CN113698167B - 软基加固复合基材及多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软基加固复合基材及多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，该方法建立了从胶凝和密实层面进行地基加固材料组分设计框架。将次生钢渣、工业副产石膏、炉底渣、赤泥、碱渣等大宗工业固废引入软黏土专用固化剂制备中，提出了各工业固废之间成分互补、活性激发及自密实的理念，提升了大宗工业固废的综合利用效能。另外，本发明提出氧化物比值（硅率、铝率和石灰饱和系数）和活性指数双参数控制胶凝强度，膨胀性功能组分控制密度这一思路，建立了基于软土性质和固废活性组分的软基复合基材调控框架。

Description

软基加固复合基材及多种类固废常温重组制备软基加固复合 基材的方法

技术领域

本发明涉及一种多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，属于交通运输工程和土木工程中地基处理的技术领域。

本发明还涉及一种软基加固复合基材，基于上述的方法制备而成。

背景技术

水泥系化学加固法是软黏土地基的常用加固技术，其中水泥土是该方法的重要载体，目前国内外的主要理论分析及设计框架仍沿用了砂浆/混凝土材料。但水泥土与砂浆/混凝土存在较大差别，主要表现在：(1)水泥土里存在大量亲水性黏土矿物，而混凝土/砂浆为集料或原生矿物；(2)软黏土为天然级配，而混凝土的集料则采用富勒或贝雷人工级配；(3)水泥土的峰值微观孔径在300～1000nm，而混凝土/砂浆峰值微观孔径在30nm左右，水泥熟料中所限制膨胀性组分会一定程度填充固化土孔隙，对强度增长起贡献作用；(4)水泥固化土中无钢筋的存在，不用考虑Cl^-侵蚀问题。遗憾的是，当前水泥设计中并未考虑到软土的特殊性，从而造成水泥土具有强度低，性能变异大等不良性质。

与此同时，随着城市化进程的加快，水泥等自然资源消耗量与日俱增，生产水泥不仅排放大量二氧化碳，而且需要消耗石灰石和黏土等自然资源，有资料表明，我国目前已探明的高品位石灰石储量仅能满足水泥工业30多年生产所需。当前水泥熟料不断攀升也间接表明了原料资源的紧张。因此在不影响产品性能的基础上，找到水泥的替代品已迫在眉睫。近年来,越来越多的岩土工程工作者将工业废渣视为特殊胶凝材料,对其改良再生利用性能进行了研究,以实现工业废弃物的资源化利用。但是，鉴于固废组分和物理化学性质的复杂性，目前尚未就如何高效利用大宗固废达成统一共识。

目前，我国大宗固废累计堆存量约600亿吨，年新增堆存量近30亿吨，其中，赤泥、磷石膏、钢渣等固废利用率仍较低，占用大量土地资源，存在较大的生态环境安全隐患。为推动资源综合利用产业实现新发展。2021年3月24日，国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、财政部、自然资源部、生态环境部、住房和城乡建设部、农业农村部、市场监管总局、国管局等十部委联合印发了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》(发改环资〔2021〕381号)文件。该文件强调大力推进大宗固废源头减量、资源化利用和无害化处置，并明确提出2025年应完成的目标，即工业副产大宗固废的综合利用能力显著提升，利用规模不断扩大，新增大宗固废综合利用率达到60％，存量大宗固废有序减少。

当前大多学者仅关注单一或少数种类固废替代水泥或石灰的效能研究。但需要注意的是，不同固废的优势组成矿物及含量(如活性SiO₂、Al₂O₃及CaO)存在较大差异，即使针对同一固废，由于原料来源、生产工艺和装备的不同，它们的物理特性和化学成分也不尽相同，这一现象严重制约了固废在软基加固中的高品位利用。实际上，目前最广泛使用的固废基固化剂组分确定依然是根据室内结合现场试验或者个人及地区经验判断法，不仅费时费力费钱，还难以保证工程质量。

虽然有学者表明通过合适的激发技术有助于提高固废的反应活性，满足其高效应用于软基加固。如物理激发、化学激发与热力激发等手段。物理激发主要是借助机械手段提高钢渣细度，热力激发主要通过高温蒸压激发活性，化学激发是通过加入活性材料(如NaOH、KOH或Na₂SiO₃)并提高碱度，以提高水化速度的激发方法，但需要注意的是，上述激活技术不仅需耗费大量成本，而且会对水土环境造成一定程度破坏，从而限制了其推广应用。因此，如何综合设计固废组分，使其低成本、高效为软基加固服务，仍需深入探索。

发明内容

技术问题：

本发明针对现有技术的不足，提供一种多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其将大宗工业固废引入软黏土专用固化剂制备中，通过分析各种工业固废所具有的潜在胶凝活性组分，提出了各种工业固废间成分互补、活性激发及自密实的理念，以有效地提升大宗固废的综合利用效能。本发明所提出的方法技术合理、质量可控，有利于节约成本和环境保护，能缓解水泥、石灰等建筑材料资源压力，为大宗固废高品位资源化协同利用提供了新思路。本发明所述的制备软基加固复合基材的方法，主体思路在于从胶凝强度和密实层面来构建软基加固复合基材的组分设计框架。通过所构建的胶凝强度控制模型，充分考虑各种工业固废所具有的潜在胶凝活性组分之间的协同作用，从软基加固复合基材各组分的微观结构入手，以控制软基加固复合基材的胶凝强度为标准，来优化各种具有潜在胶凝活性组分的工业固废的质量配比。并提出以工业副产石膏作为膨胀组分提升固化土密实性，经济且环保。

技术方案：

一种多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，包括以下步骤：

步骤一、选定原料

原料包括两类，其中一类能够复配形成软土固化剂，包括多种具有潜在胶凝活性组分的工业固废A_i以及用于补充各工业固废A_i钙相的石灰，软土固化剂能够确保软基加固复合基材的胶凝强度；另一类则为膨胀性功能组分，能够增强软土固化剂的密实度；

步骤二、获取各类工业固废中各种潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量

分析各类工业固废中所具有的潜在胶凝活性组分，潜在胶凝活性组分主要为四种化学物质，对应为SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃及CaO；并根据所构建的胶凝活性含量确定模型，即可得到各类工业固废的潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量C_i,j；所述的胶凝活性含量确定模型为：

C_i,j＝η_i*ε_i,j

C_i,j表示第i种工业固废中第j种潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量；η_i表示第i种工业固废的活性指数；ε_i,j为第i种工业固废中第j种潜在胶凝活性组分的化学成分质量占比；j为大于零的自然数：j取值为1时，表示潜在胶凝活性组分为SiO₂，j取值为2时，表示潜在胶凝活性组分为Fe₂O₃，j取值为3时，表示潜在胶凝活性组分为Al₂O₃，j取值为4时，表示潜在胶凝活性组分为CaO；

步骤三、获取各类工业固废A_i的质量配比M_i

根据所构建的胶凝强度控制模型，获取各工业固废在软基加固复合基材中的配制比例；其中，所述的胶凝强度控制模型，包括硅率SM控制模型、铝率IM控制模型以及石灰饱和系数KH控制模型：

1.7<SM<2.7

0.9<IM<1.7

0.9<KH<1.0

式中，M_i表示第i种工业固废在软基加固复合基材中的质量配制比例；

步骤四、配制软土固化剂

按照步骤三所获得的各类工业固废A_i的质量配制比例M_i，在常温下复配形成软土固化剂；

步骤五、获取膨胀性功能组分的质量份数I

将步骤四配制的软土固化剂，辅以不同质量配比的膨胀性功能组分，于特定软土地基试样进行固化试验，养护后，测定干密度，并绘制干密度变化曲线，然后根据干密度变化趋势获得膨胀性功能组分的质量份数I；

步骤六、配制软基加固复合基材

基于步骤三所获得的各类工业固废A_i的质量配比M_i以及步骤五所获得的膨胀性功能组分的质量份数I，即可在常温下复配制成软基加固复合基材。

优选地，步骤六所制成的软基加固复合基材，还需要经过验证步骤验证，具体包括：将所形成的软基加固复合基材加入特定软土地基试样中，而后在标准养护室中养护一段时间后，测定固化土无侧限抗压强度，若不满足预设数值，则返回步骤三，重复实施步骤3-6，直至所获得的软基加固复合基材加固特定软土地基试样后，所得固化土无侧限抗压强度满足需求。

优选地，采用活性指数试验获取步骤二中所述的第i种工业固废的活性指数η_i：

式中，δ_i,1指第i种工业固废A_i试验胶砂28d抗压强度，B为水泥基对比胶砂28d抗压强度。

优选地，膨胀性功能组分为工业副产石膏，包括但不限于磷石膏、脱硫石膏、柠檬酸石膏、钛石膏或氟石膏；工业副产石膏中，CaSO₄含量大于40wt％。

优选地，步骤一中的各工业固废均为预先烘干并粉磨至比表面积为300m²/kg～400m²/kg之间的粉体。

优选地，工业固废一共有四类，对应为钢渣、粉煤灰、炉底渣、赤泥。

优选地，步骤五中，是在固化土养护28天后，再测定干密度。

优选地，步骤五中，干密度变化曲线呈平缓趋势时，对应的膨胀性功能组分的含量，即为膨胀性功能组分的质量份数I。

本发明的另一个技术目的是提供一种软基加固复合基材，基于上述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法而制成，软基加固复合基材中各组分按照下述比例配制而成：34wt％钢渣、8.5wt％粉煤灰、8.5wt％炉底渣、8.5wt％赤泥、25.5wt％石灰和15wt％脱硫石膏；

所述的钢渣、粉煤灰、炉底渣、赤泥、石灰中，各潜在胶凝活性组分的化学成分含量如下表所示：

上表中，各潜在胶凝活性组分的化学成分含量是通过XRF测定试验获得。

有益效果：与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出从胶凝和密实层面进行固废基固化剂组分设计框架，为大宗固废在软基中标准化应用提供了有益参考，基于该发明设计固化土能满足现行公路路基及基层规范要求。

2、所述固废基软基固化剂常温下即可配置，避免了高温煅烧带来的高能耗及高排放。

3、本发明提出的框架可实现多种大宗固废协同高值利用，使各固废理化性能优势互补。

4、本发明工艺流程简单，所需设备造价低，兼具良好的经济和环保效益，可大量消纳工业废弃物。

附图说明

图1为本发明提供的多种固废常温重组制备软基加固复合基材的设计方法流程图

图2为本发明胶凝和密实层面常温重组制备固废基固化剂原理图

具体实施方式

本发明以废弃物再生利用及复合地基加固为出发点，提出多种固废常温重组制备软基加固复合基材的设计方法，采用氧化物比值及活性指数双参数对固废胶凝组分标准化。并提出以工业副产石膏作为膨胀组分提升固化土密实性。本发明有望为大宗工业固废的高品质资源化利用提供了新的思路。为进一步明晰本发明的目的、技术方案及优点，以下结合实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。可供选择的胶凝组分和膨胀组分包括但不限于本发明实施例中所使用的。

如图1、图2所示，本发明所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，包括以下步骤：

步骤一、选定原料

原料包括两类，其中一类能够复配形成软土固化剂，包括多种具有潜在胶凝活性组分的工业固废A_i以及用于补充各工业固废A_i钙相的石灰，软土固化剂能够确保软基加固复合基材的胶凝强度；另一类则为膨胀性功能组分，能够增强软土固化剂的密实度；

步骤二、获取各类工业固废中各种潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量

分析各类工业固废中所具有的潜在胶凝活性组分，潜在胶凝活性组分主要为四种化学物质，对应为SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃及CaO；并根据所构建的胶凝活性含量确定模型，即可得到各类工业固废的潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量C_i,j；所述的胶凝活性含量确定模型为：

C_i,j＝η_i*ε_i,j

C_i,j表示第i种工业固废中第j种潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量；η_i表示第i种工业固废的活性指数；ε_i,j为第i种工业固废中第j种潜在胶凝活性组分的化学成分质量占比；j为大于零的自然数：j取值为1时，表示潜在胶凝活性组分为SiO₂，j取值为2时，表示潜在胶凝活性组分为Fe₂O₃，j取值为3时，表示潜在胶凝活性组分为Al₂O₃，j取值为4时，表示潜在胶凝活性组分为CaO；

步骤三、获取各类工业固废A_i的质量配比M_i

根据所构建的胶凝强度控制模型，获取各工业固废在软基加固复合基材中的配制比例；其中，所述的胶凝强度控制模型，包括硅率SM控制模型、铝率IM控制模型以及石灰饱和系数KH控制模型：

1.7<SM<2.7

0.9<IM<1.7

0.9<KH<1.0

式中，M_i表示第i种工业固废在软基加固复合基材中的质量配制比例；

步骤四、配制软土固化剂

按照步骤三所获得的各类工业固废A_i的质量配制比例M_i，在常温下复配形成软土固化剂；

步骤五、获取膨胀性功能组分的质量份数I

将步骤四配制的软土固化剂，辅以不同质量配比的膨胀性功能组分，于特定软土地基试样进行固化试验，养护后，测定干密度，并绘制干密度变化曲线，然后根据干密度变化趋势获得膨胀性功能组分的质量份数I；

通过步骤五可知，本发明中，所述软基加固复合基材的密实强度通过膨胀性功能组分调节，主要为工业副产石膏，包括但不限于磷石膏、脱硫石膏、柠檬酸石膏、钛石膏及氟石膏等，它与硅铝相一起与水反应，生成一种被称为钙矾石的化合物：

3CaO·Al₂O₃+3(CaSO₄·2H₂O)+26H₂O→Ca₆[Al(OH)₆]₂(SO₄)₃·26H₂O

该反应最后把大量的自由水以结晶水的形式固定下来，同时体积增长约50％，这对于含水量高的软土的强度增长有特殊意义，当然，副产石膏的掺量不能过多，否则钙矾石针状结晶会使水泥发生膨胀而遭到破坏。所以，如使用得合适，在某种特定条件下可利用这种膨胀势来增加地基加固效果。但需满足CaSO₄含量大于40％。其最优掺量根据固化土28d干密度确定，即干密度增长速度放缓时对应的副产石膏掺量。此时副产石膏水化生成适量的钙矾石，能填充大部分孔隙，但又不至于产生膨胀内应力引起弹性变形甚至开裂。

步骤六、配制软基加固复合基材

基于步骤三所获得的各类工业固废A_i的质量配比M_i以及步骤五所获得的膨胀性功能组分的质量份数I，即可在常温下复配制成软基加固复合基材。

优选地，步骤六所制成的软基加固复合基材，还需要经过验证步骤验证，具体包括：将所形成的软基加固复合基材加入特定软土地基试样中，而后在标准养护室中养护一段时间后，测定固化土无侧限抗压强度，若不满足预设数值，则返回步骤三，重复实施步骤3-6，直至所获得的软基加固复合基材加固特定软土地基试样后，所得固化土无侧限抗压强度满足需求。

优选地，采用活性指数试验获取步骤二中所述的第i种工业固废的活性指数η_i：

式中，δ_i,1指第i种工业固废A_i试验胶砂28d抗压强度，B为水泥基对比胶砂28d抗压强度。

具体实施例：

选用福州市堆存量较大、再利用难度较大的5种代表性固废，即钢渣、粉煤灰、炉底渣、赤泥及脱硫石膏。并加入适量石灰补充钙相。固废干燥后粉磨至比表面积为300 m²/kg～400m²/kg，通过XRF测得具体化学成分列于表1。

表1固废化学成分(质量分数)

氧化物	钢渣	粉煤灰	炉底渣	赤泥	石灰	脱硫石膏
							SiO<sub>2</sub>	22.4	38.7	36.8	22.8	/	2.1
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	1.3	13.6	15.2	15.1	/	1.4
							CaO	53.2	25.6	19.1	15.6	92.6	33.8
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	8.2	5	5.2	10.2	/	0.4
							MgO	4.6	1.5	1.2	1.2	/	/
Na<sub>2</sub>O	2	1.2	0.1	7.2	/	/
							SO<sub>3</sub>	0.7	0.9	0.2	0.2	/	41.7
K<sub>2</sub>O	0.6	0.9	0.8	0.8	/	/
							烧失量	2.8	9.2	10.3	12.8	/	15.4
总计	95.8	96.6	88.9	85.9	92.6	94.8

通过活性指数试验得到钢渣、粉煤灰、炉底渣及赤泥的活性指数分别为0.813、0.906、0.809和0.821，将活性指数乘以固废化学成分即得到固废各活性成分含量。

根据所得活性成分含量，采用氧化物比值调整各固废掺量。控制SM在1.7～2.7之间；IM在0.9～1.7之间，而KH在0.9～1.0之间。得到控制胶凝强度的固废组分配比，即钢渣、粉煤灰、炉底渣、赤泥、石灰掺量分别为40wt％、10wt％、10wt％、10wt％、30wt％。

选取福州海相软土进行固化试验，向软土中按湿质量15wt％添加上述配置的胶凝控制为主的固化剂。分别添加5wt％、10wt％、15wt％、20wt％的脱硫石膏作为膨胀组分，在标准养护室(温度为20℃，湿度为90％±3％)中养护28天后，测定其干密度变化。根据图1确定脱硫石膏最优掺量。经胶凝和密实双层面控制后，得到最终固废常温重组复合基材，其组分包括34wt％钢渣、8.5wt％粉煤灰、8.5wt％炉底渣、8.5wt％赤泥、25.5wt％石灰和15wt％脱硫石膏。

按软土湿质量添加15wt％上述重组固废基材，在标准养护室中养护7天、28天和60天，然后测其无侧限抗压强度，结果列于表2，可以发现采用本发明所提出的固废组分设计框架，固化土7天、28天、60天强度不仅高于单一固废基固化土，且高于同掺量普通硅酸盐水泥固化土，验证了本发明的合理性。

表2固化土无侧限抗压强度(MPa)

需要注意的是，由于大宗固废需经干燥碾磨等预处理，难免会产生一定的额外成本，经调研，钢渣、粉煤灰、炉底渣、赤泥、石灰和脱硫石膏的市场价格分别约为100元/吨、200元/吨、140元/吨、100元/吨、400元/吨和80元/吨。经测算，本发明提出的复合固废成本约为185元/吨。而普通硅酸盐水泥的成本高达450元/吨。且固废基固化土28天强度能达到水泥固化土的104.3％。成本分析进一步表明本发明提出的多种固废常温重组制备软基加固复合基材具有卓越的性价比。

Claims (9)

1.一种多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、选定原料

原料包括两类，其中一类能够复配形成软土固化剂，包括多种具有潜在胶凝活性组分 的工业固废

以及用于补充各工业固废

钙相的石灰，软土固化剂能够确保软基加固复合 基材的胶凝强度；另一类则为膨胀性功能组分，能够增强软土固化剂的密实度，所述膨胀性 功能组分为工业副产石膏；

步骤二、获取各类工业固废中各种潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量

分析各类工业固废中所具有的潜在胶凝活性组分，潜在胶凝活性组分主要为四种化学 物质，对应为SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃及CaO；并根据所构建的胶凝活性含量确定模型，即可得到各 类工业固废的潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量

；所述的胶凝活性含量确定模型为：

表示第i种工业固废中第j种潜在胶凝活性组分的胶凝活性含量；

表示第i种工业 固废的活性指数；

为第i种工业固废中第j种潜在胶凝活性组分的化学成分质量占比；j 为大于零的自然数：j取值为1时，表示潜在胶凝活性组分为SiO₂，j取值为2时，表示潜在胶 凝活性组分为Fe₂O₃，j取值为3时，表示潜在胶凝活性组分为Al₂O₃，j取值为4时，表示潜在胶 凝活性组分为CaO；

步骤三、获取各类工业固废

的质量配比

根据所构建的胶凝强度控制模型，获取各工业固废在软基加固复合基材中的配制比例；其中，所述的胶凝强度控制模型，包括硅率SM控制模型、铝率IM控制模型以及石灰饱和系数KH控制模型：

式中，

表示第i种工业固废在软基加固复合基材中的质量配制比例；

步骤四、配制软土固化剂

按照步骤三所获得的各类工业固废

的质量配制比例

，在常温下复配形成软土固化 剂；

步骤五、获取膨胀性功能组分的质量份数I

将步骤四配制的软土固化剂，辅以不同质量配比的膨胀性功能组分，于特定软土地基试样进行固化试验，养护后，测定干密度，并绘制干密度变化曲线，然后根据干密度变化趋势获得膨胀性功能组分的质量份数I；

步骤六、配制软基加固复合基材

基于步骤三所获得的各类工业固废

的质量配比

以及步骤五所获得的膨胀性功能 组分的质量份数I，即可在常温下复配制成软基加固复合基材。

2.如权利要求1所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其特征在于：步骤六所制成的软基加固复合基材，还需要经过验证步骤验证，具体包括：将所形成的软基加固复合基材加入特定软土地基试样中，而后在标准养护室中养护一段时间后，测定固化土无侧限抗压强度，若不满足预设数值，则返回步骤三，重复实施步骤三-六，直至所获得的软基加固复合基材加固特定软土地基试样后，所得固化土无侧限抗压强度满足需求。

3.如权利要求1所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其特征在 于：采用活性指数试验获取步骤二中所述的第i种工业固废的活性指数

：

式中，

指第i种工业固废

试验胶砂28d抗压强度，B为水泥基对比胶砂28d抗压强度。

4.如权利要求1所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其特征在于：所述工业副产石膏包括磷石膏、脱硫石膏、柠檬酸石膏、钛石膏或氟石膏；工业副产石膏中，CaSO₄含量大于40wt%。

5.如权利要求1所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其特征在于：步骤一中的各工业固废均为预先烘干并粉磨至比表面积为300m²/kg~400m²/kg之间的粉体。

6.如权利要求1所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其特征在于：工业固废一共有四类，对应为钢渣、粉煤灰、炉底渣、赤泥。

7.如权利要求1所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其特征在于：步骤五中，是在固化土养护28天后，再测定干密度。

8.如权利要求1所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法，其特征在于：步骤五中，干密度变化曲线呈快速增长趋势与平缓增长趋势的交点位置处，对应的膨胀性功能组分的含量，即为膨胀性功能组分的质量份数I。

9.一种软基加固复合基材，基于权利要求1所述的多种类固废常温重组制备软基加固复合基材的方法而制成，其特征在于，软基加固复合基材中各组分按照下述比例配制而成：34wt%钢渣、8.5wt%粉煤灰、8.5wt%炉底渣、8.5wt%赤泥、25.5wt%石灰和15wt%脱硫石膏；

所述的钢渣、粉煤灰、炉底渣、赤泥、石灰中，各潜在胶凝活性组分的化学成分含量如下表所示：

上表中，各潜在胶凝活性组分的化学成分含量是通过XRF法测定试验获得。

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