CN113121134A - 一种膨胀土固化剂及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种膨胀土固化剂及应用，该膨胀土固化剂包括以下原料组分：锅炉灰渣、硅铝质原料和固结原料；其中，硅铝质原料占锅炉灰渣的质量的5‑50％，固结原料占锅炉灰渣的质量的1‑10％。本发明的处治高含水膨胀土的同时，可以大规模消纳锅炉灰渣，为锅炉灰渣提供一条有效的资源化利用途径。

Description

一种膨胀土固化剂及应用
技术领域
本发明涉及一种膨胀土固化剂及应用，也涉及锅炉灰渣的综合利用技术。
背景技术
膨胀土在我国范围内分布非常广泛。膨胀土含有较多黏土矿物，如蒙脱石、伊利石等，亲水性较强的蒙脱石对水的敏感性，使膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩-再吸水-再膨胀这种反复胀缩的特性，并且在吸水膨胀后强度下降幅度较大，对道路工程构成很大的危害。
目前常用的土壤固化手段为化学改良方法，通过在土壤中加入二灰、水泥等，达到提高强度和水稳性的目的。但是由于膨胀土在自然状态下含水率高，并且液限较高，导致难以形成液态、粘性较大，土壤颗粒之间易相互粘结形成团状或者块状，难以与石灰、粉煤灰或水泥拌合均匀，给现场施工带来了很大的困难。
随着国内环保要求日益严格，燃煤与环保的矛盾日益突出，流化床锅炉已成首选的高效低污染锅炉产品。循环流化床(CFB)燃烧技术具有燃料适应性好、较高的热效率、较低的电耗和低硫排放等优点，目前已在我国电厂中实现了大规模推广应用，全国CFB锅炉已超过3000台。由于采用低热值煤燃烧供能，CFB锅炉产生的灰渣可达原煤质量的50％。据统计，我国年排放灰渣产量超过2亿吨，锅炉灰渣的处置也成为一个难题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明结合一定硅铝质原料和固结原料，制备得到一种固化剂，可以使高含水膨胀土固化，实现炉灰渣和高含水膨胀土的协同处治，节约了公路建设成本，具有显著的经济、社会和生态效益。
本发明提供一种膨胀土固化剂，包括以下原料组分：锅炉灰渣、硅铝质原料和固结原料；其中，硅铝质原料占锅炉灰渣的质量的5-50％，固结原料占锅炉灰渣的质量的1-10％。
优选地，硅铝质原料占锅炉灰渣的质量的10-40％，更优选地，硅铝质原料占锅炉灰渣的质量的20-30％。
优选地，固结原料占锅炉灰渣的质量的1-10％，更优选地，固结原料占锅炉灰渣的质量的2-5％。
优选地，所述固结原料为聚乙烯醇、聚丙烯酸树脂、壳聚糖中的一种或者几种的组合。
优选地，所述硅铝质原料为高岭土、烧粘土、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、钢渣粉中的任意一种或任意几种的组合。
优选地，所述膨胀土固化剂的0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，膨胀土固化剂的比表面积不小于350kg/m3。
优选地，所述锅炉灰渣为循环流化床(CFB)的锅炉飞灰和/或炉渣中的一种或两种的组合。
优选地，所述锅炉灰渣中，SO3质量百分含量为10％以下，游离CaO的质量百分含量为10％以下；优选为SO3质量百分含量为2-10％，游离CaO的质量百分含量为2-8％。
本发明还提供所述的膨胀土固化剂在公路铺设中的应用。
优选地，向膨胀土中掺入占膨胀土质量1％-20％的膨胀土固化剂。
优选地，将膨胀土固化剂分为两份，先将第一份膨胀土固化剂加入膨胀土中，拌合，再加入第二份膨胀土固化剂。
优选地，第一份膨胀土固化剂占膨胀土固化剂总质量的10-40％。
本发明的膨胀土固化剂利用了较多的CFB锅炉灰渣，即本发明的固化剂不但可以用于固化膨润土，而且还可以帮助处置CFB锅炉灰渣这种固废，实现了锅炉灰渣的资源化利用。
膨胀土的自然含水率为20％以上，高含水膨胀土的固化是一个技术难题，而本发明的膨润土固化剂特别适合高含水率的膨润土的固化。本发明的固化剂适合对固化含水率为20％-50％的膨胀土，更优选含水量为35-50％。
循环流化床(CFB)锅炉灰渣的最佳含水率较高，其中飞灰的最佳含水率可达35％以上，炉渣在20％左右，并且灰渣的吸水性较强，在固结原料的共同作用下，可以高效地吸纳膨胀土中的水分。作用机理如下：
(1)CFB灰渣比表面积大、活性强，导致其高需水性；
(2)f-CaO+H2O→Ca(OH)2，灰渣中富集的f-CaO与水反应的过程会消耗掉一部分水；
(3)固结原料在结构上是轻度交联的高分子空间网络，具有许多离解基(-OH、-NH2、-COONa)，其网络结构是由化学交联和大分子链间的相互缠绕的物理交联构成的。当快速脱水固结原料遇到水时，立即离解为带正电荷的低分子离子(Na+)和带负电的高分子离子。低分子离子(Na+)与水接触而运动，离开了高分子离子链，由于带负电荷的高分子离子存在相互电排斥力，使高分子网束由相互缠绕状态逐渐伸展(或溶胀)开来，从而造成网络结构内外产生渗透压，水分子以渗透方式向网络结构扩散、形成溶胶，因此具有很强大的吸水性。
循环流化床(CFB)锅炉灰渣中含有SO3、CaO等活性化学组分，在加入活性硅铝质原料后，发生复杂的化学反应，起到固化土壤的作用。作用机理如下：
(1)CFB锅炉灰渣中的活性Ca、S成分激发硅铝质原料的反应活性，与SiO2、Al2O3反应生成水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)凝胶，形成致密、稳定的胶凝网络；
(2)C-A-H与SO3迅速发生反应生成钙矾石(AFt)，为固化膨胀土提供早期强度。
由于高含水膨胀土相互粘结、难以拌合，因此采用二次拌合的使用方法。第一步，掺入少部分固化剂与膨胀土拌合，起到初步降低含水率的目的，得到预处理膨胀土，由于固化剂与土中水发生反应，使土团块在接下来的翻拌过程中容易破碎，即所谓的“砂化”。待一定时间后加入剩余固化剂，混合后搅拌均匀，即可压实施工。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出以循环流化床锅炉灰渣、硅铝质原料和固结原料制备高含水膨胀土固化剂，可以快速吸收水分、发生胶凝反应，对膨胀土起到显著的固化作用；
(2)本发明提出以循环流化床锅炉灰渣为主要原料制备高含水膨胀土固化剂，在处治高含水膨胀土的同时，可以大规模消纳锅炉灰渣，为锅炉灰渣提供一条有效的资源化利用途径；
(3)本发明提出高含水膨胀土固化剂的应用，可以高效地将固化剂和膨胀土拌合均匀、易于施工；本发明制备的路基，具有抗承载力高、膨胀率低和水稳性优异等特点，能够为公路建设提供保障。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。若无特别说明，本发明中掺量、含量、筛余等与质量有关的百分数均指质量百分数。
本发明的实施例和对比例所使用的膨胀土的基本性质和CBR试验特性见表1、2，所使用的高硫高钙型CFB锅炉灰渣来自山西国峰电厂，低硫低钙型CFB锅炉灰渣来自山西河津电厂，化学成分见表3、4。试验方法按照《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)中相关标准进行击实试验和承载比(CBR)试验。
表1膨胀土的基本性质
液限/％ 塑限/％ 天然含水率/％ 自由膨胀率/％ 最大干密度/g/cm<sup>3</sup> 最佳含水率/％
138 39 43 75 1.22 24
表2膨胀土的CBR试验特性
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
505 3.6 4.1
表3高硫高钙型CFB锅炉灰渣的化学成分
成分 烧失量 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 总钙 Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SO<sub>3</sub> MgO f-CaO
飞灰/％ 4.6 39.0 26.6 11.7 5.3 8.1 1.4 2.9
炉渣/％ 3.0 41.0 24.3 14.8 3.6 9.2 1.8 6.7
表4低硫低钙型CFB锅炉灰渣的化学成分
成分 烧失量 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 总钙 Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SO<sub>3</sub> MgO f-CaO
飞灰/％ 10.2 42.8 32.9 4.2 4.0 2.4 0.7 0.7
炉渣/％ 3.8 52.9 31.5 2.3 3.2 2.2 0.8 0.6
实施例1：
本实施例提供一种膨润土固化剂(简称固化剂，下同)，固化剂的组成为：CFB锅炉灰渣50kg、硅铝质原料2.5kg和固结原料0.5kg。
其中，锅炉灰渣为山西国峰电厂的高硫高钙型炉渣，炉渣的SO3质量百分含量为9.2％，游离CaO的质量百分含量为6.7％；硅铝质原料为高岭土、粉煤灰和矿渣粉三种的任意配比的组合；固结原料为聚乙烯醇。
制备方法为：将飞灰、硅铝质原料和固结原料装入混料机中搅拌15min后，使用球磨机将膨胀土固化剂粉磨至0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，比表面积不小于350kg/m3。
本实施例基于实验室条件开展，固化剂的使用掺量为高含水膨胀土的5％，分两次掺入，第一次掺入固化剂的30％，拌合后掺入剩余固化剂；膨胀土与固化剂混合料的最佳含水率为29％，最大干密度为1.21g/cm3，CBR试验结果如表5所示。
表5
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
215 1.9 16.5
实施例2：
本实施例提供一种膨润土固化剂(简称固化剂，下同)，固化剂的组成为：在50kg的CFB锅炉灰渣中掺入硅铝质原料20kg，固结原料3kg。
其中，锅炉灰渣为山西国峰电厂的高硫高钙型炉渣，炉渣的SO3质量百分含量为9.2％，游离CaO的质量百分含量为6.7％；硅铝质原料为高岭土、粉煤灰和矿渣粉三种的任意配比的组合；固结原料为聚乙烯醇。
制备方法为：将炉渣、硅铝质原料和固结原料装入混料机中搅拌15min后，使用球磨机将膨胀土固化剂粉磨至0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，比表面积不小于350kg/m3。
本实施例基于实验室条件开展，固化剂的使用掺量为高含水膨胀土的5％，分两次掺入，第一次掺入固化剂的30％，拌合后掺入剩余固化剂；膨胀土与固化剂混合料的最佳含水率为24％，最大干密度为1.29g/cm3，CBR试验结果如表6所示。
表6
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
169 1.5 45.7
实施例3：
本实施例提供一种膨润土固化剂(简称固化剂，下同)，固化剂的组成为：在50kg的CFB锅炉灰渣中掺入硅铝质原料2.5kg，固结原料0.5kg。
其中，锅炉灰渣为山西国峰电厂的高硫高钙型炉渣，炉渣的SO3质量百分含量为9.2％，游离CaO的质量百分含量为6.7％；硅铝质原料为高岭土、粉煤灰和矿渣粉三种的任意配比的组合；固结原料为聚乙烯醇。
制备方法为：将炉渣、硅铝质原料和固结原料装入混料机中搅拌15min后，使用球磨机将膨胀土固化剂粉磨至0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，比表面积不小于350kg/m3。
本实施例基于实验室条件开展，固化剂的使用掺量为高含水膨胀土的15％，分两次掺入，第一次掺入固化剂的30％，拌合后掺入剩余固化剂；膨胀土与固化剂混合料的最佳含水率为23％，最大干密度为1.34g/cm3，CBR试验结果如表7所示。
表7
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
156 1.4 49.5
实施例4：
本实施例提供一种膨润土固化剂(简称固化剂，下同)，固化剂的组成为：在50kg的CFB锅炉灰渣中掺入硅铝质原料20kg，固结原料3kg。
其中，锅炉灰渣为山西国峰电厂的高硫高钙型飞灰，飞灰的SO3质量百分含量为8.1％，游离CaO的质量百分含量为2.9％；硅铝质原料为高岭土、粉煤灰和矿渣粉三种的任意配比的组合；固结原料为聚乙烯醇。
制备方法为：将飞灰、硅铝质原料和固结原料装入混料机中搅拌15min后，使用球磨机将膨胀土固化剂粉磨至0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，比表面积不小于350kg/m3。
本实施例基于实验室条件开展，固化剂的使用掺量为高含水膨胀土的5％，分两次掺入，第一次掺入固化剂的30％，拌合后掺入剩余固化剂；膨胀土与固化剂混合料的最佳含水率为26％，最大干密度为1.17g/cm3，CBR试验结果如表8所示。
表8
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
257 1.4 33.8
实施例5：
本实施例提供一种膨润土固化剂(简称固化剂，下同)，固化剂的组成为：在50kg的CFB锅炉灰渣中掺入硅铝质原料2.5kg，固结原料0.5kg。
其中，锅炉灰渣为山西大土河电厂的低硫低钙型炉渣，炉渣的SO3质量百分含量为2.2％，游离CaO的质量百分含量为0.6％；硅铝质原料为高岭土、粉煤灰和矿渣粉三种的任意配比的组合；固结原料为聚乙烯醇。
制备方法为：将炉渣、硅铝质原料和固结原料装入混料机中搅拌15min后，使用球磨机将膨胀土固化剂粉磨至0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，比表面积不小于350kg/m3。
本实施例基于实验室条件开展，固化剂的使用掺量为高含水膨胀土的15％，分两次掺入，第一次掺入固化剂的30％，拌合后掺入剩余固化剂；膨胀土与固化剂混合料的最佳含水率为24％，最大干密度为1.31g/cm3，CBR试验结果如表9所示。
表9
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
184 1.0 21.8
实施例6：
本实施例提供一种膨润土固化剂(简称固化剂，下同)，固化剂的组成为：在50kg的CFB锅炉灰渣中掺入硅铝质原料2.5kg，固结原料0.5kg。
其中，锅炉灰渣为山西大土河电厂的低硫低钙型炉渣，炉渣的SO3质量百分含量为2.2％，游离CaO的质量百分含量为0.6％；硅铝质原料为烧黏土；固结原料为聚丙烯酸树脂。
制备方法为：将炉渣、硅铝质原料和固结原料装入混料机中搅拌15min后，使用球磨机将膨胀土固化剂粉磨至0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，比表面积不小于350kg/m3。
本实施例基于实验室条件开展，固化剂的使用掺量为高含水膨胀土的15％，分两次掺入，第一次掺入固化剂的30％，拌合后掺入剩余固化剂；膨胀土与固化剂混合料的最佳含水率为24％，最大干密度为1.30g/cm3，CBR试验结果如表10所示。
表10
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
166 1.0 22.6
实施例7：
本实施例提供一种膨润土固化剂(简称固化剂，下同)，固化剂的组成为：在50kg的CFB锅炉灰渣中掺入硅铝质原料2.5kg，固结原料0.5kg。
其中，锅炉灰渣为山西大土河电厂的低硫低钙型炉渣，炉渣的SO3质量百分含量为2.2％，游离CaO的质量百分含量为0.6％；硅铝质原料为烧黏土；固结原料为聚丙烯酸树脂。
制备方法为：将炉渣、硅铝质原料和固结原料装入混料机中搅拌15min后，使用球磨机将膨胀土固化剂粉磨至0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，比表面积不小于350kg/m3。
本实施例基于实验室条件开展，固化剂的使用掺量为高含水膨胀土的15％，一次性全部掺入，与膨胀土的拌合较为困难，膨胀土粘度太大、难以与固化剂混合均匀；膨胀土与固化剂混合料的最佳含水率为24％，最大干密度为1.30g/cm3，CBR试验结果如表11所示。
表11
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
174 1.0 17.0
实施例8：
本实施例提供一种膨润土固化剂(简称固化剂，下同)，固化剂的组成为：在5t的CFB锅炉灰渣中掺入硅铝质原料1t，固结原料0.15t。
具体地，锅炉灰渣为山西国峰电厂的高硫高钙型飞灰，飞灰的SO3质量百分含量为15％，游离CaO的质量百分含量为10％；硅铝质原料为高岭土、粉煤灰和矿渣粉三种的任意配比的组合；固结原料为聚乙烯醇。
将飞灰、硅铝质原料和固结原料装入水稳拌和站中搅拌30min后，使用大型球磨机将膨胀土固化剂粉磨至0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，比表面积不小于350kg/m3。
本实施例基于现场施工条件开展，在山西省某公路铺设一条试验段，固化剂的使用掺量为高含水膨胀土的10％。采用二次拌合的使用方法，从摊铺结果来看没有出现板结现象，表面较为平整。试验段现场采用灌砂法测得压实度达到96.5％以上。从压实度挖洞观察，距离下层较近的位置也已密实,表明此压实工艺效果良好，能够满足路基的压实度设计要求。
对比例：
本对比例采用一种离子型固化剂，固路宝ISS-2500(以下简称ISS)，呈棕色黑色液体。
本对比例基于实验室条件开展，加水稀释ISS溶液浓度配比浓度为1:200，按照干土的质量比加入10％ISS稀释水溶液，让土样与ISS充分作用24h后在105℃下烘干，最后进行击实试验和CBR试验。掺入ISS稀释水溶液的膨胀土最佳含水率为18％，最大干密度为1.47g/cm3，CBR试验结果如表9所示。
表9
吸水量/g 膨胀率/％ CBR值/％
127 1.0 57.4
通过对比例可以看出，本发明提出的膨胀土固化剂不仅在使用过程中操作简单，而且固化效果显著，采用高硫高钙型CFB锅炉灰渣制备的固化剂与ISS固化效果相近。另外，适当提高低硫低钙型CFB锅炉灰渣制备的固化剂掺量，也能够明显提升固化效果。总而言之，本发明提出的膨胀土固化剂作用效果明显，可以大规模应用于实际工程应用当中。
从以上室内外实施案例试验结果可以看出，使用以循环流化床锅炉灰渣为主要原料的高含水膨胀土固化剂固化膨胀土后，CBR值＞8％，膨胀率＜2％，显著提高高含水膨胀土的承载力、水稳定性能、膨胀性能等，在现场施工中也取得了比较良好的效果。

Claims (10)

1.一种膨胀土固化剂，其特征在于，包括以下原料组分：锅炉灰渣、硅铝质原料和固结原料；其中，硅铝质原料占锅炉灰渣的质量的5-50％，固结原料占锅炉灰渣的质量的1-10％。
2.根据权利要求1所述的膨胀土固化剂，其特征在于，所述固结原料为聚乙烯醇、聚丙烯酸树脂、壳聚糖中的一种或者几种的组合。
3.根据权利要求1所述的膨胀土固化剂，其特征在于，所述硅铝质原料为高岭土、烧粘土、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、钢渣粉中的任意一种或任意几种的组合。
4.根据权利要求1所述的膨胀土固化剂，其特征在于，所述膨胀土固化剂的0.08mm筛余不大于5％、0.045mm筛余不大于20％，膨胀土固化剂的比表面积不小于350kg/m3。
5.根据权利要求1所述的膨胀土固化剂，其特征在于，所述锅炉灰渣为循环流化床的锅炉飞灰和/或炉渣中的一种或两种的组合。
6.根据权利要求1所述的膨胀土固化剂，其特征在于，所述锅炉灰渣中，SO3质量百分含量为10％以下，游离CaO的质量百分含量为10％以下。
7.权利要求1-6任一项所述的膨胀土固化剂在公路铺设中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，向膨胀土中掺入占膨胀土质量1％-20％的膨胀土固化剂。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将膨胀土固化剂分为两份，先将第一份膨胀土固化剂加入膨胀土中，拌合，再加入第二份膨胀土固化剂。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，第一份膨胀土固化剂占膨胀土固化剂总质量的10-40％。
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