CN104745197B - 一种土凝岩及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤岩凝剂，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石5～15％；海泡石5～12％；粉煤灰3～48％；赤泥5～37％；冶金铁矿渣2～30％；铝土矿3～12％；煤矸石0～17％；高岭土0～8％；水玻璃0～5％；氢氧化钠1～3％；磷酸二氢钾0～4％；尿素0.5～5％。本发明的有益效果为：通过特定的制备方法处理配方组分，然后根据不同的土壤类型及其具体理化性质设计出不同配比的土壤岩凝剂，根据地球化学工程学原理施于工程应用，通过改变土壤固有的化学性质，促进其物理结构的改善和力学性能的大幅度提高，达到工程力学强度高、稳定性好的效果。

Description

一种土凝岩及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种土壤岩凝剂及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，各种基础工程建设越来越多，规模越来越大。在传统的工程建筑过程中需要大量的水泥、石灰、沙石等建筑材料，由于这些建筑材料的开采与制备需要消耗大量的自然资源和能源，而且在施工中往往还需要对大量建筑材料长途运输，所以能耗大、成本高、环境污染严重。

土壤固化技术基于上述现状应运而生，从20世纪40年代开始蓬勃发展，至今已形成一门综合性的交叉学科。它涉及基础建筑、公路建设、堤坝工事、井下作业、垃圾填埋、防尘固沙等多种领域。根据各种报道，目前用于固土的技术方法很多，可以分为物理方法、化学方法和生物方法。但是，目前真正具有工程实施价值的土壤固化技术还仅仅局限在化学方法中，即向土壤中添加化学剂，通过化学剂的“胶联”作用，使松散的土壤胶结成为具有一定力学强度的相对稳定物理结构的方法。能够用于土壤固化的化学剂很多，有传统固化材料如石灰、水泥，以及复合型土壤固化材料如文献报道的SH固土剂、HAS固土剂、ISS固土剂、YTG固土剂和GT型土壤固化剂等，其固土作用都是通过使原本松散的土壤颗粒胶联在一起从而达到一定的力学强度而实现的。这类土壤固化技术在现实的实施中存在以下缺点：1)力学强度有限，而且由于土质的不同往往难以达到道路建设所需的力学强度；2)稳定性较差，胶结完成后即达到最佳力学强度，一旦胶结结构遭受外力破坏便无法恢复，致使整体力学强度无以为继。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种土壤岩凝剂及其制备方法，根据不同的土壤类型设计出不同配比的土壤岩凝剂，然后通过特定的工艺过程与方法处理各配方组分，根据地球化学工程学原理施于工程应用，通过改变土壤的化学性质，促进其物理结构的改善和力学性能的大幅度提高，达到工程力学强度高、稳定性好的效果。

本发明所采用的技术方案为：一种土壤岩凝剂，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石5～15％；海泡石5～12％；粉煤灰3～48％；赤泥5～37％；冶金铁矿渣2～30％；铝土矿3～12％；煤矸石0～17％；高岭土0～8％；水玻璃0～5％；氢氧化钠1～3％；磷酸二氢钾0～4％；尿素0.5～5％。

进一步地，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石9％；海泡石8％；粉煤灰23％；赤泥20％；冶金铁矿渣14％；铝土矿7％；煤矸石7％；高岭土4％；水玻璃2％；氢氧化钠2％；磷酸二氢钾1％；尿素3％。

所述土壤岩凝剂的制备方法如下：

a、将凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别脱水至水分含量低于15％；

b、将步骤a中脱水后的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别研磨成粒径小于3mm的颗粒；

c、将步骤b中处理过的铝土矿、高岭土分别在250℃-900℃的温度下焙烧活化3-6h；

d、将步骤c处理后的铝土矿、高岭土按照设计量进行配比，并加入50％设计量的粉煤灰混合均匀，制成第一制剂，将固定氢氧化钠溶解制成浓度为10％的氢氧化钠溶液，然后向所述第一制剂中加入为所述第一制剂总质量2-2.5倍10％的氢氧化钠溶液，浸泡40-70h，并同时搅拌使液体和固体充分接触；

e、将经步骤d处理后的铝土矿、高岭土和粉煤灰、氢氧化钠的混合物进行脱水，同时检测氢氧化钠的含量，使其符合设计量；并按设计量加入磷酸二氢钾和尿素，在250℃～500℃的温度下焙烧活化3.5-4.5h，制成第二制剂；

f、按照设计配比将赤泥及50％设计量的粉煤灰与步骤b处理的凹凸棒石、海泡石和煤矸石混合均匀，制成第三制剂，然后再将所述第三制剂加入步骤e所述的第二制剂中混合均匀，制成第四制剂；

g、向所述第四制剂中按照设计量加入水玻璃和冶金铁矿渣混合均匀，然后研磨至粒径小于200目，即得到符合要求的土壤岩凝剂。

进一步地，根据权利要求3中所述土壤岩凝剂的制备方法中，其特征在于：所述步骤c中当铝土矿、高岭土在300℃时的热失重速率小于0.8％/h时停止焙烧。

进一步地，根据权利要求4中所述土壤岩凝剂的制备方法中，其特征在于：所述步骤d当铝土矿、高岭土和粉煤灰混合物浸泡溶液中的金属离子含量大于6％时，停止浸泡。

进一步地，在步骤b和步骤c之间，进一步还包括步骤b1，所述步骤b1对步骤b中处理过的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别进行物理提纯，使每个单独成分的纯度在90％以上。

进一步地，在所述步骤a中进一步还包括步骤a1，所述步骤a1将步骤a中脱水后的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别进行破碎，使每个单独成分的粒径在3cm以下，然后对所述破碎后的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土进行筛选，去除杂质，然后进行步骤b的研磨。

本发明的有益效果为：本发明将以上原材料通过设定的制备方法有机的结合到了一起，发挥协同作用，制成了方便使用和运输的土壤岩凝剂。同时，采用清洁化制备工艺，高效利用工业废弃物，充分体现节能减排，循环经济的发展战略。该土壤岩凝剂直接加入到不同类型的土壤中，在具体的施工中可以就地取材，代替水泥、石灰、碎石，大大降低建设成本，而且通过该岩凝剂铺筑的公路工程力学强度高、稳定性好，使用寿命长。

在基础建设工程中，采用土壤岩凝剂每代替1万吨水泥的用量，将减少5200吨CO₂气体的排放量，节省煤炭约2400吨；每代替1万吨石灰使用量，可减少8000吨CO₂气体的排放量，节省煤炭约3000吨；每减少1万立方米的碎石用量，能够使约300立方米的植被得到保护；同时，提供工程质量，延长工程寿命，降低工程成本。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

<第一实施例>

本发明所描述的土壤岩凝剂是一种土壤固化剂，可以改变土壤的结构性能，其具体成分组成和制作方法如下：

一种土壤岩凝剂，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石5％；海泡石5％；粉煤灰3％；赤泥37％；冶金铁矿渣30％；铝土矿12％；煤矸石2％；高岭土2％；水玻璃2.5％；氢氧化钠1％；磷酸二氢钾0％；尿素0.5％。将以上组分制成混合制剂，将混合制剂按照1:11的比例和土壤进行混合，进行施工。

<第二实施例>

一种土壤岩凝剂，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石15％；海泡石12％；粉煤灰48％；赤泥5％；冶金铁矿渣2％；铝土矿3％；煤矸石1％；高岭土1％；水玻璃1％；氢氧化钠3％；磷酸二氢钾4％；尿素5％。将以上组分制成混合制剂，将混合制剂按照1:10的比例和土壤进行混合，进行施工。

<第三实施例>

一种土壤岩凝剂，其特征在于，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石10％；海泡石8.5％；粉煤灰25.5％；赤泥21％；冶金铁矿渣20.5％；铝土矿7.5％；煤矸石0％；高岭土0％；水玻璃0％；氢氧化钠2％；磷酸二氢钾2％；尿素3％。将以上组分制成混合制剂，将混合制剂按照1:10的比例和土壤进行混合，进行施工。

<第四实施例>

一种土壤岩凝剂，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石6％；海泡石10％；粉煤灰8.5％；赤泥15％；冶金铁矿渣13％；铝土矿12％；煤矸石17％；高岭土8％；水玻璃5％；氢氧化钠1.5％；磷酸二氢钾3％；尿素1％。将以上组分制成混合制剂，将混合制剂按照1:9的比例和土壤进行混合，进行施工。

<第五实施例>

一种土壤岩凝剂，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石6.5％；海泡石7％；粉煤灰18％；赤泥18％；冶金铁矿渣23％；铝土矿9％；煤矸石8.5％；高岭土4％；水玻璃1％；氢氧化钠2.5％；磷酸二氢钾1％；尿素1.5％。将以上组分制成混合制剂，将混合制剂按照1:13的比例和土壤进行混合，进行施工。

<第六实施例>

实施例一到实施例五的基础上，其土壤岩凝剂的制备方法为：

1)将凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别脱水至水分含量低于15％；

2)将脱水后的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别进行破碎，使破碎后矿物质和矿渣的粒径在3cm左右，然后进行筛选，除去杂质，最后进行研磨，制成成粒径小于3mm的颗粒；

3)将研磨后的铝土矿、高岭土颗粒分别在575℃左右的温度下焙烧活化3-6h，在焙烧的过程中不断进行检测，每次检测的时间间隔为0.5h左右，当在300℃时连续三次检测的热失重速率小于0.8％/h时停止焙烧；(热失重就是某物体在一定温度下加热时，在单位时间内由于其物质挥发、氧化、分解等造成的质量损失的量，其大小可以用来衡量其热稳定性或含水率。)

4)按照施工所在地的土壤类型，将不同比例焙烧后的铝土矿、高岭土和50％设计量的粉煤灰混合均匀，制成第一制剂，将固体氢氧化钠溶解制成浓度为10％的氢氧化钠水溶液，然后向所述第一制剂中加入为所述第一制剂总质量2.25倍的10％氢氧化钠溶液，并同时搅拌使液体和固体充分接触，在浸泡的过程中每两小时检测一次铝土矿、高岭土混合物侵泡溶液中的金属离子的含量，浸泡48小时后，当连续三次检测溶液中金属离子含量大于6％时，停止浸泡；

5)将浸泡后的铝土矿、高岭土、粉煤灰、氢氧化钠的混合物溶液，通过蒸发法和过滤法相结合进行脱水，脱水后检测氢氧化钠的含量，使其符合设计量；并按设计量加入磷酸二氢钾和尿素，在375℃左右的温度下焙烧活化4h，制成第二制剂；

6)按照设计配比将赤泥和50％设计量的粉煤灰与步骤2)中处理的凹凸棒石、海泡石和煤矸石混合均匀，制成第三制剂，将所述第三制剂加入步骤5)所述第二制剂中混合均匀，制成第四制剂；

7)将步骤6)中所得的第四制剂研磨至粒径小于200目，即得到符合要求的土壤岩凝剂。

8)然后将土壤岩凝剂按照1：11的比例加入到施工用的土壤中，根据不同的工程技术要求，具体施工按照JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》实施。

<第七实施例>

在第六实施例的基础上，步骤3)中将研磨后的铝土矿、高岭土颗粒分别焙烧活化的温度控制在250℃左右；步骤4)中向所述第一制剂中加入为所述第一制剂总质量2倍的10％氢氧化钠溶液；步骤5)中在250℃的温度下焙烧活化3.5h，制成第二制剂；步骤8)中将土壤岩凝剂按照1：4的比例加入到施工用的土壤中。

<第八实施例>

在第六实施例的基础上，步骤3)中将研磨后的铝土矿、高岭土颗粒分别焙烧活化的温度控制在900℃左右；步骤4)中向所述第一制剂中加入为所述第一制剂总质量2.5倍的10％氢氧化钠溶液；步骤5)中在500℃左右的温度下焙烧活化4.5h，制成第二制剂；步骤8)中将土壤岩凝剂按照1：18的比例加入到施工用的土壤中。

在具体的施工过程中，岩凝剂成分的具体比例主要根据土壤中成岩要素保障原则进行设计的，即基于对施工的土壤对象进行化学成分分析和矿物成分分析设计土壤岩凝剂配方，保障施工原料中黏土矿物>25％，无机聚合物>2％，活动金属元素>2％，重金属元素>6％。

与常规的土壤固化剂不同，本发明所涉及的土壤岩凝剂是基于地质成岩作用原理和地球化学工程学方法而设计的，其固土能力不是单纯通过简单的“胶结”作用实现的，而是通过使土壤本身发生“凝聚”与“成岩”作用实现的，会经历几个不同的演变阶段，使施工后的路面得到逐步加固，工程力学强度越来越大。

此外，现有的公路建设材料，主要是采用水泥、石灰、碎石，这些传统材料在工程中存在的问题是，力学强度不高，容易产生干缩、温缩裂缝，导致工程过早损坏。同时，这些材料的生产消耗大量的资源、能源，产生大量的温室气体，造成环境污染。本发明的应用，不仅使工程质量提高，成本降低，而且可实现大量工业废弃物的高效的资源化利用，生产时采用清洁化制备工艺，真正意义实现节能减排，循环经济，为工业废弃物的再利用提供一种绿色产业链。

土壤来源于岩石，是岩石经历漫长的风化作用过程所形成的产物。由于岩石中原有的钾、钠、钙、镁、铁、铝等水可溶元素的大量流失，以及原有矿物发生了分解、流失与结构转化，使土壤成为了比较惰性的松散状态。本发明是一种基于地质学原理，通过在土壤中加入土壤岩凝剂并充分混合，使之形成聚合物并具有合理配伍的成岩元素组成的方法来促进土壤的凝结与岩化，继而成为具备合适工程力学强度的基础结构材料的技术方法。

土壤岩凝剂是基于土壤的物质来源基础及其理化性质，以使土壤重新凝聚并达到一定的工程力学强度为目的，根据岩石力学理论和岩石学地质原理，以成岩元素构成需求和地质矿化成岩的条件与规律为依据，基于建筑工程力学规范的原则，运用地球化学工程学的凝聚与矿化技术进行设计研发的化学剂。

由于土壤种类与土质不同，其物理化学性质有着很大的差异，本发明的土壤岩凝剂针对不同化学与矿物组成的土壤采用不同的配方，构成了一个能适应各种土壤土质的完整产品系列。但是，所有的土壤岩凝剂产品在作用机理上都是相近的，它们对于土壤的凝聚与岩化作用包括三个层次，并且可以大致划分为三个阶段:

第一阶段，成型凝聚阶段。这是一个最低层次的初始阶段。岩凝剂与土壤混匀后，在水的化学激发作用和外力物理作用的辅助下，交联剂使土壤中Al、Fe、Si等金属元素和非金属元素之间通过O元素以离子键、配位键为主要结合方式进行链接，形成具有类沸石的笼状结构的似土壤聚合物，搭接成立体网状结构，并形成致密的、对水稳定的板体，从而使土壤凝聚与硬化，并具有较高的早期工程力学强度。这一阶段一般持续数日至十数日。

第二阶段，化学结构调整阶段。在这一阶段，成岩元素在水的溶剂作用下，通过土壤凝聚体内的微孔通道运移，进行复杂的精细化学配伍并最终以共价键和离子键等稳定化学键为主要连接方式结合于土壤凝聚体中。这是较高层次的决定性阶段，在这一阶段，土壤凝聚体的化学稳定性得到加强，为下一阶段的岩化作用奠定基础；同时，土壤凝聚体中的粒间空隙也在这一阶段得到一定程度的改善，抗水浸、抗干缩、抗温缩龟裂的能力得到提高。该过程的主体一般在数月内完成。

第三阶段，岩化阶段。这是最高层次的最后阶段。随着土壤凝聚体化学结构的不断稳固，在外部压力的持续物理作用下，土壤凝聚体不断缩聚与矿化，排出多余的水等可运移的化学成分，稳定矿物不断形成，土壤逐步岩化。在这一阶段进行的是土壤在形成板块后的造岩作用，土壤的石化产生很强的后期工程力学强度和耐水性，最终成为优良的工程结构材料。这一过程持续的时间比较漫长，且与外力的物理作用情况和所处的温度、湿度、水文条件等环境因素有关，但一般情况下，岩化作用主要发生在前2～3年内。

本发明通过向土壤中添加岩凝剂使土壤固结成为土凝岩，快速而显著地改变土壤的物理结构和力学性能，通过该方法制成的土凝岩七天内的力学强度可达到5MPa，形成能够满足工程技术要求的建筑材料，从而把丰富的土壤资源转化为优良的工程结构材料。它包括以下优点：一是适应性强，可以适合各种类型的土壤，方便施工，可以就地取材，大大地降低了建筑材料的运输成本；二是创建了一套基于不同土壤的化学与矿物组成进行土壤与岩凝剂配伍的制作方法，可以严格地保障土凝岩的制备质量，方便推广和普及，技术指标趋于标准化，容易实现，能够提高施工效率。

实验：取1000米实验路段进行施工，跟踪观测，具体情况如下：

1、施工地点土壤的物理性能技术指标如下表：

根据测试指数判断，该工程用土属于粉砂土类，有少量粘性成分。

2、采用实施例三中的成分配比，在施工的底基层按照细粒土：岩凝剂＝100:4的比例进行施工，在基层按照细粒土：岩凝剂＝100:10的比例进行施工。对试验路段土壤进行无侧限抗压强度实验，所得参数如下表：

经过试验路段的取芯样测试，力学强度完全符合《工程路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)的设计强度要求。进一步针对上述试验路段的强度进行跟踪观测，历时三年，观测到实验范围内路段路表外观平整，无沉陷和车辙，无纵横向和反射裂缝出现。

本文所述设计量为土壤岩凝剂各组分的质量分数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种土壤岩凝剂，其特征在于，包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石5～15％；海泡石5～12％；粉煤灰3～48％；赤泥5～37％；冶金铁矿渣2～30％；铝土矿3～12％；煤矸石0～17％；高岭土0～8％；水玻璃0～5％；氢氧化钠1～3％；磷酸二氢钾0～4％；尿素0.5～5％。

2.根据权利要求1所述土壤岩凝剂，其特征在于：其包括的组分和各组分的质量分数如下：凹凸棒石9％；海泡石8％；粉煤灰23％；赤泥20％；冶金铁矿渣14％；铝土矿7％；煤矸石7％；高岭土4％；水玻璃2％；氢氧化钠2％；磷酸二氢钾1％；尿素3％。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述土壤岩凝剂的制备方法，其特征在于：

a、将凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别脱水至水分含量低于15％；

b、将步骤a中脱水后的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别研磨成粒径小于3mm的颗粒；

c、将步骤b中处理过的铝土矿、高岭土分别在250℃-900℃的温度下焙烧活化3-6h；

d、将步骤c处理后的铝土矿、高岭土按照设计量进行配比，并加入50％设计量的粉煤灰混合均匀，制成第一制剂，将固定氢氧化钠溶解制成浓度为10％的氢氧化钠溶液，然后向所述第一制剂中加入为所述第一制剂总质量2-2.5倍浓度为10％的氢氧化钠溶液，浸泡40-70h，并同时搅拌使液体和固体充分接触；

e、将经步骤d处理后的铝土矿、高岭土、粉煤灰、氢氧化钠的混合物进行脱水，并按设计量加入磷酸二氢钾和尿素，在250℃～500℃的温度下焙烧活化3.5-4.5h，制成第二制剂；

f、按照设计配比将赤泥及50％设计量的粉煤灰与步骤b处理的凹凸棒石、海泡石和煤矸石混合均匀，制成第三制剂，然后再将所述第三制剂加入步骤e所述的第二制剂中混合均匀，制成第四制剂；

g、向所述第四制剂中按照设计量加入水玻璃和冶金铁矿渣混合均匀，然后研磨至粒径小于200目，即得到符合要求的土壤岩凝剂。

4.根据权利要求3中所述土壤岩凝剂的制备方法中，其特征在于：所述步骤c中当铝土矿、高岭土在300℃时的热失重速率小于0.8％/h时停止焙烧。

5.根据权利要求4中所述土壤岩凝剂的制备方法中，其特征在于：所述步骤d当铝土矿、高岭土和粉煤灰混合物浸泡溶液中的金属离子含量大于6％时，停止浸泡。

6.根据权利要求4-5中任意一项所述土壤岩凝剂的制备方法中，其特征在于：在步骤b和步骤c之间，进一步还包括步骤b1，所述步骤b1对步骤b中处理过的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别进行物理提纯，使每个单独成分的纯度在90％以上。

7.根据权利要求6中所述土壤岩凝剂的制备方法中，其特征在于：在所述步骤a中进一步还包括步骤a1，所述步骤a1将步骤a中脱水后的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别进行破碎，使每个单独成分的粒径在3cm以下，然后对所述破碎后的凹凸棒石、海泡石、冶金铁矿渣、铝土矿、煤矸石、高岭土分别进行筛选，去除杂质，然后进行步骤b的研磨。