CN105481272B - 地聚合物及其前体的制作方法、产品和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地聚合物及其前体的制作方法、产品和应用，地聚合物前体的制作方法包括：将煤矸石和赤泥的混合物粉碎，获得混合物微粒，所述煤矸石和赤泥的质量比不小于3:1；将所述混合物微粒和氢氧化钠一同置于高温600‑900℃下煅烧设定时间，冷却后过筛，得到地聚合物前体，所述混合物微粒与所述氢氧化钠的质量比为1:9‑1:5。本发明地聚合物的制备过程简单，可被大量生产，具有广泛的应用价值。将地聚合物应用于搅拌桩中，成本低廉，节能环保，且有较高的强度和较好的耐化学腐蚀的性能。

Description

地聚合物及其前体的制作方法、产品和应用

技术领域

本发明提出了一种地聚合物及其前体的制作方法、产品和应用，属于土木工程领域。

背景技术

水泥土搅拌桩是加固工程建设中所遇到的软弱地基问题的最常用的方法之一。然而，水泥工业是高物耗、高能耗、高污染的产业，每生产1吨水泥需要消耗1吨的石灰石，同时大约会产生1吨的CO₂。我国石灰石储量有限，为不可再生资源，在大力倡导节能环保可持续发展的今天，以水泥为基本原料的水泥土搅拌桩的大量应用无疑会对我们赖以生存的环境与资源造成很大的破坏。因此，有必要寻求一种在水泥土搅拌桩体中替代水泥的新型物质，用来制作新型环保的搅拌桩体。

地聚合物是一种由AlO₄和SiO₄四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，无定形到半晶态，属于非金属材料。地聚物原料价格低廉储量丰富，其主要构成元素硅、铝、氧在地壳中储量分别为27%、8%、47%，可利用矿渣废物、建筑生产垃圾等为原料生产，且生产能耗低。研究发现生产1吨的地聚合物仅生产大约0.1吨的CO₂，相较于水泥，其环保效应尤为明显。因此，以上优势决定了地聚合物可以被大量生产并运用于工程实际。与此同时，地聚合物具还有普通水泥所不具有的优良性质，如具有优良的机械性能、耐火、耐高温及耐化学腐蚀的性能。因此，探究在搅拌桩中利用地聚合物替代水泥研制一种新型的地聚合物搅拌桩对实际工程具有重要的意义，然而现在还没有关于地聚合物桩体的研究。鉴于此，本发明提出了一种利用工业生产中的赤泥、煤矸石为原料的新型的地聚合物搅拌桩，将为软弱地基加固设计提供技术支持。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种地聚合物及其前体的制作方法、产品和应用。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地聚合物前体的制作方法，包括：

步骤1：将煤矸石和赤泥的混合物粉碎，获得混合物微粒，所述煤矸石和赤泥的质量比不小于3:1；

步骤2：将所述混合物微粒和氢氧化钠一同置于高温600-900℃下煅烧设定时间，冷却后过筛，得到地聚合物前体，所述混合物微粒与所述氢氧化钠的质量比为1:9-1:5。

所述混合物微粒和氢氧化钠煅烧的所述设定时间为1-2小时。

所述地聚合物前体过筛的尺寸数为0.15mm。

以所述地聚合物前体的制作方法所获得的地聚合物前体。

地聚合物的制作方法，将所述地聚合物前体添入一定比例的外掺剂，加入水和钠水玻璃形成地聚合物浆液，进而固化形成地聚合物。

所述地聚合物前体的水灰比（地聚合物前体与水的质量比）为0.4-0.6。

所述钠水玻璃的质量为所述地聚合物前体质量的3%-10%。

所述外掺剂包括早强剂和/或减水剂。

由所述地聚合物的制作方法获得的地聚合物。

所述地聚合物在软弱地层加固中的应用。

所述地聚合物在搅拌桩中的应用，所述地聚合物前体的掺量占软弱土体质量的10%-20%。

地聚合物搅拌桩的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：搅拌机械就位、调平；

步骤2：搅拌下沉至设计加固深度；

步骤3：边喷地聚合物浆液，边搅拌提升至预定的停浆面，所述地聚合物浆液到达出浆口后喷浆搅拌25-35s，在所述地聚合物浆液与桩端土充分拌合后提升搅拌头；

步骤4：重复搅拌下沉至设计加固深度，保证加固深度范围内的土体任何一点的搅拌次数不少于20次，完成搅拌。

其中，步骤3和步骤4中，喷浆或仅搅拌提升至预定的停浆面，提升时保证地聚合物浆液与土充分搅拌。

本发明的有益效果是：

1、地聚合物的制备过程简单，可被大量生产，具有广泛的应用价值。

2、将地聚合物应用于搅拌桩中，成本低廉，节能环保，且有较高的强度和较好的耐化学腐蚀的性能。

具体实施方式

下面将对本发明进行详细说明。

原理：

(1)工业生产中产生的煤矸石、赤泥等垃圾内部通常含有大量的铝、硅、铁、钠、钙等金属与非金属元素的氧化物，尤其是煤矸石与赤泥中含量最多的铝、硅元素正是地聚合物的AlO₄和SiO₄四面体结构单元的基本元素。由于原始的煤矸石和赤泥中其铝硅酸盐活性差，在碱性溶液中溶解度低，导致其铝、硅含量不足，研究发现，经过高温煅烧后的煤矸石和赤泥其硅、铝的溶出率显著增加，活性明显升高。高温煅烧后的煤矸石和拜耳法赤泥的X射线衍射分析谱线主要在20°～40°之间，呈弥散的馒头状，这表明这两种地聚合物结构主要为无定形态，活性很高。

（2）地聚合物是在碱水玻璃的激发下由硅氧四面体和铝氧四面体聚合形成的空间三维网络状结构，其反应过程中不存在水化反应，其最终产物以离子键和共价键为主，分子作用力为辅，而水泥则是以分子间作用力及氢键为主。正是由于地聚合物特殊的网络结构及其分子间化学键，使得地聚合物材料在许多方面具有优良的特性：高强度，主要的力学性能指标优于水泥；具有较强的耐腐蚀性和耐久性；较好的快硬固化性。地聚合物作为新型的胶凝材料，能够将沙粒及土颗粒进行包裹和胶结，硬化后形成一个共同工作的整体，具有与水泥相似但却优于水泥的功能特性。因此，研制以煤矸石和赤泥为基本原料的地聚合物，利用地聚合物类似水泥的性质，便可应用到软弱地基处理的问题中常用的水泥土搅拌桩中，替代水泥制作地聚合物搅拌桩，鉴于其优于水泥的特性，对软弱地基的处理效果更佳。

实施步骤：

(1)地聚合物胶凝材料配方及生产工艺：

煤矸石中铝硅氧化物的含量要多于拜耳法赤泥的含量，但拜耳法赤泥中含有较多的生产地聚合物所需的碱金属氧化物。因此，煤矸石和拜尔法赤泥均匀混合物中为了防止混合物中硅铝含量不足情况的发生，煤矸石和赤泥的比例不小于3:1。然后将煤矸石和赤泥的混合物充分研磨并过筛，获取尺寸数小于0.15mm的微粒。经过过筛后获取的混合物按照质量比为1:9~1:5的比例添加氢氧化钠，混合均匀。针对拜耳法赤泥及煤矸石本身铝硅酸盐活性差，在碱性溶液中溶解度较低，及其硅含量不足的情况，对其混合物采用高温煅烧活化的方式，能够显著提高其中硅、铝的溶出率，从而提高其活性。因此将研磨过筛并混合均匀的煤矸石、赤泥、钠碱金属氧化物的混合物置于高温600~900°C下煅烧一至两个小时，自然冷却冷却后过筛，将烧结在一起的大颗粒筛出后研磨重新过筛，获取0.15mm的微粒，装袋备用。

(2)地聚合物搅拌桩的制作工艺：

施工前进行拟处理土的室内配比试验，针对现场拟处理的最软弱土层的性质，选择合适的地聚合物及外掺剂的掺量及确定搅拌桩加固深度；通常，地聚合物的掺量宜为10%~20%，湿法处理软土地基时，地聚合物浆的水灰比（地聚合物/水）宜选用0.40~0.60。使用地聚合物配制地聚合物浆时，向水中添加适量的钠水玻璃，其质量宜为加固地基所用地聚合物质量的3%~10%，模数1.5~2.5。同时，根据工程需要和土质条件添加早强、减水等外掺剂。

地聚合物搅拌桩施工前应对施工现场进行整平，清除地上及地下的障碍物，回填粘性土并予以压实；施工制取地聚合物浆液需要注意的是使用的地聚合物需过筛筛除固结在一起的大块体地聚物，制备好的浆液不得产生离析，泵送需连续。

地聚合物搅拌桩施工时主要步骤如下：

1、搅拌机械就位、调平；

2、搅拌下沉至设计加固深度；

3、边喷浆、边搅拌提升至预定的停浆面，需注意的是地聚合物浆液到达出浆口后应喷浆搅拌30s，在地聚合物浆液与桩端土充分拌合后提升搅拌头；

4、重复搅拌下沉至设计加固深度，保证加固深度范围内的土体任何一点均能经过20次以上的搅拌；

5、喷浆或仅搅拌提升至预定的停浆面，提升时应保证地聚物浆液与土充分搅拌；

6、关闭搅拌机械。

实例1：地聚合物搅拌桩在较低等级道路工程中的应用

地聚物搅拌桩可用于道路工程中加固软弱地基、防止在交通荷载下路面发生较大的沉降变形。低级道路中，交通荷载及流量较小，且对路面的沉降变形要就较低。为了制备适用于道路建设的地聚合物搅拌桩，选用山东铝厂生产的拜耳法赤泥和山东兖矿生产的煤矸石，煤矸石和拜耳法赤泥比例为3:1，充分研磨并过筛，获取尺寸数小于0.15mm的微粒，随后按照氢氧化钠与煤矸石质量比为1:9的比例添加氢氧化钠并混合均匀，置于700°C的高温下煅烧一小时，自然冷却后过0.15mm的筛，装袋备用。

制作地聚合物搅拌桩试件时，地聚合物掺量为10%，模数为2.5的钠水玻璃的添加量为地聚合物质量的5%。将钠水玻璃溶于水制取水灰比为0.5的地聚合物浆液，与道路工程中需加固的软弱土充分搅拌2~5min，制作尺寸为φ50mm×50mm的试件，放置在20°C的养护箱中养护24小时候脱模，继续养护，试件养护至28天时，经检试其抗压强度达到4.5Mpa。

实例2：地聚合物搅拌桩在高等级道路工程中的应用

地聚物搅拌桩可用于道路工程中加固软弱地基、防止在交通荷载下路面发生较大的沉降变形。在高等级道路中，如高速公路，交通荷载及流量都很大，且对路面的沉降变形要求极高。为了制备适用于道路建设的地聚合物搅拌桩，选用山东铝厂生产的拜耳法赤泥和山东兖矿生产的煤矸石，煤矸石和拜耳法赤泥比例为5:1，充分研磨并过筛，获取尺寸数小于0.15mm的微粒，随后按照氢氧化钠与煤矸石质量比为1:5的比例添加氢氧化钠并混合均匀，置于700°C的高温下煅烧一小时，自然冷却后过0.15mm的筛备用。

制作地聚合物搅拌桩试件时，地聚合物掺量为20%，模数为2.5的钠水玻璃的添加量为地聚合物质量的10%。将钠水玻璃溶于水制取水灰比为0.4的地聚合物浆液，与道路工程中需加固的软弱土体充分搅拌2~5min，制作尺寸为φ50mm×50mm的试件，放置在20°C的养护箱中养护24小时候脱模，继续养护，试件养护至28天时，经检试其抗压强度达到6.2Mpa。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种地聚合物前体的制作方法，其特征在于，包括：

步骤1：将煤矸石和赤泥的混合物粉碎，获得混合物微粒，所述煤矸石和赤泥的质量比不小于3:1；

步骤2：将所述混合物微粒和氢氧化钠一同置于高温600-900℃下煅烧设定时间，冷却后过筛，得到地聚合物前体，所述混合物微粒与所述氢氧化钠的质量比为1:9-1:5；

所述混合物微粒和氢氧化钠煅烧的所述设定时间为1-2小时；

所述地聚合物前体过筛的尺寸数为0.15mm。

2.根据权利要求1所述的制作方法所获得的地聚合物前体。

3.一种地聚合物的制作方法，其特征在于：将权利要求2所述地聚合物前体添入一定比例的外掺剂，加入水和钠水玻璃形成地聚合物浆液，进而固化形成地聚合物。

4.根据权利要求3所述的地聚合物的制作方法，其特征在于：所述地聚合物前体的水灰比为0.4-0.6；所述钠水玻璃的质量为所述地聚合物前体质量的3%-10%；所述外掺剂包括早强剂和/或减水剂。

5.根据权利要求3或4所述地聚合物的制作方法获得的地聚合物。

6.地聚合物搅拌桩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：搅拌机械就位、调平；

步骤2：搅拌下沉至设计加固深度；

步骤3：边喷权利要求3所述地聚合物浆液，边搅拌提升至预定的停浆面，所述地聚合物浆液到达出浆口后喷浆搅拌25-35s，在所述地聚合物浆液与桩端土充分拌合后提升搅拌头；

步骤4：重复搅拌下沉至设计加固深度，保证加固深度范围内的土体任何一点的搅拌次数不少于20次，完成搅拌。