CN108467249A

CN108467249A - 一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂及其使用方法

Info

Publication number: CN108467249A
Application number: CN201810174478.4A
Authority: CN
Inventors: 孙振平; 张世杰; 冀言亮; 李嘉伟; 田俊涛; 刘恒
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2018-08-31

Abstract

本发明涉及建筑建材技术领域，具体涉及一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂及其使用方法。由磷石膏、脱硫灰、偏高岭土、锂化膨润土、煅烧煤矸石粉、石灰、硅酸盐水泥熟料、钢渣粉、硅藻土、水玻璃和烧碱组成。使用本发明可对土壤的结构和工程性质进行改善，从而延长道路的使用寿命，节省工程维修成本，经济环境效益俱佳，是当前理想的筑路材料选择。本发明适用于道路地基加固、水利工程中的护坡、防渗、简易公路、环保工程和水土保持等领域。

Description

一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂及其使用方法

技术领域

本发明涉及建筑建材技术领域，具体涉及一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂及其使用方法。

背景技术

磷石膏是硫酸萃取磷矿制磷酸的副产物，生产1吨磷酸（以100%P₂O₅计）副产磷石膏约5吨。由于我国目前对磷复肥的需求量越来越大，因而在生产过程中产生的磷石膏的量也越来越大，这些磷石膏的堆积对环境的压力也逐渐增加。脱硫灰是燃煤电厂干法脱硫产生的副产物，其由于含有粉煤灰中夹杂着部分脱硫石膏（主要成分为CaSO₄.2H₂O和CaSO₄），体积稳定性不好，作为混凝土掺合料使用对混凝土性能有负面影响，不宜在混凝土中直接利用，有一定的堆存量。这些磷石膏和脱硫灰的堆积不仅占用了大量的土地，而且易造成环境污染，越来越受到环保部门的关注。特别是江、河、湖、海沿岸，旅游点等环境敏感地区的企业，环保压力越来越大，搞好磷石膏和脱硫灰的综合利用和无害化处理成为磷肥工业、电力工业可持续发展的关键。

土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化各类土壤的新型节能环保工程材料。它与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质，能将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，体积膨胀而进一步填充土壤孔隙，在压实功的作用下，使固化土易于压实和稳定, 从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。经过土壤固化剂处理过的土壤，其强度、密实度、回弹模量、弯沉值、CBR、剪切强度等性能都得到了很大的提高，从而延长了道路的使用寿命，节省了工程维修成本，经济环境效益俱佳，是当前理想的筑路材料选择。

偏高岭土、煅烧煤矸石粉、钢渣粉可在磷石膏、脱硫灰与碱性物质综合作用下，激发出火山灰活性，提高土壤固化剂的长期力学性能。锂化膨润土和硅藻土作为保水增稠组分，在石灰浆体中吸水膨胀，并通过层间的吸附作用将煅偏高岭土、烧煤矸石粉、钢渣粉和石灰颗粒连接在一起，降低了颗粒沉降，不产生泌水现象。

相对于现有传统的土壤固化剂，本发明具有节能环保、生产成本低、施工方便、力学性能、保水性、耐久性能好等优点。

经检索，利用磷石膏、脱硫灰、偏高岭土、锂化膨润土、煅烧煤矸石粉、钢渣粉等制备土壤固化剂，在国内尚属首次。

发明内容

本发明目的在于利用磷石膏、脱硫灰、偏高岭土、锂化膨润土、煅烧煤矸石粉、石灰、硅酸盐水泥熟料、钢渣粉、硅藻土、水玻璃、烧碱制备土壤固化剂，提供一种成本低、工作性能高、力学性能好、耐久性能高的利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂及其使用方法。

本发明提出的一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂，由磷石膏、脱硫灰、偏高岭土、锂化膨润土、煅烧煤矸石粉、石灰、硅酸盐水泥熟料、钢渣粉、硅藻土、水玻璃和烧碱组成，各组分的重量比为：

磷石膏 100

脱硫灰 10-40

偏高岭土 63-95

锂化膨润土 1-8

煅烧煤矸石粉 18-30

石灰 7-20

硅酸盐水泥熟料 5-20

钢渣粉 1-7

硅藻土 0.5-2

水玻璃 0.2-3.5

烧碱 0.1-1.5。

各组分较佳的重量比为：

磷石膏 100

脱硫灰 10-30

偏高岭土 73-88

锂化膨润土 1-6

煅烧煤矸石粉 20-25

石灰 8-14

硅酸盐水泥熟料 6-10

钢渣粉 2-4

硅藻土 0.8-1.8

水玻璃 0.5-1.5

烧碱 0.25-0.75。

本发明提出的利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂的制备方法，具体步骤为：按前述的重量比例称量各组份，将原料通过物理机械混合均匀后，即得到所需产品。

本发明中，磷石膏的作用一是加速矿渣粉中惰性SiO₂玻璃体在碱性条件下的破碎；二是作为填充剂为固化体提供一定的机械强度，磷石膏自身不具有与矿渣粉类似的固化能力；三是其中残留的磷酸盐可以固化部分阳离子重金属，减少其浸出量。脱硫灰是燃煤电厂干法脱硫产生的副产物，其由于含有粉煤灰中夹杂着部分脱硫石膏（主要成分为CaSO₄.2H₂O和CaSO₄），体积稳定性不好，作为混凝土掺合料使用对混凝土性能有负面影响，不宜在混凝土中直接利用，有一定的堆存量。而将脱硫灰少量用于本发明中，其中的粉煤灰具有火山灰作用，脱硫石膏可作为粉煤灰、偏高岭土、煅烧煤矸石粉和钢渣粉的活性激发剂。

本发明中，偏高岭土、煅烧煤矸石粉和钢渣粉的作用是提供火山灰活性物质，是固化剂的主体之一，但由于偏高岭土、煅烧煤矸石粉和钢渣粉中缺少足够的Ca²⁺，仅靠偏高岭土、煅烧煤矸石粉和钢渣粉自身不能提供足够的固化强度，需要含钙激发剂激发其活性。

本发明中，锂化膨润土是钙基膨润土在Li₂CO₃和LiOH溶液中通过离子交换作用改性而得的产品。锂化膨润土和硅藻土的吸水膨胀率都较大，具有较好的增稠保水作用。

本发明中，水玻璃是碱金属硅酸盐的玻璃状熔合物，水解后生成NaOH和含水硅胶（SiO₂·aq），前者可以大大提高液相pH值（＞13），激发了矿渣水化反应；后者能与矿渣溶于水中的Ca²⁺、Al³⁺等反应生成C-S-H凝胶或水化铝硅酸钙，改善混凝土结构，从而提高强度。火山灰材料矿渣粉、煅烧煤矸石粉等比表面积大，具有很高的火山灰活性，与水泥中的氢氧化钙发生火山灰反应，加速水化，提高强度。

本发明中，石灰作为化学添加剂使用，加入水泥浆体后，可提高水化体系的碱度，对矿渣粉起到碱性激发的辅助效果。

本发明中，磷石膏、脱硫灰作为胶凝材料与水拌合后，可渗入到土壤结构内部中，发生水化反应，产生水化产物，可在短时间内与被修复体的缺陷壁形成整体。偏高岭土、煅烧煤矸石粉和钢渣粉可在石灰的作用下，与石灰生产的产物Ca(OH)₂产生水化反应，改善胶凝体系的微观结构，提高耐久性。

本发明中，所述磷石膏取自磷肥厂，在60℃温度下烘干，主要矿物组成为CaSO₄·2H₂0。

本发明中，所述脱硫灰取自燃煤电厂，比表面积大于等于280m²/Kg， SO₃质量分数大于等于4.0%。

本发明中，所述偏高岭土由高岭土在（600-800）℃煅烧而成，比表面积大于等于340m²/Kg。

本发明中，所述锂化膨润土为钙基膨润土在Li₂CO₃和LiOH溶液中通过离子交换作用改性而得，比表面积大于等于360m²/Kg的产品。

本发明中，所述煅烧煤矸石粉为煤矸石粉于(700-900)℃煅烧5h后磨细而成，平均粒径小于 30µm，氮吸附法测定的比表面积大于500m²/kg。

本发明中，所述石灰的CaO含量在65-75%，有机质含量应小于30%，比表面积为12-15 m²/kg。

本发明中，所述硅酸盐水泥熟料密度为3160kg/m³，比表面积大于等于300m²/kg。

本发明中，所述钢渣粉密度为3280 kg/m³，比表面积大于等于350 m²/kg。

本发明中，所述硅藻土由天然硅藻土煅烧并磨细得到，细度325目至500目，SiO₂质量分数为80%-94%，Al₂O₃质量分数为3%-5%，Fe₂O₃质量分数为1.0%-1.5%。

本发明中，所述水玻璃原始模数n=3.02，固含量s=37.00%，使用时配制成模数n=1.0的水溶液。

本发明中，所述烧碱为工业级。

本发明提出的利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂的使用方法为：按照土壤重量的6%-10%将土壤固化剂掺入土壤中，翻拌均匀，压实即可。

本发明作为土壤固化剂使用，可改良土壤的工程性质，且具有一定保水性，力学性能与耐久性均十分优异。使用本发明可对土壤的结构和工程性质进行改善，从而延长道路的使用寿命，节省工程维修成本，经济环境效益俱佳，是当前理想的筑路材料选择。

本发明对土壤结构无腐蚀作用，可广泛应用于道路地基加固、水利工程中的护坡、防渗、简易公路、环保工程和水土保持等领域。

具体实施方式

本发明中土壤固化剂固化土后无侧限抗压强度的测定，采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的实验方法（T0805-94）。

实施例1，一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂及其使用方法，由磷石膏100，脱硫灰10，偏高岭土63，锂化膨润土1，煅烧煤矸石粉18，石灰7，硅酸盐水泥熟料5，钢渣粉1，硅藻土0.5，水玻璃0.2，烧碱0.1的质量比组成。按照10%的质量比掺入土壤，加水搅拌均匀，压实后，性能测试结果见表1。

实施例2，一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂及其使用方法，由磷石膏100，脱硫灰40，偏高岭土95，锂化膨润土8，煅烧煤矸石粉30，石灰20，硅酸盐水泥熟料20，钢渣粉7，硅藻土2，水玻璃3.5，烧碱1.5的质量比组成。按照7%的质量比掺入土壤，加水搅拌均匀，压实后，性能测试结果见表1。

实施例3，一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂及其使用方法，由磷石膏100，脱硫灰25，偏高岭土80，锂化膨润土6，煅烧煤矸石粉20，石灰8，硅酸盐水泥熟料13，钢渣粉6，硅藻土1.3，水玻璃3.0，烧碱1.4的质量比组成。按照6%的质量比掺入土壤，加水搅拌均匀，压实后，性能测试结果见表1。

表1 实施例性能测试结果

Claims

1.一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂，各组分的重量比为：

磷石膏 100

脱硫灰 10-40

偏高岭土 63-95

锂化膨润土 1-8

煅烧煤矸石粉 18-30

石灰 7-20

硅酸盐水泥熟料 5-20

钢渣粉 1-7

硅藻土 0.5-2

水玻璃 0.2-3.5

烧碱 0.1-1.5。

2.根据权利要求1所述的一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂，其特征在于各组份的重量比为：

磷石膏 100

脱硫灰 10-30

偏高岭土 73-88

锂化膨润土 1-6

煅烧煤矸石粉 20-25

石灰 8-14

硅酸盐水泥熟料 6-10

钢渣粉 2-4

硅藻土 0.8-1.8

水玻璃 0.5-1.5

烧碱 0.25-0.75。

3.根据权利要求1 所述的一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂，其特征在于所述磷石膏取自磷肥厂，在60℃温度下烘干，主要矿物组成为CaSO₄·2H₂0。

4.根据权利要求1 所述的一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂，其特征在于所述脱硫灰取自燃煤电厂，比表面积大于等于280m²/Kg， SO₃质量分数大于等于4.0%。

5.根据权利要求1 所述的一利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂，其特征在于所述偏高岭土由高岭土在（600-800）℃煅烧而成，比表面积大于等于340m²/Kg，所述锂化膨润土为钙基膨润土在Li₂CO₃和LiOH溶液中通过离子交换作用改性而得，比表面积大于等于360m²/Kg的产品，所述煅烧煤矸石粉为煤矸石粉于(700-900)℃煅烧5h后磨细而成，平均粒径小于 30µm，氮吸附法测定的比表面积大于500m²/kg，所述石灰的CaO含量在65-75%，有机质含量应小于30%，比表面积为12-15 m²/kg，所述钢渣粉密度为3280 kg/m³，比表面积大于等于350 m²/kg。

6.根据权利要求1 所述的一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂，其特征在于所述硅藻土由天然硅藻土煅烧并磨细得到，细度325目至500目，SiO₂质量分数为80%-94%，Al₂O₃质量分数为3%-5%，Fe₂O₃质量分数为1.0%-1.5%。

7.根据权利要求1 所述的一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂，其特征在于所述水玻璃原始模数n=3.02，固含量s=37.00%，使用时配制成模数n=1.0的水溶液。

8.一种如权利要求1所述的一种利用磷石膏和脱硫灰制备的土壤固化剂的使用方法，其特征在于：按照土壤重量的6%-10%将土壤固化剂掺入土壤中，翻拌均匀，压实即可。