CN115490497B - 一种广普型固化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种广普型固化剂及其制备方法，该固化剂包括胶凝组分、碱激发组分、早强组分、保水愈合组分；胶凝组分是粒化高炉矿渣微粉或粉煤灰；碱激发组分选自电石渣、氧化镁或氧化钙；早强组分为石膏粉或硫酸钠；保水愈合组分为羧甲基纤维素钠、偶联改性聚丙烯纤维。胶凝组分中的硅与钙元素，经过碱激发组分激发，与碱激发组分中的金属离子发生火山灰反应，生成胶凝产物，早强组分协助水化反应，亲水性聚合物吸收水分有效堵塞孔隙，偶联改性纤维增加有机纤维与无机材料之间的界面粘结力，在荷载作用下产生大量微细裂缝，有效保水、抑制开裂且可自愈合。该广普型固化剂具备在荷载作用后的自愈合能力与抵抗变形与保水抗开裂特性，以及良好的防渗性能、阻气性能，适用于多种工程实施场景。

Description

一种广普型固化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种绿色低碳高性能广普型固化剂材料配方及其制备方法，属于岩土工程材料技术领域。
背景技术
目前随着城市的发展，全球固体废物产生量相应处于年增长状态，亟需进一步安全处置与资源化利用；传统硅酸盐水泥材料被广泛应用于建筑材料与环境领域等，然而传统硅酸盐水泥仍存在在不同恶劣环境下强度不达标、耐久性不足、防渗闭气性能缺失、碳排放量高、能耗高等实际问题。近年来，国内外学者研发了一系列以固体废物为主体的无机固化剂材料，并应用于特定场景中，如道路回填、基坑回填、土体改良等，并取得了一定的效果。
例如，申请号为CN202111297273.3公开了一种超细尾砂胶结充填软土固化剂及其制备方法和应用，是由41～56wt％的矿粉、10～11wt％的钢渣粉、20～35wt％的石膏粉、9～11wt％的碱性激发剂和1～3wt％的活化剂制得；该发明的软土固化剂用于超细尾砂胶结充填，可在较低灰砂比，高浆体浓度下保持较好的浆体流动性能和固结体的强度性能进行充填，所述软土固化剂的主要原料均为大宗工业固体废物，不仅可以大量消纳固体废物，实现大宗工业固废的资源化利用，还解决了超细尾砂胶结充填存在的灰砂比大、流动性差、成本高以及充填体强度低等问题。然而该发明所阐述的固化材料水化强度相对低，保水能力弱，无法有效抵抗变形开裂，且无法自愈合，服役性能较差，无法有效长时间固化超细尾砂。本发明则创新性地解决了如上问题。
申请号为CN202111505635.3的专利申请文件公开了寒冷地区高腐殖酸多固废耦合软土固化剂，包括以下重量份的原料：硅酸盐水泥16-18份、生石灰粉20-22份、废玻璃粉35-38份、粉煤灰8-10份、激发剂6-10份、离子替换剂2-3份、腐殖酸降解剂0.9-2份、减水剂1-2份、助磨剂0.54-1.1份、早强剂0.9-1.9份、引气剂0.5-1份；该固化剂主要解决北方高腐殖酸黏土土壤中腐殖酸对土壤固化中所带来不利影响，能有效地改善固化土的强度、耐久性能等，且此固化剂利用了固废来替代部分硅酸盐水泥，以实现废物利用。然而该发明所阐述的固化剂材料则存在仍以高碳排放、高能耗的硅酸盐水泥材料与生石灰材料为主(占36-40份)，其次废玻璃粉含量较高占35-38份，该材料非主流大宗固废材料，难以适宜于全国各地区应用场景，且保水能力弱，无法有效抵抗变形开裂，且无法自愈合，服役性能较差，无法有效长时间固化。本发明则创新性地解决了如上问题。
申请号为202210082148.9的专利申请文件公开了一种全固废软基淤泥固化粉料及其制备方法，该粉料包括以重量分数计的以下组分：电石渣粉、矿渣粉、石膏、硅酸钠、无机增效剂和阳离子醇胺型高分子活化剂；该发明的目的就是采用钙矾石反应机理选择原材料和改性原材料，进而大大提高软土的承载力。然而该发明所阐述的固化剂材料仍存在保水能力弱，无法有效抵抗变形开裂，且无法自愈合，服役性能较差，无法有效长时间固化。本发明则创新性地解决了如上问题。
申请号为202010848574.X的专利申请文件公开了一种公开了一种软土固化剂，是由原料矿渣粉、工业副产熟石膏、沸石粉、电石渣、粉煤灰、高吸水树脂、调凝剂按照下述质量百分比配制而成：矿渣粉30～40％；工业副产熟石膏15～25％；沸石粉10～15％；电石渣10～30％；粉煤灰5～15％；高吸水树脂1～5％；调凝剂0.01～0.2％；该发明制备的以工业废渣为主要成分的软土固化剂可替代水泥应用于软土处治，具有免煅烧，节能环保等突出优势。然而该发明所阐述的固化剂材料仍存在无法有效抵抗变形开裂，且无法自愈合，服役性能较差，无法有效长时间固化。本发明则创新性地解决了如上问题。
申请号为202210242474.1的专利申请文件公开了一种基于钛石膏的路基填料及其制备方法和应用，涉及道路工程材料技术领域；所述路基填料由两部分组成，即组分A和组分B，所述组分A为经过预处理后的钛石膏，所述组分B为改性剂；所述改性剂包括高炉矿渣或烧结法赤泥、电石渣、粉煤灰、白泥或固硫灰渣、纳米材料、普通硅酸盐水泥、粘结剂、表面活性剂为和激发剂；其中，组分A占100份，所述组分B占组分A的0-20％。然而该发明所阐述的固化材料主体为钛石膏材料，该材料非全国各个地区均存在的固废材料，且组分B中的烧结法赤泥、白泥或固硫灰渣同样在全国分布相对较少，故适用性相对弱，且纳米材料成本相对高昂；仍存在保水能力弱，无法有效抵抗变形开裂，且无法自愈合，服役性能较差，无法有效长时间固化。本发明则创新性地解决了如上问题。
而且，因为受限于应用场景不同与实施条件不同，导致实施效果无法横向对比，带来了不必要的经济损失，和重复性的研究工作。而且由于工业固体废物的地域性，严重制约了一般工业固体废物的资源化利用，进而针对一种适用于多应用场景并具备极强适用性的广普型固化剂的亟需研究。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种广普型固化剂材料，能在环境变化(温度变化、湿度变化等因素)和力学扰动(动荷载、静荷载等因素)胁迫下，实现有效抑制开裂，且开裂后优先生成100um以内的微裂缝，并且在一定时间内持续水化与碳化实现自愈合；二是该广普型固化剂材料可根据原位土的土性不同，通过控制掺量组分，实现控制养护龄期下的强度，进而满足不同应用场景针对固化材料的强度要求，如道路路基规范中针对不同道路等级不同的无侧限抗压强度要求；三是该广普型固化剂材料与高浓度重金属污染土壤拌和后，可实现针对重金属污染物的有效固化，满足毒性浸出的三类地下水质量指标要求；四是该广普型固化剂材料与原位土拌和养护后，可实现在高风险高浓度的无机盐溶液、重金属与有机物胁迫下，仍然满足28天液体渗透系数低于10-7cm/s的防渗需求(《工业污染场地竖向阻隔技术规范》(HG/T 20715-2020))；五是该广普型固化剂材料在高风险高浓度有机蒸汽胁迫下仍然能保持气体扩散系数低于10-6m2/s的闭气要求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种广普型固化剂，包括：胶凝组分、碱激发组分、早强组分、保水愈合组分；
胶凝组分:碱激发组分:早强组分:保水愈合组分＝80～90:10～20:5～15:0.2～0.5，额外固化剂材料根据工程应用场景需求不同，相较于原位土干质量占比控制在4％～20％。
具体来说，胶凝组分和碱激发组分为主体材料，胶凝组分与碱激发组分的质量比为4/1～9/1；
早强组分添加量为主体材料总干质量的5～15％；
保水愈合组分添加量为主体材料总干质量的0.2～0.5％；
前述的广普型固化剂，所述的胶凝组分粒化高炉矿渣微粉或粉煤灰；
所述的碱激发组分选自电石渣、氧化镁或氧化钙；
所述的早强组分为石膏粉或硫酸钠；
所述的保水愈合组分为羧甲基纤维素钠与偶联改性聚丙烯纤维。
其中胶凝组分具备大量的硅与钙元素，经过碱激发组分激发后会使硅、钙元素激发成活性硅、钙离子，与碱激发组分中的金属离子结合后，发生火山灰反应，生成系列胶凝产物如CSH、CAH、Ht、Aft等，该反应会在早强组分协助下，促进水化反应，生成早期强度较高的钙矾石材料，亲水性聚合物则吸收水分有效堵塞孔隙，偶联改性纤维后可有效增加有机纤维与无机材料之间的界面粘结力，能有效保水且抑制开裂，在环境变化与力学扰动后，未水化成分可继续水化碳化实现裂隙填充自愈合，胶凝产物则提供了材料的强度支撑，聚合物填充孔隙则使得内部通道曲折度增加，降低渗流通道，提高防渗与阻气性能，以上材料大部分均为一般工业固体废物材料，属于低碳与环境友好的材料。
前述的广普型固化剂，可应用于路基基层、回填材料、地基加固、土体改良、地表覆盖、底部衬垫与垂直阻隔材料。
前述的广普型固化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)按比例称取胶凝组分、碱激发组分、早强组分和保水愈合组分中的羧甲基纤维素钠，加入粉体搅拌仪中，搅拌混合均匀，形成混合粉体；
步骤2)称取硅烷偶联剂、去离子水与乙醇，按1:1:10的体积比例进行混合，搅拌，形成偶联剂溶液；将聚丙烯纤维浸渍或者涂刷该偶联剂溶液，取出后，常温下放置24小时后，烘干，得到偶联剂处理的聚丙烯纤维；
步骤3)将上述制备的偶联剂处理的聚丙烯纤维按比例加入上述混合粉体中，高速搅拌混合均匀，形成本广普型固化剂材料。
其中：
粒化高炉矿渣微粉密度不低于2.8g/cm3，比表面积不低于400m2/kg，标准养护28天活性指数不低于95％，流动度比不低于95％，含水量小于1％；
粉煤灰细度不高于30％，需水量不高于105％，烧失量不高于8％，氧化钙含量不低于10％，密度不高于2.6g/cm3，强度活性指数不低于70％，含水量小于1％；
电石渣中氢氧化钙含量不低于60％，目数不低于200目，含水量小于1％；
氧化镁中纯氧化镁含量不低于75％，活性不大于100s，含水量小于1％；
生石灰中氧化钙与氧化镁总含量不低于80％，目数不低于200目，含水量小于1％；
石膏粉中硫酸钙含量不低于80％，目数不低于200目；
硫酸钠中硫酸钠含量不低于95％，目数不低于200目；
羧甲基纤维素钠(CMC)中平均摩尔质量不低于600000，CMC取代度不低于0.8，粒径不大于0.15mm；
聚丙烯纤维长度不低于3mm，单丝直径不大于34um，拉伸强度不低于350MPa，弹性模量不低于3GPa，断裂伸长率不低于10％；
偶联剂选用液体状硅烷偶联剂。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下具体的有益效果：
一是本广普型固化剂可通过调节材料组分选择与配比适应多种不同工程应用场景，并且可适配于不同土性原位土，例如高液限黏土、粉土、砂土等，工程应用场景可包括：路基基层、各类回填材料、地基加固、土体改良、地表覆盖、底部衬垫与垂直阻隔等，可满足不同工程应用场景下对应的规范的指标要求；
二是本广普型固化剂可实现在环境变化(温度变化、湿度变化等因素)和力学扰动(动荷载、静荷载等因素)胁迫下，可实现抑制开裂，且开裂后优先生成100um以内的微裂缝，并且在一定时间内可以实现继续水化与碳化实现自愈合，进而具备抗开裂自愈合的功能，可满足应用于与空气直接接触、出现干湿交替循环作用、高温胁迫下的工程应用场景，如与空气直接接触的挡墙填料、受到区域气候影响的地表覆盖材料、地下水季节性波动交替影响的路基基层材料、地基加固材料、地下水位线附近的垂直阻隔材料；
三是本广普型固化剂可根据场景的实际需求不同与原位土土性不同，调节固化剂组分种类、组分掺量设计等，实现定量控制固化材料在不同养护龄期下的强度，进而满足不同应用场景针对固化材料的强度要求，如道路路基规范中针对不同道路等级不同的无侧限抗压强度要求；
四是本广普型固化剂具备突出的化学相容性与耐久性，固化剂与高浓度重金属污染土壤拌和后，可实现针对重金属污染物的有效固化，满足毒性浸出的三类地下水质量指标要求；
五是本广普型固化剂与原位土有效拌和后，可有效阻隔高风险高浓度无机盐、重金属或有机污染物，并且仍然满足28天液体渗透系数低于10-7cm/s的防渗需求(《工业污染场地竖向阻隔技术规范》(HG/T 20715-2020))，满足固化剂应用于污染地下水的阻隔工程中，保证阻隔材料的低渗透性，提高阻隔材料的防渗阻滞性能，大大提升材料的服役年限；
六是该广普型固化剂材料在高风险高浓度有机蒸汽胁迫下仍然能保持气体扩散系数低于10-6m2/s的闭气要求，满足地表覆盖的阻气要求，进而控制有机蒸汽入侵空气，影响周边环境，危害人体生命健康安全。
七是该广普型固化剂材料大部分为一般工业固体废物材料，属于资源化利用的绿色材料，并且环境友好，满足毒性浸出要求，不会对周边环境有其他影响，相较于传统的高能耗、高碳排放的硅酸盐水泥材料，该广普型固化剂材料具备绿色低碳、环境友好的优异特性。
具体实施方式
实施例1
以下为基于广普型固化剂制备方法而制备的实施例，具体如表1。其中需要注意的是，原位土分别设定砂土与黏土，背后逻辑为分别设定不同极端土性下的试样而测试相应的试验结果，原位土中砂土材料简称为“S”，高液限粘土材料简称为“C”。固化材料与原位土干质量掺量占比为1:9。其中，砂土与粘土的理化性质见表3与表4，根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145-2007)砂土为细砂，粘土为高液限黏土。
对照例1：
本发明中的对照材料设定为业内常用的普通硅酸盐水泥材料，具体为标号42.5的水泥材料，购买于江苏南京某水泥厂；水泥与原位土掺量占比与固化材料实施组相同，均设定为水泥：原位土＝1:9，水泥材料简称为“C”。水泥与原位土的掺量设计方案见表2。
表1具体实施材料掺量设计方案(干质量比，无量纲)
表2对照例掺量设计方案(干质量比，无量纲)
表3砂土的物理性质
表4粘土物理性质指标
在实际工程中的评价力学指标中无侧限抗压强度是最重要的指标之一，是判断该材料是否满足路基材料是否能有效服役的关键指标。无侧限抗压强度具体是指材料在侧面不受约束控制条件下所承受的最大的轴向应力，可快速准确地测试出材料的力学性能。其中，路基基层、地表覆盖、底部衬垫在施工过程中需压实，故需在室内控制试样的压实度，本实施案例中，压实度控制为96％；各类回填材料、地基加固、土体改良与垂直阻隔在施工过程中则不需压实，仅回填即可，故需在室内直接制备回填样，不需控制压实度。表5是固化压实试样无侧限抗压强度的比较结果，表6是固化回填试样无侧限抗压强度的比较结果。结果表明，在相同原位土和养护龄期下(需要注意的是：实施例1-4分别所得“G9CM-S、G9AM-S、G7F2CM-S、G7F2AM-S”所选用的原位土为砂土，故对照材料为同样选用原位土为砂土的“对照例-1”；实施例5-8分别所得“G9CM-C、G9AM-C、G7F2CM-C、G7F2AM-C”所选用的原位土为高液限粘土，故对照材料为同样选用原位土为高液限粘土的“对照例-2”)，通过选用本发明中提出的广普型固化剂材料固化的无侧限抗压强度结果均优于传统水泥材料固化的结果(同龄期、同原位土、同处理方式)。
分析原因：本发明研发的广普型固化剂材料强度指标优于普通硅酸盐水泥材料是因为碱激发矿粉体系中，矿粉与粉煤灰中具备大量待激发的活性硅与钙元素，经过相对高碱性的电石渣、氧化镁、氧化钙激发后，发生火山灰反应，填充孔隙，提供强度，并且石膏、硫酸钠提供了大量的硫酸根离子，促进早期强度较高的钙矾石的生成，进而促进水化反应，提供较高的强度，且偶联改性纤维的增加，会增加骨架强度，增加纤维与骨架之间的粘结强度，进而增大固化材料的强度。并且“G9CM”固化剂材料的无侧限抗压强度为各龄期、各原位土条件下的最高值，故针对有较高强度需求的项目可参考使用“G9CM”设计配比，原因为电石渣碱性相对较高，能较好地激发矿粉中的活性组分，且粉煤灰属于球形颗粒形状，自身活性相对于矿粉较低。
表5固化压实试样无侧限抗压强度
表6固化回填试样无侧限抗压强度
在路基基层、地表覆盖、底部衬垫、各类回填材料、地基加固、土体改良与垂直阻隔服役场景中，均需关注材料针对遇水的稳定性，其代表了固化材料在水的侵蚀作用下材料是否能有效维持自身性能的一种关键能力。将利用水浸泡后的试样的无侧限抗压强度与正常养护的试样的无侧限抗压强度的比值，设定为水稳系数(Kr)，水稳系数越大，说明该材料水稳定性越好；同时针对强度损失率进行定义，将标准养护下的同龄期无侧限抗压强度与将水浸泡后的试样的无侧限抗压强度的差值与标准养护下的同龄期无侧限抗压强度的比值的百分数定义为强度损失率。本实施例中，利用固化回填材料进行对比，其中标准养护龄期设定为28天，将标准养护14天后的试样，放入水中浸泡14天，进行直接对比，水稳系数和强度损失率以如下公式进行计算：
式中，Kr：水稳系数；qut：浸水养护试样的无侧限抗压强度(kPa)；qu0：恒温恒湿养护试样的无侧限抗压强度(kPa)；Δqt：强度损失(％)。
固化材料的水稳性结果见表7。结果表明，在相同原位土和养护龄期下，通过选用本发明中提出的广普型固化剂材料固化的结果均优于传统水泥材料固化的结果(实施例与对照例对比原则如上文)。
分析原因：本发明研发的广普型固化剂材料水稳性指标优于普通硅酸盐水泥材料是因为碱激发矿粉体系中，矿粉与粉煤灰中具备大量待激发的活性硅与钙元素，经过相对高碱性的电石渣、氧化镁、氧化钙激发后，发生火山灰反应，填充孔隙，提供强度，并且石膏、硫酸钠提供了大量的硫酸根离子，促进早期强度较高的钙矾石的生成，进而促进水化反应，进一步填充孔隙；同时，亲水性聚合物则可有效吸收水分，抑制干燥失水；偶联改性纤维则增加了骨架自身的粘结强度，增加了水稳性。并且“G7F2CM”固化剂材料的水稳系数为各龄期、各原位土条件下的最高值，故针对临海、临河、南方多雨季项目可参考使用“G7F2CM”设计配比，分析原因为，粉煤灰自身的球形颗粒结构与表面电荷能有效吸附与桥接离子，降低离子针对材料的胁迫性，且提高了材料的施工和易性，填充骨架孔隙，故水稳系数相对较高。
表7固化材料水稳性
试样名称 材料名称 强度损失率(％) 水稳系数
实施例1 G9CM-S 38.7 0.61
实施例2 G9AM-S 42.4 0.57
实施例3 G7F2CM-S 35.3 0.64
实施例4 G7F2AM-S 39.1 0.61
实施例5 G9CM-C 36.9 0.63
实施例6 G9AM-C 37.5 0.62
实施例7 G7F2CM-C 31.8 0.68
实施例8 G7F2AM-C 32.3 0.68
对照例1 CS 59.5 0.40
对照例2 CC 50.8 0.49
为了进一步阐明广普型固化剂材料的优异性能，通过干湿循环试验，评判固化材料在受到外界环境变化后的自愈合能力评判；同时该干湿循环试验也能有效的模拟出固化材料在服役期间的干湿交替的环境，可以有效评价固化材料抵抗外界环境变化而引起的工程性能，同时也是一种相对的加速试验，可以快速有效评判固化材料在最极端环境下的服役性能。参照American Society for Testing and Materials(ASTM)D4843-1988standard test method for wetting and drying test of solid wastes。将固化材料养护28天后，测试质量，随后将材料放置于水中浸泡24小时，浸泡结束后，放置于60℃的烘箱中加热24小时，该流程为一级，本实施例将测试5级与10级的变化情况。质量损失率的计算公式如下：
表8是固化材料在干湿循环作用下的质量损失率变化，实施案例和对照组的结果表明，通过本广普型固化剂的固化后的材料能有效抵抗10级干湿循环，然而对照组水泥基固化材料则在7级干湿循环后即出现崩解破坏的情况(实施例与对照例对比原则如上文)。
分析原因：本发明研发的广普型固化剂材料抗干湿指标优于普通硅酸盐水泥材料是因为碱激发矿粉体系中，矿粉与粉煤灰中具备大量待激发的活性硅与钙元素，经过相对高碱性的电石渣、氧化镁、氧化钙激发后，发生火山灰反应，填充孔隙，提供强度，并且石膏、硫酸钠提供了大量的硫酸根离子，促进早期强度较高的钙矾石的生成，进而促进水化反应，进一步填充孔隙；同时，亲水性聚合物则可有效吸收水分，抑制干燥失水；偶联改性纤维则增加了骨架自身的粘结强度，并且降低了裂缝的产生，在干湿循环作用下产生的微小细的裂缝会进一步自愈合，提高抗干湿循环能力。并且“G7F2CM”固化剂材料的质量损失率为各龄期、各原位土条件下的最高值，故针对干湿循环交替多、耐久性要求高的项目可参考使用“G7F2CM”设计配比。分析原因为，粉煤灰自身的球形颗粒结构与表面电荷能有效吸附与桥接离子，降低离子针对材料的胁迫性，且提高了材料的施工和易性，填充骨架孔隙，故提高了材料的抗干湿循环能力。
表8固化材料干湿循环
为进一步探究本新型广普型固化剂固化重金属污染土的性能，参考江苏省南京市某汽车配件生产公司的电镀车间的污染场地中污染土的环境指标进行室内制备污染土，该现场污染土中重金属铅污染最高浓度达5121mg/kg，采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》方法进行毒性浸出后，浸出浓度为9.21mg/L。本实案例中，利用硝酸铅人工配置重金属污染土，重金属铅浓度设定为5000mg/kg，沿用上文中的毒性浸出方法，浸出浓度为9.14mg/L。利用本实施例中的固化剂材料固化重金属铅污染土，标准养护28天和90天后分别进行毒性浸出测试，测定浸出浓度。其中四类地下水中锌污染浓度需小于5mg/L，三类地下水中锌污染浓度需小于1mg/L。表9为固化材料固化污染土浸出浓度随养护龄期的变化，结果表明，广普型固化剂固化污染土后养护28天的浸出浓度满足四类地下水标准，养护90天后的浸出浓度满足三类地下水标准。然而水泥土固化污染土的浸出浓度无论是28天还是90天均无法满足四类地下水标准。
分析原因：本发明研发的广普型固化剂材料固化重金属浸出指标优于普通硅酸盐水泥材料是因为碱激发矿粉体系中，矿粉与粉煤灰中具备大量待激发的活性硅与钙元素，经过相对高碱性的电石渣、氧化镁、氧化钙激发后，发生火山灰反应，填充孔隙，进而固化重金属于材料之中不易浸出，并且石膏、硫酸钠提供了大量的硫酸根离子，促进早期强度较高的钙矾石的生成，进而促进水化反应，进一步在早期提供了固化重金属的性能；同时，粉煤灰的球形颗粒结构和表面电荷会进一步吸附重金属离子，聚合物同样也会增加针对重金属离子的吸附能力。并且“G7F2CM”固化剂材料的浸出浓度为各龄期、各原位土条件下的最低值，故针对高污染、高化学胁迫的项目可参考使用“G9CM”设计配比，分析原因为，粉煤灰自身的球形颗粒结构与表面电荷能有效吸附与桥接重金属离子，与重金属离子形成化学沉淀，有效固定重金属离子，故浸出毒性较低。
表9固化材料固化污染土浸出浓度
在地表覆盖、底部衬垫与垂直阻隔服役场景中，均需关注材料针对污染地下水的阻隔性能，渗透系数为评判阻隔性能的关键指标。为进一步评判材料的阻隔性能，选用江苏扬州某石化类有机污染场地中的地下水作为阻隔溶液，溶液中具体的污染情况见表10。渗透试验选用柔性壁渗透试验的测试方法，将固化材料标准养护28天后，分别利用污染地下水与自来水进行渗透试验。根据《工业污染场地竖向阻隔技术规范》(HG/T 20715-2020)中的要求，水泥基竖向阻隔材料在自来水作用下渗透系数需小于10-9m/s，在污染物作用下渗透系数需小于10-8m/s。表11为固化材料与水泥土材料在自来水与污染液作用下的渗透系数，结果表明，在自来水作用下与污染液作用下固化材料渗透系数均满足小于10-9m/s，然而水泥土材料则均不满足指标要求。
分析原因：本发明研发的广普型固化剂材料防渗指标优于普通硅酸盐水泥材料是因为碱激发矿粉体系中，矿粉与粉煤灰中具备大量待激发的活性硅与钙元素，经过相对高碱性的电石渣、氧化镁、氧化钙激发后，发生火山灰反应，填充孔隙，增加渗流通道的曲折度，并且石膏、硫酸钠提供了大量的硫酸根离子，促进早期强度较高的钙矾石的生成，进而促进水化反应，进一步填充孔隙，增加渗流通道曲折度；同时，亲水性聚合物则可有效吸收水分，填充孔隙，降低渗流量；偶联改性纤维则进一步增加了孔隙内部的渗流通道的曲折度，降低固化材料的渗透系数。并且“G7F2CM”固化剂材料的渗透系数为各原位土条件下的最低值，故针对高水头、强防渗需求的项目可参考使用“G7F2CM”设计配比，分析原因为，粉煤灰自身的球形颗粒结构与表面电荷能有效吸附有机物，降低有机物针对材料的胁迫性，且提高了材料的施工和易性，填充骨架孔隙，故防渗性能相对较高。
表10江苏扬州某石化污染场地地下水污染情况
序号 污染物种类 浓度(mg/L)
1 苯 2.66
2 石油烃 15
3 乙苯 1.22
4 二甲苯 0.34
5 甲苯 0.612
6 苯酚 0.023
7 苯胺 51.217
8 二氯乙烷 5
9 四氯乙烯 138
10 砷 60
表11固化材料养护28天渗透系数
在地表覆盖、底部衬垫与垂直阻隔服役场景中，均需关注材料针对土壤气的阻隔性能。现有国家规范未对气体扩散系数有明确的要求，本实施例中需实现满足国际标准中气体扩散系数小于10-6m2/s的要求。通过本项目自制的气体扩散系数测试装置，针对固化土进行气体扩散系数试验，选用挥发性有机蒸汽作为气体扩散系数测试气体。表12中为固化材料养护28天后的气体扩散系数情况，对比可知均满足气体扩散系数要求，且广普型固化剂固化材料的气体扩散系数相较于水泥土材料的气体扩散系数低了1个数量级左右。本发明研发的广普型固化剂材料闭气指标优于普通硅酸盐水泥材料是因为碱激发矿粉体系中，矿粉与粉煤灰中具备大量待激发的活性硅与钙元素，经过相对高碱性的电石渣、氧化镁、氧化钙激发后，发生火山灰反应，填充孔隙，增加扩散通道的曲折度，并且石膏、硫酸钠提供了大量的硫酸根离子，促进早期强度较高的钙矾石的生成，进而促进水化反应，进一步填充孔隙，增加扩散通道曲折度；同时，亲水性聚合物则可有效吸收水分，填充孔隙，降低扩散量；偶联改性纤维则进一步增加了孔隙内部的扩散通道的曲折度，降低固化材料的气体扩散系数。并且“G7F2CM”固化剂材料的气体扩散系数为各原位土条件下的最低值，故针对强闭气需求的项目可参考使用“G7F2CM”设计配比；分析原因为，粉煤灰自身的球形颗粒结构与表面电荷能有效吸附气体分子，降低气体针对材料的胁迫性，且提高了材料的施工和易性，填充骨架孔隙，故闭气性能相对较高。
表12固化材料养护28天气体扩散系数
实施例 材料名称 气体扩散系数(m2/s)
实施例5 G9CM-C 6.5×10-8
实施例6 G9AM-C 6.7×10-8
实施例7 G7F2CM-C 2.9×10-8
实施例8 G7F2AM-C 3.7×10-8
对照例1 CC 8.9×10-7
综上所述，本发明公开了一种绿色低碳高性能广普型固化剂材料配方及其制备方法。多应用场景具体包括道路路基、回填材料、地表覆盖/底部衬垫、污染地下水竖向阻隔与污染土壤固化等。该广普型固化剂具备如下优异特性：具备在荷载作用后的自愈合能力与抵抗变形与保水抗开裂特性，并且可以通过控制掺量组分配比与压实度等关键参数控制力学强度进而满足多应用场景需求，在高浓度无机盐、重金属或有机污染物胁迫下仍然能保持较好的防渗性能，在高浓度有机蒸汽胁迫下仍能保持较低的阻气性能，可有效固化高浓度重金属污染土壤并满足酸雨毒性浸出指标要求，大部分为工业固废材料，相较于传统高能耗、高碳排放、高污染的硅酸盐水泥材料来说，具备较低的能耗、碳排放，且环境友好。该广普型固化剂材料制备方法简易方便、成本可控，适用于多种工程实施场景。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，但这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种广普型固化剂，其特征在于，包括：胶凝组分、碱激发组分、早强组分、保水愈合组分；
其中，胶凝组分和碱激发组分为主体材料，胶凝组分与碱激发组分的质量比为4/1~9/1；
早强组分添加量为主体材料总干质量的5~15%；
保水愈合组分添加量为主体材料总干质量的0.2~0.5%；
所述的胶凝组分粒化高炉矿渣微粉或粉煤灰；
所述的碱激发组分选自电石渣、氧化镁或氧化钙；
所述的早强组分为石膏粉或硫酸钠；
所述的保水愈合组分为羧甲基纤维素钠与偶联改性聚丙烯纤维；
胶凝组分中的硅与钙元素，经过碱激发组分激发后成活性硅、钙离子，与碱激发组分中的金属离子结合，发生火山灰反应，生成胶凝产物，该反应在早强组分协助下，促进水化反应，生成早期强度较高的钙矾石材料，亲水性聚合物吸收水分有效堵塞孔隙，偶联改性纤维后增加有机纤维与无机材料之间的界面粘结力，有效保水且抑制开裂，在环境变化与力学扰动后，产生的裂缝均为微小细裂缝，未水化成分可继续水化碳化实现裂隙填充自愈合，胶凝产物则提供了材料的强度支撑，聚合物填充孔隙使得内部通道曲折度增加，降低渗流通道，提高防渗与阻气性能；
其用于固化重金属污染土、用作回填材料、地表覆盖或底部衬垫、污染地下水竖向阻隔。
2.权利要求1所述的广普型固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）按比例称取胶凝组分、碱激发组分、早强组分和保水愈合组分中的羧甲基纤维素钠，加入粉体搅拌仪中，搅拌混合均匀，形成混合粉体；
步骤2）称取硅烷偶联剂、去离子水与乙醇，按1:1:10的体积比例进行混合，搅拌，形成偶联剂溶液；将聚丙烯纤维浸渍或者涂刷该偶联剂溶液，取出后，常温下放置24小时后，烘干，得到偶联剂处理的聚丙烯纤维；
所述的烘干是置于电热鼓风烘箱中，设定温度为105℃下烘干至少24小时；
步骤3）将上述制备的偶联剂处理的聚丙烯纤维按比例加入上述混合粉体中，高速搅拌混合均匀，形成本广普型固化剂材料。
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