CN103771798B - 一种砒砂岩改性材料 - Google Patents
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Abstract
一种砒砂岩改性材料，属于建筑材料领域。该材料包括砒砂岩或砒砂岩原岩、具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料、通用硅酸盐水泥和水；各组分质量百分比为：具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料：0.5%-60%；砒砂岩或砒砂岩原岩：40%-90%；通用硅酸盐水泥：0.5%-10%；成岩剂：0.5%-15%；水：5-20%。该砒砂岩改性筑坝材料具有材料强度高、干缩变形小、耐水性强、易于取材制作、施工方式简便等优点。本发明的改性砒砂岩材料90天抗压强度可达3MPa-25MPa，浸水软化系数可达0.7以上。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别涉及一种砒砂岩改性材料。
背景技术
砒砂岩是一种发育不完全，矿物成分主要为石英、钙蒙脱石及方解石的泥岩、泥沙岩，主要分布在晋陕蒙交界地区。砒砂岩分布地区是黄土高原最集中的碎屑基岩产沙区，每年输入黄河的粗泥沙约占黄河粗泥沙总量的62%，砒砂岩是黄河中游入黄泥沙的主要源头，且砒砂岩区水土流失严重，地形支离破碎，给当地农业发展和生态环境带来了灾难性的影响。我国每年都投入大量的资金进行黄河河道治理和砒砂岩区的生态修复。目前针对砒砂岩的治理方式主要有生态修复措施和工程措施等，这些措施需要互相结合，相辅相成，工程措施是生态修复措施的基础和保障。工程措施主要是修筑淤地拦沙坝，拦沙蓄水，淤地造田，为生态修复措施提供水源和肥沃田地。
淤地坝作为一种拦沙蓄水建筑物，坝体材料应具有较高的强度和抗渗性能等，要保证蓄水时坝体变形较小，坝顶溢流下泄洪水时，坝体稳定，不发生倾覆、溃坝等工况。现有的淤地坝多为直接采用砒砂岩堆积碾压修筑而成，设计标准低，坝体材料强度低，抗渗性差，砒砂岩遇水易溃散为沙，被水流裹挟带走。因此，淤地坝在降雨之后往往被洪水冲毁或浸泡后溃坝，给当地人民带来财产损失。因本地基础设施和交通条件限制，从外运入材料修筑淤地坝，造价较高，施工难度较大。需要利用当地现有条件，研发一种新的高强度耐水性较好的筑坝材料，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的建筑材料。该砒砂岩改性筑坝材料是指利用添加成岩掺合料或化学物质或称成岩剂使砒砂岩自身遇水溃散成泥或砂的属性得到改善，具有材料强度高、抗渗性好、耐水性强、易于制作和应用方式简便等优点，满足淤地坝的施工和坝工性能要求。本发明主要为解决黄河中游粗沙多沙区淤地坝因坝体材料耐水性差，坝体材料强度低，降水过后水毁严重的状况。
一种砒砂岩改性材料，该材料包括砒砂岩或砒砂岩原岩、具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料、通用硅酸盐水泥和水；各组分质量百分比为：
具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料：0.5%-60%；
砒砂岩或砒砂岩原岩：40%-90%；
通用硅酸盐水泥：0.5%-10%；
成岩剂：0.5%-15%；
水：5-20%。
该砒砂岩改性材料还包括粘土，其质量百分比不大于50%。该粘土是指黄土高原地区黄土等，这里特指砒砂岩经完全风化后而在砒砂岩原表层覆盖的黄土层。砒砂岩是指分布在内蒙古、山西和陕西三省内，颜色为白色、红色、紫色或灰色及其这些颜色混杂相间的砒砂岩。砒砂岩是一种中生代陆相碎屑沉积类泥岩、砂岩和砂砾岩的俗称。在水环境或者干湿、冷暖交替作用下极易发生侵蚀和溃散，致使干燥坚硬而遇水如泥、遇风成砂。当地深受其水土流失之危害，视其如‘砒霜’，故称其为砒砂岩。砒砂岩也成为黄河中下游的基岩产沙区，致使泥沙问题成为黄河治理一大难题。
其中，具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料是指含有活性氧化硅、活性氧化镁、活性氧化铝和活性碳酸钙的粉煤灰、矿渣、炉渣、沸石粉、石灰粉、石灰石粉、钢渣、粘土、煤矸石粉的一种或两种以上混合。
其中，成岩剂是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、消石灰、氧化钙、生石灰、水玻璃、六偏磷酸钠、硫酸钠、硫酸钙、氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化镁、聚乙烯醇、水性聚氨酯乳液、羟基纤维素丁苯乳液、改性橡胶乳液、丙烯酸衍生物中的一种或两种以上混合。成岩剂是指基于砒砂岩成岩不完备的特点，用以激发砒砂岩本身或成岩掺合料的胶凝活性并能提高砒砂岩原岩技术性质的物质，进而改善砒砂岩的抗溃散性。但不包括单一的水泥或石灰、石膏之类。
所用的通用硅酸盐水泥是指32.5、42.5或52.5等级的通用硅酸盐水泥。
本发明的原理是对砒砂岩原岩进行矿物改性、层间改性、结构改性和隔断改性，通常改性方式有：
1）矿物改性：主要基于砒沙岩成岩机理，其溃散原因之一是其胶结物不足所致。砒沙岩本质上是成岩不完全一种岩石，根据成岩机理或过程添加成岩剂进行改性。
2）层间改性：引起砒沙岩溃散的矿物主要是蒙脱石，将其层间亲水离子进行置换或吸附多余水分，利用砒砂岩的矿物结构特征进行有针对性的憎水改性。
3）结构改性：使用成岩掺合料以形成新型耐水矿物，并能将砒砂岩相应组分胶结在一起，即可改善其溃散性也能具备一定强度，以满足筑坝工程需求。
4）隔断改性：通过改变砒砂岩中的吸水通道，隔断可溶性离子与水的联系，形成新的‘团簇’进行改性。
本发明的有益效果是：该砒砂岩改性筑坝材料具有材料强度高、干缩变形小、耐水性强、易于取材制作、施工方式简便等优点。本发明的改性砒砂岩材料90天抗压强度可达3MPa-25MPa，浸水软化系数可达0.7以上。
①.环保经济，成本较低，砒砂岩改性材料是以砒砂岩为主要原料，辅以具有火山灰性质和水硬性的工业废弃物为成岩掺合料，即避免了像化学固化剂对环境的不利影响，也可将工业废弃物利用起来，减少其对环境的影响，砒砂岩没有材料成本，工业废弃物成本相较于水泥或其它坝体材料经济成本也较为低廉。
②.取材方便，施工便捷，砒砂岩改性材料，应用于淤地坝修筑时，可直接就地取材，将砒砂岩破碎后，掺入少量的成岩料和激发剂，混合后堆积碾压即可，取材方便，施工便捷。
③.应用前景好，经济效益显著，淤地坝是治理黄河中游黄土高原水土流失区效率最高的工程措施，根据《黄河流域黄土高原地区水土保持淤地坝规划》，至2010年，要新建6万座淤地坝，至2020年，新建淤地坝规模将达到16.3万座。其中大型骨干坝3万座，中小型淤地坝13.3万座，工程建设后，可新增坝地5万公顷，拦泥400亿吨，蓄水170亿立方米，可发展灌溉24万公顷，促进退耕还林还草220万公顷，年减少入黄泥沙7亿吨。砒砂岩改性材料应用于淤地坝工程中，相较于传统淤地坝，造价大为降低，安全性也大为提高。
具体实施方式
将砒砂岩原岩通过机械或人工方式破碎成颗粒，破碎后的砒砂岩原岩颗粒粒径控制在5mm以下，大于5mm粒径砒砂岩原岩含量不大于5%。将固体料，砒砂岩、成岩掺合料在搅拌机内拌合均匀，再将成岩剂溶于水中配制溶液，进而将配制好的成岩剂溶液均匀喷洒添加到混合料中，并搅拌至均匀(一般5-10min即可)。然后将材料通过压制成型或者碾压成型，自然放置养护；或在密封塑料大棚内（30℃～80℃）养护一天（24h），然后将试件取出在一般大气条件（≥10℃）下养护至龄期。
本发明公开了利用具有潜在活性的成岩掺合料，其组成富含活性氧化硅和氧化铝，在成岩剂激发条件下生成水合硅酸钙盐、硅酸镁盐、碳铝酸盐等水化产物。
本发明的要点是发明了利用砒砂岩成岩原理，以砒砂岩原岩、成岩掺合料为主要原料，添加成岩剂制备出了抗压强度高、耐水性好的抗溃散砒砂岩改性材料。
实施例1
将散粒状砒砂岩75%、成岩掺合料（石灰石微细粉）20%、普通硅酸盐水泥（425等级）5%混合均匀。填入击实仪内，重型击实3次，环刀取样（三个试样为一组），标准养护（20±3℃，控制湿度大于90%），分别测定28天和90天龄期抗压强度和软化系数。28天抗压强度4.0MPa，90天抗压强度6.0MPa，软化系数均大于0.70。
实施例2
将散粒状砒砂岩70%，成岩掺合料（轻烧镁粉19.5%，超细硅粉10%），成岩剂（六偏磷酸钠）0.5%，均匀混合，按实施例一所述成型、养护，分别测定28天和90天龄期抗压强度和软化系数。28天抗压强度3.0MPa，90天抗压强度7.0MPa，软化系数均大于0.7。
实施例3
将砒砂岩60%，成岩掺合料（粉煤灰）20%，32.5等级的通用硅酸盐水泥7%，成岩剂(水玻璃3%，硫酸钠1%)，水9%混合均匀。装入模具压力成型，成型压力以控制试样密度2.0kg/m3为宜，自然养护28天抗压强度5.0MPa，软化系数0.75。
实施例4
将砒砂岩72%，矿渣10%，32.5等级的通用硅酸盐水泥5%，成岩剂(氢氧化钠1%，水玻璃4%)，水8%混合均匀。装入模具压力成型，成型压力以控制试样密度2.0kg/m3为宜，自然养护28天抗压强度6.0MPa，软化系数0.80。
实施例5
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。准确称量砒砂岩165.8g(含水量6%)，32.5等级的通用硅酸盐水泥13.3g，水16.3g，水性OED-ABS土壤固化剂(台胶，水性聚氨酯类)1g(固含量3%)，首先将砒砂岩和普通硅酸盐水泥拌合均匀，然后加入一半水量拌合，记为组分A；将剩余水量与水性土壤固化剂稀释，记为组分B；将组分A、B迅速拌合(拌合时间不大于30s)装入模具，压力成型后于空气中自然养护。28天抗压强度5.84MPa，软化系数0.67。
实施例6
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。准确称量砒砂岩163.6g(含水量6%)，42.5等级的通用硅酸盐水泥9.0g，生石灰4.3g，水18.5g，成岩剂（聚乙烯醇）1g。预先采用一半水量与生石灰拌合均匀后密封陈化一天，使用时待砒砂岩和普通硅酸盐水泥拌合均匀后加入，记为组分A；将剩余水量溶解聚乙烯醇(可适当加热)形成均一溶液，记为组分B；将组分A、B拌合均匀后装入模具，压力成型后于空气中自然养护。28天抗压强度6.56MPa，软化系数0.71。
实施例7
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。选用的原料为：砒砂岩，88%；石灰，4%；氢氧化钠，1.4%；水玻璃6.6%；水，10%。按本专利申请材料中的技术方法，将原料混合拌制均匀，将激发溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均匀。将拌制均匀的材料倒入模具中压制成型。试件制出后进行高温（80℃）养护20h，然后放置在一般大气环境中（20±3℃）继续养护，测得试件28天龄期抗压强度为11.6MPa，软化系数为0.75。
实施例8
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。选用的原料为：砒砂岩，72%；粉煤灰，10%；石灰，3%；氢氧化钠，0.8%；水玻璃5.2%；水，9%。按本专利申请材料中的技术方法，将原料混合拌制均匀，将激发溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均匀。将拌制均匀的材料倒入模具中压制成型。试件制出后进行高温（80℃）养护20h，然后放置在一般大气环境中20℃继续养护，测得试件90天龄期抗压强度为20.0MPa，软化系数为0.8。
实施例9
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。选用的原料为：砒砂岩，62%；矿渣，10%；石灰石粉，3%；氢氧化钾，0.8%；氯化镁5.2%；水，9%。按本专利申请材料中的技术方法，将原料混合拌制均匀，将激发溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均匀。将拌制均匀的材料倒入模具中压制成型。一般大气环境中20℃养护，测得试件90天龄期抗压强度为25.0MPa，软化系数为0.82。
实施例10
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。选用的原料为：砒砂岩，72%；炉渣，10%；消石灰，3%；氢氧化钙，2.8%；硫酸钠3.2%；水，9%。按本专利申请材料中的技术方法，将原料混合拌制均匀，将激发溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均匀。将拌制均匀的材料倒入模具中压制成型。一般大气环境中20℃养护，测得试件90天龄期抗压强度为24.0MPa，软化系数为0.78。
实施例11
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。选用的原料为：砒砂岩，72%；煤矸石粉，10%；硫酸钙，3%；氢氧化钙，1.5%；氯化镁4.5%；水，9%。按本专利申请材料中的技术方法，将原料混合拌制均匀，将激发溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均匀。将拌制均匀的材料倒入模具中压制成型。试件制出后进行高温（80℃）养护20h，然后放置在一般大气环境中（20±3℃）继续养护，测得试件90天龄期抗压强度为29.0MPa，软化系数为0.83。
实施例12
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。选用的原料为：砒砂岩，52%；炉渣，10%；沸石粉，20%；硫酸钠，3%；生石灰，2%；水玻璃氯化钠4%；水，9%。按本专利申请材料中的技术方法，将原料混合拌制均匀，将激发溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均匀。将拌制均匀的材料倒入模具中压制成型。一般大气环境中20℃养护，测得试件28天龄期抗压强度为13.0MPa，软化系数为0.78。
实施例13
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。准确称量砒砂岩163.6g(含水量6%)，42.5等级的通用硅酸盐水泥9.0g，生石灰4.3g，水18.5g，成岩剂（改性橡胶乳液）1g。预先采用一半水量与生石灰拌合均匀后密封陈化一天，使用时待砒砂岩和普通硅酸盐水泥拌合均匀后加入，记为组分A；将剩余水量溶解改性橡胶乳液形成均一溶液，记为组分B；将组分A、B拌合均匀后装入模具，压力成型后于空气中自然养护。28天抗压强度5.56MPa，软化系数0.70。
实施例14
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。准确称量砒砂岩163.6g(含水量6%)，52.5等级的通用硅酸盐水泥9.0g，消石灰4.3g，水18.5g，成岩剂（丙烯酸衍生物）1g。预先采用一半水量与生石灰拌合均匀后密封陈化一天，使用时待砒砂岩和普通硅酸盐水泥拌合均匀后加入，记为组分A；将剩余水量溶解丙烯酸衍生物形成均一溶液，记为组分B；将组分A、B拌合均匀后装入模具，压力成型后于空气中自然养护。28天抗压强度7.35MPa，软化系数0.73。
实施例15
试件选用尺寸为直径50mm，高度为50mm的圆柱体试件。准确称量砒砂岩163.6g(含水量6%)，32.5等级的通用硅酸盐水泥9.0g，氢氧化钙4.3g，水18.5g，成岩剂（羟基纤维素丁苯乳液）1g。预先采用一半水量与生石灰拌合均匀后密封陈化一天，使用时待砒砂岩和普通硅酸盐水泥拌合均匀后加入，记为组分A；将剩余水量溶解羟基纤维素丁苯乳液形成均一溶液，记为组分B；将组分A、B拌合均匀后装入模具，压力成型后于空气中自然养护。28天抗压强度5.39MPa，软化系数0.72。
Claims (8)
1.一种砒砂岩改性材料，其特征在于，该材料包括砒砂岩或砒砂岩原岩、具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料、通用硅酸盐水泥和水；各组分质量百分比为：具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料：0.5％-60％；
砒砂岩或砒砂岩原岩：40％-90％；
通用硅酸盐水泥：0.5％-10％；
成岩剂：0.5％-15％；
水：5-20％；上述各组分的质量百分比相加之和100％。
2.根据权利要求1所述的一种砒砂岩改性材料，其特征在于，该砒砂岩改性材料还包括粘土，其质量百分比不大于50％。
3.根据权利要求1或2所述的一种砒砂岩改性材料，其特征在于，所述的具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料是指含有活性氧化硅、活性氧化镁、活性氧化铝和活性碳酸钙的粉煤灰、矿渣、炉渣、沸石粉、石灰粉、石灰石粉、钢渣、粘土、煤矸石粉的一种或两种以上混合。
4.根据权利要求1或2所述的一种砒砂岩改性材料，其特征在于，所述的成岩剂是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙、水玻璃、六偏磷酸钠、硫酸钠、硫酸钙、氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化镁、聚乙烯醇、水性聚氨酯乳液中的一种或两种以上混合。
5.根据权利要求3所述的一种砒砂岩改性材料，其特征在于，所述的成岩剂是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙、水玻璃、六偏磷酸钠、硫酸钠、硫酸钙、氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化镁、聚乙烯醇、水性聚氨酯乳液中的一种或两种以上混合。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种砒砂岩改性材料，其特征在于，所述的通用硅酸盐水泥是指32.5、42.5或52.5等级的通用硅酸盐水泥。
7.根据权利要求3所述的一种砒砂岩改性材料，其特征在于，所述的通用硅酸盐水泥是指32.5、42.5或52.5等级的通用硅酸盐水泥。
8.根据权利要求4所述的一种砒砂岩改性材料，其特征在于，所述的通用硅酸盐水泥是指32.5、42.5或52.5等级的通用硅酸盐水泥。
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