CN114804748A - 高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土及制备方法，所述固化的黏土按质量份数计，包括0.09～0.18份固废料、0.02～0.06份水泥和1份黏土，固废料包括高钙粉煤灰和矿渣；还包括碱激发剂、减水剂和水，碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物，水玻璃的模数为1.4～2.0。在制备时，将固废料、水泥和黏土混合，得到混合料；再将碱激发剂、减水剂和水加入到混合料中，混合均匀，可得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。本发明利用固废料和水泥对黏土进行土体加固，显著提高了黏土的无侧限抗压强度和抗剪强度。

Description

高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土及制备方法
技术领域
本发明涉及固体废弃物利用领域，尤其涉及高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土及制备方法。
背景技术
粉煤灰是由于燃料燃烧而产生的一种细微固体颗粒物。随着电力工业的飞速发展和煤炭资源的耗竭，大量的褐煤和次烟煤也被用作燃料，排放出了大量的高钙粉煤灰。高钙粉煤灰的主要成分，其游离氧化钙的含量较高，通常大于10％，有的甚至可以达到20％。这就导致将其用于混凝土掺合料或水泥混合料时，若未在安全比例范围使用，会造成体积安定性不合格等后果。如果其得不到有效利用，就会变成新的环境污染物，亟需加以处置利用。
黏土矿物是土体中最活跃的颗粒组成部分，对土的物理力学性质起着至关重要的作用，也是危害工程和造成地质灾害的主要原因之一，因此降低黏土矿物的活性，增强土体稳定性对于工程建设具有实际意义。目前土体加固通常有物理加固法、化学加固法和综合加固法。无机固化剂有着明显的优势，适用范围也更广，固化土强度更高，稳定性更好，早期强度易于控制，原材料来源广泛，对环境保护的作用也显而易见。
目前大多数土体加固，通常采用水泥土和石灰土，但是水泥土往往收缩较大，开裂风险较高，石灰土则早期强度发展缓慢，并且水泥和石灰对塑性指数较高的黏土、有机土和盐渍土的固化效果较差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土及制备方法，利用固废料和水泥对黏土进行土体加固，显著提高了黏土的无侧限抗压强度和抗剪强度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，按质量份数计，包括0.09～0.18份固废料、0.02～0.06份水泥和1份黏土，固废料包括高钙粉煤灰和矿渣；
还包括碱激发剂、减水剂和水，所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物，水玻璃的模数为1.4～2.0。
优选的，所述碱激发剂与固废料的质量比为(0.05～0.08):1；减水剂、水与胶凝材料的质量比分别为(0.006～0.01)：(0.3～0.35)：1，胶凝材料为固废料和水泥。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
优选的，所述高钙粉煤灰和矿渣的质量比为(3～7):(1～3)。
优选的，所述的高钙粉煤灰为II级高钙粉煤灰，CaO含量为10％～15％，密度≥2.6g/cm3，细度≤12.0％，烧失量≤5.0％。
优选的，所述矿渣的密度≥2.8g/cm3，烧失量≤3.0％，比表面积≥500m2/kg，氯离子质量分数≤0.06％。
优选的，所述黏土的液限大于45％，塑性指数大于18％，自由膨胀率大于90％，粒径小于0.005mm的颗粒质量分数大于80％。
制备上述任意一项所述的高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土的方法，包括以下步骤：
将固废料、水泥和黏土混合，得到混合料；
将碱激发剂、减水剂和水加入到混合料中，混合均匀，得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。
进一步，所述的黏土在98～103℃烘干后过0.25mm筛，再与固废料和水泥混合，得到混合料。
再进一步，先将碱激发剂、减水剂依次加入到混合料中混合均匀，然后加入水，再混合均匀，得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，在碱激发剂提供的碱性环境下，固废料和水泥激发后反应体系中的Si-O和Al-O键断裂并发生解聚反应，然后在高钙粉煤灰表面的玻璃体上形成有活性的SiO4和AlO4四面体，与Ca2+结合生成C-S-H或C-A-S-H网状凝胶，产生水化硅酸钙和水化硅酸铝等胶凝性产物，这些产物与黏土颗粒之间进一步发生水化水解反应，最终达到固化的黏土的效果；与此同时减水剂可减少水的用量，提高固化的黏土的强度。高钙粉煤灰来源广泛、价格低廉，可以有效解决高钙粉煤灰和矿渣的堆积和环境污染问题。
本发明制备高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土的方法，先将固废料、水泥和黏土混合，得到混合料，之后将碱激发剂、减水剂和水加入到混合料中，混合均匀，即可得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。工艺简单，制得的黏土的无侧限抗压强度高，抗剪强度高，有良好的抗渗性能和耐久性，其他性能指标也可以满足工程用土的使用要求，具有节能环保、低能耗、低成本的特点。
附图说明
图1是本发明实施例1黏土未固化时的扫描电镜图。
图2是本发明实施例1得到的黏土固化的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例和附图对本发明实施方式作进一步地描述。
水泥和工业废渣中的高钙粉煤灰都可以用来制作土的固化剂，但粉煤灰颗粒比较细，不掺入水的情况下常常是松散状态，不适宜直接应用于实际工程中，通过碱激发粉煤灰、水泥和黏土的混合物进行固化，可以显著提高土的强度。
本发明一种高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，由固废料、水泥、黏土、碱激发剂、减水剂和水组成；其中，固废料和水泥为胶凝材料，固废料、水泥与黏土的质量比为(0.09～0.18):(0.02～0.06):1，碱激发剂与固废料的质量比为(0.05～0.08):1；减水剂、水与胶凝材料的质量比分别为(0.006～0.01)：(0.3～0.35)：1。固废料由高钙粉煤灰、矿渣组成，高钙粉煤灰、矿渣的质量比为(3～7):(1～3)，高钙粉煤灰的掺量达到了75％以上。
上述中，减水剂选用聚羧酸减水剂，碱激发剂由氢氧化钠和水玻璃配制得到，氢氧化钠为分析纯，水玻璃的模数为1.4～2.0。
粉煤灰为II级高钙粉煤灰，其CaO含量为10％～15％，密度≥2.6g/cm3，细度≤12.0％，烧失量≤5.0％。
矿渣标号为S105，密度≥2.8g/cm3，烧失量≤3.0％，比表面积≥500m2/kg，氯离子质量分数≤0.06％。
黏土为液限大于45％，塑性指数大于18％，自由膨胀率大于90％，粒径小于0.005mm的颗粒含量大于整个土样的80％。
本发明一种高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，按质量比(3～7):(1～3)称取高钙粉煤灰、矿渣混合，得到固废料；
步骤S2，将黏土在98～103℃的烘干箱中烘干处理后过直径为0.25mm的实验筛，按质量比(0.09～0.18):(0.02～0.06):1，将称取好的固废料、水泥、黏土混合，得到混合料；
步骤S3，将碱激发剂、减水剂依次加入到混合料中，然后加入水，充分搅拌混合，即得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土；其中，碱激发剂的用量占固废料质量的5％～8％，减水剂的用量占胶凝材料质量的0.6％～1％，水的用量占与胶凝材料质量的30％～35％。
实施例1：
称取10kg高钙粉煤灰、4kg矿渣倒入搅拌机，得到固废料，充分搅拌30s；称取3kg水泥和在100℃的烘干箱中烘干处理后过直径为0.25mm的黏土80kg倒入搅拌机中充分搅拌2min，得到混合料；将氢氧化钠分析纯溶于水，配制成浓度为5mol/L的NaOH水溶液，按200mL：122g的比例，然后其与水玻璃混合，得到碱激发剂；取1.02kg碱激发剂、0.12kg聚羧酸减水剂依次加入到混合料中，然后加入5.44kg水，搅拌5min充分混合，即得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。
从图1可以看到，黏土颗粒在固化前呈点接触架空结构。从图2可以看到固化之后，由原来的架空结构变成了凝胶粘结的块状整体结构，总体结构变得更加致密。
实施例2：
称取20kg高钙粉煤灰、5kg矿渣倒入搅拌机，得到固废料，充分搅拌30s；称取5kg水泥和在98℃的烘干箱中烘干处理后过直径为0.25mm的黏土200kg倒入搅拌机中充分搅拌2min，得到混合料；将氢氧化钠分析纯溶于水，配制成浓度为5mol/L的NaOH水溶液，按200mL：122g的比例，然后其与水玻璃混合，得到碱激发剂；取1.85kg碱激发剂、0.24kg聚羧酸减水剂依次加入到混合料中，然后加入10.5kg水，搅拌5min充分混合，即得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。
实施例3：
称取15kg高钙粉煤灰、5kg矿渣倒入搅拌机，得到固废料，充分搅拌30s；称取5kg水泥和在103℃的烘干箱中烘干处理后过直径为0.25mm的黏土140kg倒入搅拌机中充分搅拌2min，得到混合料；将氢氧化钠分析纯溶于水，配制成浓度为5mol/L的NaOH水溶液，按200mL：122g的比例，然后其与水玻璃混合，得到碱激发剂；取1.25kg碱激发剂、0.225kg聚羧酸减水剂依次加入到混合料中，然后加入8.25kg水，搅拌5min充分混合，即得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。
以上实施例所述用的高钙粉煤灰具体规格如下表：
Figure BDA0003620177370000061
以上实施例所述用的黏土具体规格如下表：
类别 最大干密度/(g/cm<sup>3</sup>) 最佳含水率(％) 塑限(％) 液限(％) 塑性指数
黏土 1.72 18.06 41.2 52.3 19
对实施例1～实施例3制得的固化的黏土的碱激发地质聚合物胶凝材料进行性能分析：
按照《土工试验方法标准》GB/T50123—1999测定内摩擦角、渗透系数、无侧限抗压强度和抗剪强度。
对实施例1～实施例3制得的固化的黏土进行以下处理：
将搅拌成型的混合物分两次倒入模具，每次振捣60次以上，振捣结束后将表面进行抹平，将试样在温度为75℃，湿度为80％的条件下蒸养8h，然后进行标准养护，分别养护至7d、14d、28d和60d。
结合之前的内摩擦角、渗透系数、无侧限抗压强度和抗剪强度，实施例1～实施例3制得的固化的黏土的性能检测合计后，结果见表1。
表1实施例1～实施例3所得固化的黏土的性能检测结果
Figure BDA0003620177370000071
经以上试验测得，本发明制得的固化的黏土的碱激发地质聚合物胶凝材料的内摩擦角为15.8°～17.4°，渗透系数为3.3～5.0×10-5cm/s，7d无侧限抗压强度为723～1005kpa，14d无侧限抗压强度为905～1586kpa，28d无侧限抗压强度为902～1590kpa，60d无侧限抗压强度为885～1487kpa，素土的无侧限抗压强度为450kPa，围压为400kpa时，7d抗剪强度为638～848kpa，14d抗剪强度为590～855kpa，28d抗剪强度为580～792kpa，而素土的抗剪强度为400kPa。

Claims (10)

1.高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，其特征在于，按质量份数计，包括0.09～0.18份固废料、0.02～0.06份水泥和1份黏土，固废料包括高钙粉煤灰和矿渣；
还包括碱激发剂、减水剂和水，所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃的混合物，水玻璃的模数为1.4～2.0。
2.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，其特征在于，所述碱激发剂与固废料的质量比为(0.05～0.08):1；减水剂、水与胶凝材料的质量比分别为(0.006～0.01)：(0.3～0.35)：1，胶凝材料为固废料和水泥。
3.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
4.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，其特征在于，所述高钙粉煤灰和矿渣的质量比为(3～7):(1～3)。
5.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，其特征在于，所述的高钙粉煤灰为II级高钙粉煤灰，CaO含量为10％～15％，密度≥2.6g/cm3，细度≤12.0％，烧失量≤5.0％。
6.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，其特征在于，所述矿渣的密度≥2.8g/cm3，烧失量≤3.0％，比表面积≥500m2/kg，氯离子质量分数≤0.06％。
7.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土，其特征在于，所述黏土的液限大于45％，塑性指数大于18％，自由膨胀率大于90％，粒径小于0.005mm的颗粒质量分数大于80％。
8.制备权利要求1～7中任意一项所述的高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将固废料、水泥和黏土混合，得到混合料；
将碱激发剂、减水剂和水加入到混合料中，混合均匀，得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。
9.根据权利要求8所述的制备高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土的方法，其特征在于，所述的黏土在98～103℃烘干后过0.25mm筛，再与固废料和水泥混合，得到混合料。
10.根据权利要求8所述的制备高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土的方法，其特征在于，先将碱激发剂、减水剂依次加入到混合料中混合均匀，然后加入水，再混合均匀，得到高钙粉煤灰/水泥复合胶凝材料固化的黏土。
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