CN110294610A - 一种土体复合固化剂 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高效、经济、应用广泛的土体复合固化剂，能够将各类泥土、渣土等固化成为强度高、抗压缩和抗渗性好、能够满足各类工程要求的建筑材料。该固化剂以火电厂脱硫工艺所产生的脱硫渣粉和激发剂为必要材料，以钢渣粉、水泥熟料、煤矸石中的一种或数种为辅助材料，均匀混合而成。只需与土体混合后加水搅拌均匀，经常温下经自然养护即可显著改善和提高土体技术性能，具有固化强度高、适用范围广泛、成本低廉、消纳废料，节约资源等突出优势。

Description

一种土体复合固化剂

技术领域

本发明涉及一种土木建筑材料，具体涉及一种土体复合固化剂。

背景技术

随着我国城市化建设进程的加快，各类工程建设的数量日趋增多，在港口、道路、矿山、城市建设等各类工程的地基基础处理中，被开挖、置换出的泥土、渣土每年的数量可高达十几亿、几十亿立方米，这些泥土、渣土绝大部分没有被有效的回收和利用，而是被视为废弃物堆置、抛弃，因此造成大量土地资源和泥土资源的浪费，而且易对周围环境造成二次污染。

因此，如何最有效的利用这些天然土体，并且能够改善土体性能以满足上述复杂、广泛的施工需要，而且还要达到节约成本，降低施工周期，减少施工工序的良好效果，不仅是当前岩土工程领域、也是整个建筑行业都面临的重大课题。

采用固化剂对土体进行加固，是近几年来本领域研究的方向之一，其主要是采用一定的物理化学方法使土体的物理力学性能适应工程的实际需求，目前，传统加固土体的材料多采用石灰、水泥类，通过增强土体强度和改善土的水稳性，提高土体的工程应用性能。石灰类固化剂成本较低，但固化强度提高有限且缓慢，水稳性等整体性也较差，水泥类固化剂虽然比石灰类固化剂的强度有一定提高，但其干缩性较大、耐久性较差，而且工程成本也比较高。目前也有一些新型土体固化剂面市，通过添加各类表面活性剂、激发剂、膨胀组分甚至是一些生物材料以达到增加土体强度的目的，但目前在性能上多少都存在一些不足，比如通用性不是很好，一种固化剂只能提高一两项材料的性能，无法适应耐久性、耐水性、抗冻融等多方面要求，另外就是成本一般较高，适用于用量较少的特殊环境，对于大量的废弃土的处理方面经济性较差。

发明内容

为解决上述问题，本申请提供一种高效、经济、应用广泛的土体复合固化剂，能够将各类泥土、渣土等固化成为强度高、抗压缩和抗渗性好、能够满足各类工程要求的建筑材料。为实现上述目的，本申请的一种土体复合固化剂，以火电厂脱硫工艺所产生的脱硫渣粉和激发剂为必要材料，以钢渣粉、水泥熟料、煤矸石中的一种或数种为辅助材料，均匀混合而成。

优选的，所述脱硫渣粉是采用石灰石粉做脱硫剂，在火力发电过程中与煤或燃油燃烧所产生的烟气产生化学反应，经吸收烟气中的二氧化硫后所产生的剩余废弃物。

优选的，土体复合固化剂中的激发剂是采用有机物或/和无机物混合而成的具有催化胶凝能力的粉体或液体材料，包括：碱类激发剂如氢氧化钙、氢氧化纳；盐类激发剂如硫铝酸盐、硫酸纳、水玻璃、硅酸纳、碳酸纳；还包括明矾石、亚硝酸纳。

优选的，土体复合固化剂中必要材料与辅助材料按照下述比例调配：

脱硫渣粉 30%~85%

激发剂 5%~15%

钢渣粉 0%~30%

水泥熟料 0%~20%

煤矸石 0%~30%。

优选的，土体复合固化剂中必要材料与辅助材料按照下述比例调配：

脱硫渣粉 38%

激发剂 8%

钢渣粉 20%

水泥熟料 12%

煤矸石 22%。

优选的，土体复合固化剂中必要材料与辅助材料按照下述比例调配：

脱硫渣粉 50%

激发剂 10%

钢渣粉 28%

水泥熟料 12%。

发电石烟气脱硫工艺所产生的脱硫渣粉，其主要成分是硫酸钙（CaSO₄）、亚硫酸钙（CaSO₃）等，且其纯度较高可达90%以上，pH值为4-6，且具有细度较高的特点，颗粒直径一般在30mm以下，因此可以直接用于固化剂的主要材料使用。

土体复合固化剂中的激发剂包括碱类激发剂和盐类激发剂，碱类激发剂如氢氧化钾、氢氧化纳，其主要作用机理与水泥熟料近似；盐类激发剂主要包括硫铝酸盐、硫酸纳、水玻璃、硅酸纳、碳酸纳、碳酸钙、硅酸钾等，其与碱类激发剂反应可生成可溶性盐和强碱，提高pH值，加快硅、铝物质溶解，提高反应生成物，并且可与铝酸钙反应生成例如硫铝酸钙胶凝物质，填充土颗粒内部孔隙，从而增加土体的密实度和强度。

土体复合固化剂中的组分钢渣粉，是冶炼钢铁的废渣，它经水或空气急冷处理成为颗粒状，其主要化学成分是二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）等，该钢渣玻璃体含量较多，经研磨成细钢渣粉后，在激发剂的作用下，钢渣粉中的二氧化硅和氧化铝等成分与水反应形成凝胶物质从而具有水硬活性，当钢渣粉研磨成超细粉（比表面积400-500m²/kg）时，水硬活性更佳。

煤矸石的成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物，其中以SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O3等成分最多，另外含有数量不等的CaO、MgO、SO₃、等氧化物，以及微量的稀有金属元素如钛、钒、钴、镓等，在土体复合固化剂中，煤矸石的主要作用与钢渣粉类似。

水泥熟料的主要成分为3CaO·SiO₂、2CaO·SiO₂、3CaO·Al2O₃等，其在土体复合固化剂中的主要作用是，与固化剂中的CaSO₄或CaSO₃以及SiO₂、Al2O₃等成分反应，形成硅酸钙凝胶、硫铝酸钙等，而且可以激发土体中的活性硅、铝物质参与反应，特别是在碱性条件下，粘土矿物表面的氧化硅、氧化铝在土体溶液中溶解并与阳离子、钙离子结合，也形成大量硅酸钙凝胶、硫铝酸钙等物质，同时还伴随着离子交换吸附作用、氢氧化钙的碳酸化作用等。

与现有技术相比，本申请的土体复合固化剂的实质性特点和有益效果是：

①只需与土体混合后加水搅拌均匀，经常温下经自然养护即可显著改善和提高土体技术性能，其对于土体所产生的固化稳定效果，可归结为复合凝胶效应和填充增强效应，复合凝胶效应又可以进一步归结为水化水解——吸附粘结——固化稳定的作用过程，其中还伴随激发作用和离子交换作用。

②土体固化后强度高，根据与土体的掺入比的不同，无侧限抗压强度最小为2Mpa，最大可达15Mpa，孔隙率可小于1%，渗透系数可小于1×10^－6cm/s，经-52至22摄氏度下25次反复冻融试验中质量损失小于1%，无抗压强度损失，稳定性和耐久性强。

③适用范围广泛，对于各种土质包括淤泥质土、粘土、粉土、砂土、砾石，以及各类固体建筑垃圾和废弃矿渣等，均可达到高效经济的固化效果。

④固化剂的主要组分中，脱硫渣粉、钢渣粉、煤矸石占总质量的70%以上，因此绝大部分的材料不仅不需要专门的制备生产，而且全部来源于工矿业废料，不仅成本低廉，相比水泥用量可节约造价50%至80%，更可以消纳大量工业废料，节约资源、保护环境，属于低碳、绿色、环保型产品，具有很好的可持续发展能力。

该土体复合固化剂中，还可以适量加入分散剂、表面活性剂、吸附剂、微膨胀剂中的一种或数种材料。分散剂可具体表现为木质素磺酸盐或萘磺酸盐甲醛缩合物，其主要使胶凝材料的絮凝结构起到破碎分散作用；微膨胀剂可具体表现为不同煅烧程度的氧化镁或氧化钙，可进一步增加固化土体的胶凝硬化反应；吸附剂可具体表现为具有很好的粘结作用的聚乙烯醇和聚丙烯酰胺，对提高固化土早期强度和后期强度有比较明显的效果；上述分散剂、表面活性剂、吸附剂、微膨胀剂的使用需要和使用量，应当根据天然土的成份性质，上述活性硅铝物质、激发剂、晶化诱导剂的成份性质，以及对固化土成品的强度的不同要求予以确定和调整，但每种材料的掺量一般不超过土体固化剂总量的5%。

制备该固化剂时，将脱硫渣粉、钢渣粉、水泥熟料、煤矸石、激发剂等各组分均匀搅拌即可。如果这些材料中有较大颗粒或块状的，首先要将较大颗粒或块状的材料研磨成粉末状，一般要达到200目以上，然后再与其它材料组分混合、搅拌均匀即可。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的土体复合固化剂予以进一步说明：

实施例1：以基槽开挖出的天然粉质粘土为主要材料，土体中含砂量4%，含水量5.2%；土体复合固化剂的各组分比例为：脱硫渣粉32%、钢渣粉20%、水泥熟料12%、煤矸石28%、激发剂为氢氧化钙8%，各组分材料的细度要求250目以上，将各组分材料混合后搅拌均匀形成复合固化剂；现场施工时，通过地面搅拌机，将上述粉质粘土和复合固化剂加水共同混合搅拌，粉质粘土的掺入比为81%，复合固化剂的掺入比为19%，水的掺量为粉质粘土和固化剂总质量的11%，经均匀搅拌后的固化土坍落度为130mm；抗压强度试验数据：压实度为94%，养护制度为标准养护，7天龄期时无侧限抗压强度平均值为1.36Mpa，28天龄期时无侧限抗压强度平均值为2.81Mpa。

实施例2：以道路开挖出的天然粉质粘土和粉土为主要材料，土体中含砂量8.1%，含水量5.5%；土体复合固化剂的各组分比例为：脱硫渣粉50%、钢渣粉28%、水泥熟料12%、激发剂为氢氧化钙6%、硅酸纳4%，各组分材料的细度要求350目以上，将各组分材料混合后搅拌均匀形成复合固化剂；现场施工时，通过地面机械的传输将土输送至搅拌机内，同时将土体固化剂和一定比例的水混合形成浆液也输送至搅拌机内，通过搅拌机的均匀搅拌，即形成具有流动性且硬化后具备一定强度的建筑材料；其中粉质粘土的掺入比为61%，复合固化剂的掺入比为39%，水的掺量为粉质粘土和固化剂总质量的18%，经均匀搅拌后的固化土坍落度为200mm；抗压强度试验数据：压实度为99%，养护制度为标准养护，7天龄期时无侧限抗压强度平均值为3.91Mpa，28天龄期时无侧限抗压强度平均值为8.21Mpa。

Claims (6)

1.一种土体复合固化剂，其特征在于，以火电厂脱硫工艺所产生的脱硫渣粉和激发剂为必要材料，以钢渣粉、水泥熟料、煤矸石中的一种或数种为辅助材料，均匀混合而成。

2.根据权利要求1所述的土体复合固化剂，其特征在于，所述脱硫渣粉是采用石灰石粉做脱硫剂，在火力发电过程中与煤或燃油燃烧所产生的烟气产生化学反应，经吸收烟气中的二氧化硫后所产生的剩余废弃物。

3.根据权利要求1所述的土体复合固化剂，其特征在于，所述的激发剂是采用有机物或/和无机物混合而成的具有催化胶凝能力的粉体或液体材料，包括：碱类激发剂如氢氧化钙、氢氧化纳；盐类激发剂如硫铝酸盐、石膏、硫酸纳、水玻璃、硅酸纳、碳酸纳；还包括明矾石、亚硝酸纳。

4.根据权利要求1所述的土体复合固化剂，其特征在于，必要材料与辅助材料按照下述比例调配：

脱硫渣粉 30%~85%

激发剂 5%~15%

钢渣粉 0%~30%

水泥熟料 0%~20%

煤矸石 0%~30%。

5.根据权利要求1或4所述的土体复合固化剂，其特征在于，必要材料与辅助材料按照下述比例调配：

脱硫渣粉 38%

激发剂 8%

钢渣粉 20%

水泥熟料 12%

煤矸石 22%。

6.根据权利要求1或4所述的土体复合固化剂，其特征在于，必要材料与辅助材料按照下述比例调配：

脱硫渣粉 50%

激发剂 10%

钢渣粉 28%

水泥熟料 12%。