CN114163174B - 一种固废基改性胶结材料及其应用 - Google Patents

一种固废基改性胶结材料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固废基改性胶结材料及其应用。固废基改性胶结材料包括煤矸石、盐泥、电石渣、赤泥、活性激发剂等组分；该改性胶结材料原料成本低、固结效果好，用于淤泥的固结，能够有效降低淤泥的含水率，固化淤泥中的重金属等物质，且污泥固结体达到土方填筑的要求，且该固废基改性胶结材料各种原材料均以固体废物为主，达到以废制废的目的，具有极大的经济和环保效益。

Description

一种固废基改性胶结材料及其应用
技术领域
本发明涉及一种固废基改性胶结材料，具体涉及一种由煤矸石、盐泥、电石渣、赤泥等固废搭配组合共同激发得到的改性胶结材料，还涉及改性胶结材料在淤泥固结中的应用，属于环保技术领域。
背景技术
河湖疏浚和城市开发产生大量的淤泥，这些淤泥体量巨大，一般含水率高、强度低，部分淤泥可能含有有毒有害物质，这些有毒有害物质被雨水冲刷后容易浸出，从而对周围水环境造成二次污染。因此有必要对清淤后产生的淤泥进行合理的处理处置。传统的处置方法有堆放和海洋倾倒，堆放占用大量土地，因为海洋环境要求不断提高，海洋倾倒日趋艰难。然而，公路建设需要大量的填料，是淤泥合适的去处。淤泥在公路建设中无法直接利用，可进行改性处理达到指标后使用。目前，众多的淤泥固化剂存在成本高昂、质量控制困难的瓶颈问题，在工程应用施工时有指标控制不易和整体工期长的弊端，制约了淤泥资源化利用的推广。另一方面，我国工业固废量大、面广、害多，产量逐年累积且种类繁多，大量工业固体废弃物的堆积导致了很多灾难性的问题，包括对环境的污染、对生态的破坏，亟需进行有效的资源化利用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一个目的是在于提供一种固废基改性胶结材料，该固废基改性胶结材料原料成本低、固结效果好，用于淤泥的固结，能够有效降低淤泥的含水率，固化淤泥中的重金属等物质，且污泥固结体达到土方填筑的要求(JTGF80/1-2004)，且该固废基改性胶结材料各种原材料均以固体废物为主，达到以废制废的目的，具有极大的经济和环保效益。
本发明的第二个目的是在于提供一种固废基改性胶结材料的应用，将其用于淤泥的固结，能够有效降低淤泥的含水率，固化淤泥中的重金属等物质，且污泥固结体达到土方填筑的要求，大大降低了淤泥的处理成本，实现其资源化利用。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种固废基改性胶结材料，其包括以下质量百分比组分：煤矸石10％～30％；盐泥10％～30％；电石渣10％～25％；赤泥35％～60％；活性激发剂2～9％，以总质量为100％计量。
本发明的固废基改性胶结材料主要由煤矸石、盐泥、电石渣、赤泥及少量活性激发剂组成，各组分之间协同作用明显，可以直接用于高含水量污泥的固化成型，且固结体满足公路填料的要求。一般来说，对于淤/污泥、土壤基本单元体之间的联结决定着天然土壤结构的强度和工程性质，在外力压实作用下，土体体积减小，土体颗粒被压缩，它们之间的孔隙减少，使得淤泥、土壤基本单元体之间的接触联结作用加强，就形成了素土的抗压强度。一般这种情况下淤泥基本单元体之间的空隙比较大，结构松散，土样抗压强度和抗变形能力较小。当加入盐泥粉末和赤泥粉末等组分后，这些固体废弃物颗粒能够充填到淤泥单元体之间的空隙中，使材料趋于中性，并使淤泥质土进一步密实，从而提高土样的早期强度。同时，淤泥中比较活跃的组分是土壤胶体，土壤胶体一般带负电，其外部由于电性吸引充斥着大量的K+，Na+等阳离子。当淤泥中加入煤矸石和电石渣粉末时，在水的作用下，煤矸石和电石渣离解出大量的Ca+和OH-，阻止了淤泥土胶体表面阳离子的解析，减小了淤泥土胶体间的静电斥力，从而使淤泥土变得更易通过机械压实减小空隙率，提高结构强度和稳定性。此外，在活性激发剂配合下，改性胶结材料中细颗粒在后期养护过程中能吸收淤泥水分，发挥着吸水作用、骨架作用和活性激发作用；其中粗颗粒呈具有一定强度的孔状结构，能够提高淤泥改性土的物理强度，起到骨架作用，增强结合后淤泥土样的强度。
作为一个优选的方案，所述固废基改性胶结材料由以下质量百分比组分组成：煤矸石15％～30％；盐泥15％～25％；电石渣15％～25％；赤泥35％～50％；活性激发剂3～9％，以总质量为100％计量。
本发明的煤矸石、盐泥、电石渣及赤泥都以干燥粉末形式添加。
作为一个优选的方案，所述煤矸石主要包含SiO2、Al2O3和Fe2O3，且SiO2、Al2O3和Fe2O3的总质量百分比含量大于85％。煤矸石为采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，主要含有SiO2、Al2O3和Fe2O3，这些组分的质量百分比含量大于85％。煤矸石通过磨细成粉并添加到淤泥中可以迅速吸附到土体颗粒上，起到减水作用，发挥形态效应；而煤矸石中含有具有化学活性的二氧化硅、氧化铝等可以参与水化反应发挥活性效应，可延续到28天后，煤矸石粉磨中的微细颗粒可均匀分布在改性物料中，填充孔隙和毛细孔，改善土体孔结构和密实度，发挥微集料的优越性能。
作为一个优选的方案，所述盐泥主要包含SiO2、CaCO3、Mg(OH)2和NaCl。所述盐泥是制碱工业中产生的废渣，其中，SiO2质量分数约50.43％、水质量分数约为36％、CaCO3质量分数约为8.14％、Mg(OH)2质量分数为4.34％、NaCl质量分数约为1.09％，还有少量的Fe2O3等。盐泥通过脱水磨细加工，盐泥活性得到提高，作为掺合料进入淤泥。细磨加工不仅使泥粉颗粒减小，增大其比表面积，使渣粉中的f－CaO进一步水化以提高泥粉稳定性，还伴随着盐泥晶格结构及表面物化性能变化，使粉磨能量转化为泥粉的内能和表面能，提升盐泥粉末胶凝性。
作为一个优选的方案，所述电石渣的Ca(OH)2质量百分比含量≥90％。电石渣为电石水解获取乙炔气后的以氢氧化钙为主要成分的废渣，其中，所述电石渣经干燥处理后的Ca(OH)2质量百分比含量≥90％，含水率＜30％。电石渣能在常温或水热处理或蒸汽养护条件下，结合改性胶结材料中活性激发剂与煤矸石、盐泥、赤泥、淤泥等其他金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，可以成为一种增加强度和耐久性的材料。改性胶结材料充分利用了电石渣提高固结体强度和延展性，而且电石渣成本低，有利用大规模使用。
作为一个优选的方案，所述赤泥主要含有SiO2、Al2O3和CaO，且SiO2、Al2O3和CaO的总质量百分比含量大于30％。赤泥是铝土矿经提炼后所排出固废，经真空过滤机过滤，泥浆含水率60％以下，主要含有SiO2、Al2O3、CaO，其质量百分比含量大于30％。赤泥与煤矸石联合能够将淤泥中部分自由水转化为结晶水，所生成的结晶水合物不破坏矿物胶凝物质，土壤颗粒通过CAH系和CSH系胶凝成结构骨架。
作为一个优选的方案，所述活性激发剂为硫酸钠、TSG和三乙醇胺中至少一种。本发明的改性胶结材料本身包含的盐泥与赤泥相互间具有激发活性，通过加以适当比例的活性激发剂能够促进两种材料的酸碱中和，配制出高性能的用于淤泥固结的固废基改性胶结材料，能够促进改性淤泥早期强度发展。
本发明还提供了一种固废基改性胶结材料的应用，其应用于淤泥固结。
作为一个优选的方案，淤泥与固废基改性胶结材料的质量比为91～95:5～9。在优选的比例范围内，随着固废基改性胶结材料的比例增加，固结体的强度呈现增加趋势。
作为一个优选的方案，所述淤泥含水率小于80％，有机质质量百分比含量小于10％。
本发明还提供了固废基改性胶结材料用于固结污泥的方法，包括以下步骤：
(1)按设定配比，将煤矸石、盐泥、电石渣及赤泥混合，在干燥状态下间隔5min搅拌两次，每次搅拌5～10min得混合物；然后再将混合物与活性激发剂混合，球磨搅拌10～20min，即可得到改性胶结材料；
(2)按河湖疏浚底泥和/或城市开发产生的淤泥与改性胶结材料质量比为91～95：5～9的比例掺入，搅拌混合均匀，经自然脱水、碾压成型、养护即可。
本发明的河湖疏浚底泥和/或城市开发产生的淤泥，经去杂、堆载、压滤预处理，控制含水率不高于80％，有机质含量小于10％。
本发明的碾压成型采用分层摊铺碾压成型的方法。
本发明的养护采用常温自然保湿养护的方法。
本发明涉及的淤泥为河湖疏浚产生的淤泥或者城市开发产生大量的淤泥或者城市生活淤泥(如自来水厂产生)。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益效果：
1、本发明的改性胶结材料中主要成分包含了煤矸石、盐泥、电石渣、赤泥等，大量消纳了固体废弃物，实现了固体废物的资源化利用，达到以废治废的效果，降低淤泥处理成本；
2、本发明能有效替代传统的建筑材料，直接将本发明改性胶结材料和淤泥拌合碾压，形成坚固的基础板块，将淤泥资源化利用，解决了淤泥外运、堆放、处理难题，减少了土地占有和环境污染；
3、本发明能有效节约资源，使用固体废物替代了传统常用的水泥、石料等材料，进一步降低了成本，实现废物再利用，同时又释放大量土地，创造经济价值；
4、本发明的改性胶结材料用于淤泥的改性固化，改性固化后淤泥固化体的强度可以通过调节改性胶结材料的掺入比实现，大大提高了淤泥的固化效果；
5、本发明的改性胶结材料不仅原材料来源广泛、成本低、生产工艺简单，实现了资源的高效综合利用。
具体实施方式
下面通过具体实施对本发明内容作进一步详细说明，而本发明权利要求保护范围不受实施例限制。
以下具体实施例中，采用的煤矸石的主要活性成分SiO2(52.3％)、Al2O3(22.4％)和Fe2O3(12.2％)。采用的盐泥的成分SiO2(50.42％)、水(36％)、CaCO3(8.14％)、Mg(OH)2(4.34％)、NaCl(1.09％)，还有极少量的Fe2O3等。采用的电石主要成分Ca(OH)2(91％)，含水率约为7％。采用的拜耳法赤泥主要成分SiO2(11.48％)、Al2O3(32.26％)和CaO(20.21％)，含水率约为16％。采用的淤泥，经去杂、堆载、压滤预处理，控制含水率为80％，有机质含量约8％。
实施例1
(1)采用以下以质量百分比计的原料：煤矸石15％、盐泥20％、电石渣15％；赤泥45％，将上述原料放入搅拌机中，其中，搅拌机转速为270r/min，间隔5min搅拌两次，每次搅拌5～10min得混合物，然后再将混合物与5％活性激发剂三乙醇胺拌合，球磨搅拌10～20min，制得改性胶结材料；
(2)将含水率80％的淤泥与所制得改性胶结材料按91:9的比例称重后拌匀，堆积成约20cm高的土堆，自然干燥脱水后搅拌混匀，再将拌料利用模具制备成10×10cm的圆柱体试块；
(3)将制备的试块在常温自然状态下的环境进行养护，然后对养护7天、28天、90天的试块进行无侧限抗压强度测试，结果见表1。
实施例2
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，淤泥与改性胶结材料重量比为92:8，结果见表1。
实施例3
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，淤泥与改性胶结材料重量比为93:7，结果见表1。
实施例4
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，淤泥与改性胶结材料重量比为94:6，结果见表1。
实施例5
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，淤泥与改性胶结材料重量比为95:5，结果见表1。
对比例1
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，其中将煤矸石替换为水泥熟料，淤泥与改性胶结材料重量比为95:5，结果见表1。
对比例2
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，其中将盐泥替换为砂石骨料，淤泥与改性胶结材料重量比为95:5，结果见表1。
对比例3
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，其中将电石渣替换为石灰石，淤泥与改性胶结材料重量比为95:5，结果见表1。
对比例4
按表1中指定的各组分含量重复实施例1的方法，其中将赤泥替换为矿粉，淤泥与改性胶结材料重量比为95:5，结果见表1。
对比例5
购买市面上销售的泥浆改性剂A(SV-SSC型号、爱采购网购得)，使淤泥与改性胶结材料重量比为91:9，结果见表1。
对比例6
购买市面上销售的泥浆改性剂B(PM-0460k型号、广东某企业购得)，淤泥与改性胶结材料重量比为91:9，结果见表1。
表1不同质量百分比组合改性胶结材料及淤泥胶结固化测试结果
Figure BDA0003368392160000071
由表1中各实施例的测试数据说明，本发明改性胶结材料所制得的胶结材料抗压强度高，固结效果好；在同一掺量下，本发明实施例的改性胶结材料提高淤泥土性能的能力会高于对比例所采用的市面上销售的淤泥改性剂，并且满足相关规范要求(淤泥土样的7d无侧限抗压强度不小于0.1MPa)。
采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)对改性胶结材料处理后的胶结材料进行毒性浸出，结果见表2。
表2不同质量百分比组合改性胶结材料及淤泥胶结浸出毒性结果
Figure BDA0003368392160000081
表2中各实施例的测试数据说明，本发明改性胶结材料所制得的胶结材料固结效果好，重金属浸出浓度低；重金属浸出毒性低于对比例所采用的市面上销售的淤泥改性剂，并满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)的标准限值。
本发明的固废基改性剂材料中主要成分均来源于常见固体废弃物，实现了固体废物的资源化利用，不但降低了改性剂的成本，还提升了淤泥固化土的性能，达到以废治废的效果，节约了淤泥整体处理成本，具有较高的环保价值和经济效益。
本发明可以得出范围内不同组分质量百分比的改性胶结材料均能满足各种道路基层和底基层的路基要求。上述实施例是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：应用于淤泥固结；
所述固废基改性胶结材料包括以下质量百分比组分：
煤矸石10%~30%；
盐泥 10%~30%；
电石渣10%~25%；
赤泥35%~60%；
活性激发剂2~9%。
2.根据权利要求1所述的一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：所述固废基改性胶结材料由以下质量百分比组分组成：
煤矸石15%~30%；
盐泥15%~25%；
电石渣15%~25%；
赤泥35%~50%；
活性激发剂3~9%。
3.根据权利要求1或2所述的一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：所述煤矸石主要包含SiO2、Al2O3和Fe2O3，且SiO2、Al2O3和Fe2O3的总质量百分比含量大于85%。
4.根据权利要求1或2所述的一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：所述盐泥主要包含SiO2、CaCO3、Mg(OH)2和NaCl。
5.根据权利要求1或2所述的一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：所述电石渣的Ca(OH)2质量百分比含量≥90%。
6.根据权利要求1或2所述的一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：所述赤泥主要含有SiO2、Al2O3和CaO，且SiO2、Al2O3和CaO的总质量百分比含量大于30%。
7.根据权利要求1或2所述的一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：所述活性激发剂为硫酸钠、TSG和三乙醇胺中至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：所述淤泥与固废基改性胶结材料的质量比为91~95:5~9。
9.根据权利要求8所述的一种固废基改性胶结材料的应用，其特征在于：所述淤泥含水率不高于80％，有机质质量百分比含量小于10%。
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