度高于1500度）作为固化剂的试验，其中，氢氧化镁或者死烧氧化镁占固化剂的质量比分别为5％、10％、20％，但是28天并没有固化效果，这说明必须采用活性氧化镁。

实施例2

本实施例中所需要加固的土为黏性土，含水量为40％，固化剂掺量（固化剂与土体和固化剂总质量之比）分别为10％、15％。采用三种固化剂：（1）粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁，其中活性氧化镁占固化剂的质量比分别为0％（即不含活性氧化镁）、5％、10％、20％、30％、40％、50％、100％（即只含活性氧化镁）；（2）粒化高炉矿渣微粉与熟石灰，其中活熟石灰占固化剂的质量比分别为0％（即不含熟石灰）、5％、10％、20％、30％、40％、50％、100％（即只含熟石灰）；（3）普通硅酸盐水泥。将上述固化剂与湿土在实验室搅拌均匀后，灌入直径5公分、高度为10公分的标准模具，进行轻微振捣、密实，然后在温度为20度，相对湿度为98％的养护室养护至28天，测试试样的无侧限抗压强度，同一配比制作三个试样，取其测试强度的平均值作为结果，见图2。结果表明，10％、15％的普通硅酸盐水泥固化土的强度分别为2224、5618kPa，而10％、15％的粒化高炉矿渣微粉（不掺加活性氧化镁、熟石灰）固化土在养护至28天后无法完整脱模，可以认为其强度为0kPa。

对于粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁固化土，当活性氧化镁占固化剂的质量比为5％、10％、20％、30％时，10％、15％掺量的强度均高于相同掺量的普通硅酸盐水泥固化土。对于粒化高炉矿渣微粉与熟石灰固化土，当熟石灰占固化剂的质量比为5％、10％、20％时，其强度较为接近相同掺量的普通硅酸盐水泥，但整体来说低于普通硅酸盐水泥固化土强度，其效果不如相同情况的粒化高炉矿渣微粉与活性氧化镁。

实施例3

本实施例中所需要加固的土为砂性土，固化剂与干土的质量比为5％和10％。基于实施例1的结果，采用粒化高炉矿渣微粉：活性氧化镁＝9：1（即活性氧化镁占固化剂的质量比为10％）、粒化高炉矿渣微粉：熟石灰＝9：1（即熟石灰占固化剂的质量比为10％）和普通硅酸盐水泥等3种固化剂。采用3种不同的含水量：10％、12.5％、15％，以分析在不同含水量情况下，新型固化剂的固化效果。将上述固化剂、干土和不同设计掺量的蒸馏水在实验室搅拌均匀后，灌入直径5公分、高度为10公分的标准模具，进行轻微振捣、密实，然后在温度为20度，相对湿度为98％的养护室养护至28天，测试试样的无侧限抗压强度，同一配比制作三个试样，取其测试强度的平均值作为结果，见图3。结果表明，3种不同土体含水量情况下，5％和10％（固化剂与干土的质量比）的粒化高炉矿渣微粉：活性氧化镁＝9：1的28天强度都高于相同掺量的普通硅酸盐水泥，而粒化高炉矿渣微粉：熟石灰＝9：1的28天强度均低于相同掺量的普通硅酸盐水泥。

实施例4

本实施例中所需要加固的土为黏性土，固化剂与干土的质量比为10％和20％。基于实施例2的结果，采用粒化高炉矿渣微粉：活性氧化镁＝9：1（即活性氧化镁占固化剂的质量比为10％）、粒化高炉矿渣微粉：熟石灰＝9：1（即熟石灰占固化剂的质量比为10％）和普通硅酸盐水泥等3种固化剂。采用3种不同的含水量：30％、35％、40％，以分析在不同含水量情况下，新型固化剂的固化效果。将上述固化剂、干土和不同设计掺量的蒸馏水在实验室搅拌均匀后，灌入直径5公分、高度为10公分的标准模具，进行轻微振捣、密实，然后在温度为20度，相对湿度为98％的养护室养护至28天，测试试样的无侧限抗压强度，同一配比制作三个试样，取其测试强度的平均值作为结果，见图4。结果表明，3种不同土体含水量情况下，10％和20％（固化剂与干土的质量比）的粒化高炉矿渣微粉：活性氧化镁＝9：1的28天强度都高于相同掺量的普通硅酸盐水泥。10％的粒化高炉矿渣微粉：熟石灰＝9：1的3种不同土体含水量的28天强度高于相同情况的普通硅酸盐水泥，而20％的粒化高炉矿渣微粉：熟石灰＝9：1的固化土在30％和35％的含水量情况下低于普通硅酸盐水泥，在40％的含水量情况下与普通硅酸盐水泥相等。

实施例5

一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括活性氧化镁，在本实施例中，激发剂占土体固化剂总质量可以为5％、10％或30%。

实施例6

一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括熟石灰，在本实施例中，激发剂占土体固化剂总质量可以为5％、10％或30%，熟石灰占活性氧化镁质量的可以为10%、50%或90%。

实施例7

一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括生石灰，在本实施例中，激发剂占土体固化剂总质量可以为5％、10％或30%，生石灰占活性氧化镁质量的可以为7%、50%或66%。

实施例8

一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括活性氧化镁、生石灰和熟石灰，在本实施例中，激发剂占土体固化剂总质量可以为5％、10％或30%，活性氧化镁、熟石灰和生石灰的质量的比可以为1：8：0.7、8：1：0.7或9：0.5：0.35。

Claims

1.一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，其特征在于：土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括活性氧化镁，激发剂为土体固化剂总质量的30％～5％，粒化高炉矿渣微粉占固化剂总质量的70％～95％，所述激发剂包括熟石灰，熟石灰为活性氧化镁质量的10%～90%。

2.一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，其特征在于：土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括活性氧化镁，激发剂为土体固化剂总质量的30％～5％，粒化高炉矿渣微粉占固化剂总质量的70％～95％，所述激发剂包括生石灰，生石灰为活性氧化镁质量的7%～66%。