CN115959849A - 一种应用于渣土的外加剂、其制备方法和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及建筑材料类，具体涉及一种应用于渣土的外加剂、其制备方法和应用方法，所述外加剂由包括以下组分的原料制成，各组分的含量以重量份计；水玻璃60‑70份、聚硅酸铁铝2‑5份、磺化三聚氰胺5‑15份、硫铝酸钙10‑20份、氢氧化锂3‑8份、三聚磷酸钠5‑15份。同时上述组分的原料，在50‑60℃条件下，反应60‑120min，充分匀化得到均匀的液体混合物，将该液体混合物以胶凝材料总量的1％‑3％加入胶凝材料中，再与渣土进行混合，得到渣土自密实回填材料。该渣土自密实回填材料可适应不同类型的渣土，具有早强效果好、经济成本低、抗渗/抗沉降、抗体积收缩和能有效固化渣土中有害杂质的优点。
Description
技术领域
本公开涉及建筑材料类，具体涉及一种应用于渣土的外加剂、其制备方法和应用方法。
背景技术
随着城市化进程加快、人口急剧增长、生态环境恶化和土地资源日渐匮乏，城市面临着巨大的空间压力，而地下空间的开发和利用成为了解决这一问题的主要手段，也是增强城市功能和改善城市环境的重要措施。
在地下工程施工过程中，地基填土、基坑(槽)或管沟回填、室内地坪回填、室外场地回填平整等需要使用到大量的建筑材料。而地下工程施工前期通常需要开挖较多的土方，这些土方一般来说都是直接转运至渣土场，不仅占用大量空间进行堆放，还存在滑坡、泥石流等安全隐患。针对上述情况，且随着技术的逐步发展和环保意识的增强，国内开始直接利用挖出的渣土，通过在渣土中添加胶凝材料和外加剂的方式，形成渣土自密实回填材料，并应用于地下空间的回填。
实际上，渣土的类型较多，常规的流动化回填技无法适应不同类型的渣土。经过对现有技术的总结和分析，存在以下缺陷：1、目前外加剂多为早强剂，早强剂可使回填材料具有合适的凝结硬化时间，保证施工效率，但早强剂主要用于激发胶凝材料的前期水化性能，而回填材料中胶凝材料的比例一般不超过10％，在部分工程中胶凝材料的比例甚至仅为4％，从而常规的早强剂在保证材料早期凝结硬化的作用非常有限，难以达到较好的早强效果。针对早强效果不好的问题，也有采用快硬水泥替代常规的硅酸盐水泥的技术手段，但一方面会导致材料成本过高，另一方面由于快硬水泥水化速度过快，很容易导致硬化体和渣土的结合不紧密，导致后期形变较大；2、渣土本身吸水率很高，要使渣土具有较好的流动性，用水量常常较大，当用水量较大时通常会带来较大的体积收缩，从而影响回填材料与基体的结合和沉降。同时在回填材料中使用常规的减水剂可以有效降低材料的用水量，进而提高强度、降低体积收缩问题，但渣土中的泥土对减水剂具有非常强烈的吸附作用，需很大掺量的减水剂才能取得较好的效果，因而又会导致回填材料成本的上升；3.渣土等废弃物中存在较多的有害杂质，其安全固化也会影响回填材料的使用效果。
发明内容
针对现有技术中，由渣土组成的自密实回填材料存在早强效果不好、适应性差、经济成本高、抗体积收缩性能差、抗渗/沉降效果达不到要求、有害杂质影响安全固化的技术问题，提供了一种应用于渣土的外加剂、其制备方法和应用方法。
本公开的构思之一在于，本公开提供一种外加剂，用以解决上述技术问题，由包括以下组分的原料制成，各组分的含量以重量份计；
在一些实施例中，所述水玻璃优选为钾水玻璃(K2O·mSiO2)或钠水玻璃(Na2O·mSiO2)。
进一步的，钾水玻璃(K2O·mSiO2)或钠水玻璃(Na2O·mSiO2)的模数m优选为2.0-3.0，其相对密封优选为1.40g/mL-1.50g/mL。
在一些实施例中，所述磺化三聚氰胺优选为pH值为7.0-9.0，有效含量≥70％的白色粉末。
在一些实施例中，所述聚硅酸铁铝的有效含量优选35％-45％。
在一些实施例中，所述硫铝酸钙优选由氧化钙、三氧化二铝和硫酸钙于1000-1250℃反应生成的固体粉末。
进一步的，所述硫铝酸钙的粒度≤0.05mm。
在一些实施例中，所述氢氧化锂优选有效含量≥85％的工业产品。
在一些实施例中，所述三聚磷酸钠优选有效含量≥70％的工业产品。
进一步的，本公开提供了一种应用于渣土的外加剂的制备方法。
具体的，在按上述提供的份量获取相应的原料后，将其加热至50℃-60℃，并在此温度条件下反应60min-120min，最后将其充分匀化得到均匀的液体混合物，即得。
进一步的，上述匀化过程优选通过超声波进行。
在一些实施例中，本公开提供了一种应用于渣土的外加剂的使用方法。
具体的，将上述获取的液体混合物以胶凝材料总量的1％-3％加入后，用于制备渣土回填材料。
具体的，本公开的另一构思在于，利用所述外加剂中水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠形成的协同作用，提高所述外加剂的适应性。
具体的，渣土中含有较多高比表面积的矿物(主要如蒙脱石)，当这些高比表面积的矿物与作为分散剂的磺化三聚氰胺吸附时，将使磺化三聚氰胺固化土的分散作用失效。而本公开中利用所述外加剂中水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠的协同作用，可优先与渣土进行吸附和反应，从而阻止高比表面积的矿物与磺化三聚氰胺结合，进而保证所述外加剂的分散功能不受中高比表面积的矿物的影响，从而提高所述外加剂对不同类型渣土的适应性。其中，比表面积是指单位质量物料所具有的总面积，单位是m2/g，主要针对蒙脱石这类比表面积高，易吸附磺化三聚氰胺致使其分散失效的矿物。
在一些实施例中，本公开的又一构思在于，通过所述外加剂中水玻璃、氢氧化锂的作用，提高渣土回填材料的抗渗性能，以及有效吸附固化渣土中的有害杂质。
具体的，所述外加剂中水玻璃、氢氧化锂可促使渣土高效凝聚，从而提高渣土固化后固化土的抗渗性能。此外，所述外加剂中水玻璃、氢氧化锂还能有效吸附固化渣土中含有的有害杂质，从而提高生成的渣土回填材料的使用效果。
在一些实施例中，本公开的另一构思在于，通过所述外加剂中水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠、氢氧化锂的四元组合，提高所述外加剂的早强性能。
进一步的，本公开提供的外加剂还能与胶凝材料作用形成具有膨胀效应的钙钒石、凝胶等，可在渣土中定向填充，提高渣土回填材料抗体积收缩和填充性能。其中，胶凝材料是指在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质。例石灰、石膏、水泥、树脂等。
综合上述构思，本公开提供了一种应用于渣土的外加剂、其制备方法和使用方法。
本公开提供的应用于渣土的外加剂，由包括以下组分的原料制成，各组分的含量以重量份计；水玻璃60-70份、聚硅酸铁铝2-5份(例2、3、4、5)、磺化三聚氰胺5-15份、硫铝酸钙10-20份、氢氧化锂3-8份、三聚磷酸钠5-15份。
进一步的，所述水玻璃优选钾水玻璃(K2O·mSiO2)或钠水玻璃(Na2O·mSiO2)，模数m优选2.0-3.0。
进一步的，钾水玻璃(K2O·mSiO2)或钠水玻璃(Na2O·mSiO2)的相对密度优选1.40g/mL-1.50g/mL。
在一些实施例中，所述磺化三聚氰胺优选pH值为7.0-9.0。
优选的，所述磺化三聚氰胺为有效含量≥70％的白色粉末。
在一些实施例中，所述聚硅酸铁铝优选有效含量35％-45％。
在一些实施例中，所述硫铝酸钙优选由氧化钙、三氧化二铝和硫酸钙于1000℃-1250℃反应生成的固体粉末；所述硫铝酸钙的粒度≤0.05mm。
在一些实施例中，所述氢氧化锂优选有效含量≥85％的工业产品。
在一些实施例中，所述三聚磷酸钠优选有效含量≥70％的工业产品。
在一些实施例中，本公开提供了一种应用于渣土的外加剂的制备方法，将按上述份量获取的原料进行混合，并加热至预设加热温度，所述预设加热温度优选50℃-60℃；在所述预设加热温度下，以预设反应时间进行反应，所述预设反应时间优选60min-120min；反应完成后，进行匀化，获取均匀的液体混合物。
具体的，按上述份量获取原料后进行混合，并水浴加热至预设温度，边加热边搅拌，在升温至预设温度后，边搅拌边反应直至达到预设时间，在达到预设时间后进行充分匀化，获取均匀的液体混合物，即得。
在充分匀化过程中优选振动的方式进行匀化，为保证匀化效果更好，可选用超声波对反应物质进行匀化。
在一些实施例中，本公开提供了一种应用于渣土的外加剂的使用方法，将所述外加剂以胶凝材料总量的1％-3％与水混合，混合后加入胶凝材料与渣土的混合物进行搅拌。
具体的，先将胶凝材料与渣土进行混合并搅拌，然后将所述外加剂以胶凝材料总量的1％-3％的掺量，以及水以渣土总量20％-35％的掺量进行混合，然后加入到胶凝材料与渣土的混合物中进行搅拌。其中，水的掺量与渣土黏度相关联，当渣土黏度达到预设上限值时，选择35％的掺量，当渣土黏度达到预设下限值时，选择20％的掺量，当渣土黏度处于预设上限值和预设下限值之间时，根据对应关系选择水的掺量百分比。
综上所述，本公开提供了一种应用于渣土的外加剂、其制备方法和使用方法，至少包括以下优点：1、基于所述外加剂内水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠的协同作用，使所述外加剂可适应不同类型的渣土，提高所述外加剂的适应性；2、基于所述外加剂内水玻璃、氢氧化锂的作用，可有效固化渣土中的有害杂质，并提高渣土回填材料的抗渗性能，适用于地下空间的回填工程；3、基于所述外加剂内的水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠、氢氧化锂的四元组合，可实现渣土自密实回填材料的快速凝结硬化，提高早强性能；4、所述外加剂还能提高自密实渣土回填材料的填充性和抗体积收缩的性能；5、根据原料的效力和协同性能，优选有效含量、有效指标较佳的工业产品，以降低所述外加剂的经济成本；6、所述外加剂的掺量相较于现有技术中常规减水剂、早强剂的掺量而言，以较低的掺量实现了较好的效果，进一步降低了生产运营成本。
具体实施方式
为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本公开进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。
本公开提供了一种应用于渣土的外加剂、其制备方法和使用方法，具有早强效果好、适应性高、成本低、抗渗、抗体积收缩、掺量小、能有效固化有害杂质的优点。
具体的，所述外加剂由包括以下组分的原料制成，各组分的含量以重量份计；水玻璃60-70份、聚硅酸铁铝2-5份、磺化三聚氰胺5-15份、硫铝酸钙10-20份、氢氧化锂3-8份、三聚磷酸钠5-15份。
优选的，所述水玻璃优选为钾水玻璃(K2O·mSiO2)或钠水玻璃(Na2O·mSiO2)。
进一步的，钾水玻璃(K2O·mSiO2)或钠水玻璃(Na2O·mSiO2)的模数m优选为2.0-3.0，其密封优选为1.40g/mL-1.50g/mL。
优选的，所述磺化三聚氰胺优选为pH值在7.0-9.0的白色粉末。
优选的，所述聚硅酸铁铝优选有效含量35％-45％。
优选的，所述硫铝酸钙优选由氧化钙、三氧化二铝和硫酸钙于1000℃-1250℃反应生成的固体粉末。
优选的，所述硫铝酸钙的粒度≤0.05mm。
优选的，所述氢氧化锂优选有效含量≥85％的工业产品。
优选的，所述三聚磷酸钠优选有效含量≥70％的工业产品。
进一步的，所述外加剂的制备方法：按上述份量获取原料后进行混合，并水浴加热至预设加热温度，所述预设温度从50℃-60℃内取值，边加热边搅拌，在升温至预设加热温度后，边搅拌边反应直至达到预设反应时间，所述预设反应时间从60-120min内取值，在达到预设反应时间后进行充分匀化，获取均匀的液体混合物，即得。其中，优选超声波对反应后的混合物进行充分匀化。
进一步的，所述外加剂的使用方法：先将胶凝材料与渣土进行混合并搅拌，然后将所述外加剂以胶凝材料总量的1％-3％的掺量，以及水以渣土总量20％-35％的掺量进行混合，然后加入到胶凝材料与渣土的混合物中进行搅拌。
以下根据各实施例和其对比例对所述外加剂的性能进行说明，主要依据GB/T50123对利用外加剂制备的回填材料进行无侧限抗压强度、渗水性能和收缩性能进行测试。
表1给出外加剂各组分含量，以及制备参数和使用掺量，按表1中实施例1所示的数据制备渣土自密实回填材料，同时对比例1与实施例1相比不加入组分聚硅酸铁铝，并对实施例1和对比例1形成的渣土自密实回填材料按照GB/T50123进行测试。
表2为表1中实施例1和对比例1的测试效果比照表。
| 序号 | 无侧限抗压强度 | 渗水系数 | 线收缩率 |
| 实施例1 | 1.5Mpa | <![CDATA[2.1×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.05％ |
| 对比例1 | 1.2Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-5</sup>cm/s]]> | 0.08％ |
由表2中实施例1和对比例1中示出的结果可知，在不加入组分聚硅酸铁铝的情况下，抗压、抗渗和抗体积收缩的能力均出现了一定的下降。因聚硅酸铁铝的特性将影响在制备渣土自密实材料过程中对有害杂质的有效固化效果，同时将破坏水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠的协同作用，使所述外加对渣土的适应性降低，且还将使水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠、氢氧化锂的四元组合受到影响，降低其整体性能。
表3给出外加剂各组分含量，以及制备参数和使用掺量，按表3中实施例2所示的数据制备渣土自密实回填材料，同时对比例2与实施例2相比不加入组分磺化三聚氰胺，并对实施例2和对比例2形成的渣土自密实回填材料按照GB/T50123进行测试。
表4为表3中实施例2和对比例2的测试效果比照表。
| 序号 | 无侧限抗压强度 | 渗水系数 | 线收缩率 |
| 实施例2 | 1.2Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.02％ |
| 对比例2 | 0.8Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-4</sup>cm/s]]> | 0.06％ |
由表4中实施例2和对比例2中示出的结果可知，在不加入组分磺化三聚氰胺的情况下，抗压、抗渗和抗体积收缩的能力均出现了一定的下降，且对抗渗和抗体积收缩的能力影响较大。因磺化三聚氰胺主要对渣土的分散效果造成影响，当缺少组分磺化三聚氰胺时，在制备渣土自密实回填材料过程中渣土流动性较差，导致缺陷较多，进而使渗水系数和线收缩率受到较大影响，致使其抗渗、抗体积收缩性能大幅下降。
表5给出外加剂各组分含量，以及制备参数和使用掺量，按表5中实施例3所示的数据制备渣土自密实回填材料，同时对比例3与实施例3相比不加入组分硫铝酸钙，并对实施例3和对比例3形成的渣土自密实回填材料按照GB/T50123进行测试。
表6为表5中实施例3和对比例3的测试效果比照表。
| 序号 | 无侧限抗压强度 | 渗水系数 | 线收缩率 |
| 实施例3 | 2Mpa | <![CDATA[2.9×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.01％ |
| 对比例3 | 1.2Mpa | <![CDATA[2.1×10<sup>-5</sup>cm/s]]> | 0.06％ |
由表6中实施例3和对比例3中示出的结果可知，在不加入组分硫铝酸钙的情况下，抗压、抗渗和抗体积收缩的能力均出现了一定的下降，其对抗体积收缩的能力影响最大。主要因硫铝酸钙作为胶凝材料的早强矿物和膨胀矿物，在组分硫铝酸钙缺失的情况下，对制备的渣土自密实材料的早期强度和抗体积收缩能力影响最大。
表7给出外加剂各组分含量，以及制备参数和使用掺量，按表7中实施例4所示的数据制备渣土自密实回填材料，同时对比例4与实施例4相比不加入组分氢氧化锂，并对实施例4和对比例4形成的渣土自密实回填材料按照GB/T50123进行测试。
表8为表7中实施例4和对比例4的测试效果比照表。
| 序号 | 无侧限抗压强度 | 渗水系数 | 线收缩率 |
| 实施例4 | 1.5Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.03％ |
| 对比例4 | 1.0Mpa | <![CDATA[9.1×10<sup>-4</sup>cm/s]]> | 0.08％ |
由表8中实施例4和对比例4中示出的结果可知，在不加入组分氢氧化锂的情况下，抗压、抗渗和抗体积收缩的能力均出现了大幅下降。因氢氧化锂的缺失，一方面对固化有害杂质的能力造成影响，另一方面破坏水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠、氢氧化锂的四元组合，致使其性能受到影响。
表9给出外加剂各组分含量，以及制备参数和使用掺量，按表9中实施例5所示的数据制备渣土自密实回填材料，同时对比例5与实施例5相比不加入组分三聚磷酸钠，并对实施例5和对比例5形成的渣土自密实回填材料按照GB/T50123进行测试。
表10为表9中实施例5和对比例5的测试效果比照表。
| 序号 | 无侧限抗压强度 | 渗水系数 | 线收缩率 |
| 实施例5 | 2.0Mpa | <![CDATA[3.1×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.03％ |
| 对比例5 | 1.3Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-4</sup>cm/s]]> | 0.06％ |
由表10中实施例5和对比例5中示出的结果可知，在不加入组分三聚磷酸钠的情况下，抗压、抗渗和抗体积收缩的能力均出现了下降，其中抗压和抗渗能力下降较大。因三聚磷酸钠的缺失，将影响水玻璃、聚硅酸铁铝、三聚磷酸钠的协同作用，进而影响磺化三聚氰胺的分散能力，从而使外加剂对渣土的适用能力下降，进而表征在抗压和抗渗能力上，使抗压、抗渗能力受到较大冲击。
表11为本公开中涉及的实施例和对比例的效果参照表。
| 序号 | 无侧限抗压强度 | 渗水系数 | 线收缩率 |
| 实施例1 | 1.5Mpa | <![CDATA[2.1×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.05％ |
| 实施例2 | 1.2Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.02％ |
| 实施例3 | 2Mpa | <![CDATA[2.9×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.01％ |
| 实施例4 | 1.5Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.03％ |
| 实施例5 | 2.0Mpa | <![CDATA[3.1×10<sup>-6</sup>cm/s]]> | 0.03％ |
| 对比例1 | 1.2Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-5</sup>cm/s]]> | 0.08％ |
| 对比例2 | 0.8Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-4</sup>cm/s]]> | 0.06％ |
| 对比例3 | 1.2Mpa | <![CDATA[2.1×10<sup>-5</sup>cm/s]]> | 0.06％ |
| 对比例4 | 1.0Mpa | <![CDATA[9.1×10<sup>-4</sup>cm/s]]> | 0.08％ |
| 对比例5 | 1.3Mpa | <![CDATA[1.1×10<sup>-4</sup>cm/s]]> | 0.06％ |
见表11中各项实验数据的比对，以及对照各组分的份量和技术参数，其中实施例5的抗压性能较好，实施例2和实施例4的抗渗性能较好，而实施例3的抗体积收缩性能较好，综合各组分的掺量以及加热温度、反应时间和所述外加剂的掺量，组分比例以及其技术参数中如水玻璃的模数和相对密度，以及聚硅酸铁铝、磺化三聚氰胺、氢氧化锂和三聚磷酸钠的有效含量对性能的影响比较大，因而综合地下空间的各项指标需求和渣土的组成情况以及工业产品的价格，可选择较为经济合适的各组分的份量及其技术参数，同时还能满足地下空间的回填需求。
以上对本公开进行了详细介绍，本公开中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以对本公开进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本公开权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于渣土的外加剂，其特征在于，由包括以下组分的原料制成，各组分的含量以重量份计；
2.如权利要求1所述的应用于渣土的外加剂，其特征在于，所述水玻璃为钾水玻璃(K2O·mSiO2)或钠水玻璃(Na2O·mSiO2)；
模数m为2.0-3.0。
3.如权利要求2所述的应用于渣土的外加剂，其特征在于，钾水玻璃(K2O·mSiO2)或钠水玻璃(Na2O·mSiO2)的相对密度为1.40g/mL-1.50g/mL。
4.如权利要求1所述的应用于渣土的外加剂，其特征在于，所述磺化三聚氰胺的pH值为7.0-9.0；
所述磺化三聚氰胺为有效含量≥70％的白色粉末。
5.如权利要求1所述的应用于渣土的外加剂，其特征在于，所述聚硅酸铁铝的有效含量为35％-45％。
6.如权利要求1所述的应用于渣土的外加剂，其特征在于，所述硫铝酸钙是指由氧化钙、三氧化二铝和硫酸钙于1000℃-1250℃反应生成的固体粉末；
所述硫铝酸钙的粒度≤0.05mm。
7.如权利要求1所述的应用于渣土的外加剂，其特征在于，所述氢氧化锂为有效含量≥85％的工业产品。
8.如权利要求1所述的应用于渣土的外加剂，其特征在于，所述三聚磷酸钠为有效含量≥70％的工业产品。
9.一种应用于渣土的外加剂的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-8任一项所述的外加剂，包括如下步骤：
将各组分的原料进行混合，并加热至预设加热温度；
在所述预设加热温度下，按预设反应时间进行反应；
反应完成后，进行匀化，获取均匀的液体混合物；
所述预设加热温度为50℃-60℃，所述预设反应时间为60min-120min。
10.一种应用于渣土的外加剂的使用方法，其特征在于，将获取的所述外加剂以胶凝材料总量的1％-3％与水混合，混合后加入胶凝材料与渣土的混合物中进行搅拌。
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