CN113860830B - 一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料及施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料及施工工艺。材料配比以重量百分比计，优选级配的粗颗粒钢渣占85‑95％，钠化钙基膨润土占5‑15％，聚丙烯纤维占0.1‑1％；在风干状态下按照配比将原料混合搅拌均匀，然后用干料压实工艺进行现场施工，制成低渗透性覆盖层柔性防渗材料。本发明可解决覆盖层防渗材料在干湿循环下易开裂从而导致防渗性能劣化的问题，将钢渣通过新配方与施工工艺制作成覆盖层柔性防渗材料，实现钢渣的高效资源化利用，显著降低覆盖层的成本，可应用于工业固废堆场与生活垃圾填埋场等场所。
Description
技术领域
本发明涉及钢渣的高效资源化利用领域的一种抗开裂防渗材料及施工工艺，尤其是涉及了一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料及施工工艺。
背景技术
根据环保部数据，我国钢渣年产量约1.6亿吨，由于钢渣呈强碱性，且含有易吸水膨胀的游离氧化钙和氧化镁，导致以钢渣制成的固化体产生开裂等问题，因此钢渣综合利用率低，仅为30％左右，约70％的钢渣采用就地堆积方式处理。目前我国钢渣累计堆存量超20亿吨，占用了大量的土地资源。为了避免污染周边的土壤及地下水，大量钢渣堆场亟需进行覆盖防渗处理。实现钢渣减量化与资源化处理，有助于减少钢渣对地下水土污染、释放城市建设用地，推动环境友好型、资源节约型社会的建立。
覆盖层是实现钢渣堆场无害化治理与生态恢复的重要技术。覆盖层主要利用低渗透性的防渗材料将钢渣堆场与大气相隔离，降低雨水渗漏量(防渗)。压实黏土是覆盖层中常用的防渗材料，容易在干湿循环下产生缩胀，从而导致开裂，劣化覆盖层防渗性能。部分学者提出在黏土中掺入纤维来解决开裂问题，但纤维掺量的增大容易导致渗透系数增大，降低了覆盖层防渗性能。此外，填埋场面积高达数平方公里，以常见黏土层厚度0.5米计算，需数百万方黏土，面临取土难、成本高的问题。有部分填埋场覆盖层采用砂加天然钠基膨润土的混合材料替代传统压实黏土层，但是相比与砂，钢渣浸出液中含有包括钙离子在内的大量高价阳离子，这些高价阳离子导致膨润土水化性能降低，增大防渗材料的饱和渗透系数。此外，传统覆盖层防渗材料施工工艺采用边加水边拌和的方式，容易导致黏土、膨润土等细粒土的团聚化现象，导致出现大孔隙，大大增加了渗透性。综上所述，现有的砂加膨润土配方与制备工艺均不适用于钢渣，有必要研发以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料，实现固废资源化，降低覆盖层建设成本。
由于钢渣自身颗粒粗，渗透性大，目前利用钢渣做防渗材料的专利通过添加胶凝材料(如水泥、石灰、沥青等)，形成类似混凝土的固化体从而实现防渗，主要应用于道路工程方面，存在以下几个方面的局限性：
1、由于固化体脆性大、抗拉强度低，用于覆盖层时在填埋体不均匀沉降作用下易开裂，导致防渗性能劣化，因此基于固化原理的钢渣防渗材料难以用作填埋场覆盖层防渗材料。相对于固化形成的“刚性”防渗材料，目前尚未有以钢渣为主材的具有一定可塑性的柔性防渗材料。
2、需要对钢渣进行二次处理。钢渣中存在游离氧化钙、游离氧化镁等体积活性成分，在水分作用下产生体积膨胀，而且容易降低水泥等胶凝材料的安定性，在凝结硬化时容易产生不均匀的体变，导致固化体龟裂、松脆与弯曲等等问题，降低防渗性能。因此需要加工处理降低钢渣的体积活性成分，如专利《CN109650830A复合凝胶防渗材料和复合防渗层》通过添加多种活性微粉降低钢渣的体积活性成分；专利《CN110606682A改性钢渣及其制备方法和在SMA沥青混凝土中的应用》要求采用陈化时间大于12个月的钢渣。此外，为了促进固化体形成，需采用极细的钢渣颗粒(粒径约0.075mm)，例如专利《CN110606682A改性钢渣及其制备方法和在SMA沥青混凝土中的应用》和《CN109626892A一种粒料类固化剂及利用其制备的高强低收缩抗裂路面基层材料》，都需要将钢渣进行研磨至0.075mm粒径后才可进行应用。这些加工处理方法显著增加了成本，限制了钢渣资源化利用。
3、需要浇筑施工，工艺繁琐且难以适用于固废堆场覆盖层。例如专利《CN112500090A抗裂防渗钢渣路面基层混合料及其制备方法》、《CN110606682A改性钢渣及其制备方法和在SMA沥青混凝土中的应用》和《CN112624707A水泥稳定钢渣砾石路面基层混合料及其制备方法》都是采用钢渣配合水泥等胶凝材料，再通过特定浇筑流程固化用于路面与路基。不但所需材料种类繁多，添加的硅酸盐水泥、减水剂和有机高分子材料等还是高环境负荷材料，而且浇筑工作在工业固废堆场常见的陡坡(坡度大于27度)上也难以施工，通常还需要不少于28天的养护周期。
除了上述采用固化方法形成刚性防渗材料，目前有少数专利采用钢渣之外的固废形成柔性防渗材料，如专利《CN108793838A一种以尾矿砂为基础的新型矿物阻隔防渗材料》将尾矿砂、膨润土、聚合物与水搅拌均匀，利用聚合物与膨润土吸水膨胀从而堵塞混合材料孔隙，阻隔水分迁移，实现低渗透性，然而聚合物遇水后黏性很强，膨润土加水搅拌容易团聚，导致难以保证混合材料的均匀性，严重劣化其防渗性能；专利《CN109650793A一种适于铁矿尾矿库的防渗材料及制备方法》采用粘土36％-41％、铁矿尾矿粉10％-12％，辅以适量膨润土、纸浆纤维、成膜剂、水制备防渗材料，但是其主要材料为粘土，难以将黏土与配方中其余材料混合均匀。此外，这两个专利都具有以下共同的缺陷：
1、无法抵抗干湿循环导致的开裂。由于这些专利提出的防渗材料主要由细颗粒组成，小于200目(0.074mm)的粒径占70％以上，且水敏感性矿物含量高，导致在干湿循环条件下易开裂，从而劣化防渗性能。本发明采用的主材钢渣颗粒较粗，达到砂的粒径范围(0.075-1mm)，干湿循环作用下体变较小。
2、主要通过增加膨润土掺量，降低饱和渗透系数。然而，高膨润土掺量下防渗材料的干缩体变增大，干湿循环作用下越容易产生开裂。本发明通过采用优选的钢渣级配，不仅减小钢渣骨架的孔隙尺寸，从而减小饱和渗透系数，而且减少膨润土掺量与干缩体变，降低开裂的可能性。本发明开展的试验表明在给定的膨润土掺量条件下，通过优选钢渣级配，饱和渗透系数降低多达一个数量级。
3、无法避免细颗粒团聚化现象，从而形成大孔隙，导致防渗材料性能劣化。上述专利均需与水混合，难以避免细粒土团聚化。本发明采用了风干状态的材料压实工艺来有效降低团聚化现象。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，为了解决覆盖层防渗材料在干湿循环下易开裂从而导致防渗性能劣化的问题，本发明提供了一种适用于固废堆场的以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料及施工工艺。
本发明可应用于工业固废堆场与生活垃圾填埋场，将钢渣通过新配方与施工工艺制作成覆盖层柔性防渗材料，实现钢渣的高效资源化利用，显著降低覆盖层的成本。
本发明的技术方案是：
一、一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料：
如图1所示，所述的柔性抗开裂覆盖防渗材料以钢渣为主材组成防渗材料骨架，辅以钠化钙基膨润土和聚丙烯纤维为辅材，以钠化钙基膨润土填充钢渣孔隙实现低渗透性，以聚丙烯纤维抵抗干湿循环开裂。
材料配比以重量百分比计，钢渣占85-95％，钠化钙基膨润土占5-15％，聚丙烯纤维占0.1-1％。
所述的钢渣中，级配为0.5-1mm粒径的质量占40％，0.25-0.5mm粒径的质量占30％，0.1-0.25mm粒径的质量占20％，0.075-0.1mm粒径的质量占10％。
材料混合前需对钢渣进行水洗处理，即将单位体积的钢渣浸泡于5份体积的水，每24小时进行换水，直至浸泡7天。
所述的聚丙烯纤维，长度为6-19mm，直径18-48微米，抗拉强度大于300MPa。
所述的钠化钙基膨润土，膨胀指数不小于20ml/2g，吸蓝量应不小于30g/100g，滤失量不大于18ml。
本发明利用粒径0.075-1mm的优选级配的粗颗粒钢渣组成防渗材料骨架，减少钠化钙基膨润土用量；利用钠化钙基膨润土填充钢渣孔隙，实现低渗透性；利用聚丙烯纤维形成加筋作用，结合钢渣中游离氧化钙等体积活性成分遇水形成的胶凝作用，不仅降低饱和渗透系数，而且将纤维锚固于钢渣骨架，强化钢渣-膨润土-纤维混合材料的整体性，抵抗干湿循环开裂。
二、柔性抗开裂覆盖防渗材料的施工工艺：
在风干状态下按照配比将原料混合搅拌均匀，然后用干料压实工艺进行现场施工，压实度大于85％，制成饱和渗透系数小于10-7cm/s的覆盖层柔性防渗材料。
干料压实工艺为先将风干的钢渣和钠化钙基膨润土混合均匀，再掺入纤维拌和均匀，最后对混合材料进行压实。干料压实工艺可显著提升压实度，实验结果显示相同压实功下，相比于传统边加水边拌合再压实工艺，采用干料压实工艺可以将材料压实度由85％提升至95％。同时，干料压实工艺有效防止传统边加水边拌合导致的土体团聚化，大大降低混合材料中大孔隙的数量，提升材料的防渗性能。
所述的干料压实工艺，具体为：先将风干的钢渣、钠化钙基膨润土加入搅拌机，待搅拌均匀后，搅拌时间不小于2分钟，再将纤维加入搅拌，搅拌时间不小于1分钟，将搅拌得到的混合材料按照每层10cm进行分层压实，每层压实时虚铺20cm厚度；然后根据目标压实度大于85％，采用压路机等压实工具夯实直至目标厚度。这样可避免传统边搅拌边加水导致的团聚化现象，形成钢渣作为防渗基材骨架、钠化钙基膨润土在孔隙通道中起到阻水作用、纤维阻止干湿循环诱导开裂的理想状态。
本发明工作原理如下：选用粒径0.075-1mm的优选级配的粗颗粒钢渣组成防渗材料骨架，减少钠化钙基膨润土用量，提高防渗材料的力学强度；利用钠化钙基膨润土填充钢渣孔隙，膨润土水化后体积膨胀起到阻水作用，结合钢渣中游离氧化钙等体积活性成分遇水形成的胶凝作用与体积膨胀，实现低渗透性；利用聚丙烯纤维与钢渣的界面摩擦力形成加筋作用，结合钢渣中游离氧化钙等遇水形成的胶凝作用，锚固纤维于钢渣骨架，强化钢渣-膨润土-纤维混合材料的整体性，抵抗干湿循环开裂。
目前现有以钢渣为防渗材料均是通过固化方法形成“刚性”的防渗材料，本发明主要利用膨润土填充钢渣孔隙，形成“柔性”防渗材料。
而且，钢渣自身富含游离氧化钙等体积活性成分，本发明利用这个活性成分遇水形成的胶凝成分，随着服役时间增长，不仅降低饱和渗透系数，而且将纤维锚固于钢渣骨架上，解决了纤维掺量增加导致防渗性能劣化的弊端，克服了防渗(要求纤维掺量低)与抗开裂(要求纤维掺量高)对纤维掺量的矛盾。
钢渣自身富含游离氧化钙等体积活性成分，因其吸水体积会有膨胀，因此钢渣中游离氧化钙等体积活性成分常被认为是有害成分，已有专利中钢渣需要通过一系列工艺去除该成分才能通过固化形成防渗材料。但是这个活性成分在本发明为有利物质，利用这个活性成分遇水形成的胶凝成分，体积膨胀，起到类似于膨润土的填充孔隙的作用，随着服役时间增长，不仅降低饱和渗透系数，而且锚固纤维。因此本发明克服了当前将钢渣中体积活性成分视为害处的技术偏见，变“害”为“益”。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明设计的一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料的渗透系数小于《生活垃圾填埋场处理技术规范》(GB 50869-2013)要求的10-7cm/s，且提升了抗开裂性能，解决了传统压实黏土层存在干湿循环下易开裂的弊端，提升了覆盖层材料的耐久性，防治工业固废堆场造成的环境污染。在雨水渗入作用下钢渣中的游离氧化钙、游离氧化镁等产生胶凝反应、体积膨胀，使得渗透系数随时间推移会逐渐降低，稳定性更高。钢渣固化形成骨架时也将纤维锚固在钢渣骨架上，克服了抗开裂与防渗对纤维掺量要求的矛盾。
(2)本发明的一种干料压实施工工艺，有效解决了边加水边拌和的传统施工工艺导致的钠化钙基膨润土和钢渣遇水团聚化问题。将基材在干料的状态下搅拌混合，使得钠化钙基膨润土在钢渣中分布均匀，从而减少团聚体导致的大孔隙，也有利于发挥膨润土膨胀特性堵塞钢渣骨料间的孔道，起到阻水作用。钢渣经水洗处理后，浸出液中金属阳离子浓度显著降低，解决了膨润土在盐溶液中性能大幅下降的问题。干料压实工艺同时可显著提升相同压实功下材料的压实度，大大提高了材料的稳定性和适用性，解决了传统覆盖层在坡面施工时压实度不达标的问题，使其可适用于坡角较大的堆体。
(3)本发明设计的一种基于钢渣的防渗覆盖材料大大降低覆盖防渗材料的成本。直接利用钢渣，避免对钢渣再加工，有助于节约能源、提高钢渣的综合利用率。防渗材料的主材钢渣本身为工业固废，对比传统防渗层中的压实黏土材料500元左右一吨的价格，钢渣的成本仅为十分之一左右，同时就地取材节省了高昂的材料运输费。本发明采用的钠化钙基膨润土也是膨润土中价格较为低廉的一种，是我国膨润土的主要品种，避免使用进口的价格昂贵的天然钠基膨润土。
(4)本发明设计的防渗材料的主材钢渣有多孔结构、较大比表面积、自由能高等特性，对于环境污水中磷、铜、镍、镉、铅和砷等有一定吸附作用。同时钢渣碱度较高，含有一定量的Ca(OH)2和Mg(OH)2等碱性物质，使覆盖层具有与酸性废水废气发生中和反应的特性。
(5)聚丙烯纤维耐腐蚀性良好，耐化学药品性优于一般纤维，充填至本发明中可以提升覆盖层抗开裂性能。
附图说明
图1为本发明柔性抗开裂覆盖防渗材料的结构和原理图。
图中：1，钢渣；2，钠化钙基膨润土；3，聚丙烯纤维。
图中钢渣1在本发明指定的良好级配下粒径连续分布，容易压实形成致密的骨架，整体稳定性较高，还可以减少钢渣的孔隙尺寸，提升防渗性能，显著减少钠化钙基膨润土用量。钠化钙基膨润土2填充于钢渣1颗粒间的孔隙通道中，由于钠化钙基膨润土2颗粒较小，且遇水膨胀，可以有效充填钢渣1的孔隙通道，结合钢渣中游离氧化钙等体积活性成分遇水形成的胶凝作用与体积膨胀，起到良好的长期阻水效果。利用纤维3与钢渣1的界面摩擦力，结合上述胶凝作用将纤维锚固于钢渣骨架，阻止干湿循环导致的体变，从而减少裂缝的产生。
图2为本发明在三次干湿循环下抵抗干湿循环诱导开裂的效果图，三个子图从左到右依次为干湿循环一次、两次、三次后的情况。由此可见，本发明的防渗材料能够克服干湿循环下防渗材料开裂的弊端。
图3为对照组，采用未掺加纤维的压实黏土经传统施工工艺制样在抵抗三次干湿循环的效果图，三个子图从左到右依次为干湿循环一次、两次、三次后的情况。可发现图2中的本发明试样的裂缝明显少于图3对照组的试样。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的实施例如下：
实施例1：
采用上述防渗抗开裂材料的制备与施工流程包括如下步骤：
(1)对天然钢渣进行水洗后风干处理，然后按照0.5-1mm、0.25-0.5mm、0.1-0.25mm和0.075-0.1mm四个粒径范围进行筛分处理，参照优选级配配置钢渣1：粒径在0.5-1mm之间的质量占40％，0.25-0.5mm之间的质量占30％，粒径在0.1-0.25mm之间的占20％，粒径在0.075-0.1mm之间的占10％)，并搅拌均匀。然后根据需求，按照85％的压实度计算并称取所需的钢渣总量(占总质量的94.7％)。
(2)按照85％的压实度计算并称取所需的干燥的钠化钙基膨润土2总量(占总质量的5％)，均匀加入至钢渣中，并进行不少于2分钟的搅拌。
(3)在60-90摄氏度下对纤维进行烘干3小时以上，使其分散状态较好，按照85％的压实度计算好所需的聚丙烯纤维3总量(总质量的0.3％)，均匀加入至钢渣1和钠化钙基膨润土2的混合料中，并进行不少于1分钟的搅拌，形成最终混合材料。
(4)根据覆盖层中防渗层的设计总厚度，按照压实度为85％，将最终混合材料在不掺水的情况下按照每层10cm进行分层压实，具体步骤为每层压实前虚铺20cm厚度，通过压路机等压实设备压实至10cm后，对表面进行刮毛处理，之后重复此步骤，直至防渗层总厚度达到设计值。
(5)在压实的防渗层表面喷洒适量的水分，利用钢渣中游离氧化钙等的胶凝作用，不仅强化钢渣-膨润土-纤维的整体性，而且降低防渗层的渗透性。如堆场位于我国的湿润区，也可以利用入渗的降雨促进钢渣的胶凝作用。
对实施例1获得的防渗材料开展如下渗透试验与干湿循环试验，分别验证防渗材料的渗透系数与抗开裂性能：
(1)渗透试验：为验证本发明的覆盖材料的防渗性能，参照规范进行柔性壁渗透试验，试验数据如表1中实施例序号1所示，渗透系数满足《生活垃圾填埋场处理技术规范》(GB50869-2013)规定的防渗材料渗透系数不大于10-7cm/s的要求。
(2)干湿循环试验：为验证本发明的覆盖材料的抗开裂性能，进行干湿循环试验，试验采用直径101.7mm，高度8mm表面皿土样进行干湿循环开裂测试。按照上述干料压实工艺制备土样后，喷洒自来水至水入渗至土样底部后，盖上表面皿的顶盖，使膨润土水化至少24小时。水化结束后，卸掉表面皿的顶盖，在室内常温25℃左右下，干燥至土样恒重(约7天)。重复上述土样干湿循环三次，每次干湿循环之后拍照记录覆盖材料开裂情况，实例1的试验结果如图2所示，三次干湿循环之后仅出现极少裂缝。
实施例2：
实施例2防渗材料和实施例1略有不同，不同之处在于按照钢渣、钠化钙基膨润土和纤维三者的质量比，具体为钢渣92.1％、钠化钙基膨润土7.5％、聚丙烯纤维0.4％。为验证其防渗性能和抗开裂性能，分别进行柔性壁渗透试验和三次干湿循环试验，其中渗透试验结果如表1中实施例序号2所示，满足《生活垃圾填埋场处理技术规范》(GB 50869-2013)对防渗材料渗透系数的要求，且三次干湿循环后无明显裂缝。
实施例3：
实例3防渗材料和实施例1略有不同，不同之处在于按照钢渣、钠化钙基膨润土和纤维三者的质量比，具体为钢渣89.5％、钠化钙基膨润土10％、聚丙烯纤维0.5％。为验证其防渗性能和抗开裂性能，分别进行柔性壁渗透试验和5次干湿循环试验，其中渗透试验结果如表1实施例序号3所示，满足防渗材料渗透系数不大于10-7cm/s的要求，且干湿循环后无明显裂缝。
表1实施例防渗抗开裂效果
通过上表可见，实施例1-3所得的以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料的渗透系数均满足《生活垃圾填埋场处理技术规范》(GB 50869-2013)要求(小于10-7cm/s)，且防渗性能随时间增长而增强，在干湿循环之后也未出现明显裂缝。综上所述，本发明的新型防渗材料以优选级配的钢渣为主材，钠化钙基膨润土与纤维为辅材，按优化的配比形成柔性抗开裂防渗材料，采用纯干料压实施工工艺，显著提升防渗材料的压实度，有效降低传统边加水边搅拌情况下钠化钙基膨润土和纤维的团聚化现象，实现饱和渗透系数低于10-7cm/s，且有着优良的抵抗干湿循环诱导开裂的性能。
相比于已有的利用钢渣作为防渗材料、纤维加筋的专利与文献，本发明取得以下预料不到的技术效果：利用钢渣富含的游离氧化钙、游离氧化镁等体积活性成分的胶凝作用，随着服役时间增长，不仅降低饱和渗透系数，而且将纤维锚固于钢渣骨架，克服了当前普遍存在的将钢渣中游离氧化钙、游离氧化镁等体积活性成分视为有害物质的技术偏见，变“害”为“益”，而且解决了纤维掺量增加导致防渗性能劣化的弊端，克服了防渗(要求纤维掺量低)与抗开裂(要求纤维掺量高)对纤维掺量的矛盾。此外，通过优选特定级配的钢渣，不仅显著降低饱和系数，而且减少了膨润土掺量，避免高膨润土掺量下产生过大体变。
Claims (6)
1.一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料，其特征是：所述的柔性抗开裂覆盖防渗材料以钢渣为主材，辅以钠化钙基膨润土和聚丙烯纤维为辅材；
所述的钢渣中，级配为0.5-1mm粒径的质量占40％，0.25-0.5mm粒径的质量占30％，0.1-0.25mm粒径的质量占20％，0.075-0.1mm粒径的质量占10％。
2.根据权利要求1所述的一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料，其特征是：材料配比以重量百分比计，钢渣占85-95％，钠化钙基膨润土占5-15％，聚丙烯纤维占0.1-1％。
3.根据权利要求1所述的一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料，其特征是：所述的聚丙烯纤维，长度为6-19mm，直径18-48微米。
4.根据权利要求1所述的一种以钢渣为主材的柔性抗开裂覆盖防渗材料，其特征是：所述的钠化钙基膨润土，膨胀指数不小于20ml/2g，吸蓝量应不小于30g/100g，滤失量不大于18ml。
5.应用于权利要求1-4任一所述柔性抗开裂覆盖防渗材料的施工工艺，其特征是：在风干状态下按照配比将原料混合搅拌均匀，然后用干料压实工艺进行现场施工，压实度大于85％，制成饱和渗透系数小于10-7cm/s的覆盖层柔性防渗材料。
6.根据权利要求5所述柔性抗开裂覆盖防渗材料的施工工艺，其特征是：
所述的干料压实工艺，具体为：先将风干的钢渣、钠化钙基膨润土加入搅拌机，待搅拌均匀后，再将纤维加入搅拌，将搅拌得到的混合材料按照每层10cm进行分层压实，每层压实时虚铺20cm厚度；然后根据目标压实度大于85％，采用压路机压实工具夯实直至目标厚度。
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