CN107352936A - 磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料及其制备方法和应用。该复合材料包括磷石膏、硅溶胶、水泥和水。以工业副产品磷石膏作为基础材料，还包括硅溶胶和水泥。该护坡材料中既可以有效保持水土，又具有一定的强度。磷石膏与硅溶胶反应还生成硫酸盐，硫酸盐经过雨水溶蚀迁移后可形成孔隙结构，这有利于进一步提高坡面岩土体保持水分性，促进坡面植被生长，使坡面形成与环境相协调的外观，实现坡体植被的生态修复效果。同时本申请提供的护坡复合材料以工业副产品磷石膏作为基础材料，这有利于降低护坡复合材料的制造成本，且其以废渣形式存在的磷石膏为原料，不产生有害物质。因而本申请提供的护坡复合材料还具有较高的环保性。

Description

磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及坡体修护领域，具体而言，涉及一种磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
磷石膏是磷肥生产过程中产生的工业废渣，属于化学工业中排量最大的固体废物之一。露天堆放是目前处理磷石膏的主要方式。据初步估算，我国堆存的磷石膏渣已经超过1.2亿吨。上述磷石膏渣往往占用大量土地，形成渣山，严重污染环境。磷石膏的主要成分是CaSO4·2H2O，其含量可达90wt％以上。如果利用得当，磷石膏是一种极其廉价的石膏资源。随着现代化的进程加快，各行业对磷酸的需求加大，磷石膏的产量增速惊人。尽管各行业对于磷石膏的再利用正进行广泛研究，但其利用率仍然很低，目前磷石膏的利用率还不足10wt％。如此庞大产量的磷石膏未能有效合理利用，一方面需要大面积的土地进行堆放，另一方面磷石膏内含有的磷及氟等有害物质往往会引起地表及地下水污染。因此，磷石膏的综合利用成为各行业关注的焦点。
近些年来，随着城市化进程的不断加快，大规模的工程建设(特别是公路、铁路和房屋建设)形成了大量难以恢复植被的岩土质边坡。对于这些边坡，一方面我们需要对边坡岩土体进行加固，保证其安全而不滑落；另一方面我们还得注意对边坡的美化以达到与周围的环境相和谐的目的。而传统的边坡工程处理手段大多采用砌石挡墙及喷混凝土等护坡结构，往往只是起到防止水土流失的作用，而这些护坡结构在外观上很难和周围青山绿水的优美环境相匹配。随着人们环境意识及审美要求的提高，“绿色发展”的理念更是深入人心。这要求我们更加注重边坡处理的生态效应和环境兼容性，进而用于生态修复的环保型护坡材料是一项非常值得研究的课题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料及其制备方法和应用，以解决现有的护坡材料对岩土质边坡进行修复时存在不环保，且与周围的环境兼容性差问题。
为了实现上述目的，本发明一个方面提供了一种磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料，复合材料包括磷石膏、硅溶胶、水泥和水。
进一步地，按重量份计，复合材料包括：100份的磷石膏、40～80份的硅溶胶、5～15份的水泥和50～100份的水，硅溶胶为25wt％纳米二氧化硅水分散液。
进一步地，按重量份计，复合材料包括：100份的磷石膏、50～70份的硅溶胶、10～15份的水泥和60～80份的水。
进一步地，磷石膏与硅溶胶的重量比为10:5.5～6.5。
进一步地，磷石膏、水泥与水的重量比为10:0.8～1.2:6.5～7.5。
进一步地，水泥选自硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥和磷酸盐水泥组成的组中的一种或多种。
进一步地，硅溶胶为将硅粉采用一步水解法制得的纳米二氧化硅水分散液。
本申请的另一方面还提供了一种上述磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的制备方法，制备方法包括：按磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的组成进行配料，得到前驱物，前驱物包括磷石膏、硅溶胶、水泥和水；将前驱物进行混合、固化，制得所述磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料。
进一步地，在进行混合的步骤之前，固化方法还包括对磷石膏进行预处理的步骤，预处理的步骤包括：将磷石膏依次经过水洗、中和及煅烧处理，以去除磷石膏中杂质。
本申请的另一方面还提供了一种上述磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料在生态环境修复领域的应用。
应用本发明的技术方案，本申请提供的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料以工业副产品磷石膏作为基础材料，还包括硅溶胶和水泥。该护坡材料中既可以有效保持水土，又具有一定的强度。更重要地，磷石膏与硅溶胶反应还生成硫酸盐，硫酸盐经过雨水溶蚀迁移后可形成孔隙结构，这有利于进一步提高坡面岩土体保持水分性，促进坡面植被生长，使坡面形成与环境相协调的外观，实现坡体植被的生态修复效果。同时本申请提供的护坡材料以工业副产品磷石膏作为基础材料，这有利于降低护坡材料的制造成本，且该护坡材料将以废渣形式存在的磷石膏为原料，且不产生有害物质。因而本申请提供的护坡材料还具有较高的环保性。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
硅溶胶属于一种无毒环保的纳米级无机硅分散液，由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，故硅溶胶也可以表述为SiO2·nH2O。随着目前硅粉一步水解法生产工艺的推广，硅溶胶的生产工艺得到进一步简化，硅溶胶被广泛用于铸造、化工、矿业和建筑等诸多领域。由于硅溶胶的无毒环保、渗透性高和固结体具备优异的物化性质等特点，将其应用于护坡材料将是一项非常有意义的工作。
正如背景技术所描述的，采用现有的护坡材料对岩土质边坡进行修复时存在不环保，且与周围的环境兼容性差的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料，该磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料包括磷石膏、硅溶胶、水泥和水。
本申请提供的上述护坡复合材料中磷石膏与硅溶胶发生反应主要生成硅酸钙，而硅酸钙与水泥的水化产物共同粘结沙土颗粒，进而形成坚硬的空间网状结构。这既可以有效保持水土，又具有一定的强度。更重要地，磷石膏与硅溶胶反应还生成硫酸盐，硫酸盐经过雨水溶蚀迁移后可形成孔隙结构，这有利于进一步提高坡面岩土体保持水分性，促进坡面植被生长，使坡面形成与环境相协调的外观，实现坡体植被的生态修复效果。
本申请提供的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料以工业副产品磷石膏作为基础材料，并配之以硅溶胶和水泥形成。上述几种原料均具有较低的成本，这有利于降低护坡材料的制造成本。同时该护坡材料以废渣形式存在的磷石膏为原料，且不产生有害物质，因而本申请提供的护坡材料还具有较高的环保性。
综上所述，本申请提供的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料不仅具有良好的环保性，而且还具有优异的水土保持功能，能够实现坡体植被的生态修复效果。
本申请提供的上述磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料不仅具有良好的环保性，而且还具有优异的水土保持功能，能够实现坡体植被的生态修复效果。在一种优选的实施方式中，按重量份计，该复合材料包括：100份的磷石膏、40～80份的硅溶胶、5～15份的水泥和50～100份的水，硅溶胶为25wt％纳米二氧化硅水分散液。磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的组成包括但不限于上述用量范围，而将其限定在上述范围内有利于进一步提高磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的综合性能。
优选，上述硅溶胶为将硅粉采用一步水解法制得的纳米二氧化硅水分散液。实际应用过程中，硅溶胶中纳米二氧化硅的重量百分含量可以根据需要进行调整。
优选地，按重量份计，磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料包括：100份的磷石膏、50～70份的硅溶胶、30～40份的水泥和60～80份的水。
在一种优选的实施方式中，磷石膏与硅溶胶的重量比为10:5.5～6.5。磷石膏与硅溶胶的重量比包括但不限于上述范围，而将其限定在上述范围内有利于提高磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料形成的固结体的抗压强度。
在一种优选的实施方式中，磷石膏、水泥和水的重量比为10:0.8～1.2:6.5～7.5。磷石膏、水泥和水的重量比包括但不限于上述组成，而将其限定在上述范围内有利于进一步提高磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料形成的固结体的密度，进而提高其综合性能。
在一种优选的实施方式中，水泥包括但不限于硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥和磷酸盐水泥组成的组中的一种或多种。上述几种水泥具有价格低廉，来源广等优点，因而采用上述几种水泥有利于降低磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的制造成本。
为了更好地理解本申请中的技术方案，本申请提供了一种上述磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的制备方法，该制备方法包括：
按本申请提供的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的组成进行配料，得到前驱物，前驱物包括磷石膏、硅溶胶、水泥和水；将上述前驱物进行混合、固化，制得磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料。
本申请提供的上述护坡复合材料中磷石膏与硅溶胶发生反应主要生成硅酸钙；水泥、水形成的水泥水化物，进而与硅酸钙共同粘结沙土颗粒，形成坚硬的空间网状结构，固化形成固结体。上述固化方法简单、易于操作。同时整个固化过程不需要借助于大型器械，各原料组成也不需要进行特别的处理，因而上述制备方法还具有成本低的优点。
在一种优选的实施方式中，在上述混合步骤之前，该制备方法还包括对磷石膏进行预处理的步骤，该预处理的步骤包括：将磷石膏依次经过水洗、中和及煅烧处理，以去除磷石膏中杂质。去除磷石膏中的杂质有利于避免磷石膏中残留的杂质元素对磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的固化造成干扰，进而影响该复合材料对坡体的修复效果。
本申请的另一方面还提供了一种上述磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料在生态环境修复领域的应用。
本申请提供的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料中磷石膏与硅溶胶发生反应主要生成硅酸钙，而硅酸钙与水泥的水化产物共同粘结沙土颗粒，进而形成坚硬的空间网状结构。这既可以有效保持水土，又具有一定的强度。更重要地，磷石膏与硅溶胶反应还生成硫酸盐，硫酸盐经过雨水溶蚀迁移后可形成孔隙结构，这有利于进一步提高坡面岩土体保持水分性，促进坡面植被生长，使坡面形成与环境相协调的外观，实现坡体植被的生态修复效果。
上述护坡材料以工业副产品磷石膏作为基础材料，并配之以硅溶胶和水泥形成。上述几种原料均具有较低的成本，这有利于降低护坡材料的制造成本。同时该护坡材料将以废渣形式存在的磷石膏为原料，且不产生有害物质，因而本申请提供的护坡材料还具有较高的环保性。综上所述，本申请提供的护坡材料不仅具有良好的环保性，而且还具有优异的水土保持功能，能够实现坡体植被的生态修复效果。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。
以下实施例1至15中各原料的厂家见表1。
表1
实施例1至15中磷石膏的成分分析结果见表2。
表2
实施例1
取磷石膏粉末100g，硅溶胶50g(二氧化硅的含量为25wt％)，牌号为P.O42.5的硅酸盐水泥10g，水55g，采用机械搅拌均匀，装入铁质密封桶，制备得到生态护坡复合材料。
进行生态护坡注浆施工时，将数控智能注浆设备进浆管连入铁质密封桶中，按照500mL/min比例调节进浆量，混合均匀的复合注浆液通过压力设备输送到指定部位进行坡面沙土固结操作。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例2
取磷石膏粉末100g，硅溶胶70g，牌号为P.C32.5R的复合硅酸盐水泥10g，水60g，采用机械搅拌均匀，装入铁质密封桶，制备得到生态护坡复合材料。本实施例涉及的施工设备及工艺，与实施例1相同。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例3
取磷石膏粉末100g，硅溶胶50g，牌号为L·SAC42.5的硫铝酸盐水泥15g，水100g，采用机械搅拌均匀，装入铁质密封桶，制备得到生态护坡复合材料。本实施例涉及的施工设备及工艺，与实施例1相同。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例4
取磷石膏粉末100g，硅溶胶50g，牌号为CA-70/P.O 32.5的铝酸盐水泥15g，水100g，采用机械搅拌均匀，装入铁质密封桶，制备得到生态护坡复合材料。本实施例涉及的施工设备及工艺，与实施例1相同。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例5
取磷石膏粉末100g，硅溶胶40g，牌号为42.5早强快硬型铁铝酸盐水泥15g，水80g，采用机械搅拌均匀，装入铁质密封桶，制备得到生态护坡复合材料。本实施例涉及的施工设备及工艺，与实施例1相同。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例6
取磷石膏粉末100g，硅溶胶60g，快硬型氟铝酸盐水泥15g，水100g，采用机械搅拌均匀，装入铁质密封桶，制备得到生态护坡复合材料。本实施例涉及的施工设备及工艺，与实施例1相同。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例7
取磷石膏粉末100g，硅溶胶80g，牌号为P901耐火型磷酸盐水泥15g，水70g，采用机械搅拌均匀，装入铁质密封桶，制备得到生态护坡复合材料。本实施例涉及的施工设备及工艺，与实施例1相同。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例8
与实施例3的区别为：硅溶胶为40g。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例9
与实施例3的区别为：硅溶胶80g。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例10
与实施例3的区别为：硫铝酸盐水泥为10g。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例11
与实施例3的区别为：硫铝酸盐水泥为5g。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例12
与实施例3的区别为：硫铝酸盐水泥为20g。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例13
与实施例3的区别为：水为75g。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例14
与实施例8的区别为：磷石膏为100g，硅溶胶为60g。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
实施例15
与实施例8的区别为：磷石膏为100g，水泥为10g、水为70g。本实施例获得的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的性能评价结果见表3。
对比例1
在实施例3的基础上，不添加水泥。
表3
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
比较实施例3、8、9可知，将硅溶胶的用量限定在本申请优选地范围内有利于提高护坡复合材料形成的固结体的综合性能。
比较实施例3、10至12可知，将水泥的用量限定在本申请优选地范围内有利于将护坡复合材料形成的浆液的粘度和密度限定在一定的范围内，并提高其形成的固结体的综合性能。
比较实施例3和13可知，将水的用量限定在本申请优选地范围内有利于提高护坡复合材料形成的固结体的综合性能。
比较实施例8和14可知，将磷石膏和硅溶胶的比例关系限定在本申请优选地范围内有利于提高护坡复合材料形成的固结体的综合性能。
比较实施例8和15可知，将磷石膏和水泥的比例关系限定在本申请优选地范围内有利于提高护坡复合材料形成的固结体的综合性能。
比较实施例1至15及对比例1可知，水泥的添加有利于提高护坡复合材料的综合性能。
本申请提供的上述护坡复合材料中磷石膏与硅溶胶发生反应主要生成硅酸钙，而硅酸钙与水泥的水化产物共同粘结沙土颗粒，进而形成坚硬的空间网状结构。这既可以有效保持水土，又具有一定的强度。更重要地，磷石膏与硅溶胶反应还生成硫酸盐，硫酸盐经过雨水溶蚀迁移后可形成孔隙结构，这有利于进一步提高坡面岩土体保持水分性，促进坡面植被生长，使坡面形成与环境相协调的外观，实现坡体植被的生态修复效果。
本申请提供的护坡材料以工业副产品磷石膏作为基础材料，并配之以硅溶胶和水泥形成。上述几种原料均具有较低的成本，这有利于降低护坡材料的制造成本。同时该护坡材料将以废渣形式存在的磷石膏为原料，且不产生有害物质，因而本申请提供的护坡材料还具有较高的环保性。综上所述，本申请提供的护坡材料不仅具有良好的环保性，而且还具有优异的水土保持功能，能够实现坡体植被的生态修复效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料，其特征在于，所述复合材料包括磷石膏、硅溶胶、水泥和水。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，按重量份计，所述复合材料包括：100份的磷石膏、40～80份的硅溶胶、5～15份的水泥和50～100份的水，所述硅溶胶为25wt％纳米二氧化硅水分散液。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于，按重量份计，所述复合材料包括：100份的所述磷石膏、50～70份的所述硅溶胶、10～15份的所述水泥和60～80份的所述水。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述磷石膏与所述硅溶胶的重量比为10:5.5～6.5。
5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，所述磷石膏、所述水泥与所述水的重量比为10:0.8～1.2:6.5～7.5。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述水泥选自硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥和磷酸盐水泥组成的组中的一种或多种。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述硅溶胶为将硅粉采用一步水解法制得的纳米二氧化硅水分散液。
8.一种磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
按权利要求1至7中任一项所述的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料的组成进行配料，得到前驱物，所述前驱物包括磷石膏、硅溶胶、水泥和水；
将所述前驱物进行混合、固化，制得所述磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料。
9.根据权利要求8的制备方法，其特征在于，在进行所述混合步骤之前，所述制备方法还包括对所述磷石膏进行预处理的步骤，所述预处理的步骤包括：将所述磷石膏依次经过水洗、中和及煅烧处理，以去除所述磷石膏中杂质。
10.一种权利要求1至7中任一项所述的磷石膏/硅溶胶生态护坡复合材料在生态环境修复领域的应用。
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