CN110615655A - 一种低强度固化土专用固化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低强度固化土专用固化剂及其制备方法，该固化剂按重量比包括低品位固化土专用熟料74～84％、脱硫石膏15～25％、助磨剂0.5～1.0％，低品位固化土专用熟料包括碳酸钙原料碱渣、黏土质原料工程弃土和校正原料铁矿石。其制备步骤如下：1)碳酸钙原料预处理，之后和黏土质原料及校正原料进行均化处理；2)将均化的碳酸钙原料、黏土质原料、校正原料配料、粉磨得生料粉；3)将生料粉加入矿化剂煅烧后急冷至室温得低品位固化土专用熟料；4)将低品位固化土专用熟料加入脱硫石膏及助磨剂，粉磨即得。本发明将工业固废和工程弃土相结合，具有显著的经济性和环境友好性，是一种工业固废和工程弃土资源化利用的新途径。

Description

一种低强度固化土专用固化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低强度固化土专用固化剂及其制备方法，属于固化土专用固化剂领域。
背景技术
水泥是一类既能在空气中硬化又能在水中硬化的胶凝材料，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程，素有“灰色金子”之美誉。追溯其发展史，可发现其本质都是基于矿物成分而设计，先后经历了天然黏土、石膏-石灰、石灰-火山灰及人工配置的水泥等多个阶段，其基本原理都是利用材料中钙相、硅相、铝相及铁相等与水的相互作用形成胶结/填充物质，区别在于各材料中各个相的活性不同，目前所采用的各种提升措施也是基于提高相的活性(比如将高岭土煅烧成偏高岭土、碱激发胶凝材料)。实际生产过程中则通过控制主要活性材料三率值(硅率SM、铝率IM和石灰饱和系数KH)或者CaO与SiO2的摩尔数比(Ca/Si)来满足不同类型水泥(通用水泥、专用水泥和特性水泥)的功能需求。长期以来，各种水泥的化学成分和矿物组成基本没有变化，技术发展主要是生产工艺和装备革新。
应当注意的是，传统水泥一般是围绕混凝土性能进行优化设计，其等级则以ISO标准砂浆28d强度(若为早强水泥需考虑3d强度)进行判定。同时，为了保证其安定性和耐久性，往往对f-CaO、MgO、SO3和Cl-含量设置了峰值阈值，从而将氧化物(f-CaO、MgO)水化、钙矾石(AFt)生成引起的内力膨胀及Cl-对钢筋的锈蚀作用最小化。
实际上，软弱土地基加固也常常采用水泥作为固化剂，且水泥固化土与水泥混凝土在材料属性和功能需求上有着本质区别，具体表现在：(1)水泥固化土所需强度低，一般不超过3MPa，采用传统水泥原料(高品位石灰石和优质黏土)会带来能耗大、排放多、造价高等问题；(2)水泥固化土孔隙率大，这是由土的三相性本质所决定，传统水泥熟料中所限制的f-CaO、MgO、SO3及后期添加的石膏非但不会产生膨胀破坏，反而会填充固化土孔隙，对强度增长起贡献作用；(3)水泥固化土中无钢筋的存在，不用考虑Cl-侵蚀问题。
遗憾的是，当前我国乃至世界并无针对固化土设计的专用固化剂。有资料表明，我国目前已探明的高品位石灰石储量仅能满足水泥工业30多年生产所需。当前水泥熟料不断攀升也间接表明了原料资源的紧张。因此，开发低品位固化土专用固化剂已迫在眉睫。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种低强度固化土专用固化剂及其制备方法，通过有效的技术手段，将碱渣、工程弃土、脱硫石膏分别代替传统水泥中的碳酸钙原料、黏土质原料和外加剂等组分，发挥各废弃材料的理化综合效应，研制一种符合现行国家标准，具有广阔市场前景的低强度固化土专用固化剂，该方法技术合理、质量可控，有利于节约成本和环境保护，缓解了石灰石资源压力，为碱渣、工程弃土和脱硫石膏的资源化利用提供了新思路。
技术方案：本发明提供了一种低强度固化土专用固化剂，该固化剂按照重量百分比包括以下组分：
低品位固化土专用熟料 74～84％
脱硫石膏 15～25％
助磨剂0.5～1.0％；
其中低品位固化土专用熟料由80～90wt％碳酸钙原料、8～15wt％黏土质原料和2～5wt％校正原料磨细后烧制而成。
其中：
所述的碳酸钙原料为碱渣，碱渣中CaO含量为45～55wt％，SiO2含量为8～10wt％，Al2O3含量为4～8wt％。
所述的黏土质原料主要为地下开挖带来的工程弃土,工程弃土中SiO2含量为50～70wt％，Al2O3含量为15～25wt％，Fe2O3含量为5～15wt％。
所述的校正原料为铁矿石，其中Fe2O3含量大于55wt％。
所述的低品位固化土专用熟料按照质量分数包括以下矿物成分：C3S 40～50wt％、C2S 20～25wt％、C3A 10～15wt％、C4AF 15～20wt％。
所述的低强度固化土专用固化剂仅用于复合地基加固，其标准砂浆28d无侧限抗压强度为25～28MPa。
本发明还提供了一种低强度固化土专用固化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)原材料预处理与均化：将碳酸钙原料的含水率降至30～40％，之后和黏土质原料、校正原料分别进行均化处理；
2)生料制备：按照比例将碳酸钙原料、黏土质原料、校正原料进行配料，然后粉磨得到生料粉；
3)熟料煅烧：生料粉中加入萤石作为矿化剂，然后再煅烧，最后冷却至室温得到低品位固化土专用熟料；
4)熟料粉磨：向烧成后的低品位固化土专用熟料中按比例加入脱硫石膏和助磨剂，共同粉磨得到低强度固化土专用固化剂。
其中：
步骤1)所述的将碳酸钙原料的含水率降至30～40％是指通过压滤工艺进行，步骤1)所述的均化处理是指通过平铺直取的方式进行均化处理。
步骤2)所述的粉磨得到生料粉是指粉磨至80μm筛余为18％～25％的细度，得到所述生料粉。
步骤3)所述的萤石的加入量为生料粉质量的0.6～1.2％；步骤3)所述的煅烧过程是指在1300～1400℃煅烧30～60min。
步骤3)所述的冷却至室温是指以12～15℃/min的速度冷却至室温。
步骤4)所述的粉磨得到低强度固化土专用固化剂是指，粉磨至比表面积为300～350m2/kg得到低强度固化土专用固化剂。
有益效果：与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
1、基于传统针对混凝土设计的硅酸盐水泥，本发明提出的固化剂为仅适用于固化土的低品位固化剂，不仅能满足路基及基层规范要求，也避免了“大材小用”式资源的浪费；
2、将碱渣和工程弃土分别视为碳酸钙原料和黏土质原料，辅以铁矿石，用于固化土专用熟料生产，突破了高品位石灰石等原料来源不足的瓶颈；
3、扭转思维定势，大量使用脱硫石膏，使固化剂水化中形成的钙矾石填充固化土孔隙，大大提升了固化土力学性能；
4、大量消纳工业、工程废弃物，可沿用传统水泥生产工艺及设备，具有良好的经济效益和环保效益。
附图说明
图1为本发明提供的一种低强度固化土专用固化剂制备的工艺流程图。
具体实施方式
本发明以废弃物再生利用及复合地基加固为出发点，提出一种低强度固化土专用固化剂及其制备方法，参考水泥熟料“二磨一烧”生产流程，将碱渣和工程弃土分别视为碳酸钙原料和黏土质原料，并掺入大量脱硫石膏，用以生产低强度固化土专用固化剂，兼具环境友好性和工程应用潜力，其中碱渣是指铵碱法制碱过程中排放的废渣，碱渣成份主要包括碳酸钙、硫酸钙、氯化钙等钙盐为主要组分的废渣，还含有少量的二氧化硫等成份，可视为低品位碳酸盐质原料；脱硫石膏主要是电厂烟气湿法脱硫的副产品，主要成分和天然石膏一样，为二水硫酸钙CaSO4·2H2O，含量≥93％。2018年，环境保护税法的实行，对固体废物排放征收每吨5元～25元的环保税，为工业固废的资源化利用尤其是高质量发展提供了新的机遇。为进一步明晰本发明的目的、技术方案及优点，以下结合实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种低强度固化土专用固化剂，按照重量百分比包括以下原料：
低品位固化土专用熟料74wt％，脱硫石膏25wt％，助磨剂1.0wt％。
所述低品位固化土专用熟料由碱渣、工程弃土和铁矿石组成，其矿物成分中C3S含量为40wt％、C2S含量为25wt％、C3A含量为12wt％、C4AF含量为20wt％。
所述碱渣中CaO含量为45wt％、SiO2含量为10wt％、Al2O3含量为4wt％；所述工程弃土中SiO2含量为50wt％、Al2O3含量为25wt％、Fe2O3含量为5wt％；所述铁矿石中Fe2O3含量为58wt％。具体化学成分见表1。
表1原材料化学分析
名称 SiO<sub>2</sub>/％ Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ CaO/％ MgO/％ SO<sub>3</sub>/％ Loss/％
碱渣 10.00 4.00 4.98 45.00 11.11 18.92 5.12
工程弃土 50.00 25.00 5.00 5.32 2.17 0.05 10.16
铁矿石 25.32 5.63 58.00 3.57 0.88 0.05 5.92
一种低强度固化土专用固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1、原材料预处理与均化：将碱渣的含水率通过压滤工艺降至30％，和破碎后的工程弃土、铁矿石、萤石分别采取平铺直取的方式进行均化处理；均化过程中，采用堆料机连续地把进料按一定的方式在堆场上多层堆铺，形成上下重叠的人字形料层的具有一定长宽比的料堆；而取料机则按垂直于料堆的纵向，实行对成分各异的料层的同时切取，完成“平铺直取”，实现各层物料的混合，从而达到均化目的；
2、生料制备：按照质量百分比80wt％:15wt％:5wt％分别取均化后的碱渣、工程弃土和铁矿石进行配料，然后粉磨至80μm筛余为18％的细度，得到生料粉；
3、熟料煅烧：将所述生料粉先投入悬浮预热器预热，然后进入分解炉分解，最后混合生料粉质量0.6wt％的萤石进入干法回转窑中煅烧30min；所述悬浮预热器温度为850℃，所述分解炉温度为890℃，所述干法回转窑温度为1300℃，然后以12℃/min的速度冷却至室温得到低品位固化土专用熟料；
4、固化剂粉磨：将烧成后的固化土专用熟料加入脱硫石膏及助磨剂后进行粉磨至比表面积为350m2/kg，得到低强度固化土专用固化剂，其中低品位固化土专用熟料、脱硫石膏和助磨剂三者的质量百分含量分别为74wt％、25wt％和1.0wt％。
按照标准GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》和GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》对低强度固化土专用固化剂进行测试，试验结果见表5。
实施例2：
一种低强度固化土专用固化剂，按照重量百分比包括以下原料：
低品位固化土专用熟料84wt％，脱硫石膏15wt％，助磨剂1.0wt％。
其中，所述低品位固化土专用熟料由碱渣、工程弃土和铁矿石组成，其矿物成分中C3S含量为50wt％、C2S含量为20wt％、C3A含量为10wt％、C4AF含量为15wt％。
所述碱渣中CaO含量为55wt％，SiO2含量为8wt％，Al2O3含量为8wt％；所述工程弃土中SiO2含量为70wt％，Al2O3含量为15wt％，Fe2O3含量为6wt％；所述铁矿石中Fe2O3含量为60wt％。具体化学成分见表2。
表2原材料化学分析
名称 SiO<sub>2</sub>/％ Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ CaO/％ MgO/％ SO<sub>3</sub>/％ Loss/％
碱渣 8.00 8.00 4.67 55.00 8.78 13.90 1.52
工程弃土 70.00 15.00 6.00 4.26 2.02 0.04 2.56
铁矿石 21.38 6.63 60.00 2.35 0.81 0.06 8.23
一种低强度固化土专用固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1、原材料预处理与均化：将碱渣的含水率通过压滤工艺降至40％，和破碎后的工程弃土、铁矿石、萤石分别采取平铺直取的方式进行均化处理；均化过程中，采用堆料机连续地把进料按一定的方式在堆场上多层堆铺，形成上下重叠的人字形料层的具有一定长宽比的料堆；而取料机则按垂直于料堆的纵向，实行对成分各异的料层的同时切取，完成“平铺直取”，实现各层物料的混合，从而达到均化目的；
2、生料制备：按照质量百分比90wt％:8wt％:2wt％分别取均化后的碱渣、工程弃土和铁矿石进行配料，然后粉磨至80μm筛余为25％的细度，得到生料粉；
3、熟料煅烧：将所述生料粉先投入悬浮预热器预热，然后进入分解炉分解，最后混合生料粉质量0.8wt％的萤石进入干法回转窑中煅烧60min；所述悬浮预热器温度为850℃，所述分解炉温度为890℃，所述干法回转窑温度为1400℃，然后以15℃/min的速度冷却至室温得到低品位固化土专用熟料；
4、固化剂粉磨：将烧成后的固化土专用熟料加入脱硫石膏及助磨剂后进行粉磨至比表面积为300m2/kg，得到低强度固化土专用固化剂，其中低品位固化土专用熟料、脱硫石膏和助磨剂三者的质量百分含量分别为84wt％、15wt％和1wt％。
按照标准GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》和GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》对低强度固化土专用固化剂进行测试，试验结果见表5。
实施例3：
一种低强度固化土专用固化剂，按照重量百分比包括以下原料：
低品位固化土专用熟料83.5wt％，脱硫石膏16wt％，助磨剂0.5wt％。
其中，所述低品位固化土专用熟料由碱渣、工程弃土和铁矿石组成，其矿物成分中C3S含量为45wt％、C2S含量为22wt％、C3A含量为15wt％、C4AF含量为17wt％。
所述碱渣中CaO含量为50wt％，SiO2含量为9wt％，Al2O3含量为6wt％；所述工程弃土中SiO2含量为60wt％，Al2O3含量为20wt％，Fe2O3含量为15wt％；所述铁矿石中Fe2O3含量为62wt％。具体化学成分见表3。
表3原材料化学分析
名称 SiO<sub>2</sub>/％ Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ CaO/％ MgO/％ SO<sub>3</sub>/％ Loss/％
碱渣 9.00 6.00 5.38 50.00 9.21 11.59 8.63
工程弃土 60.00 20.00 15.00 2.15 1.02 0.06 1.03
铁矿石 19.67 6.98 62.00 3.51 0.61 0.03 6.34
一种低强度固化土专用固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1、原材料预处理与均化：将碱渣的含水率通过压滤工艺降至35％，和破碎后的工程弃土、铁矿石、萤石分别采取平铺直取的方式进行均化处理；均化过程中，采用堆料机连续地把进料按一定的方式在堆场上多层堆铺，形成上下重叠的人字形料层的具有一定长宽比的料堆；而取料机则按垂直于料堆的纵向，实行对成分各异的料层的同时切取，完成“平铺直取”，实现各层物料的混合，从而达到均化目的‘
2、生料制备：按照质量百分比83wt％:13wt％:4wt％分别取均化后的碱渣、工程弃土和铁矿石进行配料，然后粉磨至80μm筛余为20％的细度，得到生料粉；
3、熟料煅烧：将所述生料粉先投入悬浮预热器预热，然后进入分解炉分解，最后混合生料粉质量1.0wt％的萤石进入干法回转窑中煅烧45min；所述悬浮预热器温度为850℃，所述分解炉温度为890℃，所述干法回转窑温度为1350℃，然后以13℃/min的速度冷却至室温得到低品位固化土专用熟料；
4、固化剂粉磨：将烧成后的固化土专用熟料加入脱硫石膏及助磨剂后进行粉磨至比表面积为325m2/kg，得到低强度固化土专用固化剂，其中低品位固化土专用熟料、脱硫石膏和助磨剂三者的质量百分含量分别为83.5wt％、16wt％和0.5wt％。
按照标准GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》和GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》对低强度固化土专用固化剂进行测试，试验结果见表5。
实施例4：
一种低强度固化土专用固化剂，按照重量百分比包括以下原料：
低品位固化土专用熟料79.3wt％，脱硫石膏20wt％，助磨剂0.7wt％。
其中，所述低品位固化土专用熟料由碱渣、工程弃土和铁矿石组成，其矿物成分中C3S含量为42wt％、C2S含量为23wt％、C3A含量为13wt％、C4AF含量为18wt％。
所述碱渣中CaO含量为52wt％，SiO2含量为9.5wt％，Al2O3含量为7wt％；所述工程弃土中SiO2含量为65wt％，Al2O3含量为18wt％，Fe2O3含量为10wt％；所述铁矿石中Fe2O3含量为56wt％。具体化学成分见表4。
表4原材料化学分析
名称 SiO<sub>2</sub>/％ Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ CaO/％ MgO/％ SO<sub>3</sub>/％ Loss/％
碱渣 9.50 7.00 6.26 52.00 10.13 9.75 5.21
工程弃土 65.00 18.00 10.00 3.67 1.18 0.05 1.82
铁矿石 22.36 7.27 56.00 4.89 0.99 0.07 7.29
一种低强度固化土专用固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1、原材料预处理与均化：将碱渣的含水率通过压滤工艺降至38％，和破碎后的工程弃土、铁矿石、萤石分别采取平铺直取的方式进行均化处理；均化过程中，采用堆料机连续地把进料按一定的方式在堆场上多层堆铺，形成上下重叠的人字形料层的具有一定长宽比的料堆；而取料机则按垂直于料堆的纵向，实行对成分各异的料层的同时切取，完成“平铺直取”，实现各层物料的混合，从而达到均化目的；
2、生料制备：按照质量百分比87wt％:10wt％:3wt％分别取均化后的碱渣、工程弃土和铁矿石进行配料，然后粉磨至80μm筛余为23％的细度，得到生料粉；
3、熟料煅烧：将所述生料粉先投入悬浮预热器预热，然后进入分解炉分解，最后混合生料粉质量1.2wt％的萤石进入干法回转窑中煅烧50min；所述悬浮预热器温度为850℃，所述分解炉温度为890℃，所述干法回转窑温度为1375℃，然后以14℃/min的速度冷却至室温得到低品位固化土专用熟料；
4、固化剂粉磨：将烧成后的固化土专用熟料加入脱硫石膏及助磨剂后进行粉磨至比表面积为338m2/kg，得到低强度固化土专用固化剂，其中低品位固化土专用熟料、脱硫石膏和助磨剂三者的质量百分含量分别为79.3wt％、20wt％和0.7wt％。
按照标准GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》和GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》对低强度固化土专用固化剂进行测试，试验结果见表5。
表5低强度固化土专用固化剂性能

Claims (10)

1.一种低强度固化土专用固化剂，其特征在于：该固化剂按照重量百分比包括以下组分：
低品位固化土专用熟料 74～84wt％
脱硫石膏 15～25wt％
助磨剂 0.5～1.0wt％；
其中低品位固化土专用熟料由80～90wt％碳酸钙原料、8～15wt％黏土质原料和2～5wt％校正原料磨细后烧制而成。
2.如权利要求1所述的一种低强度固化土专用固化剂，其特征在于：所述的碳酸钙原料为碱渣，碱渣中CaO含量为45～55wt％，SiO2含量为8～10wt％，Al2O3含量为4～8wt％。
3.如权利要求1所述的一种低强度固化土专用固化剂，其特征在于：所述的黏土质原料为地下开挖带来的工程弃土，工程弃土中SiO2含量为50～70wt％，Al2O3含量为15～25wt％，Fe2O3含量为5～15wt％。
4.如权利要求1所述的一种低强度固化土专用固化剂，其特征在于：所述的校正原料为铁矿石，其中Fe2O3含量大于55wt％。
5.如权利要求1所述的一种低强度固化土专用固化剂，其特征在于：所述的低品位固化土专用熟料按照质量分数包括以下矿物成分：C3S 40～50wt％、C2S 20～25wt％、C3A 10～15wt％、C4AF 15～20wt％。
6.如权利要求1所述的一种低强度固化土专用固化剂，其特征在于：所述的低强度固化土专用固化剂仅用于复合地基加固，其标准砂浆28d无侧限抗压强度为25～28MPa。
7.一种如权利要求1～6所述的低强度固化土专用固化剂的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)原材料预处理与均化：将碳酸钙原料的含水率降至30～40％，之后和黏土质原料、校正原料分别进行均化处理；
2)生料制备：按照比例将碳酸钙原料、黏土质原料、校正原料进行配料，然后粉磨得到生料粉；
3)熟料煅烧：生料粉中加入萤石作为矿化剂，然后再煅烧，最后冷却至室温得到低品位固化土专用熟料；
4)熟料粉磨：向烧成后的低品位固化土专用熟料中按比例加入脱硫石膏和助磨剂，共同粉磨得到低强度固化土专用固化剂。
8.如权利要求7所述的一种低强度固化土专用固化剂的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的将碳酸钙原料的含水率降至30～40％是指通过压滤工艺进行，步骤1)所述的均化处理是指通过平铺直取的方式进行均化处理；步骤2)所述的粉磨得到生料粉是指粉磨至80μm筛余为18％～25％的细度，得到所述生料粉。
9.如权利要求7所述的一种低强度固化土专用固化剂的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的萤石的加入量为生料粉质量的0.6～1.2％；步骤3)所述的煅烧过程是指在1300～1400℃煅烧30～60min；步骤3)所述的冷却至室温是指以12～15℃/min的速度冷却至室温。
10.如权利要求7所述的一种低强度固化土专用固化剂的制备方法，其特征在于：步骤4)所述的粉磨得到低强度固化土专用固化剂是指，粉磨至比表面积为300～350m2/kg得到低强度固化土专用固化剂。
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