CN115626806B - 一种绿色低碳环保的土体固化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绿色低碳环保的土体固化方法，通过在土体中加入氧化镁和小苏打，再加水混合均匀，压实常温固化养护后得到固化土体。本发明方法解决了传统氧化镁碳化法在处理土体时可能出现的混合不均匀、二氧化碳泄露问题。氧化镁和小苏打的使用快速提高了加固土的性能，一方面固化剂的使用可以替代水泥的使用，减少二氧化碳的生产；另一方面小苏打的使用，可以消耗产生的二氧化碳，作为二氧化碳的载体使用再用于工程实际中。实现了二氧化碳的循环使用，达到了节约资源和保护环境的效果。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，涉及一种土体固化技术，具体涉及一种绿色低碳环保的土体固化方法。
背景技术
水泥是土体加固中常用的固化剂，生产过程中不仅消耗大量的能源和资源，而且还产生大量的二氧化碳气体，粉尘和烟尘以及二氧化硫、氮氧化物、氟气等有毒气体，对环境造成了严重污染。因此，国内外学者开始研究低碳、环保的新型固化方法来取代传统的波特兰水泥。据广泛报道，氧化镁和二氧化碳作为固化剂固化土体(传统的氧化镁碳化法)是一种很有前途的固化方法，氧化镁很容易与二氧化碳反应，特别是在高溶度、高压力的二氧化碳环境下，其碳化过程会在几小时甚至几十分钟内完成，生成镁的碳酸化合物，能够使土体快速达到固化效果，甚至能够取代水泥。
目前传统氧化镁碳化法主要是在实验室中发现，将土体放在二氧化碳碳化箱中或者通过二氧化碳气罐通入一定压力的气体来进行碳化试验。但是，用传统的氧化镁碳化技术处理现场土体时遇到了一些问题，例如，二氧化碳难以均匀分布在土体中，造成土体的强度分布不均匀。此外，二氧化碳气罐在使用中存在一定的危险性，不方便大量使用，在二氧化碳通入土体当中存在二氧化碳的外泄，二氧化碳流量的堵塞，造成二氧化碳以及氧化镁的浪费。故传统的氧化镁碳化方法并不能大量用于工程实际，还需要进一步改良。
现有技术CN 102071029 A公开了一种用于土体固化的绿色低碳固化剂，土体固化剂包括粒化高炉矿渣微粉和激发剂，所述激发剂包括活性氧化镁，其固化过程中吸收空气中的二氧化碳进行固化，固化速度慢，仅在10％-20％掺量下28天无侧限抗压强度才接近同等条件下的普通硅酸盐水泥，对土体固化效率不高。
发明内容
本发明的目的：本发明的目的是提出一种绿色低碳环保的土体固化方法，以解决现有技术中土体固化效果不佳，成本高的问题。本发明采用的土体固化方法达到现有水泥固化土强度以及传统氧化镁碳化法下土体强度的情况下，不仅更方便应用于工程实际，而且符合现在的双碳目标，降低二氧化碳的排放，对于环境的改善有重大意义。
为了解决上述技术问题，本发明采用技术方案如下：
一种绿色低碳环保的土体固化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将需要固化的土体与固化剂按照一定的比例混合均匀，所述固化剂为氧化镁和小苏打；
步骤2、将干混均匀的土体加水再混合均匀，得到浆料；
步骤3、将浆料压实，压实后进行常温固化养护，到达龄期后得到固化土体试样。
进一步优选，所述固化剂中氧化镁的含量为需要固化土体质量的2-10％。
最优的，所述固化剂中氧化镁的含量为需要固化土体质量的5％左右。
进一步优选，所述固化剂中小苏打含量与氧化镁含量按照摩尔质量比1：0.5-2。
最优的，所述固化剂中小苏打含量与氧化镁含量按照摩尔质量比按照1：1进行配置。
进一步优选，步骤2中，加水的质量按照干土土体质量的6-10％。最优的，加水的质量按照干土土体质量的8％，能使土体达到最好的固化效果。
进一步优选，步骤3中，将浆料通过模具压实，后至于密封条件下固化养护，到达龄期后得到脱模得到固化土体试样。
进一步优选，步骤3中，所述密封条件为将模具压实试样通过保鲜膜包裹。
进一步优选，步骤3中，固化养护时间为1-28天，具体可以为即6小时、1天、3天、7天、28天和60天。
本发明技术方案中小苏打是通过二氧化碳、水、碳酸钠/氢氧化钠之间的反应来获得的，小苏打的使用消耗了产生的二氧化碳，见化学反应式(a)和化学反应式(b)，并达到了固化土体的效果，且反应生成的氢氧化钠(化学反应式(c)(d)(e))能够吸收空气中的二氧化碳，具体的反应过程如下。
2NaOH+CO2→Na2CO3+H2O 化学反应式(a)
Na2CO3+H2O+CO2→2NaHCO3(小苏打) 化学反应式(b)
NaHCO3(小苏打)+MgO+H2O→MgCO3·3H2O(三水菱镁矿)+NaOH 化学反应式(c)
或→Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O(球碳镁石)+NaOH 化学反应式(d)
或→Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O(水菱镁矿)+NaOH 化学反应式(e)
所述氧化镁为纯度为89.5％的工业氧化镁。水泥为强度等级42.5级的普通硅酸盐水泥。
所述固化土的加水量是引用前人试验得出来的结论，加水的质量按照干土土体质量的8％来计算，使土体达到最好的固化效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
首先，与其他大多数固化剂相比，本发明所需原材料易得，而且配料简单方便，可接受度较高；其次，与相同含量的常规水泥相比，在超过水泥固化土的强度下，本发明不仅可以大大降低二氧化碳的排放，而且大大缩短固化时间，有望替代水泥；再次，与传统二氧化碳固化法相比，本发明解决了二氧化碳泄露以及氧化镁材料浪费的问题，操作简单，更方便用于工程实际；最后，与现有技术CN 102071029 A相比，即与粒化高炉矿渣微粉、氧化镁和熟石灰相比比，作用机理不同，本发明固化早强性好，本发明早期无需吸收空气中二氧化碳，能快速将小苏打中碳固化转换为碳酸盐，提高早期固化强度，固化过程中通过固化剂即小苏打和氧化镁之间的相互作用来填充孔隙，产生1+1大于2的效果，且生成物氢氧化钠能够吸收空气中的二氧化碳，在具有一定固化强度基础上能再次缓慢吸收空气中二氧化碳，进一步固化。通过本发明附图1可知，加固土体时，氧化镁和小苏打一起使用的强度远高于单独使用氧化镁或者单独使用小苏打的强度；并且本发明早期无侧限抗压强度增长非常快，后期趋于平缓，但是整体来说高于普通硅酸盐水泥。通过图2可知，本发明通过固化剂对土体固化后，孔径分布明显变小。
而现有技术CN 102071029 A主要是通过氧化镁和熟石灰与水进行反应大量消耗土中的水分生成稳定结构来固化土体，属于分工合作，生成物能够吸收空气中的二氧化碳，但是，本发明不仅能够在固化后期吸收空气中的二氧化碳，固化剂中小苏打的使用还能够大量消耗工厂生产时排除的二氧化碳，能够实现二氧化碳的零排放，甚至是负排放，且本发明中6个小时的龄期能够达到很高的强度，养护龄期远远短于CN 102071029 A的龄期，能够大大缩短工程实践中的龄期，故本发明对于环境以及工程实践都具有重大意义。
附图说明
图1为本发明氧化镁+小苏打固化土、水泥固化土、传统氧化镁碳化法固化土、单独使用氧化镁固化土以及单独使用小苏打固化土下五种固化情况下土体的无侧限抗压强度图。
图2为本发明氧化镁+小苏打固化法7天固化土(稳定固化土)和未固化土体(即不加固化剂的土体)的孔径分布。
图3为本发明氧化镁+小苏打固化法7天固化土(稳定固化土)和未固化土体(即不加固化剂的土体)的孔隙率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实例1
a)本实例中需要加固的土为砂性土，含水率为8％(水与干燥土体的质量比)，氧化镁含量为干土质量的5％,小苏打含量与氧化镁含量按摩尔质量比1：1来配比；
b)将干燥土体与小苏打和氧化镁干混均匀；
c)在干混均匀的土体加入所需要的水进行湿混均匀，得到浆料混合物；
d)立即使用微型压实机将浆料混合物放在一个直径50mm和高度100mm的圆柱形模具中压实，得到模压试样；
e)模压试样用保鲜膜包裹，在室温(25℃)下固化一段时间(即6小时、1天、3天、7天、28天和60天)。到达龄期后脱模，得到压实试样，即为固化土。
对比例1
a)本实例中需要加固的土为砂性土，含水率为8％(水与干燥土体的质量比)，水泥含量为干土质量的5％；
b)将干燥土体与水泥干混均匀；
c)在干混均匀的土体加入所需要的水进行湿混均匀，得到浆料混合物；
d)立即使用微型压实机将浆料混合物放在一个直径50mm和高度100mm的圆柱形模具中压实，得到模压试样；
e)模压试样用保鲜膜包裹，在室温(25℃)下固化一段时间(即7天、28天和60天)。到达龄期后脱模，得到压实试样，即为固化土。
对比例2
a)本实例中需要加固的土为砂性土，含水率为8％(水与干燥土体的质量比)，氧化镁含量为干土质量的5％；
b)将干燥土体与氧化镁干混均匀；
c)在干混均匀的土体加入所需要的水进行湿混均匀，得到浆料混合物；
d)立即使用微型压实机将浆料混合物放在一个直径50mm和高度100mm的圆柱形模具中压实，得到模压试样；
e)模压试样用保鲜膜包裹，在室温(25℃)下固化一段时间(即7天、28天和60天)。到达龄期后脱模，得到压实试样，即为固化土。
对比例3
a)本实例中需要加固的土为砂性土，含水率为8％(水与干燥土体的质量比)，小苏打含量为对比例1中的小苏打含量；
b)将干燥土体与小苏打干混均匀；
c)在干混均匀的土体加入所需要的水进行湿混均匀，得到浆料混合物；
d)立即使用微型压实机将浆料混合物放在一个直径50mm和高度100mm的圆柱形模具中压实，得到模压试样；
e)模压试样用保鲜膜包裹，在室温(25℃)下固化一段时间(即7天、28天和60天)。到达龄期后脱模，得到压实试样，即为固化土。
对比例4
a)本实例中需要加固的土为砂性土，含水率为8％(水与干燥土体的质量比)，氧化镁含量为干土质量的5％，所用碳化装置如图1；
b)将干燥土体与氧化镁干混均匀；
c)在干混均匀的土体加入所需要的水进行湿混均匀，得到浆料混合物；
d)立即使用微型压实机将浆料混合物放在一个直径50mm和高度100mm的自制圆柱形模具中压实，得到模压试样；
e)在室温下，将二氧化碳以50KPa的压力通入模压试样，使二氧化碳气体与土体完全混合，直到试块质量不再增加，完全碳化需要7天，7天后脱模，得到压实试样，即为固化土。
采用20kN压力试验机测定其各个龄期的无侧限抗压强度，如图1所示，不论养护龄期多长，氧化镁+小苏打碳化土的无侧限抗压强度都是最大的，特别是在短短6小时内的养护时间超过了其他固化土各个龄期的强度，在7天内达到最高值并稳定。
采用NMR(核磁共振谱核磁共振波谱法)得到了7天氧化镁+小苏打固化土和未固化土的T2谱，包括T2弛豫时间和强度，可以按照前人研究提出的方法转化为孔径(孔径半径)与孔隙容积之间的关系来进行分析，如图2、图3所示，未固化土在氧化镁+小苏打固化法下固化7天，达到稳定固化土，其大孔径容积减少，小孔径容积增加，表明形成了更多的小孔，且稳定固化土的孔隙率低于未固化土，这是由于氧化镁+小苏打反应填充了未固化土较大的孔隙，形成了新的孔径分布，从而增强了固化土的强度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种绿色低碳环保的土体固化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将需要固化的土体与固化剂按照一定的比例混合均匀，所述固化剂为氧化镁和小苏打；需要固化的土体为砂性土；
步骤2、将干混均匀的土体加水再混合均匀，得到浆料；
步骤3、将浆料压实，压实后进行常温固化养护，到达龄期后得到固化土体试样；
所述固化剂中氧化镁的含量为需要固化土体质量的2-10%。
2.根据权利要求1所述的土体固化方法，其特征在于：步骤3中，将浆料通过模具压实，后至于密封条件下固化养护，到达龄期后得到脱模得到固化土体试样。
3.根据权利要求2所述的土体固化方法，其特征在于：步骤3中，所述密封条件为将模具压实试样通过保鲜膜包裹。
4.根据权利要求2所述的土体固化方法，其特征在于：步骤3中，固化养护时间为1-28天。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10316967A (ja) * | 1997-05-15 | 1998-12-02 | Katsuichi Kunimatsu | 土壌固化剤 |
-
2022
- 2022-10-13 CN CN202211251245.2A patent/CN115626806B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10316967A (ja) * | 1997-05-15 | 1998-12-02 | Katsuichi Kunimatsu | 土壌固化剤 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115626806A (zh) | 2023-01-20 |
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