CN109293327B - 一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂制备和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂，它由特殊处理钢渣、水渣、废石粉、脱硫石膏、磷石膏渣、电石渣与沸石组成。本发明土壤固化剂性能优于常规土壤固化剂，有益于工程质量的提高和成本下降。本发明不仅解决了现有的大宗工业固废堆积带来的占有土地、污染环境、资源闲置和浪费的问题，而且有效替换了常规土壤固化剂中的水泥和熟料用量，等效减少了水泥和熟料生产中消耗的能源、对大自然的破坏和产生的CO₂等有害气体的排放问题，同时起到了以废治废的作用。如在中国用本发明产品部分取代常规产品，每年可减少天量的开山炸石的炸药、煤耗和电耗，减少CO₂等有害气体的排放达数亿吨，对提高我国经济、社会和环境效益具有极大的意义。

Description

一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂制备和应用方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域。更具体地，本发明涉及一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂。

背景技术

从目前我们看到的国内正在使用的多种土壤固化剂，无论是从形态上看的固态和液态，还是从物质组成的特点上看的无机类、离子类、有机聚合类固化剂，普遍存在着几大瓶颈问题：第一，对于各种不同土质往往考虑单一针对性多，考虑兼容性不够。一把钥匙只开一把锁，只有极少量的考虑了兼容，但也往往难以照顾到各方需求，从而影响了土壤固化剂的应用范围和效果；第二，被固化土体的抗压抗折强度不够高，大多数刚刚达标，有的甚至先强后弱，导致“二次泥化”现象产生，少有恒久且超强的抗压抗折强度；第三，亲水性处理不彻底，带来产品质量上的不稳定；第四，有的配方中使用的化学试剂，不可避免地存在二次污染等问题。第五，目前相当多的固化剂品种中，配方中都含有水泥或熟料。国内常规水泥大都要添加熟料。熟料用量甚至高达水泥原料总量的60～70％。而一些固化剂则直接添加了熟料，且占比大多为固化剂质量的三分之一，有的甚至高达40％左右。水泥或熟料不仅造价高，且固化效果也不理想。近年来的研究热点集中在使用新型固化材料，尤其是将一些大宗工业固废，例如粉煤灰、脱硫石膏等作为主要材料制作固化剂。但多数固化剂的固化效果依赖于土壤颗粒度、含水量和有机质含量。当遇到含水量高和有机质含量高的土壤时，往往导致土壤固化后的强度偏低，且采用水泥或熟料、粉煤灰、石灰、石膏等传统固化剂，在固化过程中形成的水化产物不能有效填充土壤内部孔隙，固化完成后结构中仍有大量孔隙存在，水稳性和耐久性较差，易出现收缩开裂现象。之所以出现这些情况，在于没有寻求到最佳配方和最佳工艺。第六，常规固化剂价格昂贵。

本公司冀更新、马金山发明的一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂就很好地解决了上述六项瓶颈问题，能很好地固化各类土体，包括黄沙、砂质土、粘性土、壤土和湿陷性黄土、盐碱土以及江河湖海淤泥等，且具有对煤矿、铁矿等的矿井采掘废石和尾矿砂等各种工业废渣、垃圾焚烧灰以及被重金属污染的土体等均可就地固化的良好特性。由于固化了土壤中的大多数重金属，使重金属析出大幅度减少。不仅使土壤和地下水重金属含量达到国家标准，而且固化后的土体不存在二次污染。由于制作固化剂的基本原料为特殊处理后的钢渣、水渣、废石粉、脱硫石膏、磷石膏渣和电石渣等，其工业废料占固化剂质量的90％以上。这就为我国“国之殇、企之难、民之痛”的大宗工业固废的综合利用，变废为宝，甚至以废治废，开辟了一条道路。一把钥匙之所以能开万把锁，在于采用了企业特有的热焖渣加工工艺等8项国家发明专利，并以冀更新获得的国家科学技术进步二等奖为后盾。伴随着钢渣晶格结构及表面物化性能的变化，从而有效化解了钢渣中游离氧化钙、游离氧化镁以及铁元素转化为三氧化二铁带来的弊端，即其对被固化土壤疏松和膨胀引起的灾难性后果。同时，又适度保留了游离氧化钙、游离氧化镁中无可替代的“破坏”作用，即恰到好处地激活了钢渣中特有的“微膨胀”性能，继而带来意想不到的种种可喜收获。

值得指出的是：目前常规固化剂相当多数添加了水泥或熟料。国内常规水泥大都添加了熟料。熟料是生产水泥的主料，其用量甚至高达水泥原料总量的 60～70％。而一些固化剂则直接添加了熟料，且占比大多在固化剂质量的三分之一，有的甚至高达40％。熟料用石灰石烧制。石灰石源于开山取石，是对大自然的破坏。运输、破碎及烧制熟料既消耗能源，又污染环境。2017年，我国生产水泥约23亿吨，全世界约40亿吨，占比为57 .5％。每生产1 吨常规水泥，将产生1吨CO2。本发明人研制出的土壤固化剂，很好地解决了开山取石对大自 然的破坏，烧制熟料产生CO2、粉尘以及SO2和NOx等有毒有害物质严重污染环境的问题；同 时，通过对大宗工业固废的综合利用，变废为宝，既腾出了所占的大量土地，减少了它们对 土壤和地下水的污染，又有效地节约了资源。本土壤固化剂在节能减排方面，相比水泥和熟 料具有天然优势。首先，本土壤固化剂生产直接跳过能耗最高的烧成工艺，能源节约效果明 显；其次，部分大宗工业固废特有的高碳化活性，意味着利用其生产的建筑材料可以通过碳 化养护方式获得力学强度，有望最终实现碳中性化甚至负碳效果，具有显著的节能减排成 效。

实践证明：每使用1吨本土壤固化剂，能替代等量常规水泥或熟料，降低成本几十元；由于配制出的土壤固化剂和易性好，能满足大面积固化土壤的要求，且被固化的土体具有高强度、高抗渗、高耐海水腐蚀、高耐久、高抗冻、高耐磨、高抗碳化等常规固化剂固化土体没有的优秀特征，使工程质量大幅提高，工程成本大幅降低，产生良好的经济、环境和社会效益。

这项新产品的问世，是对常规土壤固化剂生产的一场颠覆性的革命。它为土壤固化剂家族增添了新的生力军，也是我国大宗工业固废综合利用的重大突破。

在制备和应用方面，可利用现有的设备、施工机械和混凝土搅伴机，按固化剂的配方和技术要求在专业人员的指导下，即可现场施工固化各类土体，而无需增加新的设备。本方法具有投资省，效果好，适应面广，操作简便且以废治废的优势，适合在我国大面积大范围推广。

为此，本发明人在总结现有技术基础之上，通过大量实验研究与分析总结，终于完成了本发明。

【发明内容】

[要解决的技术问题]

本发明的目的是提供一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂。

[技术方案]

本发明是通过下述技术方案实现的。

本土壤固化剂组成如下：以重量份计

特殊处理钢渣： 5至20份； 水渣： 15至60份；

废石粉：10至30份；脱硫石膏： 8至20份；

磷石膏渣： 6至12份；电石渣：8至20份；

沸石：10至20份。

其中特殊处理的钢渣与水渣的重量比为1∶2 .8～3 .2。

根据本发明的一种优选实施方式，该无水泥组成如下：以重量份计

特殊处理钢渣： 8.0～16.0份；水渣：24.0～48.0份；

废石粉：15.0～25.0份；脱硫石膏：8.0～16.0份；

磷石膏渣：6.0～10.0份；电石渣：8.0～16.0份；

沸石： 8.0至16.0份。

根据本发明的另一种优选实施方式，该无水泥组成如下：以重量份计

特殊处理钢渣 10.0～14.0份； 水渣 30.0～42.0份；

废石粉： 18.0～23.0份； 脱硫石膏 10.0～14.0份；

磷石膏渣： 6.0～8.0份； 电石渣： 11.0～14.0份；

沸石： 11.0至14.0份。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述的特殊处理钢渣是铁含量为以重量计 0.05％～0 .30％。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述的土壤固化剂，其特征在于所述的特殊处理钢渣、水渣、废石粉、脱硫石膏、磷石膏渣、电石渣和沸石是比表面积为350～650m2/kg的粉体。

根据本发明的另一种优选实施方式，所述的土壤固化剂，其特征在于所述的特殊处理钢渣、水渣、废石粉、脱硫石膏、磷石膏渣、电石渣和沸石的粒度级配与权利要求书6同。根据本发明的另一种优选实施方式，所述的土壤固化剂具有下述性能：

采用GB/T-17671标准方法检测，被该土壤固化剂固化的土体7天、28天和 90天的抗压强度分别是23.58～29.8MPa、34.6～42.5MPa与37.1～43.3MPa；7天、28天和90天的抗折强度分别是5.6～9.3MPa、8.8～14.2MPa与9.8～16.5 MPa。

下面将更详细地描述本发明。

本发明涉及一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂，其特征在于该固化剂没有常规固化剂内含的水泥或熟料，而改用大宗工业固废替代。其组成以重量份计

特殊处理钢渣： 5.0至20.0份； 水渣： 15.0至60.0份；

废石粉： 10.0至30.0份； 脱硫石膏： 8.0至20.0份；

磷石膏渣： 6.0至12.0份 电石渣： 8.0至20.0份；

沸石：10.0至20.0份。

其中处理钢渣与水渣的重量比为1∶2 .8～3 .2。

钢渣是一种炼钢过程产生的副产物，它是由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物，以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类组成。钢渣通常含有以重量计2～8％金属铁、40～60％氧化钙、3～10％氧化镁、1～8％氧化锰。钢渣物相包括硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、RO(即由FeO、MgO、MnO形成的固熔体)、游离氧化钙(fCaO)和氧化镁(MgO)等。钢渣物相组成不尽相同，其影响因素在于钢渣本身的化学成分及碱 度。

钢渣含有与硅酸盐熟料相似的硅酸三钙、硅酸二钙水硬性胶凝矿物，因此被称为过烧的硅酸盐水泥熟料。由于它符合水泥特性，因此可以取代部分水泥和熟料生产土壤固化剂。该固化剂使固化后的土体具有高强度、高抗渗、高耐磨、高抗冻、高抗辐射、高抗海水腐蚀、高抗碳化以及使用期超过100年的高寿命等极其宝贵的多重特性。

钢渣存在稳定性与难以研磨的问题。影响稳定性的主要因素是游离氧化钙和游离氧化镁，它们遇水后易膨胀，尤其是游离氧化钙，它遇水后体积膨胀98％。不仅如此，它们还与CO2反应，造成钢渣在短时间内迅速硬化。钢渣如果不经稳定化处理便用作建材，使用不久后会造成建筑制品疏松、鼓包、变形和开裂，会带来楼倒桥塌路不平等灾难性后果。钢渣中的硅酸二钙和硅酸三钙矿物结晶完整，晶粒粗大致密，是钢渣难以磨细的根本原因。细磨加工不仅使渣粉颗粒减小，增大其比表面积，使渣粉中的游离氧化钙和游离氧化镁进一步水化以提高渣粉稳定性，还伴随着钢渣晶格结构及表面物化性能变化，使粉磨能量转化为渣粉的内能和表面能，提升钢渣胶凝性。因此，将钢渣细磨，颗粒尺寸减小是非常必要的。

在本发明中，所述“特殊处理钢渣”是采用专利技术CN101280346B所描述方法处理，解决了钢渣存在的稳定性与难以研磨的问题。这样处理钢渣的铁含量为以重量计0.05％～0.30％。如果处理钢渣的铁含量低于0.05％，则会加剧设备损耗，加大能源消耗，加大生产成本，同时造成质量过剩，不利于经济增长的质量和效益的发挥；如果处理钢渣的铁含量高于0.30％，则会使本产品多种原料参与的物理、化学和物理化学反应不完全，进而带来产品质量的下降；因此，处理钢渣的铁含量为以重量计0 .05％～0 .30％是合理的。

本发明使用的钢渣例如是武钢集团第三炼钢厂、宁波钢厂、江苏淮安钢铁公司、大冶钢铁股份有限公司在电炉炼钢时得到的电炉钢渣。

在本发明中，水渣(水淬高炉矿渣)应该理解为炼铁高炉在炼铁时产生的矿渣。它在高温熔融状态下，经过用水急速冷却而成为粒化泡沫形状，其质轻而松脆、多孔、易磨成细粉。水渣中的C-S-H(calcium-silicate-hydrate) 凝胶是对混凝土强度贡献最大的物相之一。它是由硅(铝)氧四面体连接而成的链状构造硅酸盐。水渣中(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)的摩尔比为0 .9以上，而水泥熟料中的(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)的摩尔比为约0 .3。因 此，水渣在形成 C-S-H凝胶过程中对硅氧四面体和铝氧四面体贡献潜力比水泥熟料大2～3 倍。

由于水渣具有潜在的水硬胶凝性能，在脱硫石膏、磷石膏渣、电石渣、沸石等激发剂作用下，可以作为优质的水泥原料，制成矿渣硅酸盐水泥、石膏矿渣水泥、矿渣混凝土等，也可作为生产土壤固化剂的原材料。

所述水渣在本发明土壤固化剂的基本作用是：由于水渣具有潜在的水硬胶凝性能，能有效提高本产品的抗压和抗折强度。在形成C-S-H凝胶过程中，它比等量的水泥或熟料的作用大2～3倍。

在本发明土壤固化剂中，处理钢渣与水渣的重量比为1∶2 .8～3 .2。如果处理钢渣 与水渣的重量比超过所述范围，则土壤固化剂的性能会明显降低。

本发明使用的水渣例如是武钢集团炼铁厂高炉水渣、宁波钢厂的炼铁厂高炉水渣或鄂城钢厂在炼铁时得到的水渣。

在本发明中，废石粉主要为石灰石、大理石采石场采石过程中留下的废弃石粉，属碱性石料粉，它的粒径一般小于0.075mm。大理石也叫变质或重新结晶的石灰石。它因地区性石材的变质作用由石灰石衍生而来。其成分与石灰石大体相当，主要为方解石，又称碳酸钙，化学式是CaCO3。石粉在土壤固化剂中起填充效应、晶核效应、活性效应、吸水效应和形态效应。其共同作用，能改善土壤固化剂的性能。石粉含量在10至25份范围内，其含量越高，土壤固化剂强度越高，抗冻、抗渗性能越好，其收缩变形和碳化性能与普通混凝土相当。

在本发明中，废石粉来源于宝武集团武钢乌龙泉石灰石矿。

在本发明中，脱硫石膏又称排烟脱硫石膏、硫石膏或FGD石膏，它可以是用石灰-石灰石从燃煤或燃油燃烧烟气中回收二氧化硫得到的脱硫石膏，也可以是铁水在进入转炉前利用脱硫剂对铁水脱硫得到的产物脱硫石膏。它的主要成分为二水硫酸钙CaSO₄·2H₂O，含量≥93％，还含有二氧化硅、氧化钠、碳酸钙、亚硫酸钙、石灰石、氯化钙和氯化镁等。与其它石膏粉相比，脱硫石膏粉具有可再生、粒度小、成分稳定、有害杂质含量少、纯度高等特点。它主要来自燃煤发电厂和炼钢厂。

脱硫石膏在本发明土壤固化剂中的基本作用，是代替天然石膏等原料作为缓凝剂，可起到改善固化剂性能的作用。

本发明使用的脱硫石膏例如是：武钢二炼钢厂脱硫石膏、宁波钢厂的脱硫石膏或宝钢在钢水脱硫时得到的脱硫石膏。

在本发明中作为原料的磷石膏，是生产磷肥、磷酸时排放出的固体废弃物。其主要成分为硫酸钙：CaSO₄·2H₂O。其特征在于：所述磷石膏采用二级标准及以上，其中二水硫酸钙含量大于75％，附着水含量小于8％。

在本发明中，磷石膏渣被作为土壤固化剂的缓凝剂，其作用与脱硫石膏基本相似。掺入磷石膏的目的，仅仅是为了消化这一大宗固废。但磷石膏渣含多种有害元素，不宜掺多。因此，在本发明中，添加量仅为6至12份。在钢渣、水渣、废石粉和沸石的作用下，能固化磷石膏中的大部分有害元素，对被固化土体的不利影响可以忽略不计。

本发明使用的磷石膏渣来源于湖北襄阳泽东化工厂。

在本发明中，电石渣为电石水解获取乙炔气后的以氢氧化钙为主要成分的废渣。1吨电石加水可生成300多公斤乙炔气，同时生成10吨含固量约12％的工业废液，俗称电石渣浆。含一定水量的电石废渣及渗滤液呈强碱性。电石渣中主要含氢氧化钙Ca(OH)₂，可以作消石灰的代用品，等效添加了水泥或熟料。它和脱硫石膏配伍，可以制作土壤改良剂。电石渣还可以代替石灰石制作水泥，同样可以制作土壤固化剂。

本发明中所用的电石渣源于天津化工厂。

在本发明中，沸石是一种含有水架状结构的铝硅酸盐矿物，主要成分为铝硅酸钠，化学式为：AmBpO2p·nH2O。沸石内部充满了细微的孔穴和通道，特殊的晶体化学结构使沸石具有离子交换、高效选择性吸附、催化、耐酸、耐热、耐辐射等优异性能。许多毒素和重金属带有正电荷，沸石的孔腔和管道带有负电荷，于是极易将有毒物质吸入孔腔，然后像鸟笼一样锁定，这就是沸石的吸附排毒原理。在建材工业中，沸石被用作水泥水硬性活性掺和料。在本发明中，沸石不仅提高了土壤固化剂的致密性，而且还能锁定土壤中的铜、铅、镉、镍、钼等金属微粒，起到改良和净化土壤的作用。

在本发明中，沸石来源于河南省信阳市的中原矿业有限公司。

根据本发明，所述的特殊处理钢渣、水渣、废石粉、脱硫石膏、磷石膏渣、电石渣和沸石是比表面积为350～650m2/kg的粉体。

在本发明中，比表面积是采用GB/T 8074水泥标准水泥比表面积测定方法也即勃氏法测定的。如果它们的比表面积小于350m2/kg，则活性降低，需水量小，早期强度发挥不好；如果它们的比表面积大于650m2/kg，则需水量大，早期水化快，后期强度增长缓慢；因此，它们的比表面积为350～650m2/kg是合理的。

本发明所述的土壤固化剂，其特征在于所述的特殊处理钢渣、水渣、废石粉、脱硫石膏、磷石膏渣、电石渣和沸石的粒度级配与权利要求书6同。如果它们不满足这种粒度级配，则会导致本产品的性能下降。

粒度级配排列示意图见说明书附图1。

在本发明的土壤固化剂中，其它组分含量在所述的范围内时，如果特殊处理钢渣的含量小于5.0重量份，不仅不利于被固化土体的后期强度稳定地爬坡，而且也减少了钢渣的消耗量；如果特殊处理钢渣的含量高于20.0重量份，则会降低被固化土体的早期强度，同时影响水渣潜在活性的尽快发挥。因此，特殊处理钢渣的含量为5.0～20.0重量份是合理的，优选地是7.0～18.0重量份，更优选地是9.0～16.0重量份。

其它组分含量在所述的范围内时，如果水渣的含量小于15.0重量份，则会降低被固化土壤的早期强度；如果水渣的含量高于60.0重量份，则会影响被固化土壤的后期强度稳定地爬坡。因此，水渣的含量为15.0～60.0重量份是合理的，优选地是20 .0～55 .0重量份，更优选地是25.0～50.0重量份。

其它组分含量在所述的范围内时，如果废石粉的含量小于10 .0重量份，则其填充效应、晶核效应、活性效应、吸水效应和形态效应的作用就小，也不能等效添加足够的起熟料作用的石灰石，进而降低本发明的活性指标；如果废石粉的含量高于30 .0重量份，则上述 作用就过强，导致其内部的平衡被打破，带来物极必反的效果，使土壤固化剂的强度以及抗 冻、抗渗和抗碳化性能下降。因此，废石粉的含量为10.0～30.0重量份是合理的，优选地是 15.0～25.0重量份，更优选地是18.0～23 .0重量份。

其它组分含量在所述的范围内时，如果脱硫石膏的含量小于8.0重量份，则其自身存在的凝胶性不仅贡献不够，而且通过和其他材料的复合和激发不够，则缓凝效果不明显；如果脱硫石膏的含量高于20.0重量份，则会破坏和其他材料的复合和激发的平衡度，导致土壤固化剂整体的凝胶性下降。因此，脱硫石膏的含量为8.0～20.0重量份是合理的，优选地是10.0～18.0重量份，更优选地是12.0～16.0重量份。

其它组分含量在所述的范围内时，如果磷石膏渣的含量小于6.0重量份，则影响被固化土体的缓凝性，同时减少了它的使用量；如果磷石膏渣的含量高于12.0重量份，则导致被固化土体早强能力下降，同时增加了土壤中的有害重金属含量；因此，磷石膏渣的含量为6.0～12.0重量份是合理的，优选地是7.0～11.0重量份，更优选地是8.0～10.0重量份。

其它组分含量在所述的范围内时，如果电石渣的含量小于8.0重量份，则影响土壤固化剂的胶凝性；如果电石渣的含量高于20.0重量份，则导致被固化土体早强能力下降，同时增加了被固化土壤的腐蚀性；因此，电石渣的含量为 8.0～20.0重量份是合理的，优选地是10.0～18.0重量份，更优选地是12.0～16.0重量份。

其它组分含量在所述的范围内时，如果沸石的含量小于10.0重量份，则影响沸石与被固化土体中的离子交换剂、吸附分离剂、干燥剂、催化剂、混合剂的作用，影响土壤固化剂的胶凝性，不利于锁定土壤中的砷、汞、铜、铅、镉、镍、钼等金属微粒；如果沸石的含量高于20.0重量份，则内部电荷结合的不平衡，导致游离电子增加，使被固化土体致密性下降，影响其强度和抗渗性。因此，沸石的含量为10.0～20.0重量份是合理的，优选地是12.0～18.0重量份，更优选地是14.0～16.0重量份。

优选地，该土壤固化剂组成如下：以重量份计

特殊处理钢渣 7.0～18.0份；水渣20.0～55.0份；

废石粉 15.0～25.0份； 脱硫石膏 10.0～18.0份；

磷石膏渣 7.0～11.0份；电石渣： 10.0至18.0份；

沸石 12.0～18.0份。

更优选地，该土壤固化剂组成如下：以重量份计

特殊处理钢渣 9.0～16.0份； 水渣 25.0～50.0份；

废石粉 18.0～23.0份； 脱硫石膏 12.0～16.0份；

磷石膏渣 8.0～10.0份； 电石渣： 12.0至16.0份；

沸石 14.0～16.0份。

【制备方法】

本发明一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂的制备方法如下：

一、一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂的构成

1 .本发明的构成，其特征在于，包括如下重量的基本配方原料：

特殊处理钢渣： 5.0至20.0份； 水渣： 15.0至60.0份；

废石粉： 10.0至30.0份； 脱硫石膏： 8.0至20.0份；

磷石膏渣： 6.0至12.0份； 电石渣： 8.0至20.0份；

沸石： 10.0至20.0份。

2 .根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述钢渣为炼钢厂生产过程中衍生 的电炉钢渣或转炉钢渣。通过热焖工艺法等8项专利技术的运用，对钢渣进行特殊处理后， 并经过至少5次磨碎选铁至一定粒度即可。确保钢渣中铁含量从13％到15％降至0.05％到 0 .3％。

3 .根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述水渣为炼铁厂高炉生产过程中 衍生的普通粒化水渣，磨碎至一定粒度即可，且钢渣和水渣的比例原则上界定为1∶2 .8～ 3 .2。

4 .根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述废石粉主要为石灰石、大理石采石场采石过程中留下的废弃石粉。可等效石灰石使用。因是工业大宗固废，不仅获取容易，且价格低廉。其主要成分碳酸钙CaCO₃，磨碎至一定粒度即可。

5 .根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述脱硫石膏为电厂的脱硫石膏，其主要成分为：CaSO₄ .2H₂O，磨碎至一定粒度即可。

6 .根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述磷石膏渣是生产磷肥、磷酸时排放出的固体废弃物。其主要成分为硫酸钙：CaSO₄·2H₂O，磨碎至一定粒度即可。

7 .根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述电石渣为电石水解获取乙炔气 后的以氢氧化钙为主要成分的废渣，主要含氢氧化钙Ca(OH)₂，磨碎至一定粒度即可。

8 .根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述沸石是一种含有水架状结构的 铝硅酸盐矿物，主要成分为铝硅酸钠：AmBpO2p·nH₂O，磨碎至一定粒度即可。

9 .根据权利要求1所述的本发明，其特征在于，所述7种原料中，部分钢渣为粗粉颗 粒＜3mm的粗粉体，其他为比表面积为350m2/kg至650m2/kg的细粉体。

上述配方即为本发明基本配方，可根据不同需求灵活调整，添加或减少某些原料、改变一种或几种原料的颗粒级配，以获得不同的产品功能和性能。

(四)、试验材料与方法：

钢渣粉：来源于武钢三炼钢热泼渣部分颗粒度＜3mm；

水渣粉：来源于武钢高炉水渣粉，比表面积：350～650m2/kg范围内；

废石粉：来源于武钢乌龙泉石灰石矿，比表面积：350～650m2/kg范围内；

脱硫石膏：来源于武钢二炼钢厂脱硫石膏SO3含量为28％，主要成分为二水硫酸钙CaSO₄·2H₂O，含量≥93％。比表面积：350～650m2/kg范围内；

磷石膏：来源于湖北襄阳泽东化工厂磷石膏，比表面积：350～650m2/kg范围内；

电石渣：来源于天津化工厂电石渣，比表面积：350～650m2/kg范围内；

沸石：来源于河南省信阳市的中原矿业有限公司，比表面积：350～650m2/kg 范围内。

试验案例：

1 .公司食堂地坪工程

本公司用上述原料按一定比例配方，在∮2 .2×7m的磨机上生产了十几吨土壤固化 剂，并在实验室对土壤固化剂进行了理化检验，获得如下结果：

三氧化硫：固化剂中的三氧化硫含量低于4％；

细度：80um方孔筛的筛余低于8％；

比表面积：固化剂的比表面积高于450m2/kg；

安定性：用沸煮法检验必须合格；

凝结时间：初凝不得早于45分钟，终凝不得迟于10小时。

强度：采用GB-175-2007方法检验，各龄期强度大于下列数值：

表1：食堂地坪工程试验强度检测数值表

2003年，我公司在食堂门口，用无熟料冶金渣制备高强度水泥制作了一处地坪；并就地取材，用本发明的两种土壤固化剂配方与地面的粘黄泥混匀制作了另两处地坪，意在将两项产品三种配方三处地坪进行对比试验。

土壤固化剂地坪配方为：

土壤固化剂 粘黄土 水（kg/立方米）

175 1752 120

我们对两项产品的强度进行了检验，并进行了11年跟踪。2014年，因食堂被拆迁他用，我们采样检测。武汉中和质量检验有限公司出具了检验报告。3个试样，龄期为3670天，其中一个为无熟料冶金渣制备高强度水泥试样，报告检测无侧限抗压强度为53 .5兆帕；另两个为土壤固化剂构筑的地坪试样，报告检测其中一个无侧限抗压强度为42 .9兆帕，另一个为52 .3兆帕。3个试样强度推定值为42 .9MPa，均检验合格。

武汉中和质量检验有限公司出具的检验报告见说明书附图2。

试验案例2：在新疆石河子沙漠里建高速公路

在沙漠里修铁路和公路先要在沙漠上挖长沟，在沟底铺上经过长途运输而来的鹅卵石。在鹅卵石上铺上经过长途运输而来的石头、水泥等构成的混凝土养护而成。2008年，我公司在新疆石河子的沙漠边缘就地取沙，和一定比例的土壤固化剂混合，筑成100米长的“青石板”公路，以和前后两端的普通水泥高速公路进行对比试验。

土壤固化剂沙漠高速公路配方为：

土壤固化剂 沙 水 （kg/立方米）

240 2000 650

每天，都有大型重载汽车高密度地在这条道路上运行。6年内，前后两端的路面5次变成“搓衣板”而5次大修，而本公司这项产品制作的“青石板”至今完好如初。

6年内，我公司的试验路面仅仅敷设了两次柏油路面。第六个年头虽然柏油路面已出现破损，但底基层仍然非常坚硬平滑。

2012年，我公司又在新疆石河子的沙漠边缘就地取沙，和一定比例的土壤固化剂混合，筑成2000米长的“青石板”公路。5年后的今天，前后两端的普通水泥路面4次变成“搓衣板”而大修，而我公司土壤固化剂制作的高速公路，除了路面的柏油敷设两次外，底基层至今完好如初。

这就为铺设横穿沙漠的高速公路和高速铁路，提供了示范，也为在全国各地铺设高速公路和动车铁路，提供了理想建材。

二、无水泥大宗固废高性能土壤固化剂的具体施工方法

可利用现有常规水泥工程施工的混凝土搅伴机等机械设备，按无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂的配方和技术要求，在专业人员的指导下，即可现场施工各类工程，而无需增加新的设备。本方法具有投资省，效果好，适应面广，操作简便的优势，适合在我国大面积大范围大工程推广。

[有益效果]

本发明的有益效果是：

1、为根本解决工业固废天量堆积的老大难问题找到了有效的出路和新的突破口。

(1)、目前，我国堆积的钢渣达15亿吨，且每年新增约1亿多吨。

(2)、我国堆积的废石粉达10多亿吨，且每年新增约1亿多吨。

(3)、我国堆积的脱硫石膏达10多亿吨，且每年新增约2亿多吨。

(4)、我国堆积的磷石膏总量达5亿多吨，且每年新增约9000多万吨。

(5)、我国堆积的电石渣总量约3亿多吨，且每年新增约9000多万吨。

上述大宗工业固废累计约45亿多吨堆积量。它们中，还不包括每年衍生的2 .5亿吨 水渣、历年堆积的10多亿吨粉煤灰、因铁矿、煤矿等矿山的采掘累计 20多亿吨废石以及20 多亿吨尾矿砂的堆积量，仅此累计至少有50多亿吨。它们均可以作为本发明的生产原料。两 项相加至少95亿吨的堆积量，是名副其实的天量堆积。不仅占有大量土地，严重污染环境， 还闲置大量有用资源，可谓“国之殇，企之难，民之痛”。

2、现在水泥厂每生产1吨水泥，就向空中排放1吨CO2。2017年，中国生产了23亿吨水泥，等于向天空排放了23亿吨CO2。现在水泥厂每生产1吨水泥，需要50％至70％的熟料。熟料用石灰石烧制。石灰石源于开山取石，是对大自然的破坏。烧制熟料的煤，同样来自大自然。在中国如果用土壤固化剂部分取代常规水泥，能极大地减轻对大自然的破坏。每年仅就减少CO2排放量就达数亿吨，对改善环境无疑具有极大的现实意义。

3、本发明在节能减排方面相比水泥和熟料生产则具有天然优势。首先，本产品生产直接跳过能耗最高的烧成工艺，能源节约效果明显；其次，冶金渣特有的高碳化活性意味着利用其生产的建筑材料可以通过碳化养护方式获得力学强度，有望最终实现碳中性化甚至负碳效果，具有显著的节能减排成效。4、按照国家的规定，常规土壤固化剂固化土体后的无侧限抗压强度要求大于 0 .4Mpa，填埋处理要求大于0 .05Mpa，建筑填土要求大于0.1Mpa，对地基承载要求为0 .06到 0 .25Mpa，建筑材料要求大于10Mpa。本发明能达到的42.9 和52 .3Mpa，是建筑材料要求的4 到5倍。通过对被固化的土体连续跟踪，发现硬化后土体强度增长正常，未产生裂缝，1年后 强度达到48 .9Mpa，11年后强度达到52 .5Mpa。不仅如此，本发明产品还有优于常规土壤固化 剂的高耐久、高抗渗、高抗冻、高耐海水腐蚀、高抗碳化等一系列显著优点。可直接用作大体 积工程，包括地面建筑、地下建筑、水下建筑、隧道工程、海防工程等。不仅有益于工程质量 的提高，而且有益于工程成本的下降。

5、土壤固化剂体积稳定性：上海市政工程研究院总工程师孙家瑛博士对我公司生产的钢渣粉研究表明，在混凝土中的适宜掺加量为20％，具有较好的后期安定性。蒸煮后强度随掺加量增加，无恶化现象，甚至掺加量高达50％，其7天的蒸煮强度高于28天强度。从而为大掺加量钢渣粉在土壤固化剂中使用提供了安全指数。

6、本发明土壤固化剂的配方不仅提高了被固化土体的致密性，而且还能锁定土壤中的砷、镉、汞、铜、铅、镍、钼等金属微粒，起到改良和净化土壤的作用。由于固化了土壤中的大多数重金属，使重金属析出大幅减少。不仅使土壤和地下水重金属含量达到国家标准，而且固化后的土体不存在二次污染。本发明还适用于固化包括重金属严重超标的电厂垃圾焚烧飞灰在内的危废固废，使其周边土壤和渗出水相关指标达到国家标准，起到了以废治废的作用。

7、每“吃干榨尽”一座渣山，就腾出一片土地，就可用于工业和民用建筑。或者经过处理后，还可以用于农田建设。

8、本技术具有投资省，效果好，适应面广，操作简便的优势，适合在我国大面积大范围大工程推广，会给我国带来巨大的无可估量的经济、社会和环境效益。

尽快消化这些大宗工业固废，变废为宝，是从根本上解决国计民生的重大问题，完全应该从国家战略层面上来看待和处理这个问题。

【附图说明】

图1是构成土壤固化剂原料的粒度级配排列示意图

图2是武汉中和质量检验有限公司出具的检验报告图

图3是被固化土体检测时间和抗折强度关系曲线图

图4是被固化土体检测时间和抗压强度关系曲线图

图5是被固化土体检测时间和抗折强度关系曲线图

图6是被固化土体检测时间和抗压强度关系曲线图

【具体实施方式】

通过下述实施例将能够更好地理解本发明。

实施例1：一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂

实施方式如下：

使用由武钢集团第三炼钢厂在炼钢时得到的、采用CN101280346B所描述方法处理的、铁含量为0 .05％的特殊处理钢渣、由武钢炼铁厂在衍生的水渣、由武钢乌龙泉石灰石矿 衍生的废石粉、由武钢二炼钢厂衍生的脱硫石膏、由湖北襄阳泽东化工厂衍生的磷石膏渣、 由天津化工厂衍生的电石渣、由河南省信阳市的中原矿业有限公司提供的沸石。上述原料 的粒度级配与权利要求书6同，将它们混匀后试验。其中处理钢渣与水渣的重量比为1∶3。

本发明土壤固化剂配方：

特殊处理钢渣： 15.0份； 水渣： 45.0；

废石粉：20.0份； 脱硫石膏： 15.0份；

磷石膏渣： 10.0份； 电石渣： 15.0份；

沸石：15.0份。

土壤固化剂配方为：

土壤固化剂 粘黄土 水 （kg/立方米）

5 50 6

采用GB-175-2007方法，检测本例被固化土体强度，其结果列于下表1中。

实施例2：本发明一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂

实施方式如下：

使用由宁波钢厂在炼钢时得到的、采用CN101280346B所描述方法处理的、铁含量为0 .30％的处理钢渣、由宁波钢厂衍生的水渣、由武钢乌龙泉石灰石矿衍生的废石粉、由宁 波钢厂衍生的脱硫石膏、由湖北襄阳泽东化工厂衍生的磷石膏渣、由天津化工厂衍生的电 石渣、由河南省信阳市的中原矿业有限公司提供的沸石。上述原料的粒度级配与权利要求书6同，将它们混匀后试验。

其中处理钢渣与水渣的重量比为1∶3。

本发明土壤固化剂配方：

特殊处理钢渣： 5.0份；水渣： 15.0；

废石粉：13.0份； 脱硫石膏： 10.0份；

磷石膏渣： 9.0份 电石渣： 13.0份；

沸石：13.0份。

其中处理钢渣与水渣的重量比为1：3。

土壤固化剂配方为：

土壤固化剂 粘黄土 水 （kg/立方米）

5 50 6

实施例3：本发明一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂

实施方式如下：

使用由大冶钢铁股份有限公司在电炉炼钢时得到的、采用CN101280346B所描述方法处理的、铁含量为以重量计0 .22％的处理电炉钢渣、由鄂城钢铁公司在炼铁时得到的水渣、由武钢乌龙泉石灰石矿提供的废石粉、由宁波钢厂提供的脱硫石膏、由湖北襄阳泽东化工厂提供的磷石膏渣、由天津化工厂提供的电石渣、由河南省信阳市的中原矿业有限公司提供的沸石。上述原料的粒度级配与权利要求书6同，将它们混匀后试验。

其中处理钢渣与水渣的重量比为1∶3。

本发明土壤固化剂配方：

特殊处理钢渣： 20.0份； 水渣： 60.0；

废石粉：30.0份；脱硫石膏：10.0份；

磷石膏渣： 6.0份 电石渣： 10.0份；

沸石： 15.0份。

其中处理钢渣与水渣的重量比为1∶3。

土壤固化剂配方为：

土壤固化剂 粘黄土 水 （kg/立方米）

5 50 6

采用GB-175-2007方法，检测本例被固化土体强度，其结果见表1。

实施例4：本发明一种无水泥(熟料)大宗工业固废高性能土壤固化剂

该实施例的实施方式如下：

使用由江苏淮安钢铁公司在炼钢时得到的、采用CN101280346B所描述方法处理的、铁含量为0 .14％的处理钢渣、由武钢炼铁厂衍生的水渣、由武钢乌龙泉石灰石矿衍生的 废石粉、由武钢三炼钢厂衍生的脱硫石膏、由天津化工厂衍生的电石渣、由河南省信阳市的 中原矿业有限公司提供的沸石。上述原料的粒度级配与权利要求书6同，将它们混匀后试 验。

其中处理钢渣与水渣的重量比为1∶3。

本发明土壤固化剂配方：

特殊处理钢渣： 10.0份；水渣：30.0份；

废石粉：20.0份；脱硫石膏：15.0份；

磷石膏渣： 10.0份电石渣：15.0份；

沸石：13.0份。

其中处理钢渣与水渣的重量比为1∶3。

土壤固化剂配方为：

土壤固化剂 粘黄土 水 （kg/立方米）

5 50 6

采用GB-175-2007方法，检测本例被固化土体强度，其结果列于下表2中。

表2：被固化土体强度检测数据(MPa)

从表2看出，被固化土体强度高低的次序为：例一、例三、例四、例二。

被固化土体抗折强度检测情况见说明书附图3；

被固化土体抗压强度检测情况见说明书附图4。

对比实施例1：该对比实施例的实施方式与实施例1相同，只是特殊处理钢渣与水渣的重量比为1∶2，其检测结果列于下表3中。

对比实施例2：该对比实施例的实施方式与实施例2相同，只是特殊处理钢渣与水渣的重量比为1∶4，其检测结果列于下表3中。

对比实施例3：该对比实施例的实施方式与实施例3相同，只是该对比实施例使用未特殊处理钢渣，其检测结果列于下表3中。

对比实施例4：该对比实施例的实施方式与实施例4相同，只是该对比实施例使用未特殊处理钢渣。本例被固化土体强度检测结果列于下表3中。

上述4例均采用采用GB-175-2007方法检测，检测数据见表3。

表3：被固化土体强度检测数据(MPa)

检测结果表明：处理钢渣与水渣的重量比为1∶2时，抗折和抗压强度都整体下降。

处理钢渣与水渣的重量比为1∶4时，抗折和抗压强度也都整体下降，但下降的幅度低于1∶2的幅度。尤其是使用了未处理钢渣，下降的幅度更大，但1∶ 4时下降的幅度小于1∶2时下降的幅度。

从表3可以看出，被固化土体强度高低的次序为：例一、例二、例三、例四。

被固化土体抗折强度检测情况见说明书附图5：

被固化土体抗压强度检测情况见说明书附图6：

结论：采用GB-175-2007方法，检测本例被固化土体抗压和抗折强度，检测结果清楚表明：

1 .土壤固化剂及其被固化的土体均能达到各项技术要求，数年做过30多组试验，表明能够进行产业化生产。

2 .该土壤固化剂具有低热、低碱、微膨胀等特性。被其固化的土体具有高强度、高抗渗、高耐磨、高耐久、高抗冻、高耐海水腐蚀和高抗碳化等一系列优点。

3 .该土壤固化剂可直接用作大体积工程，包括地面建筑、地下建筑、水下建筑、隧道工程、海防工程等。

4、土壤固化剂体积稳定性：上海市政工程研究院总工程师孙家瑛博士对我公司生产的钢渣粉研究表明，在混凝土中的适宜掺加量为20％，具有较好的后期安定性。蒸煮后强度随掺加量增加，无恶化现象，甚至掺加量高达60％，其7天的蒸煮强度高于28天强度。从而为大掺加量钢渣粉在土壤固化剂中使用提供了安全指数。

5、本公司土壤固化剂被固化的土体进行跟踪，发现硬化后强度增长正常，未产生裂缝，1年后强度达到48 .9Mpa，11年后强度达到52 .3Mpa。

Claims (5)

1.一种无水泥大宗工业固废高性能土壤固化剂，其特征在于该固化剂用大宗工业固废替代水泥或熟料，其组成如下：以重量份计

特殊处理钢渣：5.0至20.0份； 水渣：15.0至60.0份；

废石粉：10.0至30.0份； 脱硫石膏：8.0至20.0份；

磷石膏渣：6.0至12.0份； 电石渣：8.0至20.0份；

沸石：10.0至20.0份；

其中特殊处理的钢渣与水渣的重量比为1∶2.8～3.2；

所述特殊处理钢渣的铁含量为以重量计0.05％～0.30％，其比表面积为350～650m²/kg。

2.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于该土壤固化剂组成如下：以重量份计

特殊处理钢渣：8.0至16.0份； 水渣：24.0至48.0份；

废石粉：15.0至25.0份； 脱硫石膏：8.0至16.0份；

磷石膏渣：8.0至10.0份； 电石渣：8.0至16.0份；

沸石：8.0至16.0份。

3.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于该土壤固化剂组成如下：以重量份计

特殊处理钢渣：5.0至20.0份； 水渣：15.0至60.0份；

废石粉：10.0至30.0份； 脱硫石膏：10.0至20.0份；

磷石膏渣：6.0至8.0份； 电石渣：10.0至20.0份；

沸石：10.0至20.0份。

4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的土壤固化剂，其特征在于所述水渣、废石粉、脱硫石膏、磷石膏渣、电石渣和沸石是比表面积为350～650m²/kg的粉体。

5.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于它具有下述性能：

采用GB-175-2007标准方法检测，被该固化剂固化的土体7天、28天和90天的抗压强度分别是23.58～29.8MPa、34.6～42.5MPa与37.1～43.3MPa；7天、28天和90天的抗折强度分别是5.6～9.3MPa、8.8～14.2MPa与9.8～16.5MPa。

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