CN113149530B - 一种赤泥改性泡沫轻质土及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种赤泥改性泡沫轻质土及其制备方法和应用。各原料的重量份比为：赤泥25‑50份、掺合料15‑50份、纤维0.3‑2.5份、激发剂1‑30份、表面活性剂0.3‑1.0份、发泡剂0.5‑20份、减水剂0.5‑1.8份。解决了因为泡沫轻质土不含粗骨料，且水灰比较大，因此泡沫轻质土的干缩性大，极易在凝结硬化过程中产生干缩裂缝的问题。

Description

一种赤泥改性泡沫轻质土及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于泡沫轻质土技术领域，具体涉及一种赤泥改性泡沫轻质土及其制备方法和应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
泡沫轻质土也称为气泡混合轻质土、泡沫水泥轻质土、泡沫混凝土，是一种介于土体和普通水泥混凝土之间的一种无机合成材料。它是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及掺合料、外加剂等按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。它的突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化。泡沫水泥轻质土具有良好的流动性、水硬性、施工性及经济性等特点，应用前景非常广阔，主要用于路基填方、软基处理、桥头处理、公路扩幅、桥台背填筑应用等方面。由于对泡沫轻质土的材料组成、施工工艺等研究不充分，导致其生产成本较高，出现易塌陷、强度低、结构不均匀等性能不稳定的问题，因此在实际工程应用中有一定的局限性。
目前已有部分学者致力于泡沫轻质土的深入研究，大多数集中于泡沫轻质土力学性能、矿物掺合料和发泡剂的稳定性上。有研究公开了一种煤矸石基泡沫轻质土及其制备方法，把水泥、煤矸石、粉煤灰和脱硫石膏作为基本胶凝材料，提高了气泡轻质土的强度，降低了制作成本。有研究公开了一种微粉泡沫轻质土及其制备方法，将骨料加工过程中产生的粉尘加入泡沫轻质土中，大量利用微粉废弃物，降低了生产成本。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种赤泥改性泡沫轻质土及其制备方法和应用。解决了因为泡沫轻质土不含粗骨料，且水灰比较大，因此泡沫轻质土的干缩性大，极易在凝结硬化过程中产生干缩裂缝的问题。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种赤泥改性泡沫轻质土，包括水和基料，基料包括如下重量份的原料：赤泥25-50份、掺合料15-50份、纤维0.3-2.5份、激发剂1-30份、表面活性剂0.3-1.0份、发泡剂0.5-20份、减水剂0.5-1.8份。
赤泥改性泡沫轻质土是一种以赤泥为主要原料的泡沫轻质土，泡沫轻质土是一种不含粗骨料的轻质土。现有的泡沫轻质土是泡沫与水泥浆混合得到的物质，主要成分是水泥，水泥为作为泡沫轻质土中的胶凝材料，胶凝材料是一种能从浆体变成坚固的石状体的物质。本发明中是将赤泥作为胶凝材料，相比于现有的以水泥为胶凝材料或水泥和赤泥共同作为胶凝材料的泡沫轻质土相比，主要成分发生了较大的变化。如果以水泥或水泥和赤泥为胶凝材料的泡沫轻质土，因为不含粗骨料，并且由于泡沫轻质土本身的水灰比较大，所以制成的泡沫轻质土会存在干缩性大，极易在凝结硬化的过程中产生干缩裂缝的问题。
本发明针对泡沫轻质土不含粗骨料、水灰比较大的特点，利用赤泥为主要成分，再通过掺合料的配合比例及添加纤维成分，作为胶凝材料的辅助主要成分，使胶凝材料具有水泥胶凝材料的性质，最重要的能够解决水泥或水泥和赤泥共同作为胶凝材料支撑的泡沫轻质土，成型后产生干缩裂缝的问题。
纤维能提高泡沫混凝土的强度而不降低质量轻、密度低等特性，能有效地增加泡沫混凝土的韧性，很好地减少干收缩的现象，对提高泡沫混凝土抗冲击、抗折和抗疲劳有一定效果。纤维材料与混凝土胶凝材料之间有良好的粘结性，并且能够较好地相互作用。有较为可观的强度，能够传递应力。由于纤维可以割裂气泡，从而具有发泡作用，加之纤维乱向分布起到支撑料浆的作用，添加纤维可以降低泡沫混凝土导热系数。
加入掺合料可以提高泡沫轻质土的应用性能。
加入激发剂的作用在早期水化过程中，改善泡沫混凝土的强度，改善水化胶凝性。
泡沫的稳定性主要取决于液膜壁的强度和液体析出的快慢程度，本发明在发泡剂中掺入具有稳泡性质的表面活性剂，提高大气孔稳定性，降低分裂为小气孔的概率，改善泡沫的稳定性。
加入减水剂，不仅对水泥颗粒有分散作用，减少单位用水量，改善其工作性，还能减少单位水泥用量，节约水泥。
在本发明的一些实施方式中，基料中各原料的重量份为：赤泥30-50份、掺合料25-45份、纤维1-2份、激发剂10-25份、表面活性剂0.3-0.6份、发泡剂3-5份、减水剂0.4-0.7份。
更进一步，各原料的重量份比为：赤泥30-40份、掺合料30-40份、纤维1-2份、激发剂20-25份、表面活性剂0.3-0.5份、发泡剂3-5份、减水剂0.5-0.7份。
更进一步，各原料的重量份比为：赤泥40-50份、掺合料25-45份、纤维1-2份、激发剂10-15份、表面活性剂0.4-0.6份、发泡剂3-5份、减水剂0.4-0.6份。
本发明中的纤维添加量较少，主要是起到提高韧性的作用，纤维的含量不能高于2.5份，否则会起到加强的作用，不能起到增韧的作用。
泡沫轻质土一般都是水灰比较大的物质，在本发明的一些实施方式中，水灰比为0.4-0.8；进一步为0.4-0.6。水灰比为水的用量与基料用量的重量比值。
在本发明的一些实施方式中，赤泥是烧结法赤泥、拜耳法赤泥或联合法赤泥中的任意一种。可根据工况进行选择，不同方法得到的赤泥，组成、结构、活性具有差别，所以在不同结构的施工，需要选择不同的赤泥。
在本发明的一些实施方式中，掺合料为粉煤灰、钢渣、高炉矿渣、矿粉、煤矸石、硅粉、石灰、石膏、膨润土中的任意一种或多种；进一步为矿粉、钢渣、粉煤灰中的一种或多种。
(1)粉煤灰不仅能提高抗压强度、流变性和抗腐蚀性，还具有低成本、良好的和易性与施工性等优良性能，可降低水化热，减少裂缝，提高轻质路堤的强度和整体质量，同时促进资源的再生利用；
(2)钢渣中含有和水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙及铁铝酸盐等活性矿物质，具有水硬胶凝性，因此可作为掺和料，同时钢渣具有密度大、强度高、表面粗糙、稳定性好、耐磨与耐久性好，广泛用于铁路、公路和工程回填；
(3)矿粉节约水泥用量，降低生产成本。具有火山灰作用，可提高强度。有效提高抗渗性能，特别适用于路面工程；
(4)适量硅灰加入对泡沫混凝土前期和后期抗压强度增长均有利，硅灰对泡沫混凝土强度的提高及导热系数的降低效果优于粉煤灰，当泡沫含量较高时，硅灰对泡沫轻质土的性能提升效果更加显著。
进一步，粉煤灰是高钙粉煤灰和低钙粉煤灰中的任意一种，优选高钙粉煤灰；
进一步，所述的钢渣是精炼渣、转炉渣、电炉渣、脱硫渣、连铸渣中的任意一种；
进一步，所述的矿粉是S75、S95、S105级中的任意一种。
在本发明的一些实施方式中，纤维是钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、橡胶纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、红麻、油棕纤维中的任意一种；进一步为聚乙烯醇纤维。
在本发明的一些实施方式中，激发剂是水泥、氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钾、硅酸钾中的任意一种。
在本发明的一些实施方式中，硅酸钠的模数是0.5M—3.5M之间。
在本发明的一些实施方式中，表面活性剂是十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺、直链烷基苯磺酸钠、硬脂酸钠中的任意一种；进一步为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠。
在本发明的一些实施方式中，发泡剂是松香皂类发泡剂、动植物蛋白类发泡剂、复合聚合物发泡剂、离子型发泡剂、有机树脂发泡剂、十二烷基苯磺酸钠、双氧水、碳化钙、硅灰、碳粉、铝粉、锌粉、碳酸氢钠、铵盐、AB复合发泡剂、U型发泡剂、CCW-95型固体发泡剂中的任意一种；进一步为复合聚合物发泡剂。
在本发明的一些实施方式中，减水剂是聚羧酸减水剂、脂肪族减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺类减水剂、木质素磺酸盐类减水剂、FDN高效减水剂中的任意一种；进一步为FDN高效减水剂。
第二方面，上述赤泥改性泡沫轻质土的制备方法，具体步骤为：
赤泥煅烧活化；
将煅烧活化后的赤泥与掺合料、纤维、激发剂、表面活性剂、减水剂、水混合得到水泥浆；
将发泡剂与水混合制成发泡液；
水泥浆与发泡液混合得到泡沫轻质土。
在本发明的一些实施方式中，赤泥煅烧活化的温度为500-900℃。
在本发明的一些实施方式中，发泡剂与水的比例为1:35-45；进一步为1:40。
第三方面，上述赤泥改性泡沫轻质土在路基换填材料中的应用。
本发明的泡沫轻质土具有强度高、干缩性小等多项优良性能，作为一种换填材料，应用于市政路桥工程中的桥台背路基填筑、道路加宽、陡峭地段填方路基、跨线桥减跨以及路基滑坡、道路塌陷等事故的快速抢险修复等，可取得十分良好的技术经济效果。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，大约每生产1吨氧化铝要排放1.0～1.8吨赤泥，中国作为氧化铝生产大国，每年排放的赤泥高达数百万吨。赤泥在堆放过程中除了占用大量土地外，还由于赤泥中的化学成分入渗土地易造成土地碱化、地下水污染，甚至影响人们的身体健康。本发明利用赤泥代替部分原料制备泡沫轻质土，可实现对固废的利用，提高固废的利用率，降低生产成本，易于大规模生产；
泡沫轻质土的抗压强度、抗折强度高于现有的水泥泡沫轻质土，说明本发明的泡沫轻质土硬化后，结合力强，孔隙少，不易断裂。
本发明得到的干表观密度较大，说明泡沫轻质土硬化后，表面的孔隙较少；解决干缩裂纹的问题。
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，本文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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，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。
实施例1
1)取烧结法赤泥30份、高钙粉煤灰20份、S95级矿粉20份、聚乙烯醇纤维1份、42.5级普通硅酸盐水泥20份、氢氧化钠5份、十二烷基硫酸钠0.3份、复合聚合物发泡剂3份、FDN高效减水剂0.7份、水灰比0.6；
2)用马弗炉将赤泥活化到700℃后放入球磨机中粉磨3min；
3)将上述烧结法赤泥与所述高钙粉煤灰、所述S95级矿粉、所述聚乙烯醇纤维、所述42.5级普通硅酸盐水泥、所述氢氧化钠、所述表面活性剂十二烷基硫酸钠、所述FDN高效减水剂和一定量的水混合搅拌均匀得到水泥浆；
4)将所述复合聚合物发泡剂与水按照1:40的比例稀释，利用发泡机制成发泡液；
5)将发泡液和水泥浆输送到搅拌机内，在转速500r/min下搅拌6min后倒入模具中成型，24h后拆模，养护28天后，对赤泥改性泡沫轻质土的各项性能进行测试。
实施例2
1)取烧结法赤泥40份、高钙粉煤灰45份、聚乙烯醇纤维1份、氢氧化钠10份、十二烷基硫酸钠0.4份、复合聚合物发泡剂3份、FDN高效减水剂0.6份、水灰比0.6；
2)用马弗炉将赤泥活化到700℃后放入球磨机中粉磨3min；3)将上述烧结法赤泥与所述高钙粉煤灰、所述聚乙烯醇纤维、所述氢氧化钠、所述表面活性剂十二烷基硫酸钠、所述FDN高效减水剂和一定量的水混合搅拌均匀得到水泥浆；
4)将所述复合聚合物发泡剂与水按照1:40的比例稀释，利用发泡机制成发泡液；
5)将发泡液和水泥浆输送到搅拌机内，在转速600r/min下搅拌6min后倒入模具中成型，24h后拆模，养护28天后，对赤泥改性泡沫轻质土的各项性能进行测试。
实施例3
1)取烧结法赤泥40份、S95级矿粉16份、钢渣16份、聚乙烯醇纤维2份、42.5级普通硅酸盐水泥15份、1.5M硅酸钠5份、十二烷基硫酸钠0.5份、复合聚合物发泡剂5份、FDN高效减水剂0.5份、水灰比0.5；
2)用马弗炉将赤泥活化到800℃后放入球磨机中粉磨2min；
3)将上述烧结法赤泥与所述S95级矿粉、所述钢渣、所述聚乙烯醇纤维、所述42.5级普通硅酸盐水泥、所述1.5M硅酸钠、所述表面活性剂十二烷基硫酸钠、所述FDN高效减水剂和一定量的水混合搅拌均匀得到水泥浆；
4)将所述复合聚合物发泡剂与水按照1:40的比例稀释，利用发泡机制成发泡液；
5)将发泡液和水泥浆输送到搅拌机内，在转速700r/min下搅拌6min后倒入模具中成型，24h后拆模，养护28天后，对赤泥改性泡沫轻质土的各项性能进行测试。
实施例4
1)取烧结法赤泥50份、S95级矿粉27份、聚乙烯醇纤维2份、1.8M硅酸钠15份、十二烷基硫酸钠0.6份、复合聚合物发泡剂5份、FDN高效减水剂0.4份、水灰比0.5；
2)用马弗炉将赤泥活化到800℃后放入球磨机中粉磨4min；
3)将上述烧结法赤泥与所述S95级矿粉、所述聚乙烯醇纤维、所述1.8M硅酸钠、所述表面活性剂十二烷基硫酸钠、所述FDN高效减水剂和一定量的水混合搅拌均匀得到水泥浆；
4)将所述复合聚合物发泡剂与水按照1:40的比例稀释，利用发泡机制成发泡液；
5)将发泡液和水泥浆输送到搅拌机内，在转速700r/min下搅拌5min后倒入模具中成型，24h后拆模，养护28天后，对赤泥改性泡沫轻质土的各项性能进行测试。
将实施例1-4制备的赤泥改性泡沫轻质土分别进行7天、14天、28天的抗压强度测试，结果如下表1所示。
表1赤泥改性泡沫轻质土的性能
Figure BDA0003047527070000081
通过表1，可以看到，本发明制备的泡沫轻质土在实际的应用中，有较高的抗压强度、抗折强度。具有较低的导热性，可以更好的作用保温材料。具有较高的干表观密度，说明硬化后，表面基本没有孔隙。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种赤泥改性泡沫轻质土，其特征在于：包括水和基料，基料为如下重量份的原料：赤泥25-50份、掺合料15-50份、纤维0.3-2.5份、激发剂1-30份、表面活性剂0.3-1.0份、发泡剂0.5-20份、减水剂0.5-1.8份；
所述赤泥是烧结法赤泥、拜耳法赤泥或联合法赤泥中的任意一种；
所述掺合料为矿粉、钢渣、粉煤灰中的一种或多种；
其中，所述粉煤灰是高钙粉煤灰和低钙粉煤灰中的任意一种；
所述的钢渣是精炼渣、转炉渣、电炉渣、脱硫渣、连铸渣中的任意一种；
所述的矿粉是S75、S95、S105级中的任意一种；
所述纤维为聚乙烯醇纤维；激发剂是氢氧化钠、硅酸钠、氢氧化钾、硅酸钾中的任意一种；
所述硅酸钠的模数在0.5M—3.5M之间；
水灰比为0.4-0.6；
制备所述的赤泥改性泡沫轻质土的具体步骤为：
赤泥煅烧活化；
将煅烧活化后的赤泥与掺合料、纤维、激发剂、表面活性剂、减水剂、水混合得到水泥浆；
将发泡剂与水混合制得发泡液；
水泥浆与发泡液混合得到泡沫轻质土；
赤泥煅烧活化的温度为500-900℃；
发泡剂与水的比例为1:35-45。
2.如权利要求1所述的赤泥改性泡沫轻质土，其特征在于：所述粉煤灰是高钙粉煤灰。
3.如权利要求1所述的赤泥改性泡沫轻质土，其特征在于：表面活性剂是十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基醇酰胺、直链烷基苯磺酸钠、硬脂酸钠中的任意一种。
4.如权利要求1所述的赤泥改性泡沫轻质土，其特征在于：表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的任意一种。
5.如权利要求1所述的赤泥改性泡沫轻质土，其特征在于：发泡剂是松香皂类发泡剂、动植物蛋白类发泡剂、复合聚合物发泡剂、离子型发泡剂、有机树脂发泡剂、十二烷基苯磺酸钠、双氧水、碳化钙、铝粉、锌粉、碳酸氢钠、AB复合发泡剂、U型发泡剂、CCW-95 型固体发泡剂中的任意一种；
减水剂是聚羧酸减水剂、脂肪族减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺类减水剂、木质素磺酸盐类减水剂、FDN高效减水剂中的任意一种。
6.如权利要求1所述的赤泥改性泡沫轻质土，其特征在于：发泡剂是复合聚合物发泡剂。
7.如权利要求1所述的赤泥改性泡沫轻质土，其特征在于：减水剂是FDN高效减水剂。
8.权利要求1-7任一所述的赤泥改性泡沫轻质土在路基换填材料中的应用。
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