CN115403230A - 一种用于固化淤泥土的复合型固化剂及固化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于固化淤泥土的复合型固化剂及固化方法，所述复合型固化剂包括有活性固化材料和水，所述复合型固化剂通过活性固化材料与水混合拌合而成，其中所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按照2～4:1～3的质量比混合组成，而所述水的用量为活性固化材料总量的0.8～1.2倍。采用本发明所述的复合型固化剂用于固化淤泥土，采用活性氧化镁与高炉矿渣作为活性固化材料，不仅绿色环保，原料来源广泛，成本低廉，而且固化效果好，具有良好的经济效益和社会效益，对淤泥的资源化利用有重要现实意义，其实用性强，具有很好的应用前景，利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及的是淤泥固化技术领域，具体地说是一种用于固化淤泥土的复合型固化剂及固化方法。
背景技术
我国水利工程和航运工程每年都会产生大量的疏浚淤泥，这不仅会影响水上交通的通行效率，而且造成了巨大的环境污染。此外，各城市的河道和湖泊也产生了大量的淤泥，使得河道黑臭化，同时，淤泥的堆积占用了大量的土地资源，也会造成严重的二次污染。针对以上一系列问题，我国迅速开展淤泥处理的行动。固化稳定法是目前比较常用的淤泥处理方法，固化稳定法是将废弃物与胶凝材料( 胶结剂、固化剂) 混合，同时通过物理和化学手段降低污染物质的淋滤能力及提高土体强度，从而将有害物质转化为环境可以接受的材料。
淤泥的成因主要是工业废水、生活污水、城市地表径流和大气降水等进入水体后，其中的颗粒物、胶体物质和水溶性盐类通过吸附、络合、化学反应等物理化学过程，并在一定水力条件下沉积到水体的底部，形成沉积物。由此可见，淤泥具有含水率高、强度低、压缩性大、粒径细，承载能力低等特点，难以作为建筑材料直接应用于实际工程。传统陆地吹填、海洋倾倒等处理方法，存在占地多、耗时长、成本高及污染严重等系列问题。目前，固化稳定技术，既可实现淤泥资源化利用的要求，又可解决工程用土需求，以及淤泥堆积占地污染等环境问题。然而，目前常用的水泥和石灰等固化剂固化淤泥后，虽然有一定的固化效果，但均会对环境造成污染，而且生产过程中存在资源和能源消耗大、以及二氧化碳排放量高等问题。
结合目前淤泥特性及现有加固处理技术的特点和问题，立足于我国工程建设快速发展的现状，如何低碳高效地、经济合理地处理淤泥并用于工程建设中，已成为业界亟待解决的课题。因此，亟需研究一种新型绿色环保的固化剂去处理淤泥土，利用活性氧化镁及高炉矿渣形成的复合型材料去固化淤泥，不仅可减少二氧化碳排放和减少环境污染，达到绿色环保发展目标，而且变废为宝，采用的固化剂的原料成本低廉。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对背景技术中存在的问题，从而提供一种基于活性氧化镁及高炉矿渣形成的复合型固化剂用于固化淤泥土，不但采用的固化剂原料绿色环保、价格低廉和来源广泛，而且固化效果良好，可有效减少二氧化碳排放，减少环境污染，采用复合型固化剂固化后的淤泥土可应用于不同实际工程中，满足使用需求，具体地说是一种用于固化淤泥土的复合型固化剂及固化方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种用于固化淤泥土的复合型固化剂，所述复合型固化剂包括有活性固化材料和水，所述复合型固化剂通过活性固化材料与水混合拌合而成，其中所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按照2～4:1～3的质量比混合组成，而所述水的用量为活性固化材料总量的0.8～1.2倍。
进一步地，本发明所述的一种用于固化淤泥土的复合型固化剂，其中所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按照3:2的质量比混合组成，而所述水的用量为活性固化材料总量的1倍。
本发明还公开了上述复合型固化剂用于固化淤泥土的固化方法，包括以下步骤：
(1)固化前准备工作，先在固化现场附近搭建实验室，然后在实验室内配制活性固化材料，按原料配比分别称取活性氧化镁和高炉矿渣，将两者混合后得活性固化材料，并将活性固化材料倒入容器内；
(2)将盛装有活性固化材料的容器运输到淤泥固化的现场；
(3)现场固化淤泥作业，首先在盛装有活性固化材料的容器内，按原料配比注水拌合，使活性固化材料形成混合液，搅拌混合均匀后，先静置25～35min，然后将静置后的混合液装入喷洒装置；
(4)通过喷洒装置将混合液充分、均匀地喷洒在淤泥表面，然后再通过现场的搅拌机将喷洒后的淤泥土进行混合搅拌，持续搅拌至完全均匀即可；
(5)重复以上步骤，直至达到固化淤泥可应用的工程标准即可。
进一步地，本发明所述的固化方法，其中所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按3:2的质量比混合组成，在注水拌合过程中，加入等质量的水混合搅拌，搅拌混合均匀后，先静置30min，然后将静置后的混合液装入喷洒装置。
进一步地，本发明所述的固化方法，其中所述活性氧化镁为活性氧化镁粉末，而所述高炉矿渣为粒化高炉矿渣微粉。
采用本发明所述的一种用于固化淤泥土的复合型固化剂及固化方法，选用活性氧化镁和高炉矿渣作为活性固化材料，由于氧化镁(MgO)是一种常见的碱性氧化物，常温常压下，MgO饱和水溶液的pH值仅为10.5左右，对矿渣活性的激发作用有限，其实用价值低。而活性氧化镁(Reactive MgO)是指经过煅烧的氧化镁，其煅烧温度约为750 度，故又叫轻烧镁或者轻烧粉，在此温度下生成的氧化镁与水反应较快，水化生成氢氧化镁，故称为活性氧化镁。
而高炉矿渣是高炉炼铁过程中，由铁矿脉石、助熔剂(石灰石)等炉料中的非挥发性杂质以及燃料中的灰分经高温熔融、冷却后所形成的工业废渣。采用粒化高炉矿渣微粉，其主要成分以硅酸盐和铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后粉磨所得的粉体材料，矿渣粉以无定形的玻璃体结构为主，含少量的结晶型矿物。因矿渣中玻璃体含量多，结构处在高能量状态，不稳定，潜在活性大，需磨细才能将其潜在活性发挥出来，利用粒化高炉矿渣微粉可以减少水泥生产过程中向大气排放的二氧化碳。
采用本发明所述的复合型固化剂，其发明原理为：对于单掺高炉矿渣固化的淤泥土，虽然高炉矿渣在水作用下存在水化作用，但这种自水化速度很慢，高炉矿渣中部分富含氧化钙的颗粒经自水化产生絮凝状物质后发生团聚现象，生成的自水化产物主要是无定形硅铝质凝胶，具有一定的胶凝性能。在水介质作用下，活性氧化镁与高炉矿渣之间发生了水化和激发反应，两种材料间的化学反应程度明显加速，使得生成的胶结物产量迅速增加。因此，采用活性氧化镁与高炉矿渣作为活性固化材料，具有良好的固化效果。
采用本发明所述的一种用于固化淤泥土的复合型固化剂及固化方法，与现有技术相比，其有效效果在于：
(1)、该发明采用的固化剂可减少二氧化碳排放，固化淤泥后对环境造成的污染小；
(2)、该发明采用的固化剂原料满足“变废为宝”的要求，成本较低，取得良好的经济效益；
(3)、该发明采用活性氧化镁与高炉矿渣作为活性固化材料，与水混合拌合而成，在与淤泥混合搅拌，经固化后的淤泥土可应用于路基工程的填料或其他实际工程中。
综上所述，采用本发明所述的复合型固化剂及固化方法，采用活性氧化镁与高炉矿渣作为活性固化材料，不仅绿色环保，原料来源广泛，成本低廉，而且固化效果好，具有良好的经济效益和社会效益，对淤泥的资源化利用有重要现实意义，其实用性强，具有很好的应用前景，利于推广应用。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的固化方法工艺流程图。
具体实施方式
为进一步说明本发明的构思，以下将结合附图，并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明所述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种用于固化淤泥土的复合型固化剂，所述复合型固化剂包括有活性固化材料和水，所述复合型固化剂通过活性固化材料与水混合拌合而成，其中所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按照2:1的质量比混合组成，而所述水的用量为活性固化材料总量的0.8倍；其中所述活性氧化镁为活性氧化镁粉末，而所述高炉矿渣为粒化高炉矿渣微粉。
上述复合型固化剂用于固化淤泥土的固化方法，包括以下步骤：
(1)固化前准备工作，先在固化现场附近搭建实验室，然后在实验室内配制活性固化材料，按原料配比分别称取活性氧化镁和高炉矿渣，将两者混合后得活性固化材料，并将活性固化材料倒入容器内；
(2)将盛装有活性固化材料的容器运输到淤泥固化的现场；
(3)现场固化淤泥作业，首先在盛装有活性固化材料的容器内，按原料配比注水拌合，使活性固化材料形成混合液，搅拌混合均匀后，先静置25min，然后将静置后的混合液装入喷洒装置；
(4)通过喷洒装置将混合液充分、均匀地喷洒在淤泥表面，然后再通过现场的搅拌机将喷洒后的淤泥土进行混合搅拌，持续搅拌至完全均匀即可；
(5)重复以上步骤两次，直至达到固化淤泥可应用的工程标准即可。
实施例2
如图1所示，本发明所述的一种用于固化淤泥土的复合型固化剂，所述复合型固化剂包括有活性固化材料和水，所述复合型固化剂通过活性固化材料与水混合拌合而成，其中所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按照3:2的质量比混合组成，而所述水的用量为活性固化材料总量的1倍；其中所述活性氧化镁为活性氧化镁粉末，而所述高炉矿渣为粒化高炉矿渣微粉。
上述复合型固化剂用于固化淤泥土的固化方法，包括以下步骤：
(1)固化前准备工作，先在固化现场附近搭建实验室，然后在实验室内配制活性固化材料，按原料配比分别称取活性氧化镁和高炉矿渣，将两者混合后得活性固化材料，并将活性固化材料倒入容器内；
(2)将盛装有活性固化材料的容器运输到淤泥固化的现场；
(3)现场固化淤泥作业，首先在盛装有活性固化材料的容器内，按原料配比注水拌合，使活性固化材料形成混合液，搅拌混合均匀后，先静置30min，然后将静置后的混合液装入喷洒装置；
(4)通过喷洒装置将混合液充分、均匀地喷洒在淤泥表面，然后再通过现场的搅拌机将喷洒后的淤泥土进行混合搅拌，持续搅拌至完全均匀即可；
(5)重复以上步骤三次，直至达到固化淤泥可应用的工程标准即可。
实施例3
如图1所示，本发明所述的一种用于固化淤泥土的复合型固化剂，所述复合型固化剂包括有活性固化材料和水，所述复合型固化剂通过活性固化材料与水混合拌合而成，其中所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按照4:3的质量比混合组成，而所述水的用量为活性固化材料总量的1.2倍；其中所述活性氧化镁为活性氧化镁粉末，而所述高炉矿渣为粒化高炉矿渣微粉。
上述复合型固化剂用于固化淤泥土的固化方法，包括以下步骤：
(1)固化前准备工作，先在固化现场附近搭建实验室，然后在实验室内配制活性固化材料，按原料配比分别称取活性氧化镁和高炉矿渣，将两者混合后得活性固化材料，并将活性固化材料倒入容器内；
(2)将盛装有活性固化材料的容器运输到淤泥固化的现场；
(3)现场固化淤泥作业，首先在盛装有活性固化材料的容器内，按原料配比注水拌合，使活性固化材料形成混合液，搅拌混合均匀后，先静置35min，然后将静置后的混合液装入喷洒装置；
(4)通过喷洒装置将混合液充分、均匀地喷洒在淤泥表面，然后再通过现场的搅拌机将喷洒后的淤泥土进行混合搅拌，持续搅拌至完全均匀即可；
(5)重复以上步骤四次，直至达到固化淤泥可应用的工程标准即可。
为了说明采用本发明所述固化剂用于固化淤泥土的固化效果，下面通过试验来说明本发明的固化剂具有的优良效果。
本试验采用实施例2所述复合型固化剂与采用水泥和粉煤灰及水泥和高炉矿粉作为固化剂来固化淤泥，研究固化剂种类及掺量,以及养护龄期对固化淤泥无侧限抗压强度的影响，从而揭示活性氧化镁-高炉矿渣、水泥-粉煤灰及水泥-高炉矿粉对淤泥的固化机理。
一、试验材料
1、淤泥
取自贵州省遵义市虾子河治理工程虾子河干流(黑塘子水库下游与湘江汇流处)，原状土表层呈黄褐色，内层黑色，有明显的汽油味，有机质含量丰富。原状淤泥的初始含水率为35.2%，但由于淤泥长期堆积在江边，在长期堆积和运送到实验室过程中蒸发了大量的水分。因此，淤泥样品的初始含水率略低于天然含水率。淤泥的基本物理性能见表1。
表1 淤泥的基本物理性能
2、水泥
选择P·042.5,贵州遵义某水泥厂生产，比表面积为381m2/kg，3d及28d抗压强度分别为26.1 MPa和54.1MPa，3d及28d抗折强度分别为5.4 MPa和8.3MPa，初、终凝时间分别为150 min和210min。
3、粉煤灰
贵州遵义某电厂，F类1级，主要矿物成分见表2。
4、高炉矿粉
贵州遵义某钢铁厂,主要矿物成分见表2，其中Ca0含量达到37.20%。
表2 试验用粉煤灰和矿粉的主要矿物成分%
贵州遵义某矿产品有限公司，主要矿物成分见表3，其中Mg0含量达到81.35%。
表3 试验用氧化镁的主要矿物成分%
二、试验方法
试样制备前，将淤泥用锤子压碎，切成小块，置于阳光下风干曝晒48h，然后粉碎，过2mm筛，去除其中的大颗粒杂质。在干燥状态下，按照表4的设计比例设计三个试验方案，将不同种类、不同配比的固化剂与淤泥粉末混合， 其中方案1采用本实施例2的方案，即活性氧化镁-高炉矿渣，按照重量比，活性氧化镁:高炉矿渣=3:2，而水的用量为活性固化材料总量的1倍, 即按照重量份数，活性氧化镁30％，高炉矿渣粉为20％，水为 50％。方案2采用水泥-粉煤灰，按照重量比，水泥:粉煤灰=2:3，而水的用量为水泥和粉煤灰总量的1倍, 即按照重量份数，水泥为20％，粉煤灰为30％，水为 50％。方案3采用水泥-高炉矿粉，按照重量比，水泥:高炉矿粉=2:3，而水的用量为水泥和高炉矿粉总量的1倍, 即按照重量份数，水泥为20％，高炉矿粉30％，水为 50％。
表4 固化淤泥配比方案
为了模拟河道淤泥在天然状态下的固化情况，将其含水率调整为40%，然后按正常方法将固化剂与淤泥混合，并充分搅拌，为保证淤泥和固化剂完全混合，搅拌时间定为5min.当所有搅拌工序完成后，适当采取养护措施，以保持水分平衡，再将混合物放入模具制样。无侧限抗压强度试件尺寸为φ50mmx100 mm.在模具中压实至少5层，脱模后在标准养护室中分别养护至1d、7d和28d。之后测试每个试样的无侧限抗压强度，方案一至三的试件编号分别为1#、2#和3#。固化淤泥的无侧限抗压强度采用南京同科技术有限公司深(浅)平板载荷试验荷载-位移传感器进行测试，轴向变形速率为1mm/min,每组3个试件，取平均值。
三、试验结果与分析
测试不同固化剂种类的固化淤泥无侧限抗压强度，并利用强度差、强度比以及强度增长率评价龄期对固化淤泥无侧限抗压强度的影响。强度差(
)和强度增长率(
)的定义如式(1)和式(2)所示：
式中：
——养护龄期m天与n天的强度差,kPa：
不同固化剂种类及掺量对固化淤泥无侧限抗压强度、强度差及强度增长率的影响如表5所示。
表5：不同固化剂对固化淤泥无侧限抗压强度、强度差及强度增长率的影响
1、不同龄明时无侧限抗压强度的变化
由表5可见：
(1)采用3种固化剂固化的淤泥无侧限抗压强度均随龄期的延长而提高，这主要是由于水泥、粉煤灰、高炉矿粉以及活性氧化镁不断进行水化反应，生成了许多胶凝物质，随着龄期的延长，水化产物不断增多,对淤泥中的土颗粒起到了良好的粘结作用，并且水化产物也适当填补了固化淤泥中的孔隙，从而提高了固化淤泥的无侧限抗压强度。
(2)采用粉煤灰的固化淤泥1～7d的强度增长率要高于7～28d的强度增长率，而采用高炉矿粉与水泥组成的固化剂，以及活性氧化镁与高炉矿渣组成的固化剂，7～28d的强度增长率要高于1～7d的强度增长率，这主要是由于固化淤泥养护的早期强度来源主要为水泥的水化作用，而粉煤灰的水化作用以及火山灰作用在早期并不能得到充分发挥，这致使粉煤灰对于固化淤泥的早期强度增长并不明显，这也印证了激发剂浓度增大，会降低粉煤灰固化的工作性能，但有利于固化物强度提高。
2、固化剂种类对固化淤泥强度的影响
由表5可见，当养护龄期较短时，水泥和粉煤灰的协同作用相较于水泥和高炉矿粉更强，可使得固化淤泥的早期强度增长较快；但随着龄期逐渐延长，采用活性氧化镁-高炉矿渣的固化淤泥强度提高更显著，逐渐远超水泥-粉煤灰固化淤泥。这主要是由于高炉矿渣中部分富含氧化钙的颗粒经自水化产生絮凝状物质后发生团聚现象，生成的自水化产物主要是无定形硅铝质凝胶，具有一定的胶凝性能。在水介质作用下，活性氧化镁与高炉矿渣之间发生了水化和激发反应，两种材料间的化学反应程度明显加速，使得生成的胶结物产量迅速增加。因此，采用活性氧化镁与高炉矿渣作为活性固化材料，具有良好的固化效果。
3、固化淤泥的水稳定性
掺入固化剂后，标准养护7d的固化淤泥完全浸水24h后形态没有任何破损，表面并未观察到气泡产生、明显的破坏崩解现象。水泥和粉煤灰、高炉矿粉，以及活性氧化镁与高炉矿渣对固化淤泥水稳定性的改善作用，主要是由于水泥和粉煤灰、高炉矿粉，以及活性氧化镁与高炉矿渣反应生成的胶凝材料，将分散的土颗粒粘聚在一起，形成具有整体性的空间结构骨架,并在一定程度上填补了原有固化淤泥的孔隙，从而提高了固化淤泥的水稳定性，不同固化剂标养7d以及标养7d后浸水24h的无侧限抗压强度对比情况如表6所示。
表6：不同固化剂固化淤泥浸水前后的无侧限抗压强度对比
由表6可见，标养7d后浸水24h,试样的无侧限抗压强度明显提高。对于水泥固化的淤泥而言，粉煤灰和高炉矿粉的掺入有助于提高水泥固化淤泥的耐水性能，与现有的研究，水泥作为碱性激发剂，激发粉煤灰潜在的火山灰特性，从而改善淤泥的强度耐久性的结论一致，以上分析可知，粉煤灰和高炉矿粉的掺入可明显改善水泥固化淤泥的水稳定性，并且可以使得复合固化淤泥的无侧限抗压强度得到显著提高。一方面，粉煤灰和高炉矿粉的掺入填补了的水泥固化淤泥残存的孔隙，进而提高了土体的密实度，从而提高强度；另一方面，粉煤灰和高炉矿粉的掺入显著增加了水化产物的数量，粘结更多的土颗粒，从而达到增强的效果。而采用活性氧化镁与高炉矿渣作为固化剂固化的淤泥而言，其耐水性能明显要高于水泥固化的淤泥，由于可见，采用活性氧化镁与高炉矿渣作为固化剂，对淤泥的整体固化效果要高于相同情况下的水泥与粉煤灰，以及水泥与高炉矿粉组成的固化剂。
另外，活性氧化镁的生产过程中同水泥一样会排放大量的二氧化碳，但是在长期使用过程中会与空气、土体孔隙中的二氧化碳发生反应，吸收二氧化碳生成碳酸镁。故从产品的生产、使用全过程来看，活性氧化镁的二氧化碳排放量远低于水泥。而高炉矿渣是一种钢铁工业的副产品，利用它可以减少水泥生产过程中向大气排放的二氧化碳。采用活性氧化镁与高炉矿渣作为活性固化材料，这些物质的水化产物在长期使用时会与二氧化碳反应。所以，本发明所采用的复合型固化剂是一种绿色、低碳和经济的环保型固化剂，而且在达到与水泥相同固化效果的前提下，其造价明显要低于水泥。
综上所述，采用本发明所述的复合型固化剂及固化方法，采用活性氧化镁与高炉矿渣作为活性固化材料，不仅绿色环保，原料来源广泛，成本低廉，而且固化效果好，具有良好的经济效益和社会效益，对淤泥的资源化利用有重要现实意义，其实用性强，具有很好的应用前景，利于推广应用。
本发明为淤泥土体固化提供了一种全新的思路与方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上仅是以示例的方式提供的优选实施方式。本领域技术人员可以在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求及其等效项的范围内的方法和结构。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种用于固化淤泥土的复合型固化剂，其特征在于：所述复合型固化剂包括有活性固化材料和水，所述复合型固化剂通过活性固化材料与水混合拌合而成，其中所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按照2～4:1～3的质量比混合组成，而所述水的用量为活性固化材料总量的0.8～1.2倍。
2.根据权利要求1所述的一种用于固化淤泥土的复合型固化剂，其特征在于：所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按照3:2的质量比混合组成，而所述水的用量为活性固化材料总量的1倍。
3.根据权利要求1或2所述的复合型固化剂用于固化淤泥土的固化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)固化前准备工作，先在固化现场附近搭建实验室，然后在实验室内配制活性固化材料，按原料配比分别称取活性氧化镁和高炉矿渣，将两者混合后得活性固化材料，并将活性固化材料倒入容器内；
(2)将盛装有活性固化材料的容器运输到淤泥固化的现场；
(3)现场固化淤泥作业，首先在盛装有活性固化材料的容器内，按原料配比注水拌合，使活性固化材料形成混合液，搅拌混合均匀后，先静置25～35min，然后将静置后的混合液装入喷洒装置；
(4)通过喷洒装置将混合液充分、均匀地喷洒在淤泥表面，然后再通过现场的搅拌机将喷洒后的淤泥土进行混合搅拌，持续搅拌至完全均匀即可；
(5)重复以上步骤，直至达到固化淤泥可应用的工程标准即可。
4.根据权利要求3所述的固化方法，其特征在于：所述活性固化材料由活性氧化镁与高炉矿渣按3:2的质量比混合组成，在注水拌合过程中，加入等质量的水混合搅拌，搅拌混合均匀后，先静置30min，然后将静置后的混合液装入喷洒装置。
5.根据权利要求3所述的固化方法，其特征在于：所述活性氧化镁为活性氧化镁粉末，而所述高炉矿渣为粒化高炉矿渣微粉。
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