CN113735526A

CN113735526A - 一种用于海域环境的软土硬化剂

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Publication number: CN113735526A
Application number: CN202111132771.2A
Authority: CN
Inventors: 季毛伟; 曲效成; 高永涛; 张梦; 梁锐
Original assignee: Beijing Anke Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Anke Technology Co ltd
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2021-12-03

Abstract

本发明涉及软土固化技术领域，尤其涉及一种用于海域环境的软土硬化剂，其组分按重量份数计，水泥20～40份，磨细粉煤灰8～12份，矿渣粉34～50份，石膏13～15份，早强激发剂3～5份。该软土硬化剂适用于海域环境下深层搅拌桩、高压旋喷桩等软基处理工艺，实现了固化高含水量、高有机质和高含盐量的海相淤泥、淤泥质土，相比传统水泥具有更好的胶凝属性及经济价值，具有生产工艺简单、成本低、原材料来源广泛、绿色环保等优点。

Description

一种用于海域环境的软土硬化剂

技术领域

本发明涉及软土固化技术领域，特别是涉及一种用于海域环境的软土硬化剂。

背景技术

随着我国建设规模的不断扩大，对土地资源的需求日趋紧张，然而优质的土地资源有限，就需要将我国东南沿海地区广泛分布的海相软土加以利用。海洋环境下超软土层广泛分布于我国东南沿海，其具有孔隙比大、含水率高、强度低、压缩性高和物理状态呈软塑到流塑等诸多特点，工程性能极差。对软土地基进行加固处理已经成为工程建设和维护的热点课题之一。软土加固处理方法有多种，如压实加固、热处理加固和化学加固等，其中，固化剂加固软土因其成本较低、施工相对简单，已成为目前应用较多的软土加固处理手段。

采用水泥旋喷和搅拌的方式对此类土层进行加固是最常用的工程手段，但由于海相软土的“三高”特征(高含水率、高有机质、高氯盐)水泥作为传统的建筑材料对其加固效果并不理想，固化强度很难短期内达到施工预期要求；而且普通硅酸盐水泥水化后体积收缩，易在固化土中形成裂缝。具体分析如下：

1.软土的含水率较高，更多的水以自由水的形式存在于土颗粒之间，降低其摩擦力，传统的水泥等胶凝材料来固化高含水量软土通常采用增大掺量的方式，不仅增大成本，还会出现加固强度不高，或者无法凝固的现象。

2.有机质土中对水泥固化产生不利影响最主要的物质是腐殖酸。腐殖酸带负电，具有比粘土矿物颗粒更发育的双电层，它的存在使土体具有一定的酸性。由腐殖酸中富里酸与水泥矿物的吸附作用而形成的吸附膜会延缓水泥水化的进程，造成早期水泥固化效果不理想；腐殖酸对部分水化产物具有分解作用，会破坏水泥土的结构形式。由于有机质对水泥固化的不利影响，采用传统的水泥土往往强度偏低，搅拌桩施工过程中出现难以成桩的问题，而且工期长不满足工程需要，处理成本也大幅增加。

3.在高含盐量的海相软土中，常常含有较多的Cl^-，它会与Al³⁺、Ca²⁺优先结合，生成大量强度很低的水化氯铝酸钙，这种物质会包裹在黏土颗粒表面，阻止黏土矿物与Ca(OH)₂的进一步反应，从而严重阻碍了水泥土的强度增长。

目前，针对加固软土的固化剂已经得到了较为广泛的研究。如：

CN112919834A(一种软土地基固化剂及用于固化软土地基的施工方法)采用水泥34.2～54.1％、碳酸化钢渣40.1～60.0、矿渣粉4.2～5.8。

CN112921945A(一种以工业固废为主要原料加固软土地基的方法)采用水泥24.0～35％、碳酸化钢渣35～42％、矿渣粉24～35％、粉煤灰6～10％、石灰、石膏或二者的任意比例混合物2～5％。

CN112321225A(一种固化软土拓宽路基的固化剂)采用水泥5～15％、高钙粉煤灰32～50％、膨润土5～25％、重质碳酸钙10～15％、亲水性纤维1～10％、早强剂0～3％。

CN111943625A(一种软土固化剂)采用矿渣粉30～40％、工业副产熟石膏15～25％、沸石粉10～15％、电石渣10～30％、粉煤灰5～15％、高吸水树脂1～5％；调凝剂0.01～0.2％。

CN107572990A(一种低成本高效软土固化剂及其制备方法与应用)采用矿粉：生石灰：脱硫石膏：早强剂＝100：30～50：50～70：0～5。

CN110386805A(一种新型硫铝酸盐基淤泥/软土固化剂及其使用方法)采用硫铝酸盐水泥熟料40～50％、脱硫石膏15～25％、锶渣10～15％、γ-Al₂O₃微粉5～10％、煅烧硅藻土粉末5～10％。

CN110078457A(一种利用工业废渣制备的软土地基固化剂)采用水泥30～40％、矿渣24～25％、脱硫石膏11～16％、铝渣2％、粉煤灰20～25％、氢氧化钠0.5～3％。

虽然上述文献公开的软土地基固化剂均有一定的软土固化效果，但在抗压强度方面仍存在一些不足，比如CN112919834A中的固化剂在28d的无侧限抗压强度仅为0.85MPa；CN112321225A中的固化剂的无侧限抗压强度仅为0.45～0.55MPa；CN107572990A中的固化剂在28d的无侧限抗压强度为1.33MPa；CN110386805A中的固化剂在28d的轴心抗压强度仅为0.2MPa；CN110078457A中的固化剂在28d的抗压强度最高仅为0.75MPa。

而且有些配方的组分复杂、个别组分成本较高，不适合大规模推广应用，比如CN111943625A中加入了高吸水树脂、沸石粉、电石渣等组分；CN110386805A中加入了锶渣、γ-Al₂O₃微粉等组分，导致固化剂成本较高，推广应用受到了一定限制。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明公开了一种用于海域环境的软土硬化剂。

本发明的软土硬化剂是一种基于工业固废及复合激发剂的钙-硅-铝三相体系软土硬化剂，采用工业固废粉煤灰、矿渣及复合激发剂，利用工业固废活化，不但使软土地基具有较高的无侧限抗压强度，而且能很好的利用当地工业固废。钙-硅-铝三相无机材料体系能很好的解决水泥体系碱性高和后期开裂的问题，对于高含水量、高含盐量和高有机质土的固化性能也优于水泥，使用工艺和设备在水泥基础上没有任何技改和设备改造，使用操作简单，成本低，推广方便。其中，粉煤灰、矿渣其主要成分是Al₂O₃、SiO₂，另外还含有数量不等的Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O、K₂O、P₂O₅、SO₃，属于硅铝质矿物。

本发明的具体技术方案如下：

一种用于海域环境的软土硬化剂，其组分按重量份数计，水泥20～40份，磨细粉煤灰8～12份，矿渣粉34～50份，石膏13～15份，早强激发剂3～5份。

进一步的，所述软土硬化剂的比表面积为400～520m²/kg。

进一步的，所述磨细粉煤灰的比表面积为400-500m²/kg。

进一步的，所述矿渣粉的比表面积为400-600m²/kg。其是在高炉炼铁过程中的副产品。炼铁过程中，氧化铁还原成金属铁，铁矿石中的二氧化硅、氧化铝等杂质与石灰等反应生成以硅酸盐和硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经过淬冷成质地疏松、多孔的粒状物。矿渣的化学成分有CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO、MnO、Fe₂O₃等氧化物和少量硫化物如CaS、MnS等，一般来说，CaO、SiO₂和Al₂O₃的含量占90％以上。

进一步的，所述石膏为天然石膏、氟石膏或脱硫石膏中的一种或几种。

进一步的，所述石膏的比表面积为300-500m²/kg。在水泥中掺加适量石膏，其作用是调节水泥硬化速度。在水泥粉磨时，若不掺加石膏或石膏产量不足时，水泥会发生瞬凝现象，这是由于铝酸三钙(C₃A)在溶液中电离出Al³⁺离子，它与硅酸钙凝胶的电荷相反，促使胶体凝聚。加入石膏后，石膏与水化铝酸钙作用生成钙矾石，难溶于水，沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，减低了溶液中C₃A的浓度，并阻碍了C₃A的水化，延缓了水泥的凝结。此外，石膏掺入后因能形成水化硫铝酸钙，从而可提高水泥石的强度，尤其是早期强度。

进一步的，所述早强激发剂为硅酸盐类矿物和无机盐，其中无机盐包括氯化钠、硫酸钠、氯化钙、亚硝酸钠、铝酸钠中的一种或多种组合。

一、本发明中固化剂的固化结构发展是一个复杂的多相反应过程，原材料的化学性质、相互间的主体反应描述如下：

(1)首先是硅酸盐水泥矿物水化生成水化硅酸钙CaSiO₂.nH₂O(C-S-H凝胶)、水化铝酸钙CaAl₂O₄.nH₂O(C-A-H凝胶)和氢氧化钙Ca(OH)₂等。生成的氢氧化钙是矿渣粉和粉煤灰的碱性激发剂，使玻璃体中的Ca²⁺、AlO₄ ^5-、Al³⁺、SO₄ ^4-进入溶液，该活性组分与上述水化生成物作用，即火山灰反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硅铝酸钙等。其颗粒为基体可形成晶体连生结构，有利于改善充填体结构和耐久性能，充填体强度得到更大的发挥，后期强度更高。

(2)石膏的加入增大了固化土中的硫酸盐含量，在硫酸盐存在的情况下，会优先生成钙矾石，所以降低了水化氯铝酸钙的生成。石膏与水化产物铝酸钙反应生成钙矾石，钙矾石在其生成过程中固相体积增大120％左右，且能够吸收大量自由水。由于其体积膨胀、填充孔隙，使固化土结构密实，孔隙量减少；除去自身膨胀作用外，其针柱状结晶相互交叉，与C-S-H一起形成独特的空间网状结构，在孔隙中形成了很好的支架结构，使孔隙细化。并其反应式如下：

3CaO·SiO₂+3H₂O→C-S-H+Ca(OH)₂ (1)

2CaO·SiO₂+2H₂O→C-S-H+Ca(OH)₂ (2)

3CaO·Al₂O₃+3H₂O→C-A-H+Ca(OH)₂ (3)

SiO₂+Ca(OH)₂+H₂O→CaO·SiO₂·(n+1)H₂O (4)

Al₂O₃+Ca(OH)₂+H₂O→CaO·Al₂O₃·(n+1)H₂O (5)

SiO₂+Al₂O₃+2Ca(OH)₂+4H₂O→2CaO·Al₂O₃·SiO₂·6H₂O (6)

3CaSO₄·2H₂O+3CaO·Al₂O₃+26H₂O→3CaO·Al2O₃·3CaSO₄·32H₂O (7)

二、通过物理激发和化学激发充分激发粉煤灰、矿渣粉所含有的潜在活性。

(1)通过粉磨将微粉比表面积控制≥400m²/kg，达到物理激发。按照机械活化理论，粉磨可以显著提高粉煤灰的潜在活性。原料通过粉磨成微细粉过程中，部分外加能量转化为原料颗粒的表面能，使其表面呈现亚稳态，增大了表面的反应活性。随着原料颗粒粒径减小，比表面积增加，当原料微粉比表面积≥400m²/kg时，强烈的粉磨过程使原料颗粒不同程度的发生晶格畸变，晶料尺寸变小，表面形成无定型或非晶态物质，其“形态效应”和“微集料效应”得到充分发挥，从而增加了原料活性基团的数量。

(2)通过加入粉煤灰和矿渣专用激发剂，依靠其表面活性能和功能基团的作用，改变其微粉颗粒界面上的物理化学性质，实现超细粉磨。功能基团与高分子结构中的阴离子官能团相互协调作用，原料中的SiO₂晶体和含Al₂O₃的矿物获得更好的可溶性，其所含有的潜在的反应活性组分得到较大激发，这些组分能与水泥和钢渣水化析出的Ca(OH)₂或CaSO₄反应，生成具有胶凝性质的稳定化合物。

三、激发剂等固化剂组分的其他作用及软土本身所参与的副反应。

(1)物料粉体中的高价阳离子将有效减薄腐殖酸和黏土颗粒的双电层。激发剂中的苛性纳将提高土体pH值，水玻璃具有较强的速凝作用，它不仅能与水泥中的高价金属离子反应生成硅酸钙或硅胶颗粒而有效地填塞土体孔隙，它还能在黏土颗粒之间产生一定的胶结作用。粉煤灰的微珠效应，可改变水泥土的流变学性质，使加固土易于拌匀，易于密实，降低加固土孔隙，减小了孔径。其对水泥的分散作用，能减少有机质对水泥水化作用的阻碍，对有机质的物理吸附作用也有一定的效果，在有粉煤灰存在时，石膏作为硫酸盐激发剂，可促进粉煤灰中活性组份的水化反应。

(2)软土颗粒表面存在少量的活性SiO₂、Al₂O₃，在炉渣集料中Ca(OH)₂的碱性激发作用下同样会发生火山灰反应，生成不溶于水的C-S-H、C-A-H凝胶和水化硅铝酸钙。这些物质遍布于黏土颗粒间形成凝胶、棒状及纤维状结构，将土粒粘结包裹成整体，并随时间的推移不断增多，致使处治土的强度与稳定性不断提高。

与现有技术相比，本发明软土硬化剂的技术效果在于：

(1)该软土硬化剂具有早强的特点，根据室内试验和现场软土的加固情况来看，7d养护龄期14％掺量的固化土的无侧限抗压强度就可达到0.8MPa，满足软土固化剂行业规范28d的强度要求，有利于缩短工期，降低工程经济成本。

(2)原材料60％～90％均属于当地传统行业固体废弃物，硅酸盐水泥、矿渣、粉煤灰等都为大宗低值材料，原材料来源广泛易得，具有较好的生产便捷性。生产工艺简单，耗能小，只需要粉磨混合即可，不增加能耗和资源开采且能缓解当地的环保压力，绿色环保一举多得。

(3)该软土硬化剂通过14％掺入量即可获得25％掺量的P.C.42.5水泥同等效果，降低工程经济成本。具体节约方式如下表1：

表1软土固化剂与水泥建材经济性对比

基于市场周期行情分析，随着水泥建材价格的上涨，采用本申请软土硬化剂的成本优势将进一步放大。

(4)解决了决固化后水质高碱性问题和固化体后期开裂问题。

(5)解决了传统水泥材料对于高含水量、高有机质、高含盐量软土固化效果不好的问题。

(6)施工工艺和设备简单，在原基础上无需做工艺和设备技改。

(7)本发明的软土硬化剂中，所掺入的矿渣可以较大幅度的代替普通硅酸盐水泥用量，通过与其他添加剂、施工工艺的综合作用大大改善固化剂与软土混合料的流动性和均匀性。

下面结合附图对本发明的用于海域环境的软土硬化剂作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的用于海域环境的软土硬化剂的施工效果照片。

具体实施方式

实施例1

一种用于海域环境的软土硬化剂，以质量份计，包括：

40份的水泥；

8份的粉煤灰；

34份的矿渣粉；

15份的脱硫石膏；

3份外加剂。

将上述原料按比例混合均匀得到1#软土硬化剂。

实施例2

一种用于海域环境的软土硬化剂，以质量份计，包括：

35份的水泥；

9份的粉煤灰；

38份的矿渣粉；

15份的脱硫石膏；

3份外加剂。

将上述原料按比例混合均匀得到2#软土硬化剂。

实施例3

一种用于海域环境的软土硬化剂，以质量份计，包括：

30份的水泥；

10份的粉煤灰；

42份的矿渣粉；

15份的脱硫石膏；

3份激发剂。

将上述原料按比例混合均匀得到3#软土硬化剂。

其中，1#～3#软土硬化剂均为粉体材料混合材料。矿渣粉的比表面积为450m²/kg。粉煤灰的比表面积为400m²/kg。脱硫石膏的比表面积为350m²/kg。水泥粉的比表面积为320m²/kg。

空白对照样：P.C.42.5水泥。

空白组按照水泥与软土质量1:4的比例，实施例1-4的产品按胶凝材料与软土质量1：7的比例加水搅拌混合至浓度为65％的充填料，其抗压强度如下表2所示。

表2实施例抗压强度

根据《中华人民共和国城镇建设行业标准》(CJ/T 526-2018)软土固化剂行业标准规定，固化土7d、28d龄期无侧限抗压强度应符合表3规定。

表3固化土无侧限抗压强度规范

应用实例

珠海横琴隧道项目工程建设按城市主干道标准建设，项目场地地形地貌较复杂，隧道工区范围内主要为鱼塘、虾池、蚝池、河流、围堰区、海域及滩涂地，局部为蕉林、临时道路，由于岸边的吹填加固工程，地质环境已经受到强烈破坏。场地复杂程度按《市政工程勘察规范》(CJJ56-2012)判断为复杂场地类型。隧道围岩主要为淤泥、淤泥质土等软土，岩土条件复杂程度等级为一级(《市政工勘察规范》(CJJ56-2012))，需进行专门治理。

在该项目施工过程中进行了内部实验，该实验采用了上述实施例1-3的软土硬化剂，现场通过13％软土硬化剂掺量代替20％水泥掺量，成功解决水泥凝固慢、固化强度28天不成桩或＜0.8Mpa的问题，施工效果如图1所示。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种用于海域环境的软土硬化剂，其特征在于：其组分按重量份数计，水泥20～40份，磨细粉煤灰8～12份，矿渣粉34～50份，石膏13～15份，早强激发剂3～5份。

2.根据权利要求1所述的软土硬化剂，其特征在于：比表面积为400～520m²/kg。

3.根据权利要求1所述的软土硬化剂，其特征在于：所述磨细粉煤灰的比表面积为400-500m²/kg。

4.根据权利要求1所述的软土硬化剂，其特征在于：所述矿渣粉的比表面积为400-600m²/kg。

5.根据权利要求1所述的软土硬化剂，其特征在于：所述石膏为天然石膏、氟石膏或脱硫石膏中的一种或几种。

6.根据权利要求6所述的软土硬化剂，其特征在于：所述石膏的比表面积为300-500m²/kg。

7.根据权利要求1所述的软土硬化剂，其特征在于：所述早强激发剂为硅酸盐类矿物和无机盐，其中无机盐包括氯化钠、硫酸钠、氯化钙、亚硝酸钠、铝酸钠中的一种或多种组合。