CN113716927A - 一种磷石膏基土壤固化剂、制备方法与固化试样及其制备方法 - Google Patents

一种磷石膏基土壤固化剂、制备方法与固化试样及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磷石膏基土壤固化剂、制备方法与固化试样及其制备方法,属于磷石膏固废物再生利用技术领域。该磷石膏基土壤固化剂包括改性磷石膏和活性组分,所述改性磷石膏与活性组分的质量比为1:(0.5‑1.5),所述改性磷石膏由原状磷石膏和改性剂A在800‑900℃温度下煅烧制得。将原状磷石膏与电石渣经800‑900℃煅烧后,颗粒粒径变小,一方面材料表观出现轻微板结;另一方面粒径的减小带来其参与反应的表面积增大,粒径小的磷石膏比表面积较大,水化程度大,水化所需时间少,贡献早期强度,粒径大的磷石膏比表面积小,水化所需时间多,用于贡献后期强度;此外,密实度增大,水化产物致密度增高,抗压强度提高。

Description

一种磷石膏基土壤固化剂、制备方法与固化试样及其制备 方法
技术领域
本发明属于磷石膏固废物再生利用技术领域,更具体地说,涉及一种磷石膏基土壤固化剂、制备方法与固化试样及其制备方法。
背景技术
磷石膏是湿法生产磷酸工艺中所产生的工业固体废弃物,全球磷石膏的堆存量和产排量巨大,但利用率却很低,磷石膏的大量堆存既占用土地,也加重了堆存地周围的环境负荷,其中少量的磷、氟及游离酸等有害物质会造成水体的二次污染,导致磷石膏治理的难度不断增大。合理资源化利用磷石膏具有重大战略意义,将磷石膏用于制备胶凝材料、土壤固化剂及磷石膏免烧砖具有可行性和可操作性,为资源的二次开发、生产高附加值产品提供了有效途径。
其中,土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化各类土壤的新型节能环保工程材料。它与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质,能将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来,使得土壤胶团表面电流降低,胶团所吸附的双电层减薄,电解质浓度增强,颗粒趋于凝聚,体积膨胀而进一步填充土壤孔隙,在压实功的作用下,使固化土易于压实和稳定,从而形成整体结构,并达到常规所不能达到的压密度。而普通硅酸盐水泥两磨一烧的生产过程不仅消耗能源与资源,而且会排放大量的温室气体,每生产1吨水泥,便会向空气排放1吨的CO2,所以寻找低能耗、低污染的新型高效磷石膏基土壤水泥(胶凝材料)代替硅酸盐水泥,用于免烧砖等建材及土壤固化成为了重要的研究方向之一。
为了解决上述的技术问题,经检索,中国专利公开号为CN102531509A,公开日为2014年6月18日,该发明公开了一种磷石膏基复合胶凝材料及其促凝剂,由干基磷石膏、高炉矿渣粉、硅酸盐水泥、石灰石粉和生石灰构成的复合胶凝材料及促凝剂按比例混合、经粉磨而得到的混合物,磷石膏、高炉矿渣粉、硅酸盐水泥、石灰石粉和生石灰的重量比为34~48∶35~42∶4~10∶6~16∶2~6;促凝剂为高铝水泥或偏铝酸钠,高铝水泥或偏铝酸钠的加入量为上述复合胶凝材料重量的1%~4%或0.5%~4%。采用磷石膏替代部分的硅酸盐水泥,从而实现节能减排的目的。同理中国专利公开号为CN106673569A、CN106746785A、CN106747174A、CN106747186A等均公开相应的采用磷石膏替代部分的水泥或水泥熟料的应用。此外,采用相同发明思路的还有相关的期刊文献:胡同安等在题目为《水泥-磷石膏固化剂的试验研究》的文献中也给出了采用磷石膏替换部分水泥研究的可行性、王贻远的研究生论文《磷石膏制备胶凝材料和混凝土的研究》公开了用磷石膏替代硅酸盐水泥的研究。
然而,由于磷石膏的主要化学成分为CaO和SO3,同时,磷石膏中还含有磷、氟、有机物以及二氧化硅等少量有害杂质,呈酸性,pH值一般在4.5以下,在实际使用过程中发现,这些有害杂质对最终产品的影响较大,尤其是产品的强度,产品会发生开裂等现象,因此在原有技术基础上,采用煅烧磷石膏的方式来消除有害杂质,例如中国专利公开号为CN105060749A,公开日为2017年11月7日,名称为用隧道窑装备处理磷石膏制特种硬石膏胶凝材料的方法,包括以下步骤:(1)配料和均化:按重量份,将48~75份磷石膏、8~25份石煤和15~50份废石渣进行配料,粉磨制成粉料,加入8~18份水,经混合均化为塑性物料;(2)成型:将塑性物料成型为成型物料;(3)隧道窑煅烧:送入隧道窑内,在980~1300℃下,煅烧20~60min,淬冷,即得特种硬石膏熟渣;(4)特种硬石膏胶凝材料的制备:粉磨,即得特种硬石膏胶凝材料,其中,所述废石渣部分或全部用电石渣、废弃混凝土、大理石加工泥屑、石灰渣或石灰石中的一种或几种替代。此外,中国专利CN111018373A和CN110143770A将碱性激发剂如生石灰与磷石膏混合后煅烧,加入活性组分制得胶凝材料。
经过多年的技术发展和应用实践,磷石膏在胶凝材料中的应用研究一直处于热门阶段,但是,最终产品的性能仍有待进一步提高。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有煅烧后磷石膏虽然可以降低产品开裂现象,但是产品的强度不高的问题,本发明提供一种磷石膏基土壤固化剂,提高产品抗压强度。
本发明的另一目的是提供一种磷石膏基土壤固化剂的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种磷石膏基土壤固化试样。
本发明的另一目的是提供一种上述固化试样的制备方法。
2.技术方案
为了解决上述问题,本发明所采用的技术方案如下:
本发明的磷石膏基土壤固化剂,包括改性磷石膏和活性组分,所述改性磷石膏与活性组分的质量比为1:(0.5-1.5),所述改性磷石膏由原状磷石膏和改性剂A在800-900℃温度下煅烧制得。
结合现有技术的分析,本领域技术人员知道,原状磷石膏粉末主要由单斜CaSO4·2H2O晶相构成,同时存在少量的单斜SiO2和四方Ca2P2O7晶相,如图3所示。其中,磷石膏中磷、氟、有机物杂质含量较高。当磷石膏水化时,可溶磷会与Ca2+反应生成难溶物Ca3(PO4)2,覆盖在磷石膏表面,阻碍磷石膏继续溶解和水化,同时共晶磷会从晶格中析出,生成Ca3(PO4)2,使水化产物晶体变粗、结构变疏松,从而降低石膏成品的强度。当磷石膏中可溶氟的质量分数超过0.3%时,会使胶结材料强度显著降低,有机杂质会使磷石膏标准稠度需水量增加,凝结硬化减慢,二水石膏晶体间的结合力变高。当磷石膏制品干燥或受潮,碱金属离子会沿着硬化体孔隙移出表面,待水分蒸发后在表面析晶,产生粉化、泛霜和长毛等危害。
上述这些问题的出现,制约着原状磷石膏的应用,本发明的发明人通过大量的试验和分析,通过观察发现,原状磷石膏和改性剂A通过在800-900℃条件下煅烧后,一部分磷石膏颗粒粒径变小,而另一部分磷石膏表观出现轻微板结,颗粒粒径增大,而现有技术记载,原状磷石膏高温煅烧后颗粒粒径变小;煅烧后再加入活性组分得到的固化剂对产品的抗压、抗折强度相较现有技术或者原状磷石膏有较大的提升,且产品开裂现象降低,产品的合格率增加。
分析可能的原因是:原状磷石膏在高温脱去结晶水后,颗粒粒径逐渐变小,当温度达到800℃及以上时,由于电石渣分解得到的大量CaO与磷石膏或者电石渣中的Al2O3、SiO2和Fe2O3率先发生矿化反应,在局部范围内形成液相(主要为CA、CF),从而使得局部的磷石膏颗粒团聚而出现轻微板结;当温度超过900℃时,磷石膏受热开始分解,板结的颗粒炸裂再次变小,同时生成CaO抑制上述反应的进行,磷石膏的颗粒逐步减小。此外,改性剂A高温煅烧后的产物为CaO,一方面作为中和剂中和磷石膏中游离酸,另一方面作为碱性激发剂,CaO在水化过程中形成Ca(OH)2,提高水化系统碱度;活性组分中C2S、C3S等活性矿物能较快地水化,水化产物为C-S-H凝胶和Ca(OH)2;在高碱度环境中,活性组分中的玻璃体可以快速解聚,解聚溶出低聚硅酸根离子、铝酸根离子、钙离子等,而原状磷石膏经800-900℃煅烧后,小粒径的磷石膏首先与低聚硅酸根离子、铝酸根离子、钙离子相互结合生成钙矾石等其他难溶的物质,水化产物C-S-H凝胶呈薄片网络状,大量的柱状钙矾石和薄片状凝胶将颗粒间隙填充起来,使得试样内部形成较为致密的结构,使得产品抗压强度高,贡献早期强度,而后是大粒径的磷石膏与低聚硅酸根离子、铝酸根离子、钙离子相互结合生成钙矾石等其他难溶的物质,不断提供钙矾石等并贡献后期强度,从而保障了最终产品的密实度和抗压强度。
还需要说明的是,原状磷石膏中含有少量的SiO2,经800-900℃温度煅烧后,在高碱度环境中,磷石膏组分中的SiO2溶出量在碱溶液显著增加,且表现出较高的活性,高活性的SiO2可以与改性剂A的主要成分CaO以及磷石膏反应生成稳定的钙矾石等,进一步填充了C-S-H凝胶网络。
更进一步地,所述改性剂A为碱性改性剂,所述碱性改性剂选自电石渣、石灰石、生石灰中的一种或多种。电石渣等主要的成分是氢氧化钙或碳酸钙,高温煅烧后的产物为CaO,一方面作为中和剂中和磷石膏中游离酸,另一方面作为碱性激发剂;上述的这些原料的煅烧温度要求不高,在800-900℃可以完全分解。
更进一步地,所述活性组分选自高炉矿渣微粉、转炉钢渣微粉、水淬渣微粉中的一种或多种。矿渣或者钢渣或水淬渣均具有较高的物质活性,改性剂A可以促使体系形成碱性环境,可以激发出它们的活性。
将煅烧后的磷石膏和电石渣与活性组分混合,直接水化,磷石膏作为集料,其主要成分为CaSO4,溶出的SO4 2-作为激发剂与矿渣微粉活性组分反应;电石渣在水化过程中提供大量的OH-,可有效破坏水淬渣微粉、粉煤灰等表面的酸性膜,促使二氧化硅、氧化铝等的溶解,促进活性组分的水化,形成高强度的水化产物;同时,由于电石渣与水淬渣微粉制成的固化剂中含有C-S-H凝胶,一方面具有与普通硅酸盐水泥混凝土相似的力学性能,并提高抗压强度,同时C-S-H凝胶表面可吸收大量氯离子,具有明显的抗氯离子侵蚀能力,降低了钢筋锈蚀的风险。
更进一步地,所述煅烧温度为800℃、810℃、815℃、820℃、830℃、840℃、850℃、855℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃。在该温度段内,煅烧温度可以任意选择,为了便于控制与调节,实际生产中一般设置为整点温度监控,然后可以对煅烧产物快速冷却,例如采用真空快速冷却机,一方面可以防止煅烧产物中的晶体长大或完全变成晶体,从而降低对试样性能的影响;另一方面使得煅烧产物中的物质来不及结晶,引入一些结构缺陷,相应的磷石膏中的大量钙离子填充于晶格结构中,游离的钙离子减少,也降低了试样受腐蚀的可能性以及不安定性。
更进一步地,所述改性剂A为电石渣,所述活性组分为水淬渣微粉,所述改性磷石膏由电石渣和原状磷石膏煅烧而得,所述电石渣和原状磷石膏的质量比为(1-4):1,煅烧温度为830℃。发明人通过大量的试验和分析,在800-900℃温度段内,相应的温度选择使得结果有一定的波动,尤其是在830℃时,效果最佳。
更进一步地,还包括碱性激发剂,所述碱性激发剂包括硅灰或粉煤灰,所述改性磷石膏由电石渣和原状磷石膏煅烧而得,煅烧温度为830℃,所述电石渣和磷石膏的质量比为(1-4):1,所述改性磷石膏:水淬渣微粉:硅灰或粉煤灰的质量比为1:(0.5-1.5):(0.03-0.05)。
更进一步地,还包括水泥,所述水泥包括GB175-2007规定的六大类水泥,即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥,所述改性磷石膏:水淬渣微粉:硅灰或粉煤灰:水泥的质量比为1:(0.5-1.5):(0.03-0.05):1。
将煅烧后的磷石膏和电石渣与水淬渣微粉、水泥混合加水后,首先水泥遇水开始水化反应,生成水化硅(铝)酸钙和碱,水化硅酸钙初步胶接颗粒,随着水化的进行,体系中的OH-离子激发矿渣与粉煤灰的活性,发生火山灰反应生成C-S-H、C-A-H的等水化产物,由于样品由加压成型,水淬渣微粉、水泥和磷石膏颗粒之间可以紧密接触,加速成分相互之间的水化反应,反应较为完全,而超过50%含量的磷石膏一部分提供CaSO4·2H2O与C-A-H反应生成钙矾石,填补试样孔隙,提高试样的致密度。但是磷石膏的量远超过反应所需,大部分未反应的磷石膏作为微集料,被C-S-H和钙矾石等水化产物包裹,胶结成为一个整体,使得试样具有良好的物理性能。
本发明还提供了一种磷石膏基土壤固化剂的制备方法,包括以下步骤:
S1:制备改性磷石膏:将原状磷石膏与改性剂A按照1:(1-4)比例放置于搅拌机中搅拌30-45min后取出,将此混合物于800-900℃温度下煅烧1.5-2.5h,所得产物称之为改性磷石膏;
S2:配料制备:将改性磷石膏和活性组分按质量比45:55配置后放置于搅拌机中搅拌30-45min混合均匀,得到磷石膏基土壤固化剂。
本发明还提供了一种磷石膏基土壤固化试样,包括上述磷石膏基土壤固化剂和干土,所述磷石膏基土壤固化剂与干土掺量比为0.11。
本发明还提供了一种磷石膏基土壤固化试样的制备方法,包括以下步骤:
S1:制备磷石膏基土壤固化试样:将干燥后的淤泥质土干磨制得干土,控制磷石膏基土壤固化剂与干土掺量比为0.11、含水率15wt-20wt%的条件下,将干土和磷石膏基土壤固化剂逐渐加入至含有水的强力搅拌机中,依次150r/min慢搅30s、400r/min快搅90s,反复搅拌10min后制得均匀的固化土泥浆;
S2:成型、养护:将S1所得固化土泥浆注入模具中成型,通过振动消除泥浆中的气泡,静养后脱模,再将脱模后的试样养护到龄期后得到磷石膏基土壤固化试样。
3.有益效果
相比于现有技术,本发明的有益效果为:
(1)本发明通过将原状磷石膏与电石渣经800-900℃煅烧后,颗粒粒径变小,一方面材料表观出现轻微板结;另一方面粒径的减小带来其参与反应的表面积增大,粒径小的磷石膏比表面积较大,水化程度大,水化所需时间少,贡献早期强度,粒径大的磷石膏比表面积小,水花所需时间多,用于贡献后期强度;此外,密实度增大,水化产物致密度增高,抗压强度提高;
(2)本发明开发出了新型的磷石膏基土壤固化剂,当处理磷石膏和电石渣的质量与水淬渣微粉的质量为45:55时,处理磷石膏基土壤固化剂固化土壤试样的7d和28d抗压强度分别为3.22MPa和4.96MPa,分别是以PO 42.5水泥为土壤固化材料的土壤固化试样强度(7d和28d抗压强度分别1.45MPa和2.35MPa)的2.2倍和2.1倍。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述,但是应当知道,这些附图仅是为解释目的而设计的,因此不作为本发明范围的限定。
图1为本发明磷石膏的粒度分布曲线;
图2为本发明磷石膏的SEM图;
图3为本发明磷石膏的XRD衍射图谱;
图4为本发明磷石膏固化试样C1和C2的抗压强度;
图5为本发明磷石膏基土壤固化试样D1、D2、D3和D4的抗压强度;
图6为本发明磷石膏基土壤固化试样E1和E2的抗压强度;
图7为本发明磷石膏基土壤固化试样E1、E2和D3的XRD图谱;
图8为本发明磷石膏基土壤固化试样E2的SEM图;
图9为本发明磷石膏基土壤固化试样D3的SEM图;
图10为本发明磷石膏基土壤固化试样E1的SEM图;
图11为本发明磷石膏基土壤固化试样A1和A2的抗压强度。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图,该附图形成描述的一部分,在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明,但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围,而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述,以提出执行本发明的最佳方式,并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此,本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
本发明的原状磷石膏来自四川什邡,水淬渣微粉来自马鞍山某建材有限公司,电石渣来自安徽某氯碱集团,其他原料具有市场购买或企业提供。其中,如表1所示部分原料的化学成分。
表1固化剂中原料的化学成分(wt.%)
Figure BDA0003238735400000061
Figure BDA0003238735400000071
粒径级配:磷石膏表观密度为2.09g/cm3,堆积密度为0.471g/cm3,空隙率77.5%,比表面积为3500cm2/g。其中,磷石膏的粒度分布如图1和图2所示,粒径分布范围为7.7-197.3μm,具体的粒度组成为:7.7-10μm、0.43%,10-20μm、8.41%,20-100μm、89.58%,100-197.3μm、1.58%。磷石膏粉末尺寸为微米级,尺寸在20-100μm范围内的磷石膏粉末达到了89.58%,尤其是尺寸高于10μm的磷石膏粉末含量达到了99.57%。以上结果表明磷石膏粉末主要由尺寸大于10μm的微米级颗粒构成,同时存在少量低于10μm微米级颗粒。
电石渣:表观密度为1.872g/cm3,堆积密度为0.48g/cm3,空隙率74.4%,比表面积为3200cm2/g。
水淬渣微粉:表观密度2.98g/cm2,堆积密度0.803g/cm2,空隙率79.2%,比表面积为3100cm2/g。
本发明的磷石膏基土壤固化试样的制备方法,包括以下步骤:
S1:制备改性磷石膏:将原状磷石膏与电石渣按照1:1比例放置于搅拌机中搅拌30min后取出,将此混合物于800℃温度下煅烧2h,所得产物称之为改性磷石膏;
S2:配料制备:将改性磷石膏和活性组分按质量比45:55配置后放置于搅拌机中搅拌30min混合均匀,得到磷石膏基土壤固化剂;
S3:制备磷石膏基土壤固化试样:按照球料比为1:2,将干燥后的淤泥质土干磨1h制得干土,然后控制胶凝材料土壤固化剂与干土掺量比为0.11、含水率17wt%的条件下,将干土和S2所得胶凝材料逐渐加入至含有水的可变速强力搅拌机的搅拌容器中,依次慢搅30s(150r/min)和快搅90s(400r/min),反复搅拌10min后制得均匀的固化土泥浆;
S4:成型、养护:其注入50mm×50mm的模具中成型(成型压力1MPa),通过振动消除泥浆中的气泡,静养1d后脱模,再将脱模后的试样放置在温度20~25℃、相对湿度95~99%下养护到各龄期后得到磷石膏基土壤固化试样。
抗压强度的测试方法按照以下方法进行评价:
根据国家标准GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行样品的抗压强度测试,将样品分别养护至3d、7d、28d后,采用水泥胶砂抗折抗压试验机测试抗压强度,加载速率为0.05kN/s。
抗压强度试验选取6个样品进行测试,计算其平均值作为样品的抗压强度数值。如果有数据超出平均值的±10%,应去除此数据,并对剩下的数据重新计算平均值。如果有2块以上的样品超出平均值的±10%,则此组样品测试无效,另外制备一组样品重新测试。
根据公式3.2计算样品的抗折强度,计算数值精确到0.01MPa。
Figure BDA0003238735400000081
其中Rp指样品的抗压强度,单位MPa,P指最大破坏荷载,单位N,L指受压面的长度,单位:mm,B指受压面的宽度,单位mm。
各实施例的成分及含量如表2所示。
表2各实施例的成分及含量
Figure BDA0003238735400000082
实施例1
本实施例的磷石膏基土壤固化剂的成分体系包括处理磷石膏12wt.%、电石渣3wt.%、水淬渣微粉65wt.%、PO 52.5水泥15wt.%和硅灰5wt.%,其中水淬渣微粉和PO52.5水泥为活性组分,硅灰为激发剂,制得固化试样C2,制备过程包括以下步骤:
S1:配料:将磷石膏、电石渣、水淬渣微粉、PO 52.5水泥和硅灰按一定比例配置;
S2:制备处理磷石膏:将磷石膏与电石渣于800℃下煅烧2h,所得产物称之为处理磷石膏;
S3:制备胶凝材料:将步骤2所得处理磷石膏与水淬渣微粉、PO 52.5水泥和硅灰混合均匀,得胶凝材料;
S4:制备磷石膏固化试样:按照球料比为1:2,将干燥后的淤泥质土干磨1h制得干土,然后控制胶凝材料与干土掺量比为0.11、含水率17wt.%的条件下,将干土和S2所得胶凝材料逐渐加入至含有水的可变速强力搅拌机的搅拌容器中,依次慢搅30s(150r/min)和快搅90s(400r/min),反复搅拌10min后制得均匀的固化土泥浆;
S5:成型、养护:其注入50mm×50mm的模具中成型(成型压力1MPa),通过振动消除泥浆中的气泡,静养1d后脱模,再将脱模后的试样放置在温度20~25℃、相对湿度95~99%下养护到各龄期后得到磷石膏基土壤固化试样C2。
固化试样C1和C2的抗压强度如图4所示。
值得说明的是,与A0试样相比,添加处理磷石膏-电石渣基固化剂的固化试样力学性能仍然较低,但添加碱性固废的一组明显高于未加组。这说明煅烧可以在一定程度上消除磷石膏中磷和氟等元素对力学性能的影响,且添加碱性固废电石渣混合煅烧可提高土壤固化试样的力学性能。只不过固化剂的组成需要调整以更好的消除磷石膏内的游离酸,促使体系形成碱性环境,以便激发出水淬渣微粉的活性,从而提高土壤固化试样的力学性能。
对比例1
本对比例的磷石膏基土壤固化剂的成分体系包括处理磷石膏15wt.%、水淬渣微粉65wt.%、PO 52.5水泥15wt.%和硅灰5wt.%,其中水淬渣微粉和PO 52.5水泥为活性组分,硅灰为激发剂,制得固化试样C1,制备过程包括以下步骤:
S1:配料:将磷石膏、水淬渣微粉、PO 52.5水泥和硅灰按一定比例配置;
S2:制备处理磷石膏:将原状磷石膏于800℃下煅烧2h得到处理磷石膏;
S3:制备胶凝材料土壤固化剂:将步骤2所得处理磷石膏与水淬渣微粉、PO 52.5水泥和硅灰混合均匀,得胶凝材料土壤固化剂;
S4:制备磷石膏基土壤固化试样:按照球料比为1:2,将干燥后的淤泥质土干磨1h制得干土,然后控制胶凝材料与干土掺量比为0.11、含水率17wt.%的条件下,将干土和S2所得胶凝材料逐渐加入至含有水的可变速强力搅拌机的搅拌容器中,依次慢搅30s(150r/min)和快搅90s(400r/min),反复搅拌10min后制得均匀的固化土泥浆;
S5:成型、养护:其注入50mm×50mm的模具中成型(成型压力1MPa),通过振动消除泥浆中的气泡,静养1d后脱模,再将脱模后的试样放置在温度20~25℃、相对湿度95~99%下养护到各龄期后得到磷石膏基土壤固化试样C1。
实施例2
本实施例的磷石膏基土壤固化剂的成分体系包括磷石膏15wt.%、水淬渣微粉70wt.%和电石渣15wt.%,其中活性组分为水淬渣微粉,激发剂为电石渣,制得磷石膏基土壤固化试样D1,制备过程包括以下步骤:
S1:配料:将磷石膏、电石渣和水淬渣微粉按一定比例配置;
S2:制备处理磷石膏:将磷石膏与电石渣按照一定比例放置于搅拌机中搅拌一定时间后取出,将此混合物于800℃下煅烧2h,所得产物称之为处理磷石膏;
S3:制备胶凝材料土壤固化剂:将步骤2所得处理磷石膏与水淬渣微粉混合均匀,得胶凝材料土壤固化剂;
S4:制备磷石膏固化试样:按照球料比为1:2,将干燥后的淤泥质土干磨1h制得干土,然后控制胶凝材料与干土掺量比为0.11、含水率17wt.%的条件下,将干土和S2所得胶凝材料逐渐加入至含有水的可变速强力搅拌机的搅拌容器中,依次慢搅30s(150r/min)和快搅90s(400r/min),反复搅拌10min后制得均匀的固化土泥浆;
S5:成型、养护:其注入50mm×50mm的模具中成型(成型压力1MPa),通过振动消除泥浆中的气泡,静养1d后脱模,再将脱模后的试样放置在温度20~25℃、相对湿度95~99%下养护到各龄期后得到磷石膏基土壤固化试样D1。
随着固化剂中水淬渣微粉含量的增加,钙矾石的衍射峰增强。这说明随着矿渣含量的增加钙矾石的生产量有所增加,因此使得试样的抗压强度增大。此外,随着水淬渣微粉含量的增加,固化土壤试样中的水化胶结产物越来越多,当水淬渣微粉含量减少后,电石渣又能提供足够的碱性环境,促进水淬渣微粉的活性激发,从而提高固化试样的抗压强度。
实施例3
本实施例的磷石膏基土壤固化试样的制备过程与实施例1相同,不同之处在于固化剂成分体系包括磷石膏20wt.%、水淬渣微粉60wt.%和电石渣20wt.%,制得磷石膏基土壤固化试样D2。
实施例4
本实施例的磷石膏基土壤固化试样的制备过程与实施例1相同,不同之处在于固化剂成分体系包括磷石膏22.5wt.%、水淬渣微粉55wt.%和电石渣22.5wt.%,其中水淬渣微粉为活性组分,电石渣为激发剂,制得磷石膏基土壤固化试样E1。
实施例5
本实施例的磷石膏基土壤固化试样的制备过程与实施例1相同,不同之处在于固化剂成分体系包括磷石膏25wt.%、水淬渣微粉50wt.%和电石渣25wt.%,其中水淬渣微粉为活性组分,电石渣为激发剂,制得磷石膏基土壤固化试样D3。
实施例6
本实施例的磷石膏基土壤固化试样的制备过程与实施例1相同,不同之处在于固化剂成分体系包括磷石膏27.5wt.%、水淬渣微粉45wt.%和电石渣27.5wt.%,其中水淬渣微粉为活性组分,电石渣为激发剂,制得磷石膏基土壤固化试样E2。
实施例7
本实施例的磷石膏基土壤固化试样的制备过程与实施例1相同,不同之处在于固化剂成分体系包括磷石膏30wt.%、水淬渣微粉40wt.%和电石渣30wt.%,其中水淬渣微粉为活性组分,电石渣为激发剂,制得磷石膏基土壤固化试样D4。
值得说明的是,与A0试样相比,除了D4试样,其他试样的28d抗压强度明显高于以PO 42.5水泥土壤固化试样的抗压强度,如图5所示。D1、D2和D3试样的28d抗压强度分别为3.32MPa、4.54MPa和4.84MPa,D2和D3试样的28d抗压强度为A0试样的2倍以上。随着水淬渣微粉含量的减少,固化试样的抗压强度逐渐增加,当水淬渣微粉含量减少到50wt.%时,抗压强度达到峰值,含量低于50wt.%时开始下降。此结果表明50wt.%电石渣混合煅烧可以有效抑制磷石膏中游离酸、氟、磷等元素对试样力学性能的不利影响,当水淬渣微粉含量减少后,电石渣又能提供足够的碱性环境,促进水淬渣微粉的活性激发,从而提高固化试样的抗压强度。
其中,随着水淬渣微粉含量的减少,固化试样的抗压强度出现双峰值,拥有较高的抗压强度的水淬渣微粉掺量为45-55wt.%,如图6所示。所用水淬渣微粉为活性成分,电石渣为碱性成分中和磷石膏中游离酸,并通过煅烧去除磷石膏中氟、磷等元素。土壤固化试样的加水量为17wt.%。土壤固化剂与土壤的比例(胶土比)为1:9。E1和E2试样的28d抗压强度分别为4.96MPa和4.64MPa,约是A0试样的2倍,同样表现出了优异的力学性能。其原因可能为采用处理磷石膏基土壤固化剂的土壤固化试样的主晶相均为钙矾石,如图7所示,此外还存在一定量的Ca(OH)2晶相。随着固化剂中矿渣含量的增加,钙矾石的衍射峰增强。这说明随着矿渣含量的增加钙矾石的生产量有所增加,因此使得试样的抗压强度增大。此外,随着水淬渣微粉含量的增加,固化土壤试样中的水化胶结产物越来越多,表明当水淬渣微粉含量较少时,水化反应程度低,如图8-10所示,分别为水淬渣微粉添加量为45wt.%、50wt.%和55wt.%的固化试样的SEM图,随着水淬渣微粉含量的增加,钙矾石的形状由较粗的棒状转变为细棒状形貌;当水淬渣微粉含量达到55wt.%时,产物中出现了较细的针状钙矾石结构,同时形成了更多的薄片状C-S-H凝胶物,大量的针状钙矾石和薄片状凝胶将颗粒间隙填充起来,使得试样内部形成较为致密的结构,宏观上即体现在试样的抗压强度也随着水淬渣微粉含量的增加而显著增加。
对比例2
本对比例的磷石膏基土壤固化剂的成分体系包括PO 42.5水泥为土壤固化剂的固化试样,制得固化试样A0,其制备过程包括以下步骤:
S1:配料:按比例称取一定量PO 42.5水泥;
S2:制备磷石膏基固化试样:按照球料比为1:2,将干燥后的淤泥质土干磨1h制得干土,然后控制PO 42.5水泥与干土掺量比为0.11、含水率17wt.%的条件下,将干土和PO42.5水泥逐渐加入至含有水的可变速强力搅拌机的搅拌容器中,依次慢搅30s(150r/min)和快搅90s(400r/min),反复搅拌10min后制得均匀的固化土泥浆;
S3:成型、养护:其注入50mm×50mm的模具中成型(成型压力1MPa),通过振动消除泥浆中的气泡,静养1d后脱模,再将脱模后的试样放置在温度20~25℃、相对湿度95~99%下养护到各龄期后得到磷石膏基土壤固化试样。
对比例3
本对比例的磷石膏基土壤固化剂的成分体系包括原状磷石膏20wt.%、PO52.5水泥10wt.%、水淬渣微粉70wt.%,其中PO52.5水泥和水淬渣微粉为活性组分,制得的土壤固化剂试样记为A1,制备过程包括以下步骤:
S1:配料:将原状磷石膏、PO 52.5水泥和水淬渣微粉按一定比例配置;
S2:制备胶凝材料土壤固化剂:将原状磷石膏、PO 52.5水泥和水淬渣微粉混合均匀,得胶凝材料土壤固化剂;
S3:制备磷石膏固化试样:按照球料比为1:2,将干燥后的淤泥质土干磨1h制得干土,然后控制胶凝材料与干土掺量比为0.11、含水率17wt.%的条件下,将干土和S2所得胶凝材料逐渐加入至含有水的可变速强力搅拌机的搅拌容器中,依次慢搅30s(150r/min)和快搅90s(400r/min),反复搅拌10min后制得均匀的固化土泥浆;
S4:成型、养护:其注入50mm×50mm的模具中成型(成型压力1MPa),通过振动消除泥浆中的气泡,静养1d后脱模,再将脱模后的试样放置在温度20~25℃、相对湿度95~99%下养护到各龄期后得到磷石膏基土壤固化试样。
对比例4
本对比例的磷石膏基土壤固化试样的制备过程与对比例3相同,其不同之处在于固化剂成分体系包括原状磷石膏20wt.%、PO52.5水泥15wt.%、水淬渣微粉70wt.%,制得的磷石膏基土壤固化试样记为A2,A1和A2的抗压强度如图11所示。

Claims (10)

1.一种磷石膏基土壤固化剂,其特征在于,包括改性磷石膏和活性组分,所述改性磷石膏与活性组分的质量比为1:(0.5-1.5),所述改性磷石膏由原状磷石膏和改性剂A在800-900℃温度下煅烧制得。
2.根据权利要求1所述的磷石膏基土壤固化剂,其特征在于,所述改性剂A为碱性改性剂,所述碱性改性剂选自电石渣、石灰石、生石灰中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的磷石膏基土壤固化剂,其特征在于,所述活性组分选自高炉矿渣微粉、转炉钢渣微粉、水淬渣微粉中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的磷石膏基土壤固化剂,其特征在于,所述煅烧温度为800℃、810℃、815℃、820℃、830℃、840℃、850℃、855℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃。
5.根据权利要求4所述的磷石膏基土壤固化剂,其特征在于,所述改性剂A为电石渣,所述活性组分为水淬渣微粉,所述改性磷石膏由电石渣和原状磷石膏煅烧而得,所述电石渣和原状磷石膏的质量比为(1-4):1,煅烧温度为830℃。
6.根据权利要求2所述的磷石膏基土壤固化剂,其特征在于,还包括碱性激发剂,所述碱性激发剂包括硅灰或粉煤灰,所述改性磷石膏由电石渣和原状磷石膏煅烧而得,煅烧温度为830℃,所述电石渣和原状磷石膏的质量比为(1-4):1,所述改性磷石膏:水淬渣微粉:硅灰或粉煤灰的质量比为1:(0.5-1.5):(0.03-0.05)。
7.根据权利要求6所述的磷石膏基土壤固化剂,其特征在于,还包括水泥,所述水泥包括GB175-2007规定的六大类水泥,即硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥,所述改性磷石膏:水淬渣微粉:硅灰或粉煤灰:水泥的质量比为1:(0.5-1.5):(0.03-0.05):1。
8.一种权利要求1-7任一项所述的磷石膏基土壤固化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:制备改性磷石膏:将原状磷石膏与改性剂A按照1:(1-4)比例放置于搅拌机中搅拌30-45min后取出,将此混合物于800-900℃温度下煅烧1.5-2.5h,所得产物称之为改性磷石膏;
S2:配料制备:将改性磷石膏和活性组分按质量比45:55配置后放置于搅拌机中搅拌30-45min混合均匀,得到磷石膏基土壤固化剂。
9.一种磷石膏基土壤固化试样,其特征在于,包括权利要求1-7任一项所述磷石膏基土壤固化剂和干土,所述磷石膏基土壤固化剂与干土掺量比为0.11。
10.一种权利要求9所述磷石膏基土壤固化试样的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:制备磷石膏基土壤固化试样:将干燥后的淤泥质土干磨制得干土,控制磷石膏基土壤固化剂与干土掺量比为0.11、含水率15wt-20wt%的条件下,将干土和磷石膏基土壤固化剂逐渐加入至含有水的强力搅拌机中,依次150r/min慢搅30s、400r/min快搅90s,反复搅拌10min后制得均匀的固化土泥浆;
S2:成型、养护:将S1所得固化土泥浆注入模具中成型,通过振动消除泥浆中的气泡,静养后脱模,再将脱模后的试样养护到龄期后得到磷石膏基土壤固化试样。
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