CN110028256A - 一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料及其制备方法，注浆材料的固体物料包括粉体和添加剂，所述粉体的制备方法为，将赤泥、活性铝硅源、固体碱激发剂混合均匀后升温至不小于600℃进行煅烧，将煅烧后的物料破碎成赤泥基一步法地聚合物注浆材料粉体，所述活性铝硅源为高炉矿渣、灰渣、硅灰中的一种或多种，所述固体碱激发剂为消石灰、烧碱、脱硫石膏中的一种或多种。该注浆材料加水拌合能够直接硬化获得一步法赤泥基地聚合物。

Description

一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料及其制备方法
技术领域
本公开属于道路工程路基加固领域，涉及一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料及其制备方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
受交通荷载和环境的影响，道路在服役过程中不可避免的在路基和基层产生沉陷、脱空、翻浆等病害。这些病害不但很大程度地影响道路的使用性能，也大大缩短了道路的使用寿命，给公路管理部门在公路养护与维修等方面造成巨大的技术挑战和经济损失。对于基层和路基病害的维修，需要开挖既有路基进行重新回填，或者需要打桩、钻孔等处治措施，维修时间长、成本高，并严重影响公路的通行能力。
注浆技术的发展为解决路基病害引起的承载力不足问题提供了新的途径。注浆技术是在路基需要加固的部位钻孔植入注浆管，通过施加一定的压力将浆液压入脱空等病害部位，浆液在处治部位固化形成强度，提高不良地质的物理力学性能。其中，注浆材料是注浆加固技术的关键因素，其性能直接决定了加固效果。目前，水泥基注浆材料因其力学强度高、工艺成熟等优势，在注浆领域得到广泛应用。然而，水泥的生产造成大量的资源消耗与能源消耗，同时排放大量的二氧化碳等废弃物。因此，寻求绿色胶凝材料代替水泥类胶凝材料是解决环境和资源问题的有效途径。
地聚合物“Geopolymer”由法国教授J.Davidovist于1978年首次提出，是指以固体铝硅酸盐为被激发材料，以高活性碱金属氢氧化物或硅酸盐溶液等作为激发剂，在一定条件下制得的无定形铝硅酸盐类胶凝材料，依靠硅、铝前驱物在碱性条件下的溶解，形成硅氧四面体和铝氧四面体，这些低聚物进而发生缩聚反应，形成网状结构的无机高聚物，获得强度。由于地聚合物具有高机械强度、高莫氏硬度、高稳定性以及抗腐蚀性等特点，使其替代水泥用于注浆材料成为可能。
赤泥是铝土矿提取氧化铝过程中排放的不溶性工业废弃物，因其Fe2O3含量高，常呈现褐色或红色，故称赤泥。每生产1吨氧化铝将产生1～2.5吨赤泥，而我国氧化铝行业每年排放的赤泥总量约为3000万吨，累积堆存量接近3.5亿吨。赤泥的堆放不仅浪费了大量的土地资源，强碱物质及有害物质的析出还导致地下水和土壤的污染，引起严重的环境问题，赤泥的合理利用迫在眉睫。由于赤泥含有大量的铝硅酸盐成分，具有制备地聚合物的潜质。利用赤泥制备注浆材料，不仅能替代水泥基注浆材料，降低工程成本，还能减轻赤泥堆存带来的环境压力，具有优良的环境效益与工程效益。
中国专利文献CN 108424047A公开了一种适用于砂土地层注浆加固治理的赤泥基速凝注浆材料，通过碱激发剂提高注浆材料的强度，通过添加剂提高注浆材料的工作性能；中国专利CN 108455933A公开了一种利用含水赤泥制备注浆材料的方法，利用含水赤泥作为基质原料，利用煤矸石和碱的复合激发作用提高注浆材料的强度。中国专利CN105669945A公开了一种赤泥基柔性注浆材料，制备的材料具有黏结力好，抗折强度高的特点。上述赤泥基注浆材料可以达到较高的力学强度，制备的材料具有一定的工程价值，在一定程度上实现了赤泥的减量化应用。但是，本公开发明人发现，以碱性溶液作为激发剂制备地聚合物，除了要准备硅铝酸盐前驱体以外，还要提前准备碱激发剂，工艺复杂，质量难以控制；同时，高腐蚀性的碱激发剂还存在难以储存的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开的目的是提供一种加水拌合直接硬化的一步法赤泥基地聚合物注浆材料制备方法，其制备的注浆材料可直接与水拌合用于路基加固、地基处治等。
为了实现上述目的，本公开的技术方案为：
一方面，一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料粉体的制备方法，将赤泥、活性铝硅源、固体碱激发剂混合均匀后升温至不小于600℃进行煅烧，将煅烧后的物料破碎成赤泥基一步法地聚合物注浆材料粉体，所述活性铝硅源为高炉矿渣、灰渣、硅灰中的一种或多种，所述固体碱激发剂为消石灰、烧碱、脱硫石膏中的一种或多种。
由于赤泥中的SiO2/Al2O3摩尔比较低，生成的硅铝酸盐凝胶结构不稳定，仅由赤泥制备的前驱体，会因为SiO2/Al2O3摩尔比的失衡而造成制备的地聚合物的空间结构的坍塌。因而本公开添加高炉矿渣、灰渣、硅灰作为活性铝硅源，这些活性铝硅源中的硅含量较高，可以使地聚合物的SiO2/Al2O3摩尔比达到适宜的范围，提高赤泥基地聚合物的结构强度。
同时，本公开采用热-碱活化法，将赤泥、活性铝硅源、固体碱激发剂混合均匀后升温至不小于600℃进行煅烧，通过碱激发剂和高温的共同作用破坏铝硅酸盐原料的晶格结构，生成的铝硅酸盐前驱体与水混合后能直接溶出铝氧单体和硅氧单体，进而缩聚之后生成地聚合物凝胶，从而进一步提高赤泥基地聚合物的强度。
另一方面，一种上述制备方法制备的粉体。该粉体在制备赤泥基注浆材料时，无需添加碱性溶液作为激发剂。且该粉体制备的赤泥基地聚合物具有较好的性能。
第三方面，一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料，固体物料包括上述粉体、添加剂，所述添加剂为水溶性高分子。加入水溶性高分子之后能降低地聚合物前驱体粒子间的相互吸引，同时降低粒子与水的界面能，在加入较少水的条件下保证注浆材料的流动性。
为了获得赤泥基一步法地聚合物注浆材料，本公开第四方面，一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料的制备方法，将上述粉体、添加剂与水混合均匀后获得注浆材料，所述添加剂为水溶性高分子。
本公开的第五方面，一种上述注浆材料在路基加固和/或地基处治中的应用。该注浆材料在路基加固和/或地基处治过程中，无需碱性溶液作为激发剂，施工过程容易控制，节省制备工序。
本公开的有益效果为：
(1)本公开向赤泥中添加高炉矿渣、灰渣、硅灰制备的赤泥基地聚合物注浆材料，能够防止赤泥基地聚合物的空间结构的坍塌，提高了赤泥基地聚合物的结构强度，实现了固体废弃物的资源化利用，减轻了环境压力。
(2)本公开采用热-碱活化法通过碱激发剂和高温的共同作用破坏铝硅酸盐原料的晶格结构，生成的铝硅酸盐前驱体与水混合后能直接溶出铝氧单体和硅氧单体，进而缩聚之后生成地聚合物凝胶，形成强度，从而使本公开制备的注浆材料粉体可以代替水泥用于实际工程中，减少了水泥生产带来的资源、能源浪费与有害气体与粉尘排放。
(3)本公开制备的注浆材料，可以实现粉体与水直接混合并形成强度，与常规两步法碱激发地聚合物相比制备方法简单，施工过程容易控制，节省制备工序。
(4)本公开制备的注浆材料利用的均为固体废弃物材料，煅烧温度较低，与常规水泥基注浆材料相比可以显著降低材料成本，有效降低工程造价，便于大规模推广应用。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于常规地聚合物制备过程中需要采用碱性溶液作为激发剂导致工艺复杂的不足，为了解决如上的技术问题，本公开提出了一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料及其制备方法。
本公开的一种典型的实施方式，提供了一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料粉体的制备方法，将赤泥、活性铝硅源、固体碱激发剂混合均匀后升温至不小于600℃进行煅烧，将煅烧后的物料研磨成赤泥基一步法地聚合物注浆材料粉体，所述活性铝硅源为高炉矿渣、灰渣、硅灰中的一种或多种，所述固体碱激发剂为消石灰、烧碱、脱硫石膏中的一种或多种。
由于赤泥中的SiO2/Al2O3摩尔比较低，生成的硅铝酸盐凝胶结构不稳定，仅由赤泥制备的前驱体，会因为SiO2/Al2O3摩尔比的失衡而造成制备的地聚合物的空间结构的坍塌。因而本公开添加高炉矿渣、灰渣、硅灰作为活性铝硅源，这些活性铝硅源中的硅含量较高，可以使地聚合物的SiO2/Al2O3摩尔比达到适宜的范围，提高赤泥基地聚合物的结构强度。
同时，本公开采用热-碱活化法，将赤泥、活性铝硅源、固体碱激发剂混合均匀后升温至不小于600℃进行煅烧，通过碱激发剂和高温的共同作用破坏铝硅酸盐原料的晶格结构，生成的铝硅酸盐前驱体与水混合后能直接溶出铝氧单体和硅氧单体，进而缩聚之后生成地聚合物凝胶，从而进一步提高赤泥基地聚合物的强度。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述赤泥与活性铝硅源的质量比为60～70:15～25。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述赤泥为拜耳法赤泥、烧结法赤泥的一种或两种。赤泥中较高含量的SiO2、Al2O3、Na2O、CaO等成分，可以用作碱性铝硅酸盐原料，在使用赤泥前，需要对赤泥进行初步破碎(初碎)之后再烘干至恒重。本公开中初步破碎至固体物料粒径小于5mm时，获得的赤泥基地聚合物的效果更好。
该实施方式的一种或多种实施例中，活性铝硅源在使用前需要依次经过初碎、烘干至恒重。
该实施方式的一种或多种实施例中，煅烧温度为600～900℃，煅烧时间为0.5～2h。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述破碎为球磨破碎。能够将煅烧后的物料研磨的更细。较小的粒径和较大的比表面积有利于碱激发剂中的极性组分进入铝硅酸盐的内部结构，促进硅氧单体与铝氧单体的溶出，提高地聚合物的强度。
该系列实施例中，球磨破碎的时间为0.5～1h。
本公开的另一种实施方式，提供了一种上述制备方法制备的粉体。该粉体在制备赤泥基注浆材料时，无需添加碱性溶液作为激发剂。且该粉体制备的赤泥基地聚合物具有较好的性能。
该实施方式的一种或多种实施例中，粉体粒径在0.075mm筛孔的通过率不小于90％，研磨后的粉体比表面积不小于450m2/Kg。通过实验表明，采用该粉体制备的地聚合物的强度更为优异。
本公开的第三种实施方式，提供了一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料，固体物料包括上述粉体、添加剂，所述添加剂为水溶性高分子。加入水溶性高分子之后能降低地聚合物前驱体粒子间的相互吸引，同时降低粒子与水的界面能，在加入较少水的条件下保证注浆材料的流动性。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述添加剂为聚丙烯酸钠、聚羧酸系减水剂中的一种或两种。通过实验表明，采用聚丙烯酸钠和/或聚羧酸系减水剂作为添加剂制备的地聚合物的效果更好。
该实施方式的一种或多种实施例中，赤泥与添加剂的质量比为60～70:3～5。
该实施方式的一种或多种实施例中，注浆材料的水灰比为0.75～0.85。
本公开的第四种实施方式，提供了一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料的制备方法，将上述粉体、添加剂与水混合均匀后获得注浆材料，所述添加剂为水溶性高分子。
本公开的第五种实施方式，提供了一种上述注浆材料在路基加固和/或地基处治中的应用。该注浆材料在路基加固和/或地基处治过程中，无需碱性溶液作为激发剂，施工过程容易控制，节省制备工序。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
实施例1
一步法赤泥基地聚合物注浆材料，原料包括如下组分：赤泥60份，活性铝硅源25份，固体碱激发剂10份，添加剂5份；
所述赤泥为拜耳法赤泥，活性铝硅源为高炉矿渣，固体碱激发剂为消石灰，添加剂为聚丙烯酸钠。
一步法赤泥基地聚合物注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将赤泥进行初步破碎并过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
2)将活性铝硅源原料过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
3)将固体碱激发剂进行初步破碎并过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
4)将初破并烘干的赤泥、活性铝硅源和固体碱激发剂装入回转窑进行煅烧，煅烧温度为600℃，煅烧时间为2h，备用；
5)将煅烧后的材料装入球磨机磨细，球磨时间0.5h，得到注浆材料粉体，备用；
6)将添加剂加入球磨后的注浆粉体材料中，并按水灰比为0.8加入水，搅拌15min使其充分混合，即制得注浆材料浆体。
实施例2
一步法赤泥基地聚合物注浆材料，原料包括如下组分：赤泥70份，活性铝硅源15份，固体碱激发剂12份，添加剂3份；
所述赤泥为烧结法赤泥；活性铝硅源为灰渣和硅灰的混合物，质量比为1：1；固体碱激发剂为烧碱与脱硫石膏的混合物，质量比为1：1；添加剂为聚羧酸系减水剂。
一步法赤泥基地聚合物注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将赤泥进行初步破碎并过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
2)将活性铝硅源原料过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
3)将固体碱激发剂进行初步破碎并过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
4)将初破并烘干的赤泥、活性铝硅源和固体碱激发剂装入回转窑进行煅烧，煅烧温度为900℃，煅烧时间为0.5h，备用；
5)将煅烧后的材料装入球磨机磨细，球磨时间1h，得到注浆材料粉体，备用；
6)将添加剂加入球磨后的注浆粉体材料中，并按水灰比为1.2加入水，搅拌5min使其充分混合，即制得注浆材料浆体。
实施例3
一步法赤泥基地聚合物注浆材料，原料包括如下组分：赤泥65份，活性铝硅源17份，固体碱激发剂15份，添加剂3份；
所述赤泥为拜耳法赤泥与烧结法赤泥的混合物，质量比为1：1；活性铝硅源为硅灰；固体碱激发剂为烧碱；添加剂为聚羧酸系减水剂。
一步法赤泥基地聚合物注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将赤泥进行初步破碎并过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
2)将活性铝硅源原料过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
3)将固体碱激发剂进行初步破碎并过5mm筛，并将其在105℃条件下烘干，备用；
4)将初破并烘干的赤泥、活性铝硅源和固体碱激发剂装入回转窑进行煅烧，煅烧温度为800℃，煅烧时间为1h，备用；
5)将煅烧后的材料装入球磨机磨细，球磨时间1h，得到注浆材料粉体，备用；
6)将添加剂加入球磨后的注浆粉体材料中，并按水灰比为1加入水，搅拌10min使其充分混合，即制得注浆材料浆体。
试件制备与性能测试：
实验室内采用实施例1～3制备的注浆材料浆体作为注浆材料，采用70mm×70 mm×70mm正方体试模与40mm×40mm×160mm棱柱体试模浇筑试样，养护温度为20℃，养护湿度为90％。
材料性能测试结果如表1所示：
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料粉体的制备方法，其特征是，将赤泥、活性铝硅源、固体碱激发剂混合均匀后升温至不小于600℃进行煅烧，将煅烧后的物料研磨成赤泥基一步法地聚合物注浆材料粉体，所述活性铝硅源为高炉矿渣、灰渣、硅灰中的一种或多种，所述固体碱激发剂为消石灰、烧碱、脱硫石膏中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述赤泥与活性铝硅源的质量比为60～70:15～25。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，活性铝硅源在使用前需要依次经过初碎、烘干至恒重。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，煅烧温度为600～900℃，煅烧时间为0.5～2h。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述破碎为球磨破碎；
优选的，球磨破碎的时间为0.5～1h。
6.一种权利要求1～5任一所述的制备方法制备的粉体。
7.如权利要求6所述的粉体，其特征是，粉体粒径在0.075mm筛孔的通过率不小于90％，研磨后的粉体比表面积不小于450m2/Kg。
8.一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料，其特征是，固体物料包括权利要求6或7所述的粉体、添加剂，所述添加剂为水溶性高分子；
优选的，所述添加剂为聚丙烯酸钠、聚羧酸系减水剂中的一种或两种；
优选的，赤泥与添加剂的质量比为60～70:3～5；
优选的，注浆材料的水灰比为0.75～0.85。
9.一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料的制备方法，其特征是，将权利要求6或7所述的粉体、添加剂与水混合均匀后获得注浆材料，所述添加剂为水溶性高分子。
10.一种上述注浆材料在路基加固和/或地基处治中的应用。
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