CN103509559A - 利用矿渣及火山灰反应的土壤固化剂组合物及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物及其制造方法，由高炉灰微粉45-65重量%、综合供热供电发电厂燃料焚烧时产生的氧化钙（CaO）含量为40%以上的飞灰10-40重量%、氧化钙（CaO）含量为50%以上且硫酸化物的含量为10%以上的脱硫石膏5-30重量%及氧化钙（CaO）的含量为50%以上的副产烧石灰1.5-10重量%混合而组成软底土改良用土壤固化剂，且所述软底土改良用土壤固化剂利用通过硫酸盐刺激的火山灰反应和潜在水硬性反应而硬化。本发明的软底土改良用土壤固化剂组合物，降低了碱度，抑制了强碱引起的2次环境污染；能够少受强度低下的影响；预期能够作为零排放概念的建筑材料。
Description
技术领域
本发明涉及使用软底土用物性改善剂的软底土用土壤固化剂组合物及其制造方法，更具体地，涉及利用选自由非晶形高炉灰微粉、排气脱硫过程中产生的脱硫石膏粉末、有烟碳或使用石油焦作为燃料的综合供热供电发电厂的燃料焚烧时产生的氧化钙（CaO）的含量为40%以上的飞灰膨胀剂（高钙膨胀剂）、副产烧石灰
及造纸污泥焚烧材料组成的组中的至少3种以上的混合物，利用矿渣及火山灰反应制造的软底土改良用土壤固化剂组合物及其制造方法。
背景技术
通常，由于底土状态脆弱而导致施工延误时，以往一直沿用将底土内部进行化学固结的底土改良方法，用于此的软底土用物性改善剂初期主要使用粘土泥浆，之后使用火山灰砂浆、石灰、水泥砂浆等，现在使用多样的化学软底土用物性改善剂。
但是这种以往用作软底土用物性改善剂的现有的水泥砂浆类混悬液如图1所示，即使提高注入压也无法渗透到微细间隙，为此，多使用施工性及施工效果优异的碱类注入剂，注入时由于碱引起地下水污染及渗出水等环境污染，在1974年之后除了紧急情况之外被禁止使用。
因此，现在使用通过氯化钙及乳酸盐等溶液和水玻璃类混合的生成硅酸凝胶的固结方法，但是面临溶脱（leaching）等问题。
发明内容
发明目的
因此，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供如前所述的使用多种工业副产物及工业废弃物的，制造单价低廉、品质优秀的，使用与表层混合处理工序、深层混合处理工序（机械搅拌方式、高压喷射搅拌方式）及药液注入工序的，利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物及其制造方法。
技术方案
根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物，由高炉灰微粉45-65重量%、综合供热供电发电厂燃料焚烧时产生的氧化钙（CaO）含量40%以上的飞灰（高钙膨胀剂）10-40重量%、氧化钙（CaO）含量为50%以上且硫酸化物的含量为10%以上的脱硫石膏5-30重量%及氧化钙（CaO）的含量为50%以上的副产烧石灰1.5-10重量%混合而得。
此外，根据本发明的高炉灰微粉的粉末度为4,000cm2/g-10,000cm2/g。
此外，根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的制造方法包括：
制钢工序中产生的废弃物排气脱硫过程中产生的脱硫石膏和球混合加入到球磨机或管磨机中进行粉碎的粉碎步骤；
将上述粉碎的脱硫石膏投入到分级机中根据粒子大小进行分离的分级步骤；及
将经过粉碎及分级步骤精制的氧化钙（CaO）含量为50重量%以上且硫酸化物的含量为10重量%以上的脱硫石膏5-30重量%与高炉灰微粉45-65重量%、综合供热供电发电厂的燃料焚烧时产生的氧化钙（CaO）的含量为40%以上的飞灰（高钙膨胀剂）10-40重量%以及氧化钙（CaO）含量为50重量%以上的副产烧石灰1.5-10重量%混合的混合步骤而制造软底土改良用土壤固化剂，且所述软底土改良用土壤固化剂通过硫酸盐刺激的火山灰反应和潜在的水硬性反应而硬化。
有益效果
如上所述，根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物相比以往的水泥类软底土改良用固化剂，降低了碱度，抑制了强碱引起的2次环境污染问题的发生。
此外，高炉灰微粉诱导排气脱硫过程中产生的脱硫石膏的硫酸盐刺激及火山灰反应，生成大量的水和生成物，能够制造形成致密结构的硬化体，相比水泥及水玻璃固化剂，与试料土中存在的有机物及微粉之间的亲和力高，能够少受强度低下的影响。随着材龄增加能够预期更加优异的强度增进效果。
此外，在技术层面上即使不添加水泥及水玻璃等也能诱导硬化反应，属于亲环境无机结合剂制造技术。
此外，软底土改良用固化剂的制造技术中能够将天然资源的使用最少化，预期能够作为零排放（zero-emission）概念的建筑材料。
附图说明
图1是使用以往的水泥类软底土改良用固化剂的混合土的电子显微镜照片。
图2是根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的制造方法的流程图。
图3是使用根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的混合土的电子显微镜照片。
图4是根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的鱼毒性实验实施前的试验体的浸渍过程的示意图。
图5a及图5b是实施根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的鱼毒性实验的全景示意图。
具体实施方式
以下参照附图和实施例详细说明本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的制造方法。在对本发明的说明过程中相关的公知技术或对构成的具体说明可能会混淆本发明的要旨的情况时，将省略详细说明。另外，后述的用语是考虑到在本发明中的功能而定义的用语，这可根据客户或运营者及使用者的意图或惯例等会有不同。因此这些定义要以本说明书整体的内容为基础而进行理解。
在整个附图中相同的附图标记指代相同构成要素。
图2是根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的制造方法的流程图。图3是使用根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的混合土的电子显微镜照片。图4是根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的鱼毒性实验实施前的实验体的浸渍过程的示意图。图5a及图5b是实施根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的鱼毒性实验的全景示意图。
参照图2及图5b，根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的制造方法如下。
首先，在制钢工序中产生的废弃物排气脱硫中产生的脱硫石膏和球混合加入到球磨机或管磨机中进行粉碎（S210）。
然后，将上述粉碎的脱硫石膏投入到分级机中根据粒子大小进行分离（S220）。
此后，将分级的脱硫石膏中混合选自由高炉灰微粉、综合供热供电发电厂的燃料焚烧时产生的氧化钙（CaO）的含量为40%以上的飞灰（高钙膨胀剂）、副产烧石灰和造纸污泥焚烧材料组成的组中的3种以上的物质（S230）。
如此组成的根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物通过硫酸盐刺激的火山灰反应及潜在的水硬性反应而硬化。
此外，根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物由高炉灰微粉45-65重量%、综合供热供电发电厂的燃料焚烧时产生的氧化钙（CaO）的含量为40%以上的飞灰（高钙膨胀剂）10-40重量%、脱硫石膏5-30重量%及副产烧石灰1.5-10重量%组成。
在此，综合供热供电发电厂的燃料焚烧时产生的氧化钙（CaO）的含量为40%以上的飞灰（高钙膨胀剂）10-40重量%可以用同等重量%的造纸污泥焚烧材料代替。
根据本发明的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的制造方法包括：在制钢工序中产生的废弃物排气脱硫中产生的脱硫石膏和球混合加入到球磨机或管磨机中进行粉碎的步骤；将上述粉碎的脱硫石膏投入到分级机中根据粒子大小进行分离的步骤；及将粉碎机分级过程后精制的脱硫石膏5-30重量%与高炉灰微粉45-65重量%、综合供热供电发电厂的燃料焚烧时产生的氧化钙（CaO）的含量为40%以上的飞灰（高钙膨胀剂）10-40重量%以及副产烧石灰1.5-10重量%混合的步骤。
此外，所述高炉灰微粉是制铁工厂生铁制造时产生的工业副产物，是和混合铁矿石杂质的岩质氧化铝（Al2O3）化合的高温熔融的浮游物质，所述高炉灰微粉粉末度分布为3,000-10,000cm2/g，通常以4,000cm2/g、8,000cm2/g、10,000cm2/g的3种粉碎分级而使用，高粉末度的粉末的反应性更好，但是随着粉末度的增加能量消耗以几何数地增加而费用增加。
这种高炉灰微粉的量优选为组合物重量的45-65重量%，上述含量不足45重量%时，固化剂的强度表达降低；上述含量超过65重量%，会出现初期反应及凝结时间延迟等初期强度无法确保的问题，从而降低经济性。
此外，所述飞灰膨胀剂（高钙膨胀剂）是综合供热供电发电厂及火力发电厂的燃料焚烧时产生的副产物飞灰，氧化钙（CaO）的含量为40重量%以上，氧化钙含量过高而无法用于作为结构体的混凝土。所述飞灰（高钙膨胀剂）的量优选为组合物总重量的10-40重量%，上述含量不足10重量%时，无法与脱硫石膏一起诱导初期水合反应；上述含量超过40重量%时，膨胀效果大而单位数量增大。
此外，所述脱硫石膏是加压流动层锅炉中排气脱硫过程中产生的副产石膏，氧化钙的含量为50重量%以上、硫酸化物含量为10重量%以上，在高含水土壤中用作初期水分脱水和强碱刺激剂，所述脱硫石膏的量优选为组合物总重量的5-30重量%，上述含量不足5重量%时，流动性提高效果甚微，刺激效果弱；所述含量超过30重量%时，由于急剧的初期反应而作业性降低。
此外，所述副产烧石灰是制铁工厂的烧结工序中产生的氧化钙含量为50重量%以上的副产烧石灰，所述副产烧石灰的量优选为组合物总重量的1.5-10重量%，上述含量不足1.5重量%时，初期硬度的调节困难；上述含量超过10重量%时，发生凝结延迟现象。
以下通过实施例说明本发明的软底土改良用土壤固化剂组合物的制造方法。
实施例1
首先，将制铁工厂生铁制造时产生的粉末度4,000cm2/g以上的高炉灰45-65重量%，氧化钙含量为50重量%以上、硫酸化物含量为10重量%以上的脱硫石膏5-30重量%，氧化钙含量为40重量%以上的飞灰膨胀剂（高钙膨胀剂）10-40重量%，氧化钙含量为50重量%以上的副产烧石灰1.5-10重量%均匀混合制造软底土改良用土壤固化剂组合物。
利用由此制造的软底土改良用土壤固化剂，将天然含水量的试料土和软底土改良用土壤固化剂混合，软底土改良用土壤固化剂的用量为13重量%，制造水/结合剂比例为70%的混合土。
在此，天然含水量的试料土壤和软底土改良用土壤固化剂混合，软底土改良用土壤固化剂的用量为13重量%的理由是，用于试料土壤固化的单位水泥量为220kg/m3时，天然含水量的试料土壤的单位容积重量为1.69，通过数学式1计算其比例。
数学式1
220kg/m3（单位水泥量）/1690kg/m3（试料的单位重量）×100=13.01%
由此制造的软底土改良用土壤固化剂组合物通过硫酸盐刺激的火山灰反应及潜在的水硬性反应而硬化。
实施例2
按照实施例1的方法，不同的是，软底土改良用土壤固化剂的用量为14重量%，制造水/结合剂比例为70%的混合土。
实施例3
按照实施例1的方法，不同的是，软底土改良用土壤固化剂的用量为16重量%，制造水/结合剂比例为70%的混合土。
实施例4
按照实施例1的方法，不同的是，软底土改良用土壤固化剂的用量为18重量%，制造水/结合剂比例为70%的混合土。
实施例5
按照实施例1的方法，不同的是，软底土改良用土壤固化剂的用量为13重量%，制造水/结合剂比例为80%的混合土。
实施例6
按照实施例1的方法，不同的是，软底土改良用土壤固化剂的用量为14重量%，制造水/结合剂比例为80%的混合土。
实施例7
按照实施例1的方法，不同的是，软底土改良用土壤固化剂的用量为16重量%，制造水/结合剂比例为80%的混合土。
实施例8
按照实施例1的方法，不同的是，软底土改良用土壤固化剂的用量为18重量%，制造水/结合剂比例为80%的混合土。
利用软底土改良用土壤固化剂的混合土的性能试验方法及结果
如下表1所示，混合土的压缩强度测定按照KS F2343方法实施，混合土的溶出试验方法适用了废水工程试验法（KSLT）标准，本发明产品现场施工时，为了环境安全性检查根据KS I3217试验法进行了鱼毒性实验。表2是通过用作试料土的弃土的灼热减量测定的有机物含量的试验结果。
表1
表2
（1）单轴压缩强度的变化
下表3示出了通过实施例1至8制造的混合土的单轴压缩强度的变化。在该结果中，材龄第7天实施例1为0.93MPa、实施例2为0.87MPa、实施例3为1.22MPa、实施例4为1.07MPa、实施例5为1.35MPa、实施例6为1.19MPa、实施例7为1.58MPa、实施例8为1.43MPa，随着单位结合剂量的增加单轴压缩强度增加，材龄第28天实施例1为1.96MPa、实施例2为1.84MPa、实施例3为2.22MPa、实施例4为2.10MPa、实施例5为2.33MPa、实施例6为2.19MPa、实施例7为2.55MPa、实施例8为2.35MPa，随着单位结合剂量的增加单轴压缩强度增加。
这是由于制造的软底土改良用土壤固化剂中高炉灰微粉通过诱导硫酸盐刺激的活化而得到的泥浆粒子的酸性被膜中溶出钙离子及铝粒子，诱导由此导致的连锁反应，促进大量的水合生成物钙矾石及C-S-H凝胶的生成。
此外，其他材料中的高CaO成分能够将这种反应进一步促进。如实验结果所示，通过这种高炉灰微粉的添加剂，即排气脱硫过程中产生的脱硫石膏的潜在水硬性诱导和通过飞灰膨胀剂（高钙膨胀剂）的添加的活性化促进及火山灰反应诱导的复合效果，随着材龄使得混合土内部结构更加坚固。
表3
（2）废水工程试验
下表4是根据废水工程试验法（环境部告示第2009-132号，151号）测定本发明制造的软底土改良用土壤固化剂的环境有害性评价的重金属溶出试验结果，在所有项目中均没有检出。
下表5是原底土弃土的重金属溶出试验结果，表6是普通波特兰水泥的重金属溶出试验结果，表7是使用本发明制造的软底土改良用土壤固化剂试验的改良体的重金属溶出试验结果。包含弃土原试料的4种试料中均检出油性成分。在弃土原试料中检出0.03%的油性成分。使用普通波特兰水泥的改良体中检出0.03%的油性成分，使用本发明制造的软底土改良用土壤固化剂试验的改良体检出0.02%的油性成分，显示出相比使用普通波特兰水泥的实验体更低的结果值，试料采集区域是临界港湾的海岸带，从原石料内的有形成分的数值推测，本发明制造的软底土改良用土壤固化剂对环境产生的影响应该微不足道。
表4
表5
表6
表7
（3）鱼毒性试验
如下表8所示，利用金鱼对本发明制造的软底土改良用土壤固化剂进行溶出水毒性程度试验，结果没有死亡的个体。
如下表9所示，试验期间在阴性对照区及处理区没有观察到一般毒性症状及特异症状。
如下表10所示，pH平均值为8.04（7.87-8.18）。
如下表11所示，DO平均值为6.83㎎/L（5.65㎎/L-8.13㎎/L）。
如下表12所示，实验用水的平均水温为21.9℃（21.6℃-22.1℃）。
鱼毒性试验结果，作为试验物质的本发明制造的软底土改良用土壤固化剂在水中浸渍后生成的溶出水的毒性程度评价结果，经过96小时没有发现死亡的个体，也没有发现任何中毒症状，因此判断是对环境安全的固化剂。
表8
表9
表10
表11
表12
利用根据本发明的矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物相比以往的水泥类软底土改良用固化剂，降低了碱度，因此能够抑制2次环境污染的发生。此外，高炉灰微粉诱导排气脱硫过程中产生的脱硫石膏的硫酸盐刺激及火山灰反应，生成大量的水和生成物，能够制造形成致密结构的硬化体，相比水泥及水玻璃固化剂，与试料土中存在的有机物及微粉之间的亲和力高，能够少受强度低下的影响。随着材龄增加能够预期更加优异的强度增进效果。此外，技术层面上来讲即使不添加水泥及水玻璃等，也能够诱导硬化反应。此外，软底土改良用固化剂的制造技术上能够使天然资源的使用最少化，预期能够作为零排放（zero-emission）概念的建筑材料。
以上虽然根据本发明的优选实施例进行了说明，这些实施例仅用于说明本发明而不限制其范围，所属领域技术人员应当理解的是在不超出本发明的技术思想范围的情况下可以对上述实施例进行多种变化、变更或调整。因此，本发明的保护范围要包括属于本发明的技术思想的要旨的所有变化例、变更例以及调整例。
Claims (3)
1.利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物，其特征在于，该组合物由高炉灰微粉45-65重量%、综合供热供电发电厂燃料焚烧时产生的氧化钙含量为40%以上的飞灰10-40重量%、氧化钙含量为50%以上且硫酸化物含量为10%以上的脱硫石膏5-30重量%及氧化钙含量为50%以上的副产烧石灰1.5-10重量%混合而组成软底土改良用土壤固化剂，且所述软底土改良用土壤固化剂利用通过硫酸盐刺激的火山灰反应和潜在水硬性反应而硬化。
2.根据权利要求1所述的利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物，其中，所述高炉灰微粉的粉末度为4,000cm2/g-10,000cm2/g。
3.利用矿渣及火山灰反应的软底土改良用土壤固化剂组合物的制造方法，其特征在于，该方法包括：
制钢工序中产生的废弃物排气脱硫中产生的脱硫石膏和球混合加入到球磨机或管磨机中进行粉碎的粉碎步骤；
将上述粉碎的脱硫石膏投入到分级机中根据粒子大小进行分离的分级步骤；及
将粉碎及分级步骤精制的氧化钙含量为50%以上且硫酸化物含量为10%以上的脱硫石膏5-30重量%与高炉灰微粉45-65重量%、综合供热供电发电厂的燃料焚烧时产生的氧化钙含量为40%以上的飞灰10-40重量%以及氧化钙含量为50%以上的副产烧石灰1.5-10重量%混合的混合步骤而制造软底土改良用土壤固化剂，且所述软底土改良用土壤固化剂利用通过硫酸盐刺激的火山灰反应和潜在水硬性反应而硬化。
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