CN110964534A

CN110964534A - 一种高性能环保软土固化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN110964534A
Application number: CN201910894621.1A
Authority: CN
Inventors: 水亮亮; 郑晓光; 吴立报; 陈亚杰; 徐弯弯
Original assignee: Shanghai Municipal Engineering Design Insitute Group Co Ltd
Current assignee: Shanghai Municipal Engineering Design Insitute Group Co Ltd
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: CN110964534B

Abstract

本发明属先进土木工程材料技术领域，具体涉及一种高性能环保软土固化剂及其制备方法。本发明采用的原材料有脱硫石膏、建筑石膏、矿渣粉、建筑废渣、氢氧化钠、无机盐、纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸盐，首先将矿渣粉、建筑废渣、氢氧化钠及无机盐在球磨机中进行粉磨改性，随后加入脱硫石膏及建筑石膏进行磨细混合，最后加入纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸盐完成混合，由此制得本发明产品。本发明利用粉磨改性及活性激发技术，实现了建筑及工业废弃物的再利用，发明产品具有早期强度发展快、收缩变形小及水稳定性良好等优异性能，适用于各类软弱土体的加固，应用领域广阔。

Description

一种高性能环保软土固化剂及其制备方法

技术领域

本发明属先进土木工程材料技术领域，具体涉及一种高性能环保软土固化剂及其制备方法。

背景技术

随着经济建设的快速发展，工程建设过程中产生的建筑垃圾总量也随之激增，并已成为制约城市可持续发展的重要环境问题。其中，针对废弃混凝土常采用破碎、筛分等方式获得再生骨料并加以利用，但其破碎过程中产生的建筑废渣因强度较低而难以利用，一般采用堆放的方式进行处理，不仅占用大量土地，还因其滤液呈碱性而对土壤产生不利影响。此外，随着工程开挖量的增加，工程弃土在建筑垃圾中所占的比例也越来越大，且常因其含水率高、力学性能差等原因而无法直接利用，目前多采用固化技术进行改良后再利用。其中，水泥改良土、石灰改良土及二灰改良土等因原料易得、成本低、施工方便，且在强度及耐久性等方面具有一定优势，因此在工程弃土改良利用方面得到普遍应用。但在实践积累过程中，人们逐渐认识到此类改良方法存在早期强度低、收缩率大、开裂风险高及改良效果随土质特性变化差异大等缺陷，且水泥、石灰等原材料在生产过程中会消耗大量资源及能源，不满足节能环保的要求。因此，从经济性、环保性及高效性等角度出发，开发高性能环保固化剂是目前弃土改良研究的重要方向。目前，常见固化剂类型及产品性能情况介绍如下：

无机类土壤固化剂多为粉末状，一般以水泥、石灰、粉煤灰及各种矿渣等为主剂，添加少量激发剂制备而成，此类固化剂主要通过无机材料水化生成凝胶类物质，并在土颗粒间形成空间稳定的网状结构，增加土体稳定性，同时固化剂水化过程中产生的钙、镁及铝离子可与土颗粒吸附层中的钠、钾离子发生交换，降低土颗粒双电层厚度，便于后期压实。最后，水化产物在后期发生碳酸化反应，生成难溶的碳酸钙晶体，进一步提高了固化土强度。具有代表性的产品有武汉工业大学的HS软土固化剂、武汉大学发明的HAS固化剂等，其具有成本低、强度稳定性好等优点，但同时也存在早期强度不高、易收缩开裂等不足。

有机化合物类土壤固化剂多为液态，主要由改性水玻璃类、环氧树脂类、高分子材料类及离子类中的一种或多种配合而成。其组分中的一些活性物质溶于水后能显著降低水的表面张力，置换出土颗粒中的阳离子，降低颗粒双电层厚度，进而减小颗粒间的排斥作用，便于后期压实。同时，有机物的分子链与土颗粒间相互吸引，高分子链最终与土颗粒相互缠结，形成稳定整体，提高固化土强度。其代表性产品有南非ISS固化剂、美国Magic系列和Pansai系列产品，但其存在水稳定性不佳等问题，如Magic产品7d饱水无侧限抗压强度不足0.3Mpa，而 Pansai系列仅0.09Mpa，因此应用范围受限。

生物酶技术近年来在国外取得一定进展，但由于其生产工艺复杂，成本较高，导致其应用受限。其主要通过酶的催化作用和外界压力作用，在黏土颗粒表面形成凝结硬化壳，同时，深入内部的固化酶中某种成分可替换土体中凝聚能力低的离子，打破黏土矿物双电层结构，将其中水分排出，促使土颗粒集聚，进一步团粒化而胶结。如目前国外较成熟的帕尔玛液加固土技术，其每加仑(约合3.7kg) 售价高达数百美元，远高于数百人民币每吨的水泥、石灰等材料，且其主要适用于黏粒含量较高的细粒土，并存在浸水后强度下降等问题。

针对常见固化剂产品存在的早期强度发展慢、收缩开裂风险大、水稳定性差及售价高昂等问题，本发明公开了一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，具有制备工艺简单、产品性能好且绿色环保等优点，可用于各类软土的加固，应用前景广阔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，本发明产品不仅消纳了大量建筑及工业废弃物，还可用于各类工程弃土的固化改良，实现“以废治废”的目的，具有显著的环境、社会及经济效益。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于具体原材料组成及质量配比情况如下：

本发明中，所述脱硫石膏需在55-60℃条件下进行烘干处理，其主要矿物组成为CaSO₄·2H₂O，且含量不低于85％。

本发明中，所述建筑石膏为α-半水石膏或β-半水石膏中的一种，以α-半水石膏为佳。

本发明中，所述矿渣粉为S95级矿渣粉与S105级矿渣粉的混合物，混合比例为(90-60)：(10-40)。

本发明中，所述建筑废渣为废弃混凝土破碎过程中产生的废渣，其主要成分为废弃砂浆及废弃水泥浆，其粒径小于10mm。

本发明中，所述氢氧化钠为工业级，NaOH含量不小于96％。

本发明中，所述无机盐为氯化钙与氯化铁的混合物，混合比例为(70-50)： (30-50)。

本发明中，所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，其黏度值为8000MPa·s。

本发明中，所述聚丙烯纤维长度为6-10mm。

本发明中，所述硬脂酸盐为硬脂酸钠、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的一种。

本发明中，所述高性能环保软土固化剂的制备方法包括如下步骤：

1)粉磨改性：将矿渣粉、建筑废渣、氢氧化钠及无机盐按比例加入球磨机中进行粉磨改性，粉磨时间为15-20min；

2)磨细混合：前述粉磨改性工艺结束后，再向球磨机中加入脱硫石膏及建筑石膏，实现物料的磨细与混合，粉磨时间为3-5min；

3)混合：待步骤2)结束后加入纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸盐，继续粉磨2-3min，实现物料的均匀混合。

本发明中，脱硫石膏、建筑石膏、矿渣粉、建筑废渣及氢氧化钠组成多元胶凝体系。其中，脱硫石膏与建筑石膏为体系提供了高硫环境，且建筑石膏遇水快速反应并生成二水石膏晶体，为体系提供了早期强度，矿渣粉含有的铝硅酸玻璃体聚合度低，具有很高的活性，可在碱性环境下大量溶出活性SiO₂和活性Al₂O₃，建筑废渣中含有一定量氢氧化钙，可与氢氧化钠共同为体系提供碱性环境，并与矿渣粉溶出的活性SiO₂和活性Al₂O₃反应生成水化硅酸钙与水化铝酸钙，而水化铝酸钙与硫酸根进一步反应生成高硫型水化硫铝酸钙晶体，这些水化产物相互交织并填充颗粒间隙，形成致密的微观结构，提高体系强度，进而实现对软土的固化。

本发明中，无机盐对体系起到激发作用，可加快固化反应速率，进而加快其强度发展。同时，无机盐溶于水中形成的Ca²⁺与Fe³⁺可与土壤胶粒双电层中的 Na⁺、K⁺离子发生交换，减小双电层厚度，降低颗粒间的排斥阻力，便于后期压实，同时提高土体的水稳定性。

本发明中，纤维素醚一方面提高了体系的保水效果，减小了体系的干燥收缩，另一方面，纤维素醚可对土壤颗粒实现团聚作用，有利于后期压实紧密。

本发明中，聚丙烯纤维均匀分散于固结体中，起到良好的纤维增强效果，即减小了体系的收缩量，又提高了体系的抗裂性能。

本发明中，硬脂酸盐起到了润滑与憎水作用，即润滑土壤颗粒，便于压实紧密，同时压实体具有憎水性，提高了土体的水稳定性。

本发明中，一种高性能环保软土固化剂的制备方法，其步骤1)的粉磨改性可进一步提高矿渣粉中硅氧键与铝氧键的活性，加快活性组分的溶出，提高体系固化速率，进而实现强度快速增长。

本发明中，一种高性能环保软土固化剂的制备方法，其步骤2)的磨细混合主要是对烘干结团的脱硫石膏进行磨细，同时实现多元胶凝体系的均匀混合，增加各组分间的接触面积，进而加快反应速率。

本发明中，一种高性能环保软土固化剂的制备方法，其步骤3)的目的是实现纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸盐在混合物中的均匀混合，若提前加入易造成混合不均等问题。

本发明与市售常用固化剂相比，具有如下优点：

1)本发明利用粉磨改性及活性激发技术，以建筑及工业废弃物为主要原料制备高性能环保固化剂，具有制备工艺简单、原料易得及低碳环保等优点。

2)本发明优选材料组成，并进行合理设计，利用活性激发、产物微膨胀、保水增稠及纤维增强等技术手段，实现了发明产品早期强度发展快、收缩变形小及抗裂性能好等性能特性。

附图说明

图1为实施例产品与水泥试样线性收缩率对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，为使本发明的目的、方法及实施效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，按原材料重量比为脱硫石膏100，α-半水石膏5，矿渣粉(S95：S105＝60:40)110，建筑废渣80，氢氧化钠1.5，无机盐(CaCl₂：FeCl₃＝70:30)1.5，纤维素醚0.1，聚丙烯纤维(长度为10mm)0.5，硬脂酸钠4称取原材料，先将矿渣粉、建筑废渣、氢氧化钠及无机盐加入球磨机中进行粉磨改性，粉磨15min后，再向球磨机中加入脱硫石膏及α-半水石膏，粉磨3min，最后向球磨机中加入纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸钠，粉磨2min，获得本发明产品，记为S-1。

实施例2，一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，按原材料重量比为脱硫石膏100，α-半水石膏15，矿渣粉(S95：S105＝70:30)140，建筑废渣60，氢氧化钠2.5，无机盐(CaCl₂：FeCl₃＝60:40)2.0，纤维素醚0.15，聚丙烯纤维(长度为8mm)0.9，硬脂酸钙5.5称取原材料，先将矿渣粉、建筑废渣、氢氧化钠及无机盐加入球磨机中进行粉磨改性，粉磨17min后，再向球磨机中加入脱硫石膏及α-半水石膏，粉磨4min，最后向球磨机中加入纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸钠，粉磨2min，获得本发明产品，记为S-2。

实施例3，一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，按原材料重量比为脱硫石膏100，β-半水石膏25，矿渣粉(S95：S105＝80:20)155，建筑废渣45，氢氧化钠3.0，无机盐(CaCl₂：FeCl₃＝55:45)2.5，纤维素醚0.3，聚丙烯纤维(长度为8mm)1.6，硬脂酸锌6.5称取原材料，先将矿渣粉、建筑废渣、氢氧化钠及无机盐加入球磨机中进行粉磨改性，粉磨18min后，再向球磨机中加入脱硫石膏及β-半水石膏，粉磨5min，最后向球磨机中加入纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸钠，粉磨3min，获得本发明产品，记为S-3。

实施例4，一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，按原材料重量比为脱硫石膏100，β-半水石膏30，矿渣粉(S95：S105＝90:10)180，建筑废渣30，氢氧化钠4.0，无机盐(CaCl₂：FeCl₃＝50:50)4.0，纤维素醚0.35，聚丙烯纤维(长度为6mm)2.0，硬脂酸钙8称取原材料，先将矿渣粉、建筑废渣、氢氧化钠及无机盐加入球磨机中进行粉磨改性，粉磨20min后，再向球磨机中加入脱硫石膏及β-半水石膏，粉磨5min，最后向球磨机中加入纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸钠，粉磨3min，获得本发明产品，记为S-4。

为明确本发明产品的性能特点，以海螺P·O42.5水泥为对比样，从强度发展、线性收缩率及软土固化效果三方面考察实施例产品的性能。

试验一：强度发展情况

参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-1999中规定的方法，对海螺P·O42.5水泥及四种实施例产品进行试样成型与检测，测试结果如表1所示：

表1实施例产品与水泥强度性能对比

由表1可知，相同龄期条件下，四种实施例产品的抗折强度及抗压强度均高于水泥试样，尤其是7d及28d的抗压强度，高出水泥试样13.6％～18.9％。

试验二：线性收缩率

参照《水泥胶砂干缩试验方法》JC/T 603-2004规定的方法，对海螺P·O42.5 水泥及四种实施例产品进行试样成型与测试，测试结果如图1所示：

由图1可知，四种实施例产品的线性收缩率明显小于水泥试样，且随龄期增长，线性收缩率逐渐趋于稳定。

试验三：软土固化效果

取工程开挖产生的三种淤泥质软土，并对其初始含水率、液塑限及有机质含量进行测定，三种淤泥质软土特性如表2所示。

表2三种淤泥质软土特性

由表2可知，三种淤泥质软土含水率均高于其液限，软土呈流态。利用海螺 P·O42.5水泥及四种实施例产品对三种淤泥质软土进行混合搅拌，其掺量均为淤泥质软土质量的8％，随后成型于70.7mm*70.7mm*70.7mm的立方试模中，试样拆模后置于标准养护制度下进行养护，并于3d、7d及28d进行抗压强度测试，结果如表3所示。

表3实施例产品与水泥对三种淤泥质软土加固效果对比

由表3可知，实施例产品对三种淤泥质软土的加固效果良好，且均优于水泥的加固效果，尤其对于有机质含量较高的软土3，水泥加固效果较弱，而实施例产品却表现出优异的加固效果。

综上可知，本发明产品具有强度发展快、收缩变形小及适用性广的系列优点，可用于多种场合下的软土加固，应用前景广阔。

需要说明的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于原材料组成及质量配比情况如下：

脱硫石膏 100

建筑石膏 5-30

矿渣粉 110-180

建筑废渣 30-80

氢氧化钠 1.5-4.0

无机盐 1.5-4.0

纤维素醚 0.1-0.35

聚丙烯纤维 0.5-2.0

硬脂酸盐 4-8。

2.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述脱硫石膏需在55-60℃条件下进行烘干处理，其主要矿物组成为CaSO₄·2H₂O，且含量不低于85%。

3.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述建筑石膏为α-半水石膏或β-半水石膏中的一种，以α-半水石膏为佳。

4.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述矿渣粉为S95级矿渣粉与S105级矿渣粉的混合物，混合比例为（90-60）：（10-40）。

5.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述建筑废渣为废弃混凝土破碎过程中产生的废渣，其主要成分为废弃砂浆及废弃水泥浆，其粒径小于10mm。

6.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述氢氧化钠为工业级，NaOH含量不小于96%。

7.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述无机盐为氯化钙与氯化铁的混合物，混合比例为（70-50）：（30-50）。

8.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述纤维素醚为羟丙基甲基纤维素醚，其黏度值为8000MPa·s。

9.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述聚丙烯纤维长度为6-10mm。

10.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述硬脂酸盐为硬脂酸钠、硬脂酸钙或硬脂酸锌中的一种。

11.根据权利要求1所述的一种高性能环保软土固化剂及其制备方法，其特征在于所述高性能环保软土固化剂的制备方法包括如下步骤：

1）粉磨改性：将矿渣粉、建筑废渣、氢氧化钠及无机盐按比例加入球磨机中进行粉磨改性，粉磨时间为15-20min；

2）磨细混合：前述粉磨改性工艺结束后，再向球磨机中加入脱硫石膏及建筑石膏，实现物料的磨细与混合，粉磨时间为3-5min；

3）混合：待步骤2）结束后加入纤维素醚、聚丙烯纤维及硬脂酸盐，继续粉磨2-3min，实现物料的均匀混合。