CN103965918A - 一种水淬锰渣软土固化剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水淬锰渣软土固化剂，所述的水淬锰渣软土固化剂由以下重量配比的原料混合均匀制成：水淬锰渣30~40份，粉煤灰25~35份，硅酸盐水泥15~25份，生石灰3~10份，改性剂1~5份。该软土固化剂可以有效利用废渣锰渣，节约成本，避免了环境污染和资源浪费。与现有水泥加固软土相比，明显提高软土的抗压强度和水稳性能。

Description

一种水淬锰渣软土固化剂

技术领域

本发明涉及一种软土固化剂，具体的说涉及一种利用水淬锰渣和粉煤灰制备的经改性剂改性的软土固化材料。本发明属于土木工程材料领域。

背景技术

淤泥、淤泥质土、软粘性土、泥炭及泥炭质土作为地基建设中常见的软土类型，由于天然含水率大、强度低、孔隙比大、压缩系数高，并具有触变性、蠕变性等特殊的工程性质，且经常处于流朔或者软朔状态，所以工程地质条件较差，往往给地基加固工程带来很大的危害，一旦处理不当，就会给地基的施工和使用造成很大影响，因此工程中选用软土作为天然地基来应用，必须根据软土的工程特性，运用必要的加固处理措施。目前国内仍然沿用水泥或者石灰加固软土的方法，但是水泥产业作为高耗能、高污染产业，其使用正在越来越多的受到限制，另外实践也证明水泥在固结处理软土方面也存在着一些缺陷，通常存在着比如加固土强度形成缓慢、无侧限抗压强度低且只能选择性的加固处理某些土质类型、严重影响施工进度等不利因素，特别是对一些呈灰色、灰绿色、灰褐色的含有大量有机质成分的软土，由于这类土质具有较大的水容量、塑性、膨胀性和较低的渗透性，且有机质的存在能够与水泥矿物发生一系列化学反应，阻碍水泥水化产物的晶体生长，进而间接导致水泥加固土的强度较低。石灰加固土由于干缩性较大，对加固土的最佳含水率和最大干密度极其敏感，在软土地基施工和加固中也受到较多限制，另外当需要较高的地基承载力时，石灰土往往起不到应有的效果，这是因为较高的地基承载力往往意味着需要掺加较多剂量的石灰，但是过多的石灰在土的空隙中却又以自由灰形式存在，进而又会导致石灰土的强度下降。

锰是冶金、化工、航天、电子等工业部门的关键原料。从 1956 年开始，我国的锰行业已有 50 多年的历史。目前我国锰的生产能力、实际产量和出口量都已占全球的 90%以上。随着国民经济各部门及全球对锰的需求量增加，锰渣的产出量急剧增加，锰渣是企业加工提炼金属锰等产品所排放的固体废弃物，每生产1t锰要排放8-10t以上的废渣。目前全国锰渣年排放量约2000万吨，至今累计堆积已超过1亿吨，主要集中在我国广西、贵州等地区。据统计，仅广西各类锰渣年净排放量就达500万吨以上，而且每年还以15%的速度在增长。锰渣的堆放一般是采取建渣场高坝堆场的方式进行的，这种方式大量占用农田耕地，且维护、加固渣场的费用更使企业生产成本增加。由于技术水平低、关键设备落后等原因，锰渣在国内利用率一直较低。岩相研究证实，经过淬冷的锰渣中80%左右是玻璃体，具有潜在火山灰活性和潜在水硬性，如果经过适当活化则水化产物硅酸钙、铝酸钙具有一定胶凝性。利用水淬锰渣的这一特性生产土木工程材料—软土固化剂，是一条广阔的途径，它能够对废弃锰渣起到资源化再利用的作用，且一般不会产生二次污染问题，不但能彻底解决占地和污染环境等问题，而且还具有显著的经济效益和环境效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有节能环保，能在软土质的加固处理中广泛替代水泥的、一种水淬锰渣软土固化剂，具有相对水泥的较高无侧限抗压强度和水稳性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下具体技术方案实现：

一种水淬锰渣软土固化剂，由以下重量配比的原料经混合均匀制得：水淬锰渣30~40份，粉煤灰25~35份，硅酸盐水泥15~25份，生石灰3~10份，改性剂1~5份。

进一步优选水淬锰渣35~38份，粉煤灰30~32份，硅酸盐水泥17~19份，生石灰5~7份，改性剂1~2份。

所述的水淬锰渣为粉磨至颗粒细度为500~600m²/kg的锰渣微粉。

所述的改性剂为可再分散乳胶粉。

所述生石灰中有效氧化钙+氧化镁含量≥70%。

软土固化剂的掺入比例为土方质量的5%~10%。

所述的一种水淬锰渣软土固化剂在软土地基中的应用，软土固化剂的掺入比例为一般土方质量的5%~10%，可视具体软土质而定。

水淬锰渣和粉煤灰作为一种具有相当潜在水硬活性和火山灰活性的矿物掺合料，同矿粉等常见的活性矿物掺合料类似，如果经过生石灰等碱性活化剂的活化作用，并和水泥的水化、水解等化学反应一起，其产物中就能形成大量的水化硅酸钙、铝酸钙凝胶，这样其潜在的胶凝性能就能充分发挥出来。另外本发明充分考虑了软土、特别是软土地基加固过程中软土含水率高、地基水稳性差等不利因素，将高分子聚合物即可再分散乳胶粉作为本发明的软土固化剂的改性剂，可再分散乳胶粉作为一种水溶性高聚物可再分散粉末，掺入软土固化剂并与软土搅拌均匀后，不仅能够起到增强土体水稳定性和抗压强度的作用，更重要的还能进一步巩固和增强固化土的结构形态，这是因为随着固化剂的掺入和固化剂化学反应的深入，凝聚在加固土中的乳胶粉颗粒之间的水分渐渐被完全吸收到固化剂水化过程所需要的化学结合水中，最终乳胶粉颗粒完全融化在一起形成聚合物网络包裹结构，聚合物网络包裹结构和固化剂的水化产物即凝胶一起在加固土中起着胶结和包裹土壤颗粒的作用。水淬锰渣和粉煤灰的活化产物与改性剂共同构成了加固软土时的粘结产物，进而增强固化土的内聚力、抗压强度、水稳性能等性能，降低了固化土的灵敏度、最终使软土加固后的土体具有较强的水稳性、较高的无侧限抗压强度等满足地基承载力的工程性能。再则，软土固化剂的水解产物如高价态阳离子Ca²⁺在和软土中的Na⁺、K⁺发生离子交换作用也进一步起到了加固软土的作用。

本发明的有益效果：

1.解决了锰渣占用耕地、污染环境等问题，变废为宝，有力促进锰渣的资源化再利用。

2.进一步丰富了软土工程施工的固化剂种类，本发明能够有效替代传统的水泥作为软土加固的材料，在固化土体具有优良的工程性能的同时，节能减排，其应用前景广阔。

3.将聚合物改性剂可再分散乳胶粉运用至软土固化剂及软土加固领域，聚合物改性类软土固化剂的实施为拓展聚合物的应用方式和提高固化剂的性价比提供有益借鉴。

具体实施方式

试件制备及测试：采用江苏滨海港淤泥质软土（液限54.2%，含水率71.8%）作为固化对象进行固化效果试验，水淬锰渣经过粉磨至一定比表面积后，和普通硅酸盐水泥、生石灰、改性剂按照配比，混合均匀即可得到本发明的软土固化剂。将上述固化剂和PO42.5水泥（对比例）分别按一定的质量分数（占软土质量分数），与软土搅拌均匀后分别分层灌入直径为50mm，高度为50mm的圆柱形模具中，振捣并压实成型，随后将其置于温度20℃，相对湿度为90%的密闭养护室中，一天后脱模，养护至28天龄期后，根据《土工试验规程》（SL237-010-1999）测试试样无侧限抗压强度P₁，再将试样浸水1天后测其无侧限抗压强度P₂，水稳系数R按下式计算：

，

式中：R—固化土28天水稳系数；P₁—固化土28天无侧限抗压强度，KPa；P₂—固化土养护28天后浸水1天无侧限抗压强度，KPa。

实施例1

称取粉磨至比表面积为500m²/kg的水淬锰渣35份，粉煤灰30份，PO42.5水泥7份，生石灰（有效氧化钙+氧化镁含量≥70%）5份，可再分散乳胶粉1份，共同混合并搅拌均匀即得到本发明的一种软土固化剂。按照上述的试样制备及测试步骤，分别称取占软土质量分数5%、10%的软土固化剂与软土搅拌均匀制备固化土试件，测定28天龄期无侧限抗压强度。测试结果：占软土质量分数5%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁为1083.0KPa，水稳系数为0.85；占软土质量分数10%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁为1211.4KPa，水稳系数为0.90。

实施例2

称取粉磨至比表面积为600m²/k的水淬锰渣38份，粉煤灰32份，PO42.5水泥19份，生石灰（有效氧化钙+氧化镁含量≥70%）7份，可再分散乳胶粉2份，共同混合并搅拌均即得到本发明的一种软土固化剂。按照上述的试验及测试步骤，分别称取占软土质量分数5%、10%的软土固化剂与软土搅拌均匀制备固化土试件，测定28天龄期无侧限抗压强度和水稳系数。测试结果：占软土质量分数5%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁为1250.3KPa，水稳系数为0.91；占软土质量分数10%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁为1475.8KPa，水稳系数为0.94。

实施例3

称取粉磨至比表面积为550m²/k的水淬锰渣36.5份，粉煤灰31份，PO42.5水泥18份，生石灰（有效氧化钙+氧化镁含量≥70%）6份，可再分散乳胶粉1.5份，共同混合并搅拌均即得到本发明的一种软土固化剂。按照上述的试验及测试步骤，分别称取占软土质量分数5%、10%的软土固化剂与软土搅拌均匀制备固化土试件，测定28天龄期无侧限抗压强度和水稳系数。测试结果：占软土质量分数5%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁为1195. 6KPa，水稳系数为0.86；占软土质量分数10%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁为1362.1KPa，水稳系数为0.91。

对比例1

称取粉磨至比表面积为550m²/k的水淬锰渣36.5份，粉煤灰31份，PO42.5水泥18份，生石灰（有效氧化钙+氧化镁含量≥70%）6份，可再分散乳胶粉0份，共同混合并搅拌均即得到本发明的一种软土固化剂。按照上述的试验及测试步骤，分别称取占软土质量分数5%、10%的软土固化剂与软土搅拌均匀制备固化土试件，测定28天龄期无侧限抗压强度和水稳系数。测试结果：占软土质量分数5%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁为1001KPa，水稳系数为0.82；占软土质量分数10%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁为1198.7KPa，水稳系数为0.85。

对比例2

称取占软土质量分数5%、10%的PO42.5水泥与软土搅拌均匀制备水泥固化土试件，测定28天龄期无侧限抗压强度和水稳系数。测试结果：占软土质量分数5%的水泥固化土试件28天无侧限抗压强度P₁仅为460.2 KPa，水稳系数仅为0.81；占软土质量分数10%的固化土试件28天无侧限抗压强度P₁仅为875.7KPa，水稳系数仅为0.84。

Claims (6)

1.一种水淬锰渣软土固化剂，其特征是：由以下重量配比的原料经混合后制得，水淬锰渣30~40份，粉煤灰25~35份，硅酸盐水泥15~25份，生石灰3~10份，改性剂1~5份。

2.根据权利要求1所述的一种水淬锰渣软土固化剂，其特征在于：由以下重量配比的原料经混合后制得，水淬锰渣35~38份，粉煤灰30~32份，硅酸盐水泥17~19份，生石灰5~7份，改性剂1~2份。

3.根据权利要求1所述的一种水淬锰渣软土固化剂，其特征在于：所述的水淬锰渣为粉磨至比表面积为500~600m²/kg的锰渣微粉。

4.根据权利要求1所述的一种水淬锰渣软土固化剂，其特征在于：所述的改性剂为可再分散乳胶粉。

5.根据权利要求1所述的一种水淬锰渣软土固化剂，其特征在于：所述生石灰中有效氧化钙+氧化镁含量≥70%。

6.权利要求1至5任一项所述的一种水淬锰渣软土固化剂在软土地基中的应用。