CN102352255A - 一种基于工业废料的粉土固化剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于工业废料的粉土固化剂，按照质量百分比，该粉土固化剂由以下组分组成：电石渣：10～20%，矿渣微粉：30～40%，粉煤灰：30～40%，磷石膏：10～20%，硫酸钠：5～10%。使用该组分的粉土固化剂，与粉土混合后，可以提高粉土固化剂固化粉土效果更佳，可以达到固化粉土所需要的工程特性。同时，本粉土固化剂来源于工业废料，成本低廉。

Description

一种基于工业废料的粉土固化剂

技术领域

本发明涉及一种土木建筑材料中的粉土稳定固化材料，具体来说，涉及一种基于工业废料的粉土固化剂，该粉土固化剂应用于道路工程、港口工程、机场工程等地基处理工程中。

技术背景

粉土分布极为广泛，它是介于无粘性土和粘性土之间的一种力学性质差异大的土类，粉土的工程特性与它的形成条件、物质成分、堆积年代、所处地理环境与空间分布规律等密切相关，所以不同地域粉土属性均有差异，但“粉粒”的特性决定它们仍有一定的共性。粉土稳定性差，具有弱可塑性、低粘结性、高分散性；在动荷载作用下，饱和粉土易发生液化现象；粉土的粒径均匀，级配不好，难于压实；粉土中毛细水上升较高，在地下水位高地区，毛细水的上升会导致粉土地基的强度极大降低进而产生破坏；在季节性冰冻地区，粉土往往具有很强的冻胀性。由于粉土所特有的性质，作为路基等基础工程填土，施工时成型比较困难，压实度很难满足要求，其强度和稳定性不能满足要求，并且极易吸水、聚冰冻胀、翻浆，从而导致地基因强度损失而开裂，大大缩短工程的使用寿命。

为了改善和提高粉土的工程特性，一般采用掺加固化材料(如水泥、石灰等)的方法对粉土进行加固处理。尽管现在研制了多种类型的固化剂，但多数是用于加固粘性土、淤泥质土。一些简单传统的土壤稳定方法已远远不能适应粉土地区工程建设的技术要求，尤其是在进行交通工程建设中过程中，粉土不能直接作为高速铁路、高速公路路基填料使用。目前粉土固化的研究不管是理论还是实践上还不完全成熟。国内外对粉土固化稳定机理研究得很少，从而制约了粉土固化技术的发展，给粉土地区的工程建设带来了突出的技术问题。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于工业废料的粉土固化剂，该粉土固化剂来源于工业废料，成本低廉，同时，与水泥系固化剂相比，该粉土固化剂固化粉土效果更佳，可以达到固化粉土所需要的工程特性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于工业废料的粉土固化剂，按照质量百分比，该粉土固化剂由以下组分组成：

电石渣    10～20％，

矿渣微粉  30～40％，

粉煤灰    30～40％，

磷石膏    10～20％，

硫酸钠    5～10％。

有益效果：与现有技术相比，采用本技术方案的粉土固化剂的有益效果是：

1.有利于节约资源、环境保护。本粉土固化剂的组分：电石渣、矿渣微粉、粉煤灰、磷石膏和硫酸钠均来源于工业废料。因此制备本粉土固化剂，只需要从工业废料中提取，实现了工业废料的有效利用。而现有的固化剂，例如水泥和石灰，都需要工业制备，需要利用工业原料。所以说，本粉土固化剂可以消耗大量的工业废料，节约资源，有利于环境保护，属于低碳、绿色、环保型产品。

2.本粉土固化剂固化粉土效果更佳，可以达到固化粉土所需要的工程特性。在本技术方案中，通过在粉土中掺加4％～8％的本粉土固化剂，使得固化粉土的孔隙发育程度降低，土的密实度增加，早期强度高、后期强度发展潜力大、水稳定性好、凝聚力和内摩擦角大、变形小，可完全满足高速公路等路基工程控制指标。而现有技术中，掺加水泥，或者水泥和石灰的混合物的粉土，强度小、水稳定性差、凝聚力和内摩擦角小、变形大，不能满足高速公路等路基工程控制指标。

3.制备成本低廉。本粉土固化剂的组分材料各地极易购取，成本低(比同类的产品低30％-40％)。同时制备时，只需要将各组分研磨呈粉状，再混合搅拌即可。制备过程简单。固化时，只需要按照工程要求，取适量的本粉土固化剂与粉土混合搅拌即可。施工工艺简单。因此，本粉土固化剂制备成本低廉、施工工艺简单，具有良好的经济效益。而现有的粉土固化剂，水泥或者石灰，制备过程比本粉土固化剂的制备过程复杂，且经济成本高。

具体实施方式

本发明的基于工业废料的粉土固化剂，按照质量百分比，该粉土固化剂由以下组分组成：

电石渣    10～20％，

矿渣微粉  30～40％，

粉煤灰    30～40％，

磷石膏    10～20％，

硫酸钠    5～10％。

粉土固化剂是以工业废料作为组分，也就是说，电石渣、矿渣微粉、粉煤灰、磷石膏和硫酸钠都可以从工业废料中提取。制备该粉土固化剂时，将电石渣、矿渣微粉、粉煤灰、磷石膏、硫酸钠均匀搅拌即可。如果这些组分中有呈块状体的，例如磷石膏和硫酸钠，那么需要首先将呈块状体的组分研磨成粉末状，然后再与呈粉末状的其他组分混合、搅拌均匀即可。

进一步，所述的粉土固化剂中，按照质量百分比，

电石渣    10～12％，

矿渣微粉  30～35％，

粉煤灰    30～35％，

磷石膏    12～20％，

硫酸钠    6～10％。

进一步，所述的粉土固化剂中，按照质量百分比，

电石渣    10％，

矿渣微粉  30％，

粉煤灰    30％，

磷石膏    20％，

硫酸钠    10％。

本粉土固化剂中的各组分具有以下特性：

电石渣是氯碱行业以电石法生产聚氯乙烯(PVC)产品过程中，排出的湿电石渣，其主要成份为Ca(OH)₂，具有强碱性，PH高达14左右。电石渣相对于石灰石具有颗粒小、比表面积大、活性强等特点。电石渣发挥复合胶凝效应的激发作用，激发土壤本身的活性，而且激发组分更能激发矿物料的活性，所以其可以与矿物料共同发挥水化作用。电石渣的再利用大量替代了石灰石原料，减少了石灰石资源消耗和CO₂气体排放，既充分利用了资源又保护了环境，符合国家资源综合利用和减少温室气体排放的发展方向。

矿渣微粉的主要成分是二氧化硅，其颗粒结构形状影响微粉的活性指数。同一品种的矿渣微粉就不同的外观状态(以颗粒结构不同分类)分别粉磨至相同的比表面积，其活性指数差异较大。其中矿渣微粉颗粒结构圆滑形成结构良好的，其活性指数最高。在碱性环境下发生激活反应，为水化硅酸钙的形成提供中间产物。

粉煤灰是一种火山灰材料，是一种硅质的或硅铝质材料，主要发生火山灰效应、形态效应和填充效应。粉煤灰本身很少或没有粘结性，但是当它以细分散的状态与水和消石灰或水泥混合时在常温下与氢氧化钙发生反应能形成一种具有粘结性的化合物。粉煤灰颗粒是实心或空心的球状颗粒，玻璃含量(非晶质材料)占71％～80％。粉煤灰的主要成分是硅和铝，其次有碳和钙、铁、镁及硫的氧化物等。粉煤灰稳定的强度形成机理主要是石灰和粉煤灰之间发生反应形成胶凝性化合物。粉煤灰在石灰的碱性激发及相互作用下生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硅铝酸钙等胶凝性化合物，提高土的强度和稳定性。

磷石膏是生产磷肥过程中排出的废料，其主要化学成分有SO₃、CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO和P₂O₅。拟进行加固的土体一般强度较低、土颗粒间联系微弱。磷石膏与含铝相发生反应，产生大量的钙矾石，钙矾石在一定条件下为针刺状较大的晶体。在该晶体形成过程中，其固相体积可增加120％左右。钙钒石存在，一方面因其固体积膨胀，填充了部分孔隙，使土体孔隙量减少；另一方面其较大的针刺状晶体，与水化硅酸钙一起形成空间结构，以较高的效率支撑填充于孔隙中，使固化土的孔径分布细化，从而提高了固化土的强度。

硫酸钠是一种无机化合物，又称无水芒硝，是无机盐工业大宗产品之一，生产硫酸钠的原料有两类：①天然资源，主要有海水型咸水(包括盐水和卤水)、硫酸盐-碳酸盐型咸水，以及含有芒硝、无水芒硝、钙芒硝(CaSO₄·Na₂SO₄)、白钠镁矾(Na₂SO₄·MgSO₄·4H₂O)和各种水合硫酸盐的矿床。②从含硫及硫酸盐的废气、液、渣中回收。硫酸钠在此固化剂中作为一种添加剂。为发挥复合胶凝效应的水化作用，硫酸钠与其反应生成水化产物进一步填充了土壤颗粒间的空隙，这将促进填充增强效应的发挥。

以上各种组分组成的粉土固化剂掺入粉土中将发挥填充增强效应，而粉土固化剂中含有的或水化产生的Ca²⁺等将发挥离子交换作用，粉土固化剂水化生成的激发组分将进一步发挥激发作用。

电石渣和粉煤灰在一定的压实条件下会发生一系列物理和化学变化。其初步主要化学反应是在碱性电石渣与粉煤灰中的活性氧化硅和活性氧化铝之间，分别生成水化硅酸钙(3Ca·SiO₂·nH₂O)和水化铝酸钙(3Ca·Al₂O₃·nH₂O)。这些反应产物具有良好的水稳性和抗冻性，其中主要产物水化硅酸钙呈现三种形态：I型凝胶，II型凝胶和III型凝胶，I型凝胶处于亚稳态，随反应继续进行最终向II型凝胶和III型凝胶转化。

电石渣与粉土颗粒土之间发生下列四种反应：离子交换反应，Ca²⁺离子与粉土中的金属阳离子发生交换；Ca(OH)₂结晶反应，Ca(OH)₂胶体逐渐成为晶体，并与土粒结合起来形成共晶体；Ca(OH)₂的碳酸化作用，与CO₂反应生成碳酸钙；火山灰反应，土中的活性硅、铝矿物在石灰的碱性激发下离解，在水的参与下与Ca(OH)₂反应生成含水的硅酸钙和铝酸钙。同时电石渣可以增加溶液中的OH离子，提高PH值，促进促使硅、铝矿物等解离，同时还以催化剂的作用方式直接参与化学反应，且有助于新生物-含水硅、铝酸钙的结晶硬化。

磷石膏、硫酸钠的主要作用是在各种组分发生、发展和固化土强度提高过程中进行膨胀挤密作用，缩短颗粒间距，增加颗粒接触面积和数量，从而增强颗粒间的结构连接，同时提高反应的速度和程度。

在粉土固化剂固化粉土的过程中，各个组分并非各自独立的发生反应，而是相互影响和联系的，组分和各种生成物之间也会发生复杂的化学反应，当把本粉土固化剂按照一定比例加入粉土并充分混合后，在一定的压实度下紧密接触，粉土固化剂和粉土中各种矿物和化学成份间就开始了一系列物理化学反应，主要有：

石灰水化反应：

CaO+H₂O→Ca(OH)₂

活性物的激活反应：

SiO₂+mCa(OH)₂+nH₂O→mCaO·SiO₂·xH₂O

钙矾石反应：

Al₂O₃+3Ca(OH)₂+CaSO₄+9H₂O→3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O

3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O+2(CaSO₄·2H₂O)+16H₂O→3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·32H₂O

综上，固化粉土结构形成过程：胶结性水化物，如硅酸钙和铝酸钙，以充分包裹胶结土团粒，膨胀性水化物，如钙矾石，挤压填充土团粒间和土团粒内的孔隙，从而提高土的强度。

欲使粉土强度提高，关键是粉土固化剂在固化粉土过程中发挥复合胶凝效应和填充增强效应双重作用。本发明在进行充分的研究和验证基础上提出：粉土固化主要包括固化材料本身的作用和土壤与固化材料的相互作用两个方面，粉土固化效应主要为复合胶凝效应和填充增强效应。掺入固化剂对土壤体系所起的固化稳定效应，可以归结为两大效应，即复合胶凝效应和填充增强效应。复合胶凝效应又可进一步归结为三种作用，即水化作用、激发作用和离子交换作用。土壤固化材料的各种作用和效应是相互关联、相互影响和相互促进的，复合胶凝效应可以提高填充增强效应，而如果没有水化作用，则其激发作用、离子交换作用也是很微弱的。

下面通过实施例和对比例来进一步说明本发明的技术方案。在以下实施例和对比例中，用无侧限抗压强度(单位：kPa)来表示加固粉土的强度特性，这一数值越高，说明加固粉土的强度就越高；用水稳系数表示加固粉土的水稳性，水稳系数是浸水养护试件的无侧限抗压强度与标准养护试件的无侧限抗压强度的比值，水稳系数越接近1，说明加固粉土的水稳性越好；用线性收缩值(单位：uε)表示加固粉土后的粉土体积稳定性，这一数值越小，体积稳定性越佳；内摩擦角(单位：度)和凝聚力(单位：kPa)均表示直剪强度的大小，内摩擦角和凝聚力的数值越大，则直剪强度越大，说明加固粉土的强度就越高。

本技术方案中使用的固化剂各组分可以通过市场购得。

实施例1

(1)试验材料

粉土：所用土样取自江苏海安地区典型粉土，其化学成份、矿物成分、基本物理力学性质指标如表1、2、3。

表1粉土的化学成分分析结果(％)

由表1可以看出粉土的特点是高硅(Si)铝(Al)，SiO₂和Al₂O₃占总量的84.84％，其次为铁，Fe₂O₃占总量的6.53％，钾、钠(K₂O+Na₂O)占总量的2.01％，其余化学成分占总量的6.62％。

对粉土的矿物成分分析采用X射线-衍射分析方法，分析结果如表2所示：

表2粉土的矿物成分分析结果(％)

矿物成分分析的结果如表2所示，粉土中非粘土矿物含量高，占整个矿物组成的65％，主要以石英、长石、云母等原生矿物为主，粘土矿物约占矿物组成的25％，主要以蒙脱石、高岭石等次生矿物为主，其余矿物成分占整个矿物组成的10％。从理论上讲，由于土的物质组成主要是原生矿物砂粉粒，含有较少的次生粘土矿物，蒙脱石含量较高，因此具有弱可塑性，低粘结性，高分散性。

表3粉土的基本物理力学性质

电石渣：为江苏省常州市乙炔制造公司生产，其中氧化钙(CaO)含量为68.99％，烧失量为24.85％。

矿渣微粉：为南京江南水泥有限公司生产，有效硅含量为56.8％，比表面积为35000cm²/g。

粉煤灰：产地为镇江，按照GB/T176-1996标准测试，其SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃的总含量为79.16％，烧失量为7.79％，比表面积为2520cm²/g，依据JTJ034-2000标准评定，均满足标准要求。

磷石膏：为盐城磷肥厂生产，主要成分为CaSO₄·2H₂O，辅有Fe₂O₃、Al₂O₃、MgO等。

硫酸钠：为南京万和化工有限公司生产，密度为2.68g/cm³。

(2)试验方法

第一步：制备粉土固化剂：将电石渣20％、矿渣微粉35％、粉煤灰30％、磷石膏10％、硫酸钠5％(质量百分数)均匀搅拌混合，形成粉土固化剂。

第二步：将第一步中的粉土固化剂与粉土按照4∶96的质量比混合，并均匀搅拌。

第三步：进行无侧限抗压强度试验、直剪试验和收缩试验。

无侧限抗压强度试验：试样为φ5cm×5cm的圆柱体，在最佳含水量时采用静力压实成型，压实度为96％，养护制度为标准养护：养护龄期为7天时，标养6天，浸水1天；养护龄期为14天时，标养13天，浸水1天；养护龄期为28天时，标养27天，浸水1天。饱水养护：养护龄期为7天时，标养3天，浸水4天；养护龄期为14天时，标养7天，浸水7天；养护龄期为28天时，标养7天，浸水21天。水稳系数：对于同一试样，水稳系数是饱水养护试件的无侧限抗压强度与标准养护试件的无侧限抗压强度的比值。

直剪试验：试样尺寸为φ6.18cm×2cm，在最佳含水量时采用静力压实成型，压实度为96％，养护龄期为7、14和28天。

收缩试验：试样尺寸为φ5cm×10cm，在最佳含水量时采用静力压实成型，压实度为96％，养护龄期为7、14和28天。

以上试验均按照公路土工试验规程(JTG E40-2007)和公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E51-2009)进行。

(3)实验结果

实验结果如表5所示和表6所示。

实施例2

本实施例的试验材料和粉土固化剂中各组分的质量百分数都与实施例1相同，所不同的是试验方法的第二步，粉土固化剂和粉土的质量比不同。本实施例中固化剂与粉土的质量比为6∶94。实验结果如表5所示和表6所示。

实施例3

本实施例的试验材料和粉土固化剂中各组分的质量百分数都与实施例1相同，所不同的是试验方法的第二步，粉土固化剂和粉土的质量比不同。本实施例中固化剂与粉土的质量比为8∶92。实验结果如表5所示和表6所示。

实施例4

本实施例的试验材料与实施例1相同，所不同的是试验方法第一步，制备的粉土固化剂中的各组份的质量百分数不同，以及试验方法第二步中粉土固化剂与粉土的质量比不同。具体数值如表4所示。实验结果见表5和表6所示。

实施例5

本实施例的试验材料与实施例1相同，所不同的是试验方法第一步，制备的粉土固化剂中的各组份的质量百分数不同，以及试验方法第二步中粉土固化剂与粉土的质量比不同。具体数值如表4所示。实验结果见表5和表6所示。

实施例6

本实施例的试验材料与实施例1相同，所不同的是试验方法第一步，制备的粉土固化剂中的各组份的质量百分数不同，以及试验方法第二步中粉土固化剂与粉土的质量比不同。具体数值如表4所示。实验结果如表5和表6所示。

对比例1

本对比例中的实验材料：粉土与实施例1相同；粉土固化剂采用石灰。将粉土固化剂与粉土按照6∶94的质量比均匀搅拌混合后，进行无侧限抗压强度试验、直剪试验和收缩试验。无侧限抗压强度试验、直剪试验和收缩试验的试验条件和试验方法都与实施例1相同。实验结果如表5和表6所示。

对比例2

本对比例中的实验材料：粉土与实施例1相同；粉土固化剂采用石灰和水泥的混合物，其中，按照质量百分数：石灰66.5％，水泥33.5％。将粉土固化剂与粉土按照6∶94的质量比均匀搅拌混合后，进行无侧限抗压强度试验、直剪试验和收缩试验。无侧限抗压强度试验、直剪试验和收缩试验的试验条件和试验方法都与实施例1相同。实验结果如表5和表6所示。

表4：

表5无侧限抗压强度试验结果(kPa)

表6直剪试验和收缩试验结果

从表5中的试验结果数据可以看出：掺加本固化剂粉土的强度，相对于同等掺量的石灰或者石灰和水泥的粉土强度都有较大增加。例如，7天龄期时，掺加本固化剂的粉土强度最小为375.5kPa，最大为415.3kPa，而石灰水泥粉土的强度为220.6kPa，石灰粉土的强度仅为170.2kPa。此外，本固化剂粉土的强度随着龄期和掺量的增加也有较大的提高。7天龄期时，4％固化粉土的强度为240.2kPa，而28天时固化粉土的强度则达到了586.2kPa，提高了1.44倍，说明本固化粉土的后期强度潜力很大。同时，掺加本固化剂粉土的水稳系数大于0.80，水稳定性较好，完全能满足高速公路等地基处理工程的需要。

从表6中的试验结果数据可以看出：在直剪试验中，相对于掺加同等掺量的石灰或者石灰和水泥的混合物，掺加本固化剂粉土的凝聚力和内摩擦角都有极大的提高，并且随掺量和龄期的增加均有不同程度的增加。例如，在7天龄期时，掺加6％本固化剂的粉土的凝聚力最大达到了300.3kPa，内摩擦角最大为31.2°；而石灰水泥粉土的凝聚力为89.5kPa，内摩擦角为25.3°，石灰粉土的凝聚力仅为27.5kPa，内摩擦角为21.4°。收缩试验表明：各种方案的试样都表现出前期有略微膨胀，后期收缩的现象。在7天龄期时掺加本固化剂粉土的膨胀量比石灰粉土和石灰水泥粉土的膨胀量稍大，但28天时其收缩则减缓，主要是由于掺入固化剂产生的强度，从一定程度上制约了收缩现象的发生。

Claims (3)

1.一种基于工业废料的粉土固化剂，按照质量百分比，该粉土固化剂由以下组分组成：

电石渣                       10～20%，

矿渣微粉                     30～40%，

粉煤灰                       30～40%，

磷石膏                       10～20%，

硫酸钠                       5～10%。

2.按照权利要求1所述的基于工业废料的粉土固化剂，其特征在于，所述的粉土固化剂中，按照质量百分比，

电石渣                       10～12%，

矿渣微粉                     30～35%，

粉煤灰                       30～35%，

磷石膏                       12～20%，

硫酸钠                       6～10%。

3.按照权利要求1或2所述的基于工业废料的粉土固化剂，其特征在于，所述的粉土固化剂中，按照质量百分比，

电石渣                       10%，

矿渣微粉                     30%，

粉煤灰                       30%，

磷石膏                       20%，

硫酸钠                       10%。