CN115259759B - 一种固废基复合土壤固化剂及其制备方法 - Google Patents

一种固废基复合土壤固化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种固废基复合土壤固化剂，该固化剂的主要原料包括超细复合粉、活性激发剂和辅助增强剂，该固化剂性能稳定、应用范围广且成本低廉。本发明还提供一种固废基复合土壤固化剂的制备方法，本发明在提高固废综合利用率、开发绿色建材等领域具有重要意义。

Description

一种固废基复合土壤固化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及土壤固化剂技术领域，具体是一种固废基复合土壤固化剂及其制备方法。
背景技术
随着国家经济的快速发展，工程建设进度也在逐渐加快。基层土体作为建筑工程的重要组成，其性能对工程质量及进度起到重要作用。但现实施工过程中，部分土质因不满足设计要求，需进行加固处理。土壤固化剂作为一种新兴建筑材料，具有施工方便、性能稳定以及成本低廉等优点，在建筑行业已得到广泛应用。
赤泥是氧化铝工业产生的高碱性固体废弃物，主要成分为SiO2、Al2O3。结合相关统计，全球赤泥的年产量约为1.5亿吨，而其中1.0亿吨产自中国。受性能差异和技术水平的限制，当前主要以堆存的方式进行处理。该方式不仅占用土地，且容易形成赤泥扬尘等生态问题。如何将赤泥资源化利用，意义及其重大。
锂渣是硫酸法生产碳酸锂形成的酸性工业废渣，在我国资源量庞大。因其成分含有一定的活性SiO2和Al2O3，可用于制备部分建筑材料。钢渣、钒铁渣是金属冶炼过程的副产物，物相分析显示，二者含有部分C2S和C3S，具有一定的水硬胶凝性。
发明内容
针对上述现有技术，基于固废资源化制备功能性建筑材料的研究角度，本发明提供一种固废基复合土壤固化剂及其制备方法。
本发明提供的一种固废基复合土壤固化剂，按质量分数计，包含60～80％超细复合粉、5～15％活性激发剂、15～25％辅助增强剂；所述超细复合粉包含40～60％赤泥和40～60％锂渣，该锂渣可具体选择碳酸锂渣。所述锂渣呈弱酸性，与高碱性赤泥复合后可互相改性，进而提高超细复合粉的综合性能。
优选地，所述超细复合粉的细度为1000～1200目。
优选地，所述活性激发剂包含30％固体Na2SO4、20％固体NaOH和50％水玻璃。
优选地，所述辅助增强剂包含40％钒铁渣、40％钢渣、10％磷石膏和10％生石灰。
优选地，所述辅助增强剂的细度为800～1000目。
本发明还提供一种固废基复合土壤固化剂的制备方法，包含以下制备步骤：
S1、按质量分数计，取40～60％赤泥、40～60％锂渣在100℃下烘干后拌和均匀，经高度研磨和筛分后形成细度在1000～1200目的超细复合粉；
S2、按质量分数计，取50％水玻璃、30％固体Na2SO4和20％固体NaOH混合制备活性激发剂；
S3、将钒铁渣、钢渣、磷石膏和生石灰在50℃下烘干后分别按40％、40％、10％和10％的质量比例混合均匀并研磨，经筛分形成800～1000目的辅助增强剂；
S4、按质量分数计，将60～80％超细复合粉、5～15％活性激发剂、15～25％的辅助增强剂拌和均匀，在常温下利用密封袋包装储存，形成固废基复合土壤固化剂。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明使用的超细复合粉、辅助增强剂通过机械活化和激发剂的作用，赋予其较高的化学活性。硫酸法形成的工业锂渣呈酸性，与高碱性赤泥复合后可互相改性，达到“以废治废”的效果。所述超细复合粉在制备过程中，因高度研磨造成赤泥和锂渣的部分Si-O、Al-O键断裂，结合活性激发剂的作用，赋予其较高的化学活性，辅助增强剂中的钒铁渣和钢渣含有C3S、C2S和CaO，经水化反应后生成C-S-H凝胶并提供碱性环境，超细复合粉及基土中的部分活性SiO2、Al2O3在该环境下会继续反应生成C-S-H凝胶和新的硅铝酸盐矿物，在胶凝材料和新的化学结合力作用下，使固化土形成强度和稳定性。
2、本发明采用的超细复合粉和辅助增强剂的粒径较小，能够提高整体化学活性，但反应后可能造成固化土体积的微收缩，添加的磷石膏和生石灰除帮助形成强度外，也利用其硬化后体积的膨胀性来维持整个固化体系的稳定性。
3、本发明提供的复合土壤固化剂以工业固废为主要原材料，具有成本低廉、性能稳定、早期强度高以及应用范围广等优点，适合大批量生产。在使用方法上，本发明提供的复合土壤固化剂同时适用于路拌法和厂拌法施工。
附图说明
图1为本发明试验例中固化土混合料的X射线衍射图谱。
图2为本发明试验例中固化土混合料的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明所提供的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于理解，同时为验证赤泥复合量、活性激发剂和辅助增强剂掺量三者对复合土壤固化剂性能的影响规律，下面将结合具体实施案例，采用正交试验的方式对本发明进行详细阐述，正交试验设计见表1。
该实施过程在江苏省南京市进行，取当地淤泥质粘土和粉质黏土为基土进行验证，基土物理参数及粒径分布见表2、3。根据配合比设计实验，确定该固化剂在两种基土的最佳掺量为干质量的10％。为凸显固化剂的使用效果，本发明设置了对照组，即采用等量的海螺PO42.5水泥对基土进行固化，就固化土性能与实施例组进行对比。依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》和《土壤固化外加剂》测定固化土的7d无侧限抗压强度、水稳系数、28d抗冻指数和质量损失率。
表1正交试验设计表
Figure BDA0003770198710000031
表2基土物理性质
Figure BDA0003770198710000032
表3基土粒径分布
Figure BDA0003770198710000033
对照例
在基土中掺入10％的海螺PO42.5水泥，测定固化土混合料的最佳含水率并以此制备试件。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，将固化土混合料拌和均匀并压制成型后按要求进行养护，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
实施例1
按质量分数计，将40％赤泥和60％锂渣在100℃下干燥12h后拌和均匀，经高度研磨和筛分后形成细度在1000～1200目的超细复合粉；将50％水玻璃、30％固体Na2SO4和20％固体NaOH混合制备活性激发剂；将钒铁渣、钢渣、磷石膏和生石灰在50℃下干燥12h后分别按40％、40％、10％和10％的质量比例混合均匀并研磨，经筛分形成800～1000目的辅助增强剂。将超细复合粉、活性激发剂和辅助增强剂分别按80％、5％和15％的比例拌和均匀形成复合土壤固化剂，并以干质量的10％掺量加入基土形成固化土混合料。根据标准要求测定该固化土混合料的最佳含水率并以此制备试件。将试件拌和均匀并压制成型后按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行养护，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
其中，所述赤泥取自江苏省徐州市某氧化铝生产企业，属于烧结法赤泥，外观呈红褐色；所述锂渣呈弱酸性，与高碱性赤泥复合后可互相改性，进而提高超细复合粉的综合性能，两者的主要化学组成见表4。
表4原材料化学组分
Figure BDA0003770198710000041
所述固体水玻璃模数1.5，波美度40，主要成分见表5。
表5水玻璃化学组分
Figure BDA0003770198710000042
所述Na2SO4为粉末状，纯度≥98％；所述NaOH呈粉末状，纯度≥97％。
所述钒铁渣取自天津市某钒钢生产企业，呈棕黑色；所述钒铁渣的主要成分为C2S和少量MnO；所述钢渣取自安徽省马鞍山市某钢厂，呈棕黑色，主要成分为C3S、CaO和少量C2S；所述磷石膏取自湖北省武汉市某磷肥制造厂，呈银灰色粉末状且质地较软，脱水后，主要成分为CaSO4·0.5H2O；所述生石灰购自江苏省南京市某石灰窑厂，其CaO含量≥95％。
实施例2
重复实施例1的做法，利用40％赤泥和60％锂渣复合形成超细复合粉，将活性激发剂和辅助增强剂的用量分别调整为10％和20％，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
实施例3
重复实施例1的做法，利用40％赤泥和60％锂渣复合形成超细复合粉，将活性激发剂和辅助增强剂的用量分别调整为15％和25％，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
实施例4
重复实施例1的做法，利用50％赤泥和50％锂渣复合形成超细复合粉，将活性激发剂和辅助增强剂的用量分别调整为5％和20％，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
实施例5
重复实施例1的做法，利用50％赤泥和50％锂渣复合形成超细复合粉，将活性激发剂和辅助增强剂的用量分别调整为10％和25％，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
实施例6
重复实施例1的做法，利用50％赤泥和50％锂渣复合形成超细复合粉，将活性激发剂和辅助增强剂的用量分别调整为15％和15％，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
实施例7
重复实施例1的做法，利用60％赤泥和40％锂渣复合形成超细复合粉，将活性激发剂和辅助增强剂的用量分别调整为5％和25％，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
实施例8
重复实施例1的做法，利用60％赤泥和40％锂渣复合形成超细复合粉，将活性激发剂和辅助增强剂的用量分别调整为10％和15％，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
实施例9
重复实施例1的做法，利用60％赤泥和40％锂渣复合形成超细复合粉，将活性激发剂和辅助增强剂的用量分别调整为15％和20％，待达到规定龄期进行7d无侧限抗压强度、水稳系数、抗冻指数和质量损失率的测定。
各实施例和对照例的数据结果见表6。
表6各指标数据统计
Figure BDA0003770198710000061
根据表4提供的数据，提高赤泥复合量和辅助增强剂掺量使固化土的强度、水稳性和抗冻能力均得到提升；提高活性激发剂用量使固化土强度提升，但水稳性和耐久效果下降。三因素对两类基土的7d无侧限抗压强度的影响程度为：活性激发剂掺量＞辅助增强剂掺量＞赤泥复合量；对水稳系数和抗冻指数的影响程度为：辅助增强剂掺量＞赤泥复合量＞活性激发剂掺量；对质量损失率的影响程度为：赤泥复合量＞辅助增强剂掺量＞活性激发剂用量。
根据表4提供的数据，该固化剂的最佳配比为：赤泥复合量60％，活性激发剂掺量5％，辅助增强剂25％。将该配比应用于淤泥质粘土，固化土满足7d无侧限抗压强度≥2.60MPa，水稳系数≥84.5％，抗冻指数≥86.0％，质量损失率≤3.10％；应用于粉质黏土时，固化土满足7d无侧限抗压强度≥2.80MPa，水稳系数≥85.5％，抗冻指数≥87.5％，质量损失率≤2.50％。
试验例
以淤泥质粘土(基土1#)和粉质黏土(基土2#)按照实施例1的方法分别制备固化土混合料，待养护至8d进行X射线衍射分析，并与对照组(将复合土壤固化剂替换为纯固化剂)进行对比，如图1、2所示，除了C-S-H凝胶，超细复合粉中的SiO2、Al2O3参与生成钙矾石及少量蒙脱石，固化土1#和固化土2#有伊利石生成，考虑为基土中的某些活性成分参与反应所致，磷石膏和生石灰的水化反应不仅帮助形成固化土强度，且提高了整个体系的碱性程度，促进上述反应进行地更快、更充分，同时，利用磷石膏、生石灰反应后的体积膨胀性可预防固化土的收缩。图2为固化土混合料养护至7d时的SEM照片，可观察到明显的纤维状C-S-H凝胶(图2左上)、针尖状钙矾石(图2右上)、带棱角片状伊利石(图2左下)和鱼鳞状蒙脱石(图2右下)。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种固废基复合土壤固化剂，其特征在于，按质量分数计，包含60～80%超细复合粉、5～15%活性激发剂、15～25%辅助增强剂；所述超细复合粉包含40～60%赤泥和40～60%锂渣；所述超细复合粉的细度为1000～1200目；所述辅助增强剂包含40%钒铁渣、40%钢渣、10%磷石膏和10%生石灰；所述辅助增强剂的细度为800～1000目。
2.如权利要求1所述的固废基复合土壤固化剂，其特征在于，按质量分数计，所述活性激发剂包含30%固体Na2SO4、20%固体NaOH和50%水玻璃。
3.一种固废基复合土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包含以下制备步骤：
S1、按质量分数计，取40～60%赤泥、40～60%锂渣在100℃下烘干后拌和均匀，经高度研磨和筛分后形成细度在1000～1200目的超细复合粉；
S2、按质量分数计，取50%水玻璃、30%固体Na2SO4和20%固体NaOH混合制备活性激发剂；
S3、将钒铁渣、钢渣、磷石膏和生石灰在50℃下烘干后分别按40%、40%、10%和10%的质量比例混合均匀并研磨，经筛分形成800～1000目的辅助增强剂；
S4、按质量分数计，将60～80%超细复合粉、5～15%活性激发剂、15～25%的辅助增强剂拌和均匀，在常温下利用密封袋包装储存，形成固废基复合土壤固化剂。
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