CN112159194A - 适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料及其制备方法。采用赤泥为主体材料，并协同其他多源固废，以氢氧化钾、电石渣、生石灰为激发剂，制备适用于改扩建工程既有桩基承载力加固的多源固废基注浆材料。本发明的制备方法简单，所制备的注浆材料凝结时间短、早期强度高、膨胀系数大、桩土界面胶结强度高，适用于既有桩基承载力加固，可保证高速公路改扩建工程的安全建设，并且缓解固废堆存压力，解决赤泥对环境造成的污染问题，推动固废高附加值综合利用。

Description

适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种以多源固废为主要原材料制备适用于改扩建工程既有桩基承载力加固的注浆材料，属于桩基加固工程、建材制备、工业固体废弃物综合利用技术领域。

背景技术

我国早期建设的高速公路以双向四车道为主，随着国民经济的发展，交通运营车辆数量与日俱增，原有高速公路的通行能力与快速增长的交通需求之间的矛盾日益突出，对原有高速公路进行改扩建已成为交通建设发展新常态，对此，需要做好公路改扩建工程，从而为区域经济发展奠定坚实的基础。目前，我国高速公路改扩建工程目前均以“四车道改八车道”为主，且大部分采用双侧加宽的形式。利用既有公路资源进行改扩建，具有节约土地、保护环境、降低造价等优点，是符合科学发展观要求的公路工程建设形式。但是，改扩建工程对原通行路面影响较大，路面交通荷载的大幅增加使得原有桩基承载力超过极限承载状态，威胁高速公路的运营安全。在高速公路改扩建工程中，注浆可以提高原有桩基的整体性和桩土界面胶结强度，继而使得原有桩基承载力大幅提高，有助于降低对周围环境的影响，提高高速公路的使用效果。

注浆材料作为注浆技术的关键控制因素之一，得到越来越多的关注。部分学者针对注浆加固材料展开了研究，以有效改善被加固体的力学结构。如中文专利CN110845213A公开了一种软弱地层隧道超前深孔注浆加固材料，通过向水泥中添加建筑废弃沙石、粉煤灰等，提高材料体系粘度，缩短凝结时间，提高浆料体系抗分散性能；中文专利CN111377689A公开了一种具有海岛结构的高强度复合注浆加固材料，通过A组分(硅酸盐水溶液、多异氰酸酯、多元醇、反应稳定剂、成膜助剂)和B组分(反应促进剂、增强剂和降温剂)含量调节，提高材料的抗压强度；中文专利CN111268941A公开了一种有机高分子双液型注浆材料，通过添加增强剂、膨胀剂、阻燃剂、催化剂和稳定剂等，固化生成高强度的膨胀固结体，提高固化稳定性。

我国工业固废量大、面广、害多，产量逐年累积且种类繁多，大量工业固体废弃物的堆积导致了很多灾难性的问题，包括对环境的污染、对生态的破坏。固废处理中赤泥的问题最为突出，赤泥的大规模堆放对水源、生态等造成持续性污染，然而赤泥的利用率低，尚无有效的工业化处理方法。赤泥具有高碱性且工业固废的化学成分以SiO₂、Al₂O₃、CaO为主，具有潜在的胶凝活性，可用于制备碱激发注浆材料。因此，发挥多源固废协同互补优势，大宗消化赤泥等固废制备绿色土木功能材料已迫在眉睫。此外，随着环保意识的增强，硅酸盐水泥制备能耗高、原料不可再生等问题日益凸显，利用“以废治灾”的理念，利用具有潜在胶凝活性的冶金渣、化工渣制备绿色土木工程材料已成为缓解工业固体废弃物堆存压力、取代传统水泥基胶凝材料的研究热点。

目前，部分学者展开了利用多源固废协同互补理论制备注浆材料的研究，以提高资源利用率。如中文专利CN110482995B公开了一种以固硫灰渣、粉煤灰为主要原材料的环保型脱空注浆材料，大幅提升注浆材料性价比；中文专利CN111018423A公开了一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，通过向矿粉和煤矸石粉中添加碱性激发剂进行激发激活，形成了具有速凝效果、结石率更高的注浆材料；中文专利CN108383471B公开了一种赤泥基注浆材料，以含水赤泥为主要原材料，协同高炉矿渣提高注浆材料的早期强度并合理利用了工业废弃物。

高速公路改扩建工程桩基加固治理中，传统的注浆加固材料以硅酸盐水泥单液浆为主。但是水泥类浆液存在凝结时间长、桩-土胶结界面强度低等问题，使得无法高效提升原有桩基桩侧摩阻力和极限承载能力，从而制约了改扩建工程中原有桩基的高效加固。虽然多源固废基注浆材料具有一定的力学强度，但赤泥的利用率相对较低，且性能较低，不适用于高速公路改扩建工程桩基注浆加固治理。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供了一种以赤泥利用为主的固废基注浆材料，利用以赤泥为主要原材料，其他多源固废协同互补的理论，通过添加激发剂和外加剂，制备凝结时间短、抗压强度高、粘结性优异的、膨胀系数高的高性能注浆材料，适用于高速公路改扩建工程既有桩基承载力加固等领域。为实现上述目的，本发明利用赤泥的高碱性以及工业固废的化学成分以SiO₂、Al₂O₃、CaO为主的特点制备胶凝材料，利用碱性激发剂提高固废的胶凝活性，通过添加外加剂实现缩短注浆材料凝结时间、提高早期强度高、提升粘结性等工作性能，从而制备能够高效提高原有桩基桩侧摩阻力和极限承载能力的固废基注浆材料。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提出的一种适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，由以下质量份的组分组成：赤泥50-70份，高炉矿渣20-40份，石灰石尾矿10-25份，脱硫石膏10-20份，激发剂5-40份，速凝剂2-8份，膨胀剂6-11份，早强剂3-8份，增稠剂1-4份，减水剂2-8份。其中，激发剂组分和质量比为氢氧化钾15-25份，电石渣10-20份，生石灰5-15份。

第二方面，本发明还提出了一种利用多类型固废制备注浆材料的方法，包括如下步骤：

将赤泥粉磨至比表面积为100-200m²/kg，备用；

将高炉矿渣粉磨至比表面积为200-400m²/kg，备用；

将石灰石尾矿粉磨至比表面积为50-100m²/kg，备用；

将电石渣粉磨至比表面积为100-230m²/kg，备用；

将生石灰粉磨至比表面积为400-450m²/kg，备用；

按质量配比称取赤泥、高炉矿渣、石灰石尾矿、脱硫石膏，在干燥状态下搅拌60-120s，加入相应质量的激发剂和外加剂，控制水灰比为0.6:1-0.8:1，制备浆体，搅拌均匀即得。

本发明的优势在于制备注浆材料过程中消耗了大量赤泥及其他固废，解决了以赤泥为主的固废堆存问题，节约材料制备成本；所制备的固废基注浆材料具备结时间短、抗压强度高、粘结性优异的、膨胀系数大的优点，可广泛用于高速公路改扩建工程桩基加固治理等注浆领域，不仅能够高效解决原有桩基承载力不足的问题，而且能够大宗消纳固废，缓解以赤泥为主的生态及环境污染问题。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，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；

本发明公开的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，由以下质量份的组分组成：赤泥50-70份，高炉矿渣20-40份，石灰石尾矿10-25份，脱硫石膏10-20份，激发剂5-40份，速凝剂2-8份，膨胀剂6-11份，早强剂3-8份，增稠剂1-4份，减水剂2-8份。激发剂组分和质量比为氢氧化钾15-25份，电石渣10-20份，生石灰5-15份。其中所述赤泥为拜耳法、烧结法或联合法产生的赤泥，赤泥烘干粉磨至比表面积为100-200m²/kg；所述高炉矿渣为铸造生铁矿渣、炼钢生铁矿渣和特种生铁矿渣的一种或几种，高炉矿渣烘干粉磨至比表面积为200-400m²/kg。所述石灰石尾矿粉磨至比表面积为50-100m²/kg。所述的氢氧化钾为自行配制的浓度为7％-16％的氢氧化钾水溶液。所述的电石渣粉磨至比表面积为100-230m²/kg。所述的生石灰为钙质生石灰或镁质生石灰中一种或几种，烘干粉磨至比表面积为200-300m²/kg。

上述的速凝剂为市售低碱速凝剂或有机无机复合型速凝剂中的一种或几种。

上述的膨胀剂为明矾石膨胀剂、硫铝酸钙膨胀剂、氧化钙膨胀剂中的一种或几种。

上述的早强剂为氯化钙、硫酸钙、偏铝酸钠、氯化锂、硅灰、亚硝酸钠中的一种或几种。

上述的增稠剂为聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、卡拉胶、羧甲基纤维素中的一种或几种。

上述的减水剂为木质素磺酸盐、密胺系减水剂、干酪素中的一种或几种。

上述一种利用固废制备注浆材料的方法，如下：

(1)利用球磨机将赤泥粉磨至比表面积为100-200m²/kg，备用；

(2)利用球磨机将高炉矿渣粉磨至比表面积为200-400m²/kg，备用；

(3)利用球磨机将石灰石尾矿粉磨至比表面积为50-100m²/kg，备用；

(4)利用球磨机将电石渣粉磨至比表面积为100-230m²/kg，备用；

(5)利用球磨机将生石灰粉磨至比表面积为400-450m²/kg，备用；

(6)按质量配比称取赤泥、高炉矿渣、石灰石尾矿、脱硫石膏，在干燥状态下搅拌60-120s，加入相应质量的激发剂和外加剂，控制水灰比为0.6:1-0.8:1，制备浆体，搅拌均匀即得。

下面是几个具体的实施例：

实施例1

本实施例公开的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料的组分及质量比：拜耳法赤泥50份，炼钢生铁矿渣40份，石灰石尾矿25份，脱硫石膏15份，激发剂40份。激发剂组分和质量比为浓度16％的氢氧化钾水溶液25份，电石渣20份，生石灰15份。外加剂组分和质量比为8604型低碱速凝剂8份，明矾石膨胀剂11份，氯化钙8份，聚丙烯酰胺4份，木质素磺酸钠8份。

对应的制备方法：将粉磨至特定比表面积的赤泥、高炉矿渣、石灰石尾矿协同脱硫石膏在干燥状态下搅拌120s，向其中加入相应比例的激发剂和外加剂，加水按水灰比0.8:1混合搅拌均匀。

实施例2

本实施例公开的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料的组分以及质量比为：拜耳法赤泥70份，特种生铁矿渣20份，石灰石尾矿10份，脱硫石膏10份，激发剂15份，外加剂10份。激发剂组分和质量比为浓度8％的氢氧化钾水溶液15份，电石渣10份，生石灰5份。外加剂组分和质量比为782型低碱速凝剂4份，硫铝酸钙膨胀剂6份，亚硝酸钠6份，卡拉胶1份，干酪素2份。

本实施例对应的制备方法：将粉磨至特定比表面积的赤泥、高炉矿渣、石灰石尾矿协同脱硫石膏在干燥状态下搅拌120s，向其中加入相应比例的激发剂和外加剂，加水按水灰比1:1混合搅拌均匀。

实施例3

本实施例公开的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料的组分以及质量比为：烧结法赤泥60份，铸造生铁矿渣35份，石灰石尾矿20份，脱硫石膏18份，激发剂25份，外加剂22份。激发剂组分和质量比为浓度12％的氢氧化钾水溶液20份，电石渣18份，生石灰12份。外加剂组分和质量比为7Ⅱ型速凝剂3份，硫铝酸钙膨胀剂10份，硫酸钙7份，羧甲基纤维素3份，密胺系减水剂6份。

本实施例对应的制备方法：将粉磨至特定比表面积的赤泥、高炉矿渣、石灰石尾矿协同脱硫石膏在干燥状态下搅拌120s，向其中加入相应比例的激发剂和外加剂，加水按水灰比1:1混合搅拌均匀。

实施例4

本实施例公开的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料的组分以及质量比为：烧结法赤泥55份，铸造生铁矿渣20份，石灰石尾矿15份，脱硫石膏13份，激发剂25份，外加剂22份。激发剂组分和质量比为浓度10％的氢氧化钾水溶液17份，电石渣13份，生石灰10份。外加剂组分和质量比为红星Ⅰ型速凝剂8份，氧化钙膨胀剂7份，氯化钙3份，聚乙烯醇4份，木质素磺酸镁5份。

本实施例对应的制备方法：将粉磨至特定比表面积的赤泥、高炉矿渣、石灰石尾矿协同脱硫石膏在干燥状态下搅拌120s，向其中加入相应比例的激发剂和外加剂，加水按水灰比1:1混合搅拌均匀。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，各组分重量份数如下：赤泥50-70份，高炉矿渣20-40份，石灰石尾矿10-25份，脱硫石膏10-20份，激发剂5-40份，速凝剂2-8份，膨胀剂6-11份，早强剂3-8份，增稠剂1-4份，减水剂2-8份。

2.根据权利要求1所述适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，所述激发剂组分和质量比为氢氧化钾15-25份，电石渣10-20份，生石灰5-15份。

3.根据权利要求2所述的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，所述的氢氧化钾为浓度为7％-16％的氢氧化钾水溶液。

4.根据权利要求2所述的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，所述的电石渣粉磨至比表面积为100-230m²/kg。

5.根据权利要求书2所述的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，所述的生石灰的比表面积为200-300m²/kg。

6.根据权利要求1所述的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，所述的赤泥烘干粉的比表面积为100-200m²/kg。

7.根据权利要求1所述的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，所述的高炉矿渣烘干粉的比表面积为200-400m²/kg。

8.根据权利要求1所述的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，所述石灰石尾矿粉的比表面积为50-100m²/kg。

9.根据权利要求1所述的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料，其特征是，所述的生石灰为钙质生石灰或镁质生石灰中一种或几种；进一步的，所述高炉矿渣为铸造生铁矿渣、炼钢生铁矿渣和特种生铁矿渣的一种或几种；进一步的，所述的为拜耳法、烧结法或联合法产生的赤泥。

10.如权利要求1-9任一所述的适用于既有桩基承载力加固的固废基注浆材料的制备方法，其特征是，如下：

将赤泥粉磨至比表面积为100-200m²/kg，备用；

高炉矿渣粉磨至比表面积为200-400m²/kg，备用；

石灰石尾矿粉磨至比表面积为50-100m²/kg，备用；

将电石渣粉磨至比表面积为100-230m²/kg，备用；

将生石灰粉磨至比表面积为400-450m²/kg，备用；

按质量配比称取赤泥、高炉矿渣、石灰石尾矿、脱硫石膏，在干燥状态下搅拌60-120s，加入相应质量的激发剂和外加剂，控制水灰比为0.6:1-0.8:1，制备浆体，搅拌均匀即得。