CN111718720A - 一种工业废渣土壤固化剂及其制备方法和施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业废渣土壤固化剂，是由原料钢渣粉5～50％，矿渣粉20～40％，粉煤灰5～30％，废石膏8～25％，煤矸石0～17％，电石渣10～30％按下述方法配制而成：首先将原料粉煤灰，煤矸石粉，废石膏，钢渣粉，矿渣粉依次加入犁刀式搅拌机中，在1500～2000r/min转速下，高速均匀混合20～30分钟，最后加入电石渣，继续搅拌10～20分钟，得到的固化剂成品装袋密封保存。本发明制备的工业废渣土壤固化剂可替代水泥、石灰应用于路基改良处治，具有免煅烧，节能环保等突出优势，同时较水泥、石灰又有明显的价格优势，为粉煤灰、电石渣、钢渣等工业废弃物的资源化利用起到了积极的推动作用，具有广泛而深远的意义。
Description
技术领域
本发明涉及土木建筑材料，尤其是涉及一种工业废渣土壤固化剂，本发明还涉及该土壤固化剂的制备方法以及施工方法。
背景技术
目前在公路工程建设领域，对土体进行改良处治的一般做法就是在土体中掺入水泥、石灰等固化材料，以提高土体的工程性能。但水泥、石灰行业的飞速发展却带来了无法忽视的环境问题，如生产水泥、石灰过程中会产生不同程度的污染问题，而开山劈石所需要的能源、资源消耗巨大，会造成水土流失与生态失衡，进而加剧自然环境恶化。
同时，水泥、石灰虽然是工程建设不可或缺的主要材料，但其在处治土壤方面则存在一定的局限性，其具体表现在：采用水泥稳定土，由于受土壤条件限制，产生强度有限，且干缩系数和温缩系数较大，易产生开裂，致使水泥稳定土的抗压、抗渗、抗冻和抗冲刷性降低。因此，在公路施工规范中，水泥稳定土被禁止用作高级公路基层。另外，水泥对施工要求比较严格，原因是水泥的初凝时间较短，对施工速率要求较高，而在实际施工过程中，因受实际施工条件等因素的影响，在短时间内完成各项工序工作难度较大。采用石灰稳定土，其强度很低且发展缓慢，对施工进度有一定的限制，由于对石灰掺入量要求严格，且石灰稳定土浸水易软化，水稳定性较差，收缩率比水泥更大，一般无法满足工程要求。因此，石灰稳定土被公路施工规范禁止用作高速公路、一级公路基层。
另一方面，我国作为工业大国，每年产生大量的粉煤灰、钢渣、煤矸石等固体废物，这些固废利用率低，污染严重，存储成本高。为减轻粉煤灰、钢渣、煤矸石等大宗工业固体废弃物带来的环境压力，推动其再生利用，国务院、发改委、工信部等政府部门先后印发了《循环经济发展战略及近期行动计划》、《大宗固体废弃物综合利用实施方案》、《大宗固体废弃物综合利用“十二五”规划》、《金属尾矿综合利用专项规划》、《京津冀及周边地区工业资源综合利用产业协同发展行动计划》等文件。鉴于此，将这些固废加以合理处理，使其能替代水泥、石灰作为土体改良处治用固化材料，是本领域技术人员一直努力的方向。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术所存在的不足，提供一种工业废渣土壤固化剂，即以工业废渣为原料，通过调整不同活性材料的配比并进行适当的工艺处理，使其替代水泥、石灰作为土体改良处治用固化材料，为工业废渣的资源化应用起到了积极推动的作用；为此，本发明还提供该该土壤固化剂的制备方法以及具体的施工方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的工业废渣土壤固化剂，是由原料钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、废石膏、煤矸石、电石渣按照下述质量百分比配制而成：
钢渣粉5～50％，矿渣粉20～40％，粉煤灰5～30％，废石膏8～25％，煤矸石0～17％，电石渣10～30％。
为保证固化剂的质量，经过优化，所述原料的质量百分比为：钢渣粉20～30％，矿渣粉30～40％，粉煤灰10～25％，废石膏10～20％，煤矸石5～10％，电石渣15～25％。
由于我国幅员辽阔，各地区土的化学成分与性质不同，为保证与各类土壤、集料均具有良好的适应性，满足路用性能要求，上述原料可在其公开的范围内进行适当调整，满足材料质量百分比之和为100%即可。
为保证成品固化剂满足土体改良处治的要求，本发明对使用的原料作如下限定：
本发明所用的钢渣粉的比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥65%，含水率≤1.0%。
本发明所用的矿渣粉的比表面积≥400m2/kg，7d活性指数≥80%，含水率≤1.0%。
本发明所用的粉煤灰的细度（45μm方孔筛筛余）≤10%，烧失量≤5.0%，强度活性指数≥70%，含水率≤1.0%。
本发明所用的废石膏为磷石膏、脱硫石膏、模具石膏、氟石膏、钛石膏其中的一种或几种混合而成，其中的二水石膏和无水石膏总含量≥80％，细度（45μm方孔筛筛余）≤10%，含水率≤3.0%。
本发明所用的煤矸石为经煅烧后的煤矸石，粉磨后，细度（45μm方孔筛筛余）≤10%。
本发明所用的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，经150～200℃烘干，粉磨，细度（45μm方孔筛筛余）≤10%，含水率≤1%，碳含量≤5%，密封储存。
本发明工业废渣土壤固化剂的制备方法为：首先将原料粉煤灰，煤矸石粉，废石膏，钢渣粉，矿渣粉依次加入犁刀式搅拌机中，在1500～2000r/min转速下，高速均匀混合20～30分钟，最后加入电石渣，继续搅拌10～20分钟，得到的固化剂成品装袋密封保存。
本发明工业废渣土壤固化剂的施工方法如下：
S1、首先将土壤粉碎，将其中的树木、草皮及杂土等杂物清除干净，并筛除土壤中粒径超15mm的大颗粒；
S2、按土壤总量的3~12%称取工业废渣土壤固化剂后与土拌和均匀，得到适于施工的稳定土，并使稳定土的含水率达到比最佳含水率高1.0~2.0个百分点；具体操作时，首先根据室内试验确定工业废渣土壤固化剂添加量，实际用量宜高于室内试验确定量的0.5~1%；
S3、取工业废渣土壤固化剂的初凝时间作为施工控制时间，碾压过程中，稳定土表面应始终保持湿润，如水分蒸发过快，应及时补洒少量的水；
S4、分层铺筑时，下层施工完毕检验合格后应表面刮毛，在上层施工前1~2h宜洒铺水胶比为0.5的工业废渣固化剂净浆；
S5、碾压完成后立即养生，可采用洒水养生、薄膜覆盖养生、土工布覆盖养生等方式，要结合工程实际情况选择适宜的方式，养生期≥7d。
本发明制备的工业废渣土壤固化剂可替代水泥、石灰应用于路基改良处治，具有免煅烧，节能环保等突出优势，同时较水泥、石灰又有明显的价格优势，为粉煤灰、电石渣、钢渣等工业废弃物的资源化利用起到了积极的推动作用，具有广泛而深远的意义。本发明工业废渣土壤固化剂可对粘性土、粉砂土、膨胀土、风积砂等均有较好的稳定效果，市场前景十分广阔。
本发明的有益效果具体体现在：
1、本发明采用的原材料均为工业废渣，成本低廉，原材料来源广泛，具有良好的经济性和环保性。根据计算，本发明制备的工业废渣土壤固化剂比水泥降低成本约20%以上，价格优势显著；使用工业废渣土壤固化剂每代替1万吨水泥，约减少5200吨CO2的排放，每减少1万立方米的碎石用量，能够使约700平方米的植被得到保护，非常符合我国节能减排、绿色发展的产业政策，对工业废渣的资源化利用具有广泛而深远的意义。
2、本发明制备的工业废渣土壤固化剂能够根据施工地土的化学成分及性质，适当调整其配方比例，与各类土壤、集料均具有良好的适应性，具有良好的路用性能，应用前景广阔。
3、本发明制备的工业废渣土壤固化剂使用效果好，在粉土中工业废渣土壤固化剂掺量为3~12%时，7 d无侧限抗压强度既达到1.0~4.0MPa，而且后期强度可大幅度持续增长，在公路工程中可取代传统的水泥、石灰等用于路床处治。
4、本发明制备的工业废渣土壤固化剂可提高土壤颗粒间的吸附力，使土壤易于压实和稳定，各种组分具有相互协同的作用，其水化产物在土壤颗粒间形成强度骨架，进一步提高土壤的承载性能。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做更加详细的说明，以便于本领域技术人员的理解和实施。
以下实施例仅是为清楚说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式作限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在下述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本发明精神所引出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
本发明所使用的工业废渣原材料的理化数据如下表1~表5：
表1 各种原材料的主要化学成分
表2 原材料主要物理参数
表3 原材料主要物理参数
表4 原材料主要物理参数
表5 原材料主要物理参数
本发明实施例中采用的土壤为黄泛区粉土，属于低液限粉土，塑性指数低，水稳定性很差，不能固结，土的性能参数如下表6所示。试验前将土样混匀风干，过0.5 cm筛备用。
表6 土的性能参数
实施例1
本发明的工业废渣土壤固化剂，是由钢渣粉30%，矿渣粉30%，粉煤灰10%，磷石膏10%，煤矸石粉5%，电石渣15%配制而成；
制备时，首先将粉煤灰、煤矸石粉、磷石膏、钢渣粉和矿渣粉依次加入犁刀式搅拌机中，在1500r/min转速下，高速混合30分钟，最后加入电石渣，继续搅拌混合20分钟后，装袋密封保存。
将制备的工业废渣土壤固化剂按照土壤干重的3%、6%、9%、12%掺入土壤中，并测定混合料的最优含水率；以混合料的最佳含水率，加水拌和均匀压实成型，按照试验方法进行养护，到龄期后，检测固化土的各项性能。测试结果见下表7、表8。
实施例2
本发明的工业废渣土壤固化剂，是由钢渣粉20%，矿渣粉30%，粉煤灰15%，模具石膏12%，煤矸石粉5%，电石渣18%配制而成；
制备方法同实施例1。
将制备的工业废渣土壤固化剂按照土壤干重的6%掺入在土壤中，并测定混合料的最优含水率；以混合料的最佳含水率，加水拌和均匀压实成型，按照试验方法进行养护，到龄期后，检测固化土的各项性能。测试结果见下表7、表8。
实施例3
本发明的工业废渣土壤固化剂，是由钢渣粉20%，矿渣粉30%，粉煤灰25%，模具石膏10%，煤矸石粉5%，电石渣10%配制而成；
制备方法同实施例1。
将制备的工业废渣土壤固化剂按照土壤干重的6%掺入在土壤中，并测定混合料的最优含水率；以混合料的最佳含水率，加水拌和均匀压实成型，按照试验方法进行养护，到龄期后，检测固化土的各项性能。测试结果见下表7、表8。
实施例4
本发明的工业废渣土壤固化剂，是由钢渣粉15%，矿渣粉25%，粉煤灰5%，氟石膏20%，煤矸石粉10%，电石渣25%配制而成；
制备方法同实施例1。
将制备的工业废渣土壤固化剂按照土壤干重的6%掺入在土壤中，并测定混合料的最优含水率；以混合料的最佳含水率，加水拌和均匀压实成型，按照试验方法进行养护，到龄期后，检测固化土的各项性能。测试结果见下表7、表8。
实施例5
本发明的工业废渣土壤固化剂，是由钢渣粉20%，矿渣粉40%，粉煤灰10%，磷石膏10%，煤矸石粉5%，电石渣15%配制而成；
制备时，首先将粉煤灰、煤矸石粉、磷石膏、钢渣粉和矿渣粉依次加入犁刀式搅拌机中，在1500r/min转速下，高速混合20分钟，最后加入电石渣，继续搅拌混合10分钟后，装袋密封保存。
将制备的工业废渣土壤固化剂按照土壤干重的6%掺入在土壤中，并测定混合料的最优含水率；以混合料的最佳含水率，加水拌和均匀压实成型，按照试验方法进行养护，到龄期后，检测固化土的各项性能。测试结果见下表7、表8。
实施例6
本发明的工业废渣土壤固化剂，是由钢渣粉25%，矿渣粉30%，粉煤灰10%，磷石膏10%，煤矸石粉5%，电石渣20%配制而成；
制备时，首先将粉煤灰、煤矸石粉、磷石膏、钢渣粉和矿渣粉依次加入犁刀式搅拌机中，在1500r/min转速下，高速混合20分钟，最后加入电石渣，继续搅拌混合20分钟后，装袋密封保存。
将制备的工业废渣土壤固化剂按照土壤干重的6%掺入在土壤中，并测定混合料的最优含水率；以混合料的最佳含水率，加水拌和均匀压实成型，按照试验方法进行养护，到龄期后，检测固化土的各项性能。测试结果见下表7、表8。
对比例1
取郑州天瑞水泥（P.O 42.5水泥）按照土壤干重的6%掺入在土壤中，并测定混合料的最佳含水率；以混合料的最佳含水率，加水拌和均匀压实成型，按照试验方法进行养护，到龄期后，检测固化土的各项性能。测试结果见下表7、表8。
对比例2
土壤中不加任何固化剂，测定混合料的最优含水率；以混合料的最佳含水率，加水拌和均匀压实成型，按照试验方法进行养护，到龄期后，检测固化土的各项性能。
测试结果见下表7、表8。
表7 固化土性能测试结果
由表7可以看出，随着工业废渣土壤固化剂掺量的提高，固化土7d、28d无侧限抗压强度也逐渐增大；掺工业废渣土壤固化剂固化土的水稳系数均大于80%，满足相关标准要求；掺工业废渣固化土的4 h凝结时间影响系数，均大于水泥固化土，这是由于工业废渣土壤固化剂水化活性较低，凝结时间长，便于处治土的施工。固化土28 d无侧限抗压强度是养护6 d且在清水中浸泡22 d后测试的结果，由表中数据可知，掺工业废渣固化土强度增长较水泥固化土的快，这也能反映出工业废渣固化土具有良好的耐水性。
表8 固化土性能测试结果
由上表8可知，工业废渣土壤固化剂稳定粉土的CBR值均随着掺量的增加而不断提高。对于稳定粉土，当工业废渣土壤固化剂掺量为3%时，CBR≥23%，远高于JTG D30-2015《公路路基设计规范》上路床CBR大于8%的要求。
需要说明的是，实际配制时，钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、废石膏、煤矸石、电石渣的配制比例可以在本发明公开的范围内进行适当调整，例如，如果煤矸石的用量为零的情况下，可以适当增大矿渣粉的比例，效果不变。
注：
本发明实施例中采用的具体试验方法包括：
1、水稳系数与4h凝结时间系数
按照CJT486-2015 《土壤固化外加剂》中试验方法固化土的水稳系数4h凝结时间系数。
2、固化土7d、28d无侧限抗压强度
按照JTGE51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中试验方法，固化土试件成型后，在湿度为95%条件下养护6d，再放入清水中浸泡24h，然后用压力机测试其7d无侧限抗压强度。由于标准中没有28d无侧限抗压强度的要求，本发明按照以下试验方式进行：固化土试件成型后，在湿度为95%条件下养护6d，再放入清水中浸泡22h后，测试其28d无侧限抗压强度。
3、CBR、混合料的密度、液限和塑限
按照JTGE40-2007《公路土工试验规程》中试验方法进行。
Claims (10)
1.一种工业废渣土壤固化剂，其特征在于：是由原料钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、废石膏、煤矸石、电石渣按照下述质量百分比配制而成：
钢渣粉5～50％，矿渣粉20～40％，粉煤灰5～30％，废石膏8～25％，煤矸石0～17％，电石渣10～30％。
2.根据权利要求1所述的工业废渣土壤固化剂，其特征在于：所述原料的质量百分比为：钢渣粉20～30％，矿渣粉30～40％，粉煤灰10～25％，废石膏10～20％，煤矸石5～10％，电石渣15～25％。
3.根据权利要求1或2所述的工业废渣土壤固化剂，其特征在于：所述钢渣粉的比表面积≥400m2/kg，7 d活性指数≥65%，含水率≤1.0%。
4.根据权利要求1或2所述的工业废渣土壤固化剂，其特征在于：所述矿渣粉的比表面积≥400m2/kg，7 d活性指数≥80%，含水率≤1.0%。
5.根据权利要求1或2所述的工业废渣土壤固化剂，其特征在于：所述粉煤灰45μm方孔筛筛余≤10%，烧失量≤5.0%，强度活性指数≥70%，含水率≤1.0%。
6.根据权利要求1或2所述的工业废渣土壤固化剂，其特征在于：所述废石膏为磷石膏、脱硫石膏、模具石膏、氟石膏、钛石膏中的一种或几种混合而成，其中的二水石膏和无水石膏总含量≥80％，45μm方孔筛筛余≤10%，含水率≤3.0%。
7.根据权利要求1或2所述的工业废渣土壤固化剂，其特征在于：所述煤矸石为煅烧后的煤矸石，粉磨后， 45μm方孔筛筛余≤10%。
8.根据权利要求1或2所述的工业废渣土壤固化剂，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，经150～200℃烘干，粉磨，45μm方孔筛筛余≤10%，含水率≤1%，碳含量≤5%，密封储存。
9.权利要求1或2所述工业废渣土壤固化剂的制备方法，其特征在于：首先将原料粉煤灰，煤矸石粉，废石膏，钢渣粉，矿渣粉依次加入犁刀式搅拌机中，在1500～2000r/min转速下，高速均匀混合20～30分钟，最后加入电石渣，继续搅拌10～20分钟，得到的固化剂成品装袋密封保存。
10.权利要求1或2所述工业废渣土壤固化剂的施工方法，其特征在于：包括下述步骤：
S1、首先将土壤粉碎，将其中的杂物清除干净，并筛除土壤中超尺寸的颗粒；
S2、按土壤总量的3~12%称取工业废渣土壤固化剂后与土拌和均匀，得到适于施工的稳定土，并使稳定土的含水率达到比最佳含水率高1.0~2.0个百分点；
S3、取工业废渣土壤固化剂的初凝时间作为施工控制时间，碾压过程中，稳定土表面应始终保持湿润；
S4、分层铺筑时，下层施工完毕检验合格后应表面刮毛，在上层施工前1~2h洒铺水胶比为0.5的工业废渣固化剂净浆；
S5、碾压完成后立即养生，养生期不少于7d 。
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