CN105152519B - 一种无机淤泥固化剂、筑路材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无机淤泥固化剂、筑路材料及其制备方法，其中，筑路材料包括无机淤泥固化剂10～21份，水泥6～10份，建筑垃圾22～25份，淤泥51～55份，无机淤泥固化剂包括天然浮石粉42～49份，锂皂石粉51～58份。无机淤泥固化剂的制备方法为对原料进行煅烧、硫酸溶液浸泡和偶联剂溶液混合烘干对其进行物理改性。本发明的无机淤泥固化剂天然矿物，环保无害，结构稳定，价格低廉，来源及应用广泛。物理改性有效促进了其既有功能的更大程度发挥。筑路材料中采用了建筑垃圾，实现废物再利用，用于道路铺筑时能够有效降低建设成本，且有利于保护环境。
Description
技术领域
本发明属于道路材料领域，涉及筑路材料，具体涉及一种无机淤泥固化剂、筑路材料及其制备方法。
背景技术
为改善河湖水质，保证河道正常的泄洪能力和航道、港口的畅通，包括我国在内的世界各国都在开展大规模的疏浚和清淤工程，随之产生的数量巨大的淤泥疏浚问题已成为难以回避的现实。而针对淤泥处理常规的技术手段如堆放、抛弃等，将带来环境污染、土地浪费等诸多问题，如采用合适的方法或材料对淤泥进行固化处理并将其用于道路铺筑，可产生多重的环境及社会效益。现有技术多采用石灰、水泥等材料用于固化淤泥质软土，而该类固化剂固化效果依赖于土壤的颗粒度和含水量，降水效果差，固化后淤泥多表现出强度低、渗透性差等缺点，导致其在工程应用中使用效果不理想，因此，亟需开发一种新型环保无害的淤泥固化剂以解决现有技术存在的缺陷。
同时随着城市化规模的不断加快与扩大，建筑垃圾产生和排放量不断增加，如何解决建筑垃圾排放所带来的各种危害成为困扰城市发展与进步的主要难题。而建筑垃圾也为一种潜在的资源型材料，经过简单处理的建筑垃圾具备高强度、硬度及优异的耐磨性、抗冻性等优点，如将其应用于淤泥固化领域，可有效弥补单一淤泥固化材料所存在的不足。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种无机淤泥固化剂及其制备方法，在降低淤泥中含水率的同时提高淤泥的粘结强度。
本发明的另一个目的在于，提供一种筑路材料，实现废物再利用，用于道路铺筑时能够有效降低建设成本，且有利于保护环境。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：
一种无机淤泥固化剂，以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉42～49份，锂皂石粉51～58份，原料的重量份数之和为100份。
优选的，以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉44～47份，锂皂石粉53～56份，原料的重量份数之和为100份。
更优选的，以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉46份，锂皂石粉54份。
上述无机淤泥固化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，将天然浮石矿物和锂皂石矿物采用超压磨粉机进行研磨处理，并通过0.15mm方孔筛进行筛分处理，保留筛下物，制备得到天然浮石粉和锂皂石粉；
步骤二，将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度250℃～700℃，煅烧时间2h～4h；该步骤可促使粉体结构内部的配位水和结构水等脱出，单元结构晶格内部及孔道中出现断键，增大孔道直径及长度；
步骤三，将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度1.9mol/L～2.5mol/L，浸泡时间1.5h～2.5h，进而对浮石粉和锂皂石粉进行干燥处理，制备得到结晶粉体；借助硫酸腐蚀作用将颗粒结构内部孔道中杂质溶出，疏通孔道，同时促使晶格破裂，增大粉体结构比表面积；
步骤四，将步骤三处理得到的结晶粉体置于由偶联剂与乙醇按质量比1：(3～6)混合制得的偶联剂溶液中搅拌均匀，并放置于90℃烘箱中烘干制得无机固化剂粉体，通过表面改性处理能够有效扩大硅酸盐矿物的层间距和比表面积，增强吸水固水效果。
优选的无机淤泥固化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，将天然浮石矿物和锂皂石矿物采用超压磨粉机进行研磨处理，并通过0.15mm方孔筛进行筛分处理，保留筛下物，制备得到天然浮石粉和锂皂石粉；
步骤二，将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度550℃；煅烧时间间3h；
步骤三，将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度2.3～2.5mol/L；浸泡时间2h，进而对其进行干燥处理，制备得到结晶粉体；
步骤四，将步骤三处理得到的结晶粉体置于由偶联剂与乙醇按质量比1：(3～6)混合制得的偶联剂溶液中搅拌均匀，并放置于90℃烘箱中烘干制得无机固化剂粉体。
所述的偶联剂为硅烷、铁酸酯、醋酸酯或磷酸酯。
一种筑路材料，以重量份数计，由以下原料组成：无机淤泥固化剂10～21份，水泥6～10份，建筑垃圾22～25份，淤泥51～55份，原料的重量份数之和为100份。
优选的，以重量份数计，由以下原料组成：无机淤泥固化剂12～18份，水泥7～9份，建筑垃圾23～24份，淤泥52～55份，原料的重量份数之和为100份。
更优选的，以重量份数计，由以下原料组成：无机淤泥固化剂16份，水泥7份，建筑垃圾24份，淤泥53份。
进一步地，上述筑路材料中，所述的无机淤泥固化剂，以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉42～49份，锂皂石粉51～58份，原料的重量份数之和为100份。
更进一步地，上述筑路材料中，所述的无机淤泥固化剂，以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉46份，锂皂石粉54份。
进一步地，所述的建筑垃圾为经分类处理后不含有机质的建筑拆除垃圾或者桥梁等水泥构造物拆除垃圾，并经粉碎处理，且粒径控制在0.075～19mm之间。
上述的建筑垃圾复合固化淤泥新型筑路材料可作为道路工程路基及边坡的填料。本发明的新型筑路材料制备方法为：首先采取翻晒等降水处治措施将淤泥含水率降至25％以下，然后将本发明的无机淤泥固化剂、水泥、建筑垃圾按照原料配比掺入到淤泥中拌合均匀，即得复合式筑路材料。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明开辟了浮石和锂皂石在淤泥固化领域的应用，通过固化淤泥将其用于道路路基或边坡防护填料，降低了道路建设成本，更有利于保护环境。本发明采用的天然浮石和锂皂石均为天然矿物，环保无害，结构稳定，价格低廉，来源及应用广泛。
(Ⅱ)本发明的制备方法对无机淤泥固化剂进行了物理改性，使得其微观形貌发生改变，可有效扩充及疏通矿物结构的内部孔道，提高物质的吸水输水能力及湿容量，有效促进了其既有功能的更大程度发挥。锂皂石遇水分结构易膨胀，可形成触变性凝胶结构且具备较高的粘度强度，在吸收水分、填充孔隙的同时能够增强淤泥质土的结构强度，浮石粉则能协同辅助锂皂石增强二者的吸水固水功效。
(Ⅲ)本发明的筑路材料中采用了建筑垃圾，实现废物再利用，用于道路铺筑时能够有效降低建设成本，且有利于保护环境。采用的建筑垃圾具有较好的强度、硬度、耐磨性、冲击韧性、抗冻性及耐水性，同时又具有较好的物理和化学稳定性，其性能优于黏土、粉性土，甚至砂土和石灰土，与淤泥掺和之后，整体强度有较大提升，能够明显改善淤泥缺点。采用的建筑垃圾粉体具备数量大、成本低及质量好等诸多优点，能够弥补道路工程数量大、耗材多的特点，较大程度降低道路整体工程造价。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
本实施例给出一种筑路材料，由21kg无机淤泥固化剂、6kg水泥、22kg建筑垃圾、51kg淤泥混合制成。
本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，由42分的天然浮石粉和58份和锂皂石粉组成。其中，本实施例的无机淤泥固化剂制备方法为：
步骤一：将浮石矿物和锂皂石矿物破碎并过0.15mm方孔筛，保留筛下物，制备得到浮石粉和锂皂石粉，备用；
步骤二：将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度550℃，煅烧时间3h；
步骤三：将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度2.4mol/L，浸泡2h，并进行干燥处理，制备得到结晶粉体；
步骤四：将步骤三得到的矿物粉体置于硅烷偶联剂与乙醇按质量比1：4混合制得的溶液中搅拌均匀，并放置于90℃烘箱中烘干制得无机固化剂粉体。
实施例2：
本实施例给出一种筑路材料，由10kg无机淤泥固化剂，10kg水泥，25kg建筑垃圾，55kg淤泥混合制成。
本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，由49分的天然浮石粉和51份和锂皂石粉组成。其中，本实施例的无机淤泥固化剂制备方法为：
步骤一：将浮石矿物和锂皂石矿物破碎并过0.15mm方孔筛，保留筛下物，制备得到浮石粉和锂皂石粉，备用；
步骤二：将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度550℃，煅烧时间3h；
步骤三：将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度2.4mol/L，浸泡2h，并进行干燥处理，制备得到结晶粉体；
步骤四：将步骤三得到的矿物粉体置于硅烷偶联剂与乙醇按质量比1：4混合制得的溶液中搅拌均匀，并放置于90℃烘箱中烘干制得无机固化剂粉体。
实施例3：
本实施例给出一种筑路材料，由16kg无机淤泥固化剂，7kg水泥，24kg建筑垃圾，53kg淤泥混合制成。
本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，由46分的天然浮石粉和54份和锂皂石粉组成。其中，本实施例的无机淤泥固化剂制备方法为：
步骤一：将浮石矿物和锂皂石矿物破碎并过0.15mm方孔筛，保留筛下物，制备得到浮石粉和锂皂石粉，备用；
步骤二：将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度550℃，煅烧时间3h；
步骤三：将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度2.4mol/L，浸泡2h，并进行干燥处理，制备得到结晶粉体；
步骤四：将步骤三得到的矿物粉体置于硅烷偶联剂与乙醇按质量比1：3混合制得的溶液中搅拌均匀，并放置于90℃烘箱中烘干制得无机固化剂粉体。
实施例4：
本实施例给出一种筑路材料，由16kg无机淤泥固化剂，7kg水泥，24kg建筑垃圾，53kg淤泥混合制成。
本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，由46分的天然浮石粉和54份和锂皂石粉组成。其中，本实施例的无机淤泥固化剂制备方法为：
步骤一：将浮石矿物和锂皂石矿物破碎并过0.15mm方孔筛，保留筛下物，制备得到浮石粉和锂皂石粉，备用；
步骤二：将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度250℃，煅烧时间2h；
步骤三：将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度1.9mol/L，浸泡1.5h，并进行干燥处理，制备得到结晶粉体；
步骤四：将步骤三得到的矿物粉体置于醋酸酯偶联剂与乙醇按质量比1：6混合制得的溶液中搅拌均匀，并放置于90℃烘箱中烘干制得无机固化剂粉体。
实施例5：
本实施例给出一种筑路材料，由21kg无机淤泥固化剂、6kg水泥、22kg建筑垃圾、51kg淤泥混合制成。
本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，由49分的天然浮石粉和51份和锂皂石粉组成。其中，本实施例的无机淤泥固化剂制备方法为：
步骤一：将浮石矿物和锂皂石矿物破碎并过0.15mm方孔筛，保留筛下物，制备得到浮石粉和锂皂石粉，备用；
步骤二：将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度550℃，煅烧时间3h；
步骤三：将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度2.4mol/L，浸泡2h，并进行干燥处理，制备得到结晶粉体；
步骤四：将步骤三得到的矿物粉体置于磷酸酯偶联剂与乙醇按质量比1：4混合制得的溶液中搅拌均匀，并放置于90℃烘箱中烘干制得无机固化剂粉体。
实施例6：
本实施例给出一种筑路材料，由10kg无机淤泥固化剂，10kg水泥，25kg建筑垃圾，55kg淤泥混合制成；
本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，本实施例的无机淤泥固化剂以重量份数计，由42分的天然浮石粉和58份和锂皂石粉组成。其中，本实施例的无机淤泥固化剂制备方法为：
步骤一：将浮石矿物和锂皂石矿物破碎并过0.15mm方孔筛，保留筛下物，制备得到浮石粉和锂皂石粉，备用；
步骤二：将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度550℃，煅烧时间3h；
步骤三：将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度2.4mol/L，浸泡2h，并进行干燥处理，制备得到结晶粉体；
步骤四：将步骤三得到的矿物粉体置于铁酸酯偶联剂与乙醇按质量比1：4混合制得的溶液中搅拌均匀，并放置于90℃烘箱中烘干制得无机固化剂粉体。
上述实施例的筑路材料为复合材料，可作为道路工程的路基填料、边坡防护材料等使用，具体用法为：首先采取翻晒等降水处治措施将淤泥含水率降至25％以下，然后将本发明的无机淤泥固化剂、水泥、建筑垃圾按照原料配比掺入到淤泥中拌合均匀，即得新型筑路材料。
性能测试：为验证本新型筑路材料的工程应用效果，分别采用三个地区的淤泥进行复合固化处理，并对新型筑路材料的整体性能进行评价。三个地区的淤泥基本物理指标如表1所示。
表1 三个地区淤泥基本物理指标
一、无侧限抗压强度试验：
采用实施例1至实施例6的复合材料配比及无机固化剂制备方法对三个地区的淤泥进行固化，将固化后的淤泥作为道路填料进行模拟施工。采用河北虹宇仪器设备有限公司研发的YYW-1无侧限压力仪，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中第T0805-1994条对模拟施工的填料进行无侧限抗压强度试验，结果如表2所示。
表2 三个地区固化淤泥抗压强度
从表2可以看出，三个地区的复合淤泥筑路材料7d无侧限抗压强度均大于1.5MPa，满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)对道路填料抗压强度的要求。
二、加州承载比试验：
采用实施例1至实施例6的复合材料配比及无机淤泥固化剂制备方法对三个地区的淤泥进行固化，将固化后的淤泥作为道路填料进行模拟施工。采用河北路仪公路仪器有限公司生产的CBR-I型承载比试验仪，按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中第T0134-1993条对模拟施工的道路填料进行加州承载比试验，结果如表3至表5所示。
表3淤泥①加州承载比
表4淤泥②加州承载比
表5淤泥③加州承载比
从表3、表4和表5可以看出，三个地区的淤泥经本发明提供的复合固化方案固化后加州承载比均满足《公路路基设计规范》(JTJD30-2004)对路床最小强度CBR值的规定，满足道路填料的应用要求。
三、耐水性试验：
采用实施例1至实施例6的淤泥复合固化方案对三个地区的淤泥进行固化，将固化后的淤泥作为道路填料进行模拟施工。采用河北虹宇仪器设备有限公司研发的YYW-1无侧限压力仪，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中第T0805-1994条规定测试模拟施工的道路填料正常养生和浸水条件下的无侧限抗压强度，计算强度损失。结果如表6所示。
表6 三个地区固化淤泥耐水性试验结果
从表6可以看出，采用本发明提供的固化剂及固化方案，淤泥经浸水后的强度损失小于40％，说明应用本发明固化剂处理的淤泥的耐水性能较好，值得推广应用。
四、抗压回弹模量试验：
采用实施例1至实施例6的淤泥复合固化方案对三个地区的淤泥进行固化，将固化后的淤泥作为道路填料进行模拟施工。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)中第T0807-1994条规定，采用河北虹宇仪器设备有限公司研发的YYW-1无侧限压力仪测试模拟施工的道路填料的抗压回弹模量。结果如表7所示。
表7 三个地区固化淤泥抗压回弹模量
从表7可以看出，采用本发明固化剂固化的淤泥试件抗压回弹模量值较高，《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2004)针对用于道路结构层的稳定土作出规定，稳定土抗压回弹模量范围在600MPa～900MPa之间，由本发明固化剂及固化方案固化的淤泥试件抗压回弹模量均能满足要求，且处于较好水平。
Claims (9)
1.一种无机淤泥固化剂，其特征在于：以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉42～49份，锂皂石粉51～58份，原料的重量份数之和为100份；
所述的无机淤泥固化剂的制备方法包括以下步骤：
步骤一，将天然浮石矿物和锂皂石矿物采用超压磨粉机进行研磨处理，并通过0.15mm方孔筛进行筛分处理，保留筛下物，制备得到天然浮石粉和锂皂石粉；
步骤二，将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度250℃～700℃，煅烧时间2h～4h；
步骤三，将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度1.9mol/L～2.5mol/L，浸泡时间1.5h～2.5h，干燥，制备得到结晶粉体；
步骤四，将步骤三处理得到的结晶粉体置于由偶联剂与乙醇按质量比1︰3～6混合制得的偶联剂溶液中搅拌均匀，在90℃下烘干制得无机淤泥固化剂粉体。
2.如权利要求1所述的无机淤泥固化剂，其特征在于：以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉44～47份，锂皂石粉53～56份，原料的重量份数之和为100份。
3.如权利要求2所述的无机淤泥固化剂，其特征在于：以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉46份，锂皂石粉54份。
4.一种如权利要求1至3任一权利要求所述的无机淤泥固化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将天然浮石矿物和锂皂石矿物采用超压磨粉机进行研磨处理，并通过0.15mm方孔筛进行筛分处理，保留筛下物，制备得到天然浮石粉和锂皂石粉；
步骤二，将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度250℃～700℃，煅烧时间2h～4h；
步骤三，将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度1.9mol/L～2.5mol/L，浸泡时间1.5h～2.5h，干燥，制备得到结晶粉体；
步骤四，将步骤三处理得到的结晶粉体置于由偶联剂与乙醇按质量比1︰3～6混合制得的偶联剂溶液中搅拌均匀，在90℃下烘干制得无机淤泥固化剂粉体。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷、铁酸酯、醋酸酯或磷酸酯。
6.一种筑路材料，其特征在于：以重量份数计，由以下原料组成：无机淤泥固化剂10～21份，水泥6～10份，建筑垃圾22～25份，淤泥51～55份，原料的重量份数之和为100份；
所述的无机淤泥固化剂，以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉42～49份，锂皂石粉51～58份，原料的重量份数之和为100份；
所述的无机淤泥固化剂的制备方法包括以下步骤：
步骤一，将天然浮石矿物和锂皂石矿物采用超压磨粉机进行研磨处理，并通过0.15mm方孔筛进行筛分处理，保留筛下物，制备得到天然浮石粉和锂皂石粉；
步骤二，将步骤一制备得到的天然浮石粉和锂皂石粉置于高温炉中煅烧，煅烧温度250℃～700℃，煅烧时间2h～4h；
步骤三，将步骤二处理得到的浮石粉和锂皂石粉置于硫酸溶液中，酸溶液浓度1.9mol/L～2.5mol/L，浸泡时间1.5h～2.5h，干燥，制备得到结晶粉体；
步骤四，将步骤三处理得到的结晶粉体置于由偶联剂与乙醇按质量比1︰3～6混合制得的偶联剂溶液中搅拌均匀，在90℃下烘干制得无机淤泥固化剂粉体。
7.如权利要求6所述的筑路材料，其特征在于：以重量份数计，由以下原料组成：无机淤泥固化剂12～18份，水泥7～9份，建筑垃圾23～24份，淤泥52～55份，原料的重量份数之和为100份。
8.如权利要求7所述的筑路材料，其特征在于：以重量份数计，由以下原料组成：无机淤泥固化剂16份，水泥7份，建筑垃圾24份，淤泥53份。
9.如权利要求6所述的筑路材料，其特征在于：所述的无机淤泥固化剂，以重量份数计，由以下原料组成：天然浮石粉46份，锂皂石粉54份。
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