CN102976677A - 一种疏浚土复合固化剂及工程建筑材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种疏浚土复合固化剂，是以工业钢渣粉、矿渣粉为主固化剂，配以少量水泥及碱激发剂为助固化剂，主固化剂与助固化剂按以下质量比混合均匀：钢渣粉与矿渣粉的混合物65~75%；水泥8~28%；碱激发剂5~20%。本发明的固化剂可改善疏浚土的松散结构，提高密实度，大幅度提高疏浚土的抗压、抗剪强度，降低其渗透性和压缩性，对软弱、高黏的疏浚土具有良好的改性效果。经此固化剂改性后的疏浚土可制备成工程填筑材料，也可制备成免烧砖，用于民用建筑。本发明充分利用了工业废渣等原料对废弃的疏浚土进行固化，实现了“变废为宝”，其成本低，环保性好，适用性广。

Description

一种疏浚土复合固化剂及工程建筑材料

技术领域

本发明涉及的是一种对水利工程和海洋工程等建设中产生的疏浚土进行固化处理所使用的复合固化剂。

背景技术

为了满足日益增长的货运量和船舶大型化的需求，港口与航道也不断向大型化、深水化发展。疏浚对港口与航道的建设和维护以及船舶的安全航行是必不可少的，与疏浚作业有关的最大问题就是如何处置每年数量高达几亿方的疏浚土。我国处置疏浚土的传统方法一般都是采用水中抛泥或者就近弃土。将疏浚土作为废弃物在指定水域外抛或者征用一块土地来堆放，由于疏浚土抛填形成的土地非常软弱，难以开发利用，因此造成大量土地资源和泥土资源的浪费。此外，疏浚土大多含有重金属、有机质等污染物，就近抛填必然会对周围环境造成二次污染。所以将疏浚土“变废为宝”，处理成良好的土工材料，对社会的可持续发展具有重大的意义。

疏浚土综合利用的方法之一是采用固化剂对疏浚土进行化学固化，提高土体强度，改善土质的孔隙结构和压实性，使其变成可利用的土木工程建筑材料。传统的固化剂一般属于固体粉状土壤固化剂，大多是从水泥加固机理出发，通过在各种基质材料中添加表面活性剂、碱性激发剂和膨胀组分等以达到提高土的工程性能的目的。

目前土壤固化剂及其相关技术仍处于不断完善和发展之中，不少市售产品在性能上都或多或少存在一些不足，如土壤固化剂通用性并不是很好；一种固化剂往往只能提高一、二项材料的性能，难以兼顾强度、耐久性、抗冻融和耐水性等多方面要求。新型土壤固化剂的固化效果一般优于传统固化材料，但其成本一般较高，只适用于使用量较少的特殊的地基处理当中，对于大量的疏浚土处理并不适用。因此，疏浚土固化技术的关键是提供合理、经济有效的固化剂配方。

公开号为CN 101081718A，发明创造名称为《一种淤泥固化剂及其应用》，此固化剂的成分为：水泥熟料、炉渣或矿渣、石灰、石膏、硫酸盐、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、甘露醇、木质素磺酸盐、木质素磺酸盐与铁、铬离子络合物、烷基酚聚氧乙烯醚、丹宁酸、腐殖酸盐、α-烯烃磺酸盐等15种成分，成分复杂，成本高。

公开号为CN98113594.3的专利公开了一种土壤固化剂，其使用78-85%的矿渣或矿渣组合物、10%-25%的碱性激发剂、0.01-0.15%的表面活性剂进行土壤处理，然而，由于此配方组份中缺少水泥等固化剂，其固化效果对于含水率较高的土壤来说，效果会大打折扣，且早期强度也较低。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种合理、经济、有效的疏浚土复合固化剂，能将软弱、高黏的废弃疏浚土固化成为强度较高，压缩性和渗透性小，且具有一定密实度的满足工程要求的建筑材料。

本发明的另一目的在于提供上述疏浚土复合固化剂的应用方法及应用该方法所获得的建筑材料。

为了实现上述的发明目的，本发明采用以下的技术方案为：一种疏浚土复合固化剂，其特征在于：以工业钢渣粉、矿渣粉为主固化剂，配以少量水泥及碱激发剂为助固化剂，主固化剂与助固化剂按以下质量比混合均匀：

钢渣粉与矿渣粉的混合物        65~75%

水泥                          8~28%

碱激发剂                      5~20%

进一步来说，所述钢渣粉与矿渣粉的质量比例为（0.75~1.25）：1。

具体地来说，所述的碱激发剂选自硫酸盐类和石膏类的混合，或硫酸盐类、膏类与水玻璃的混合。

所述硫酸盐类选自硫酸钠、硫酸钾、硫酸铜中的一种或多种的混合；所述石膏类选自二水石膏、半水石膏、无水石膏中的一种或多种的混合。

优选地，疏浚土复合固化剂的各原料组分按以下质量百分比混合：

或者该疏浚土复合固化剂的各原料组分按以下质量百分比混合：

更优选地，疏浚土复合固化剂的原料组分按以下质量百分比的混合：

一种工程建筑材料，按水：固体原料为（12%~18%）：1的质量比制备免烧砖，其中所述固体原料按以下配方制得：如上任一所述的疏浚土复合固化剂18~28%、砂10~27%、疏浚土50~70%。

如上所述的工程建筑材料的制备方法，其特征在于：把疏浚土复合固化剂添加至已风干的疏浚土及砂中，搅拌均匀后加入水，继续搅拌均匀；然后将混合料倒入塑料袋中陈化8h；称取适量的混合料，进行二次搅拌以后加入模具中振动填平，在压力机上加压成型（成型压力约40kN），脱模后进行蒸养16h，然后自然养护28d后。

由于钢渣粉中溶入了较多的FeO、MgO、P₂O₅等杂质，其玻璃体的结构是以Si-O键和Al-O键组成的[SiO₄]、[AlO₄]四面体或[AlO₆]配位多面体。[SiO₄]四面体中的Si-O键在钢渣粉的粉磨过程中会发生断键，继而在激发剂形成的碱性环境中发生以下反应：

钢渣粉中玻璃体中的[AlO₄]四面体可认为是Al³⁺取代Si₄的结果。在碱环境（OH^-离子）的作用下，[AlO₄]四面体和[SiO₄]四面体一样受到解聚而形成H₃AlO₄ ^2-离子，并进一步与H₃SiO^4-、Ca²⁺、Na⁺发生反应生成沸石类水化产物，从而达到固化效果。

矿渣粉的主要化学成分为CaO、SiO₂和Al₂O₃，为处于亚稳态的玻璃体为主，其水硬活性是潜在的，从矿渣粉的溶出性试验来看，当矿渣粉处于碱性溶液(pH>12)中时，会呈现出明显的水硬性能；根据J.Davidovts等提出的机理，在碱性催化剂作用下，硅氧键和铝氧键断裂并形成一系列低聚硅(铝)四面体单元，这些低聚结构单元随着反应进程的进行，逐渐脱水重组聚合从而形成矿物聚合等水化产物。

水泥的加固机理主要体现在水解和水化反应、离子交换和团粒化作用、凝硬作用和碳酸化作用，但水泥固化土受土类别限制，对塑性指数高的粘土加固效果不理想，水泥加固土干缩系数和温缩系数均较大，把水泥结合钢渣粉和矿渣粉一起使用则可避免其本身的不足，还提供了碱环境，且能弥补钢渣粉、矿渣粉早期强度的不足。

硫酸盐类和石膏类主要是充当碱激发剂，提供碱环境，激发钢渣粉、矿渣粉潜在的活性，水玻璃也可提供强碱性环境，且本身具有网络结构，起到晶核作用，能促进钢渣粉和矿渣粉进一步水化，从而获得良好的固化效果。

本发明的固化剂具有以下优点和效果：

（1）疏浚土经过此复合固化剂固化后结构和性能发生了明显变化，扫描电镜测试的结果显示改性后的疏浚土出现了不定形粒状及棒状矿物等水化产物，改善了原来疏散的结构，提高了密实度，降低了渗透性和压缩性，当添加10%固化剂改性疏浚土时，试样养护28d后，渗透系数只有原来的1/30，无侧限抗压强度可达到1116.5kPa，远高于国内朱书景、林安珍等人用HAS固化剂和粉煤灰等固化材料改性的疏浚土强度，使疏浚土变成了良好的工程建筑材料。

（2）疏浚土的传统的处理方法是就近弃埋，此法不仅占用耕地、堆放时污染物扩散、污染河流和海洋等环境问题。本发明充分利用工业废渣等原料制备固化剂，不仅能解决疏浚土的堆放问题，还能将疏浚土转化为良好的工程材料，变废为宝，是一条解决土木工程材料短缺的环保途径。

（3）本发明成分简单，成本较低，且只需通过机械搅拌便可与疏浚土混合均匀对其进行改性，可通过调整添加量来控制所需的不同固化效果，施工简易，应用范围广，改性后的淤泥除了可用于填海造陆、道路工程、堤防工程等，还可用于制备免烧砖、陶瓷等建筑材料。

本发明本着环保、废物利用原则，针对疏浚土的性质，选用工业废弃的钢渣粉、矿渣粉为主固化剂，配以水玻璃、石膏类、硫酸盐类等碱激发剂及少量水泥为助固化剂，通过碱激发剂和水泥提供的碱环境将钢渣粉和矿渣粉的潜在水化活性激发，从而获得良好的水化效果。该固化剂可改善疏浚土的松散结构，提高密实度，大幅度提高疏浚土的抗压、抗剪强度，降低其渗透性和压缩性，对软弱、高黏的疏浚土具有良好的改性效果。经此固化剂改性后的疏浚土可制备成工程填筑材料，也可制备成免烧砖，用于民用建筑。本发明充分利用了工业废渣等原料对废弃的疏浚土进行固化，实现了“变废为宝”，其成本低，环保性好，适用性广。

具体实施方式

实施例1

按以下配比，配制疏浚土复合固化剂:

将配好的固化剂用于改性天然疏浚土，此疏浚土的物理性能见表1，其化学成分见表2，其粘聚力为1.3kPa，内摩擦角为0.6°，压缩系数为1.92MPa^-1，原土的渗透系数为6.74×10^-7cm/s，CBR值只有1.73，膨胀量大。

表1

表2

按以下步骤对疏浚土进行固化处理：

按上述比例配制出来的固化剂的添加量为10%，疏浚土的添加量为90%，将它们搅拌均匀混合后，添加到试模，按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-199）进行制样及养护，28天后的无侧限抗压强度为1116.5kPa；粘聚力为206.3~369kPa，内摩擦角为20°；压缩系数稳定在0.15左右，比原土的压缩系数足足降低了十几倍，渗透系数只有原来的1/30，CBR已经接近100%。

由此可见，疏浚土经固化改性后物理性能发生了明显变化，从高塑性、高压缩土“改良”成中等塑性、中等并接近低压缩性变化土，显著提高抗压和抗剪强度，降低了渗透性和压缩性，使疏浚土变成良好的工程填土。

实施例2

按以下配比，配制疏浚土复合固化剂:

将配好的固化剂用于改性天然疏浚土，具体是指将24.6%固化剂、10.3%砂、68.3%疏浚土、水固比为14.5%的原料配比制备免烧砖。

制备工艺流程如下：按上述比例配制出来的固化剂作为整体，加入到已风干的疏浚土及砂中，搅拌均匀后加入试验所需的水，继续搅拌均匀；然后将混合料倒入塑料袋中陈化8h；称取适量的混合料，进行二次搅拌以后加入模具中振动填平，在压力机上加压成型（成型压力约40kN），脱模后进行蒸养16h，然后自然养护28d.后，测量其抗压强度、吸水率、抗冻性、放射性，结果如表3所示。

表3NY/T671-2003中的技术指标与检测结果对照表

由表可得：经此固化剂改性后的疏浚土制备的免烧砖，其密度、强度、吸水率、抗冻性、放射性均达到《混凝土普通砖和装饰砖》（NY/T671-2003）中规定承重砖MU10等级。

实施例3~6

按以下配比，配制疏浚土复合固化剂:

将配好的固化剂用于改性天然疏浚土，按如下表4所示的配比制备免烧砖。具体操作如实施例2所示，在此不再赘述。

对所制得的的免烧砖进行检测，结果如下表4所示：

表4不同配比的免烧砖强度

根据《混凝土普通砖和装饰砖》（NY/T671-2003）中的要求，实施例4~6所制得的免烧砖均满足MU10的等级。

Claims (9)

1.一种疏浚土复合固化剂，其特征在于：以工业钢渣粉、矿渣粉为主固化剂，配以少量水泥及碱激发剂为助固化剂，主固化剂与助固化剂按以下质量比混合均匀：

钢渣粉与矿渣粉的混合物    65~75%

水泥                      8~28%

碱激发剂                  5~20%。

2.根据权利要求1所述的疏浚土复合固化剂，其特征在于：所述钢渣粉与矿渣粉的质量比例为（0.75~1.25）：1。

3.根据权利要求1或2所述的疏浚土复合固化剂，其特征在于：其特征在于所述的碱激发剂选自硫酸盐类和石膏类的混合，或硫酸盐类、膏类与水玻璃的混合。

4.根据权利要求3所述的疏浚土复合固化剂，其特征在于：所述硫酸盐类选自硫酸钠、硫酸钾、硫酸铜中的一种或多种的混合；所述石膏类选自二水石膏、半水石膏、无水石膏中的一种或多种的混合。

5.根据权利要求1所述的疏浚土复合固化剂，其特征在于，它的各原料组分按以下质量百分比混合：

6.根据权利要求1所述的疏浚土复合固化剂，其特征在于，它的各原料组分按以下质量百分比混合：

7.根据权利要求5所述的疏浚土复合固化剂，其特征在于，它的原料组分按以下质量百分比的混合：

8.一种工程建筑材料，其特征在于按水：固体原料为（12%~18%）：1的质量比制备免烧砖，其中所述固体原料按以下配方制得：权利要求1~7任一所述的疏浚土复合固化剂18~28%、砂10~27%、疏浚土50~70%。

9.如权利要求8所述的工程建筑材料的制备方法，其特征在于：把如权利要求1~7任一所述的疏浚土复合固化剂添加至已风干的疏浚土及砂中，搅拌均匀后加入水，继续搅拌均匀；然后将混合料倒入塑料袋中陈化8h；称取适量的混合料，进行二次搅拌以后加入模具中振动填平，在压力机上加压成型，脱模后进行蒸养16h，然后自然养护28d。