CN106915936A - 一种淤泥质土复合固化剂及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种淤泥质土复合固化剂，各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％。本发明以水泥为主固化材料，粉煤灰和矿渣作为碱性激发剂，三乙醇胺作为表面活性剂，提供的淤泥质土复合固化剂从固化机理出发，以提高土体pH值、促进水泥水化反应的进程以及水化物凝结硬化、增强参与反应的离子活性为目的，选择固化材料，各组成成分通过一系列反应达到最佳的固化效果。本发明还提供了淤泥质土复合固化剂在软土地基固化处理中的应用。在实际工程中，通过调整复合固化剂的掺入量，来固化不同有机质含量和不同水含量的软土，以达到最大的固化效果和经济效果。

Description

一种淤泥质土复合固化剂及应用
技术领域
本发明属于土木建筑工程技术领域，具体涉及一种淤泥质土复合固化剂及应用。
背景技术
基于工程需要，众多学者致力于固化剂的研究，目前市面上的固化剂品种至少有上百种。土体的有机质含量和含水量对固化剂的效果有着重要的影响，大多数学者针对有机质含量或者含水量的变化对固化剂配方做了很多研究工作，但是目前没有同时考虑含水量和有机质含量的作用而被研制的固化剂。
土含水量对固化效果的影响是多方位的。首先，无机类固化剂的化学反应特别依赖于水环境，因为各离子的浓度直接影响反应的进程以及最终生成物，其中水泥系和石灰系固化剂更是如此。其次，在水化反应过程中，水作为反应物和生成物参与其中，总体说来，土中的自由水参与反应后不断地转变成结晶水，生成的水化产物提高了土体的强度；最后，固化完成后土体的含水量也将直接影响土体的强度，一般来说，强结合水性质接近于固体，具有极大的黏滞度、弹性和抗剪强度，而弱结合水则是强结合水与弱结合水间的过渡状态，能在土粒周围发生转移，进而直接影响土体可塑性。
土壤有机质中对固化产生影响的主要成分是腐植酸。首先，腐植酸的分子结构十分松散，含有大量微细孔隙，在电镜下形状呈无规则变化，可以是纤维状、类海绵状、颗粒状、棒状。这样的结构特点使其持水性和吸附性都很强，腐植酸颗粒吸附于固化材料颗粒及黏土颗粒表面，阻碍和延缓了水化产物的生成，大大减弱了水化物与黏土颗粒间的作用(曾卫东2002)。其次，腐植酸自身呈酸性，它所含的羧基和酚基等官能团易与孔隙液中的OH-离子反应，阻碍胶凝物质生成。再次，腐植酸的存在也不利于土体中硅和铝的溶解，使火山灰反应大大减弱，而火山灰反应对固化土强度增长有很大的贡献(Thompson1966)。另外，腐植酸颗粒本身以带负电荷为主，具有比粘土颗粒更发育的双电层。
很多学者对固化剂固化材料的选择进行了研究，固化材料的物理性质、化学性质对固化效果有着决定性影响。当前固体废弃物对环境造成的影响已经十分严重，尤其是工业化进程中很多不符合国家环保标准的废弃物，如果使之成为固化剂原料应用到土壤固化中，不仅可以节省大量的建设资金，还可以起到“废物利用”、“变废为宝”的作用，进而起到保护环境，维护生态稳定的作用。
徐日庆(2007)通过在软土中掺入腐植酸的方法制备人工有机质土，并对其进行了室内试验，结果表明人工有机质土的液限随土有机质含量的增加而呈指数形式增长，塑限则呈线性形式增长，固化土无侧限强度则随有机质含量的增加呈对数形式下降。
张树彬(2009)对水泥固化土腐植酸组分进行定性、定量对比试验分析，从微观上研究了腐植酸组分对不同地域水泥固化效果的影响。试验所用软土均为实际工程中现场采样。
Harvey Omar R(2010)通过热量测定和热重分析法来确定热流差，从而解释石灰蒙脱石中天然有机质的成分和含量对水化硅酸钙生成过程的影响。结果表明水化硅酸钙的形成与石灰固化蒙脱石的强度有较好的相关性，有机质通过阻止火山灰反应产物的生成影响石灰固化土的强度。
Erdem O.Tastan(2011)采用粉煤灰对有机质土进行了改性处理，并通过测定固化土的无侧限抗压强度与回弹模量考察固化效果的影响因素。结果表明掺入粉煤灰能显著改善土体强度，且固化效果主要源于火山灰反应。从成分角度，粉煤灰中的CaO含量与CaO/SiO2比值对固化土强度与刚度的影响较为显著。
Robert Brooks(2011)采用石灰石粉与粉煤灰对宾夕法尼亚东南部的土壤进行改良处理，对1天、7天、28天的改良土所进行的无侧限强度试验和方差分析表明土体改良效果明显，并借助SEM电镜扫描图像对改良机理进行了探讨。
解国梁(2013)以内蒙古河套地区粉质黏土为研究对象，采用水泥与熟石灰对土体进行固化处理。室内无侧限强度的试验结果表明，在熟石灰的掺加下，水泥土中存在火山灰作用和离子交换作用。
易耀林(2013)通过室内配比试验初步研究了碱激发矿粉对连云港软土的固化效果，并与水泥固化效果进行对比。试验结果表明，Na2CO3对矿粉固化土的激发效果十分有限，NaOH激发矿粉的效果相对最好，但固化土90天后强度将发生一定衰减。另外，Na2CO3、NaOH、Na2SO4能够加速矿粉与电石渣复合固化土的强度增长率，其中，Na2SO4的激发效果最好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济合理、性能优越、将工业废渣“变废为宝”的一种淤泥质土复合固化剂，可以根据不同有机质含量和含水量来定量调节固化剂的掺入量，以期达到最好的工程及经济效益，能够应用于各类有机质软土地基的处理。
一种淤泥质土复合固化剂，各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％。
水泥是目前最为常用的固化材料，其水化反应生成的硅酸二钙和硅酸三钙能够有效的加大土体强度。矿渣在激发剂作用下首先使水化反应过程中絮凝物玻璃体表面解体，与水反应生成水化硅酸钙等水化产物，溶解出的Ca2+引发粉煤灰火山灰反应的二次水化，这两类反应交替进行，且其水化产物组分中以水化硅酸钙凝胶为主，混合材料后期强度随养护时间延长，而持续提高。而粉煤灰是一种分散体系，能够增加颗粒间表面面积，其在一定程度上代替了水泥的作用，能够增大反应过程的有效水灰比，是微粉效应更加显著，极大的促进水化反应的进程。三乙醇胺可以消除固体粉剂的静电，使颗粒体表面积增大、细度降低，另外还能稳定反应环境的pH值，使水化反应能够快速的进行。在本发明的特定配比下，水泥、矿渣、粉煤灰和三乙醇胺相互协同达到最佳的固化效果。
本发明以水泥为主固化材料，粉煤灰和矿渣作为碱性激发剂，三乙醇胺作为表面活性剂，提供的淤泥质土复合固化剂的固化对策是根据淤泥质土特点，工程所需早期强度以及稳定的较强的后期强度、较好的水稳性能、抗冻性能等要求，从固化机理出发，以提高土体pH值、促进水泥水化反应的进程以及水化物凝结硬化、增强参与反应的离子活性为目的，选择固化材料，各组分通过一系列反应相互协同达到最佳的固化效果。
基于软土固化机理，针对普遍具有高含水量和高有机质含量的淤泥质土，结合原材料的供应运输以及价格，以及工业废物的利用，选择以下材料：
水泥：强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。
矿渣：矿渣是在炼铁过程，与铁水分离并在高温下将氧化铁还原成金属铁，铁矿石中的SiO2-Al2O3等杂质与石灰等溶剂结合成的废渣。
粉煤灰：粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。
三乙醇胺：C6H15NO3含量大于78.0％，密度为1.123～1.333g/cm3，总胺量：99.0～110％，折光率：1.482～1.489。为无色或浅黄色吸湿性粘稠状液体。
按照本发明提供的配比，每吨淤泥质土复合固化剂的成本在30元以下。
本发明的另一个目的是提供淤泥质土复合固化剂在软土地基固化处理中的应用。
本发明提供的淤泥质土复合固化剂适用于含水量在105％以下，有机质含量在8％以下的软土地基固化处理。
作为优选，所述软土为淤泥质土，所述软土的含水量为85～105％，且所述软土的有机质含量为6～8％，该类淤泥质土含水量和有机质含量均较高，固化难度大，市面上的固化剂难以对该类淤泥质土进行固化处理，本发明提供的淤泥质土复合固化剂通过针对性研制，各组分通过一系列反应相互协同依然能达到较好的固化效果。
在实际工程中，通过调整复合固化剂的掺入量，来固化不同有机质含量和不同水含量的软土，以达到最大的固化效果和经济效果。
具体实施方式
本发明提供了一种淤泥质土复合固化剂及应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例土壤选用宁波奉化地区软基淤泥质土，其性能指标见表1。
表1土样的物理指标
实施例1
取有机质含量为6.8％，含水量为87.1％的淤泥质土样1，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，按配比添加不同量的淤泥质土复合固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，将混合物搅拌均匀制成3个φ39.1×80mm的圆柱体平行试样，标准养护。得到14天和28天无侧限抗压强度如表2所示：
表2土样1固化强度表
实施例2
取有机质含量为7.1％，含水量为89.5％的淤泥质土样2，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，按配比添加不同量的淤泥质土复合固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，将混合物搅拌均匀制成3个φ39.1×80mm的圆柱体平行试样，标准养护。得到14天和28天无侧限抗压强度如表3所示：
表3土样2固化强度表
实施例3
取有机质含量为7.1％，含水量为91.1％的淤泥质土样3，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，按配比添加不同量的淤泥质土复合固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，将混合物搅拌均匀制成3个φ39.1×80mm的圆柱体平行试样，标准养护。得到14天和28天无侧限抗压强度如表4所示：
表4土样3固化强度表
实施例4
取有机质含量为7.5％，含水量为95.4％的淤泥质土样，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，按配比添加不同量的淤泥质土复合固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，将混合物搅拌均匀制成3个φ39.1×80mm的圆柱体平行试样，标准养护。得到14天和28天无侧限抗压强度如表5所示：
表5土样4固化强度表
实施例5
取有机质含量为8％，含水量为103.2％的淤泥质土样，在试验前，去除土样杂质，称取600g土样，按配比添加不同量的淤泥质土复合固化剂(各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％)，将混合物搅拌均匀制成3个φ39.1×80mm的圆柱体平行试样，标准养护。得到14天和28天无侧限抗压强度如表6所示：
表6土样5固化强度表

Claims (7)

1.一种淤泥质土复合固化剂，其特征在于，各组分的重量百分比为：水泥46％，矿渣34％，粉煤灰15％，三乙醇胺5％。
2.根据权利要求1所述的淤泥质土复合固化剂，其特征在于，所述淤泥质土复合固化剂以水泥为主固化材料，粉煤灰和矿渣作为碱性激发剂，三乙醇胺作为表面活性剂。
3.根据权利要求1所述的淤泥质土复合固化剂在软土地基固化处理中的应用。
4.根据权利要求3所述的淤泥质土复合固化剂在软土地基固化处理中的应用，其特征在于，所述淤泥质土复合固化剂的用量为软土重量的5～20％。
5.根据权利要求3所述的淤泥质土复合固化剂在软土地基固化处理中的应用，其特征在于，所述软土的含水量在105％以下。
6.根据权利要求3所述的淤泥质土复合固化剂在地基固化处理中的应用，其特征在于，所述软土的有机质含量在8％以下。
7.根据权利要求3所述的淤泥质土复合固化剂在地基固化处理中的应用，其特征在于，所述软土的含水量为85～105％，且所述软土的有机质含量为6～8％。
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