CN107572990B

CN107572990B - 一种低成本高效软土固化剂及其制备方法与应用

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Publication number: CN107572990B
Application number: CN201710748501.1A
Authority: CN
Inventors: 陈维灯; 高庆强; 陈承鑫; 郑敏升; 林顺官; 张勇林
Original assignee: Fujian Construction Engineering Group Building Material Science & Technology Development Co ltd
Current assignee: Fujian Construction Engineering Group Building Material Science & Technology Development Co ltd
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: CN107572990A

Abstract

本发明涉及一种建筑材料，尤其涉及一种低成本高效软土固化剂及其制备方法与应用。所述软土固化剂，由以下重量比例的原料制成：矿粉：生石灰：脱硫石膏：早强剂＝100：30～50：50～70：0～5。先向搅拌锅中加入生石灰，再加入脱硫石膏，搅拌1‑5分钟，应控制搅拌锅温度不超过300℃；搅拌完成后再加入矿粉和早强剂，搅拌1分钟即得到所需产品。所述的软土固化剂在高含水软土处理中的应用。本发明有效降低原材料成本，并且能有效固化高含水软土。

Description

一种低成本高效软土固化剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种建筑材料，尤其涉及一种低成本高效软土固化剂及其制备方法与应用。

背景技术

软土(soft soil)一般指外观以灰色为主，天然孔隙比大于或等于1.0,且天然含水量大于液限的细粒土。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差等特点。

软土含水率高，绝大部分水分以自由水形式存在于土壤颗粒之间，使土壤颗粒间的摩擦力维持在较低水平，因此软土的工程性能很差。软土固化剂在常温下可与软土中的自由水发生水化反应，使软土中部分自由水转化为化学结合水，同时水化产物能直接胶结软土中土壤颗粒表面，将土壤颗粒凝结成整体、坚实、稳定、持久的板块结构，大大增加软土的承载力。但由于软土含水率较高，软土固化剂需要很高掺量时才能胶结土壤，满足固化要求。

目前已公开的专利和已发表的文献，皆没有从水化产物吸附和自由水吸附的角度去考虑，只是单纯的通过碱激发工业废渣活性，产生胶凝材料固化土壤，并未从微观角度去考虑不同水化产物在土壤固化中固化效果的差异，因此不能很好地选择原材料来优化配合比，用于软土固化的土壤固化剂效果也因而较差。专利CN102899048A脱硫石膏碱渣土壤固化剂公开了以脱硫石膏、碱渣粉、矿粉、粉煤灰和外加剂按一定比例配制而成的，土壤固化剂的主反应是钙矾石反应。

该专利存在以下缺陷：

(1)土壤固化剂并不适用于所有土壤。在含水率较低的土壤中使用时，钙矾石类土壤固化剂固化效果不及其他非钙矾石类土壤固化剂，甚至比不上P.O425水泥的固化效果，主要是因为低含水土壤中自由水相对较少，无需钙矾石生成反应即可转化为吸附水，而且钙矾石反应具有明显的膨胀效应，被压实的固化土缺少额外水分消除钙矾石的膨胀应力，导致固化土膨胀开裂，强度下降。因此此类土壤固化剂不适合固化含水率较低的土体。

(2)该专利中，粉煤灰中含有大量的氧化铝成分，是钙矾石反应的重要原材料之一，但粉煤灰活性较低，往往需要28天后才有较为可观的活性，即意味着在28天后，有大量的氧化铝成分参与钙矾石生成反应，此时无论待固化的土体含水率多寡，后期生成的大量钙矾石必将导致固化土膨胀而开裂，大量的微裂缝会降低此阶段钙矾石生成对强度的贡献，甚至会导致固化土强度下降，因此，在固化土中含有足量硫酸钙的情况下，不宜使用粉煤灰。

(3)土壤固化剂原材料的选择、配合比，导致软土固化剂的固化效果只比P.C325水泥略高，仍有明显的改进空间。使用的原料脱硫石膏，在电厂出厂时应为湿粉，自由水含量约为12％～18％，若按专利公开的制备方法制备土壤固化剂，会导致土壤固化剂在固化土体前即已发生水化反应而失效。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种低成本高效软土固化剂及其制备方法，有效降低原材料成本，还提供了该固化剂在软土处理中的应用，能有效固化高含水软土。

本发明的申请人在提出技术方案前，进行了以下一系列的研究：

通过吸附理论、水泥化学、晶体结构学结合土壤固化理论对软土固化机理进行总结和梳理，并提出软土固化的最佳策略，即通过静电吸附提高水化产物与土壤颗粒的界面粘结力，通过生成大量针状结构的钙矾石结晶产生大量表面吸附自由水，从而大大提高土壤颗粒间的摩擦力，使固化效率大大提高。

大部分土壤颗粒表面带负电性，水泥水化产物包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、硫铝酸钙等，水化硅酸钙带负电性，因此在土壤颗粒表面吸附较难，水化产物与土壤颗粒间的界面粘结较差，水化铝酸钙与硫铝酸钙带正电性，会吸附于土壤颗粒表面，水化产物与土壤颗粒间的界面粘结较好，除此之外，硫铝酸钙尤其是三硫型硫铝酸钙即钙矾石为针状结构，比表面积明显高于其他水化产物，当钙矾石吸附于土壤颗粒表面，并形成大量针状结构时，能大大增加土壤颗粒的比表面积，从而使大量自由水分吸附于土壤颗粒表面变成吸附水，水分对土壤颗粒的润滑作用减小，土壤颗粒间的摩擦大大提高，软土的承载力也因此得以提高。软土含水率越高，钙矾石微观结构对土壤固化剂的固化效果贡献越大，因此在固化高含水率软土时，应尽可能提高钙矾石的生成量。

2AlO₂ ^-+6Ca²⁺+4OH^-+3SO₄ ^2-+30H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O式1

Ca²⁺+SiO₃ ^2-+nH₂O→CaSiO₃·nH₂O式2

根据式1和式2以及所选择的原材料(矿粉、石灰、脱硫石膏)的化学组成，即可算出刚好完全反应时的原材料配合比，但实际固化过程中，由于原材料活性以及不同原材料的作用不同，导致部分原材料长期过量而浪费，如石膏，而部分原材料不足，如石灰(矿粉中含有大量氧化钙成分，但释放过慢，因此外加石灰需要额外多掺)，经过不断的试验验证，才能确定最合适的配合比。

本发明是这样实现的：

本发明首先提供了一种软土固化剂，由以下重量比例的原料制成：矿粉：生石灰：脱硫石膏：早强剂＝100：(30～50)：(50～70)：(0～5)。

本发明还提供了所述软土固化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)先向搅拌锅中加入生石灰，再加入脱硫石膏，搅拌1-5分钟，应控制搅拌锅温度不超过300℃；

(2)搅拌完成后再加入矿粉和早强剂，搅拌1分钟即得到所需产品。

所述矿粉为等级S95以上高炉矿渣粉。更优选地，所述矿粉中含有33％SiO₂、41％CaO、15％Al₂O₃。

所述脱硫石膏为电厂湿法脱硫所产生的脱硫石膏湿粉，自由水含量为12％～18％。

所述生石灰为3级以上生石灰粉，氧化钙含量>60％,100目筛子通过率>60％。

所述生石灰的重量占各原料总重量的15％-20％。更优选地，所述生石灰的重量占各原料总重量的15％。

所述生石灰与脱硫石膏的质量比例为3:7～5:5。

所述早强剂为硫酸钠、氯化钙等常规水泥用早强剂。

最后，本发明提供了所述软土固化剂在高含水软土处理中的应用。所述高含水软土的含水率>50％。

所述软土固化剂的掺量根据软土天然含水率确定。

本发明采用的原料，有益效果如下：

1、矿粉活性高，且同样含有大量的氧化铝成分，大部分氧化铝成分在早期即可参与钙矾石反应，而后期反应相对较少，因此更适合钙矾石生成反应，因此以矿粉完全替代粉煤灰，固化效果大幅度增长(见表1)，以矿粉配制的软土固化剂的固化效果比粉煤灰配制的软土固化剂高5～8倍，比P.O 425高1到3倍。

表1淤泥(含水率100％)固化土无侧限抗压强度

无侧限抗压强度/MPa	P.O 425水泥	软土固化剂(矿粉)	软土固化剂(粉煤灰)
				7d	0.31	0.92	0.11
28d	0.52	1.33	0.23
				90d	0.61	1.56	0.21

备注：水泥或软土固化剂掺量为淤泥质量的10％，检测方法根据《土壤固化外加剂》CJ/T 486进行。

2、对于钙矾石生成反应，以氧化钙或以氢氧化钙作为碱激发剂，效果相差不大(见表2)，但石灰颗粒过大时，如表2中石灰3，100目过筛率只有30％，配制而成的固化剂效果足足降低一半。

以生石灰代替碱渣，生石灰与脱硫石膏湿粉混合后，会发生剧烈的消化反应生成氢氧化钙和大量热，从而干燥脱硫石膏湿粉为二水脱硫石膏干粉，通过调整配比，还可以把脱硫石膏湿粉直接脱水为半水石膏甚至是无水石膏，无需额外消耗即可制备单组分软土固化剂，工艺简单。消化后的石灰不影响软土固化剂的固化效果。

实际上，脱硫石膏自由水含量低于12％时，仍可选择本发明的配合比和制备工艺，只需根据脱硫石膏自由水含量调整石灰与脱硫石膏比例即可。

表2石灰对淤泥(含水率100％)固化土无侧限抗压强度的影响

备注：检测方法根据《土壤固化外加剂》CJ/T 486进行。

固定其他原材料比例，只调整石灰掺量，配制不同的软土固化剂，以10％掺量固化含水率100％的淤泥，淤泥固化土的无侧限抗压强度如图1所示，7d龄期的强度趋势与28d的强度趋势基本一致，固化土强度伴随石灰掺量增加先增后减，在15％掺量时出现极值。

由于石灰消化产生热量较大，过高的温度会导致慢溶性的硬石膏产生，会影响钙矾石的生成反应，但高温又有利于自由水的快速干燥，方便生产效率的提高，因此需要控制反应锅温度。以搅拌锅搅拌石灰与脱硫石膏湿粉，控制脱硫石膏与石灰总量为1000kg，搅拌锅中的干燥情况与石灰掺量有关，见图2，石灰掺量为200kg～500kg范围时，搅拌锅中的最高温度介于90℃～250℃之间，此温度下不会有慢溶性无水石膏产生。在此石灰掺量下，干燥时间变化较大，石灰掺量为200kg时，干燥时间需要36分钟，石灰掺量为300kg时，干燥时间只需要5分钟，石灰掺量达到400公斤后，干燥时间缩短至1分钟，当石灰掺量为500kg时，石灰过量，搅拌锅中会有大量半水石膏和无水石膏产生。石灰掺量低于300kg时，干燥时间太长影响生产效率，石灰掺量高于500kg时，干燥时间短，有利于生产，但过高的石灰掺量会提高软土固化剂材料成本，并且会降低软土固化剂的固化效率，因此石灰与脱硫石膏湿粉质量比例一般为3:7～5:5之间。

本发明具有如下优点：

1.本产品水化反应的主反应是钙矾石生成反应，能有效固化高含水软土。

2.本产品主要原材料包括大量的矿粉和脱硫石膏湿粉，均为工业副产品，其中脱硫石膏湿粉是电厂湿法脱硫的副产品，目前全国很多地区会免费供应(只收运输费)，本产品以工业副产品为主，配制可固化软土等废弃土的固化剂，以废治废，具有明显的社会效益和环境效益。

3.通过石灰与脱硫石膏湿粉的自由水发生消化反应，产生大量热量干燥脱硫石膏，使产品可配制成单组分材料，方便存放、运输和使用，同时干燥过程是混合过程的附加效应，无额外干燥成本(脱硫石膏干粉与脱硫石膏湿粉差价超过100元/吨)，有效降低原材料成本。

4.本产品早期水化较慢，一般2～3天后水化速度加快，因此本产品与软土混合后可操作时间可延长到24～48小时，而水泥固化土可操作时间只有4小时。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为石灰掺量对淤泥(含水率100％)固化土(软土固化剂掺量10％)无侧限抗压强度的影响。

图2为石灰用量与干燥时间和最高温度的关系。

具体实施方式

实施例1

一种软土固化剂，由以下重量比例的原料制成：矿粉：石灰：石膏：早强剂＝100：30：70：5。所述矿粉为等级S95的高炉矿渣粉。所述石膏为电厂湿法脱硫所产生的脱硫石膏湿粉，含水率18％。所述石灰为3级生石灰粉。所述早强剂为硫酸钠。

产品按以下方法制备：

第一步：先向搅拌锅中加入石灰，再加入脱硫石膏湿粉，搅拌5分钟，最高温度136℃。在搅拌锅中，应设置出气口排放水蒸气，这是由于石灰消化产生热量较大，大量水分会被加热为水蒸气，大大提高反应锅中的气压。

第二步：搅拌完成后再加入矿粉和早强剂，搅拌1分钟即可得到所需产品。)

使用时，只需把产品与高含水的软土混合均匀即可。实施例1的固化效果见表3，固化含水率为100％淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高2倍多，固化含水率为189％的淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高3倍。

表3实施例1固化效果

备注：检测方法根据《土壤固化外加剂》CJ/T 486进行。

实施例2

一种软土固化剂，由以下重量比例的原料制成：矿粉：石灰：石膏：早强剂＝100：50：70：1。所述矿粉为等级S95的高炉矿渣粉。所述石膏为电厂湿法脱硫所产生的脱硫石膏湿粉，含水率18％。所述石灰为3级生石灰粉。所述早强剂为氯化钙。

产品按以下方法制备：

第一步：先向搅拌锅中加入石灰，再加入脱硫石膏湿粉，搅拌2分钟，最高温度189℃。在搅拌锅中，应设置出气口排放水蒸气，这是由于石灰消化产生热量较大，大量水分会被加热为水蒸气，大大提高反应锅中的气压。

使用时，只需把产品与高含水的软土混合均匀即可。实施例2的固化效果见表4，固化含水率为100％淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高50％，固化含水率为189％的淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高1倍。

表4实施例2固化效果

备注：检测方法根据《土壤固化外加剂》CJ/T 486进行。

实施例3

一种软土固化剂，由以下重量比例的原料制成：矿粉：石灰：石膏：早强剂＝100：30：60：1。所述矿粉为等级S95的高炉矿渣粉。所述石膏为电厂湿法脱硫所产生的脱硫石膏湿粉，含水率12％。所述石灰为3级生石灰粉。所述早强剂为硫酸钠。

产品按以下方法制备：

第一步：先向搅拌锅中加入石灰，再加入脱硫石膏湿粉，搅拌5分钟，最高温度142℃。在搅拌锅中，应设置出气口排放水蒸气，这是由于石灰消化产生热量较大，大量水分会被加热为水蒸气，大大提高反应锅中的气压。

使用时，只需把产品与高含水的软土混合均匀即可。实施例3的固化效果见表5，固化含水率为100％淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高2倍，固化含水率为189％的淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高2.5倍。

表5实施例3固化效果

备注：检测方法根据《土壤固化外加剂》CJ/T 486进行。

实施例4

一种软土固化剂，由以下重量比例的原料制成：矿粉：石灰：石膏：早强剂＝100：40：65：3。所述矿粉为等级S95的高炉矿渣粉。所述石膏为电厂湿法脱硫所产生的脱硫石膏湿粉，含水率12％。所述石灰为3级生石灰粉。所述早强剂为硫酸钠。

产品按以下方法制备：

第一步：先向搅拌锅中加入石灰，再加入脱硫石膏湿粉，搅拌1分钟，最高温度197℃。在搅拌锅中，应设置出气口排放水蒸气，这是由于石灰消化产生热量较大，大量水分会被加热为水蒸气，大大提高反应锅中的气压。

使用时，只需把产品与高含水的软土混合均匀即可。实施例4的固化效果见表6，固化含水率为100％淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高接近2倍，固化含水率为189％的淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高2倍。

表6实施例4固化效果

检测方法根据《土壤固化外加剂》CJ/T 486进行。

实施例5

一种软土固化剂，由以下重量比例的原料制成：矿粉：石灰：石膏＝100：40：65。所述矿粉为等级S95的高炉矿渣粉。所述石膏为电厂湿法脱硫所产生的脱硫石膏湿粉，含水率12％。所述石灰为3级生石灰粉。所述早强剂为硫酸钠。

产品按以下方法制备：

第二步：搅拌完成后再加入矿粉，搅拌1分钟即可得到所需产品。)

使用时，只需把产品与高含水的软土混合均匀即可。实施例5的固化效果见表7，固化含水率为100％淤泥时，7d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高30％，28d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高1倍，90d无侧限抗压强度比P.O 425水泥高接近2倍。

表7实施例5固化效果

无侧限抗压强度/MPa	实施例5	P.O 425水泥
			7d	0.42	0.31
28d	1.01	0.52
			90d	1.63	0.61

检测方法根据《土壤固化外加剂》CJ/T 486进行。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种软土固化剂在高含水软土处理中的应用，其特征在于：所述软土固化剂由以下重量比例的原料制成：矿粉：生石灰：脱硫石膏：早强剂=100：30：70：5，所述脱硫石膏为电厂湿法脱硫所产生的新鲜脱硫石膏湿粉，含水率 12%-18%，所述早强剂为硫酸钠；所述高含水软土的含水率>50%，固化含水率为100%淤泥时，固化剂掺量为10%，固化含水率为189%的淤泥时，固化剂掺量为18.9%。

2.根据权利要求 1 所述的软土固化剂在高含水软土处理中的应用，其特征在于：所述矿粉为等级S95以上高炉矿渣粉。

3.据权利要求 1 所述的软土固化剂在高含水软土处理中的应用，其特征在于：所述生石灰中氧化钙含量>60%，100目筛子通过率>60%。