CN117263538A - 全固废绿色高性能土壤胶结料及其制备方法、使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全固废绿色高性能土壤胶结料及其制备方法、使用方法，涉及软土固化剂领域。其中，全固废绿色高性能土壤胶结料包括以下重量份的组分：矿渣粉30～60份，粉煤灰10～25份，钢渣微粉10～30份，碱渣粉5～15份，锂电固废5～15份；其中，所述碱渣粉的主要矿相成分为碳酸钙、硫酸钙和氯化钙，所述锂电固废的主要矿相成分为硫酸钠；所述矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉、碱渣粉、锂电固废的重量份之和为100份。实施本发明，可提升土壤胶结料的固化强度，降低其成本，且环境友好。
Description
技术领域
本发明涉及软土固化剂领域，尤其涉及一种全固废绿色高性能土壤胶结料及其制备方法、使用方法。
背景技术
广东位于珠江三角洲冲积平原，海相沉积导致高有机质含量的淤泥质软土遍布广泛，针对深厚层淤泥及浅层软土，需要进行搅拌桩，就地固化或固化土基层等对软土进行固化，减少施工后沉降，提高路基稳定性及耐久性。
当前通常采用水泥作为固化材料进行软土的固化，但是水泥应用于高有机质高含水率淤泥质土时，有机质分解的有机质酸会破坏水泥水化产物，高含水率和高孔隙比也会进一步削弱水泥的固化效果，因此水泥应用于软基加固已被广泛证实固化效果欠佳。工程上通常采用增大水泥掺量的方式来改善搅拌桩成桩效果，但是提升有限，且显著增加了工程造价。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种全固废绿色高性能土壤胶结料，其固化效果好，且环境友好，成本低。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种全固废绿色高性能土壤胶结料的制备方法。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种全固废绿色高性能土壤胶结料的使用方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种全固废绿色高性能土壤胶结料，其包括以下重量份的组分：矿渣粉30～60份，粉煤灰10～25份，钢渣微粉10～30份，碱渣粉5～15份，锂电固废5～15份；
其中，所述碱渣粉的主要矿相成分为碳酸钙、硫酸钙和氯化钙，所述锂电固废的主要矿相成分为硫酸钠；
所述矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉、碱渣粉、锂电固废的重量份之和为100份。
作为上述技术方案的改进，所述矿渣粉选用S95级矿渣粉或S105级矿渣粉；
所述粉煤灰选用I级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰；
所述钢渣微粉选用一级钢渣微粉或二级钢渣微粉。
作为上述技术方案的改进，所述矿渣粉的活性指数≥95％，所述粉煤灰的活性指数≥70％，所述钢渣微粉的活性指数≥65％。
作为上述技术方案的改进，所述碱渣粉的含水率≥20wt％，锂电固废的含水率≥10wt％。
作为上述技术方案的改进，所述锂电固废选用废弃锂电池回收过程中产生的废渣，其Ni、Mn、Co的总含量为1～25mg/g。
作为上述技术方案的改进，所述碱渣粉的化学成分符合下述关系：
LOI1300/LOI1000＝1.22～1.45
其中，LOI1300为绝干碱渣粉在1300℃灼烧至恒重后的质量损失率，LOI1000为绝干碱渣粉在1000℃灼烧至恒重后的质量损失率，wMgO为绝干碱渣粉采用ICP分析得到的MgO含量，为绝干碱渣粉采用ICP分析得到的Na2O含量。
相应的，本发明还公开了一种全固废绿色高性能土壤胶结料的制备方法，用于制备上述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其包括：
分别提供矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉、碱渣粉和锂电固废，并将其分别包装，即得；或
提供碱渣粉、锂电固废，混合得到第一混合物；提供矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉，混合得到第二混合物；将所述第一混合物、第二混合物分别包装，即得。
相应的，本发明还公开了一种全固废绿色高性能土壤胶结料的使用方法，用于使用上述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其包括：
设置第一浆池，投放碱渣粉、锂电固废和第一预设量的水，制得具有第一含水率的第一浆料；
设置第二浆池，投放矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉和第二预设量的水，制得具有第二含水率的第二浆料；
将所述第一浆料和第二浆料混合均匀，得到第三浆料；
采用搅拌桩机将第三浆料与待固化土壤混合。
相应的，本发明还公开了一种全固废绿色高性能土壤胶结料的使用方法，用于使用上述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其包括：
设置第一浆池，投放碱渣粉和锂电固废的混合物以及第一预设量的水，制得具有第一含水率的第一浆料；
设置第二浆池，投放矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉的混合物以及第二预设量的水，制得具有第二含水率的第二浆料；
将所述第一浆料和第二浆料混合均匀，得到第三浆料；
采用搅拌桩机将第三浆料与待固化土壤混合。
作为上述技术方案的改进，所述第一含水率为60％，所述第二含水率为60％。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明的全固废绿色高性能土壤胶结料包括矿渣粉30～60份，粉煤灰10～25份，钢渣微粉10～30份，碱渣粉5～15份，锂电固废5～15份；其均为固废材料，替代水泥用于软土固化可显著降低碳排放，绿色环保。其中，矿渣粉、粉煤灰及钢渣粉的活性和有效组分呈梯度分布，通过对以上三者的用量调控，可有效提升固化强度，且可实现土壤胶结料的强度等级的调控。其中，碱渣粉的主要矿相成分为碳酸钙、硫酸钙和氯化钙，锂电固废的主要矿相成分为硫酸钠；两者的硫酸根离子可与其他料中的硅氧四面体、铝氧四面体等发生化学反应生成大量的针棒状钙矾石，可使体积膨胀填充软土中的高孔隙，从而提升了固化土强度。此外，碱渣粉中残余的碱可以作为碱性激发剂溶解矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉中的硅氧四面体、铝氧四面体的玻璃体等有效组分，从而使掺合料(矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉)具有胶结作用和强度。综合以上而言，本发明的全固废绿色高性能土壤胶结料，有效提升了与软土的胶结作用，提升了固化强度；同时也降低了成本，实现了绿色节能。
2、本发明的全固废绿色高性能土壤胶结料所采用的锂电固废为废弃锂电池回收过程中产生的固废，其Ni、Mn、Co的总含量为1～25mg/g。而通过引入特定成分的碱渣粉，不仅可提升土壤胶结料的固化强度，还可实现锂电固废中重金属的固化，避免危害环境。
3、本发明的全固废绿色高性能土壤胶结料所采用的碱渣粉和锂电固废的含水率高，若烘干后与掺合料拌和，由于氯化钙和硫酸钠等在空气中易吸水受潮，导致生产的土壤胶结料易受潮变质，无法长期储存；本发明提到的制备方法、使用方法中均免去了烘干步骤，一方面降低了土壤胶结料成本，另一方面也可解决含有碱性材料的土壤胶结料易受潮无法长期储存的问题。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
本发明提供一种全固废绿色高性能土壤胶结料，其包括以下重量份的组分：
矿渣粉30～60份，粉煤灰10～25份，钢渣微粉10～30份，碱渣粉5～15份，锂电固废5～15份；
其中，矿渣粉是将粒化高炉矿渣粉磨到规定细度得到的一种粉体材料，其潜在活性较高，可在碱性激发条件下进行水化反应，提升固化强度。具体的，在本发明的全固废绿色高性能土壤胶结料配方中，矿渣粉的等级不低于S95级，具体的，可选用S95级矿渣粉或S105级矿渣粉，但不限于此。矿渣粉的28d活性指数≥95％(测定法参见GB/T 18046-2017)，示例性的为95.5％、97％或98％，但不限于此。
矿渣粉的用量为30～60份，示例性的为35份、40份、45份、50份或55份，但不限于此。
其中，粉煤灰是煤燃烧后在其烟道气体中所收集的固体废弃物，其含有Si-Al-Na(K)-Ca质玻璃体，活性强，可提供硅源、钙源，进行水化反应形成水化硅酸钙，此外，其玻璃体也会被碱渣粉腐蚀，进而与碱渣粉、锂电固废中的硫酸根离子反应形成针棒状钙矾石，提升固化强度。具体的，在本发明的全固废绿色高性能土壤胶结料配方中，粉煤灰可为I级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰，其28d活性指数≥70％(测定法参见GB/T 1596-2017)，示例性的为70.5％、72％、74％、76％或80％，但不限于此。
粉煤灰的用量为10～25份，示例性的为12份、15份、18份、21份或24份，但不限于此。
其中，钢渣微粉是转炉或电炉炼铁过程中产生的废渣经粉磨后得到的微粉，其含有硅酸盐、铁酸盐，具有一定的活性。具体的，本发明的全固废绿色高性能土壤胶结料中，钢渣微粉选用一级钢渣微粉或二级钢渣微粉，但不限于此，其28d活性指数≥65％(测定法参见GB/T 20491-2017)，示例性的为67％、69％或71％，但不限于此。
钢渣微粉的用量为10～30份，示例性的为12份、15份、18份、21份或24份，但不限于此。
其中，碱渣粉是制取纯碱过程中的副产品，其主要成分是碳酸钙、硫酸钙、氯化钙等。碱渣粉颗粒细小，粒径在2～20μm，其中的碳酸钙细颗粒可填充土壤胶结料固化土内部孔隙，粗颗粒作为土壤胶结料固化土框架，提高结构密实性及整体强度；氯化钙可激发钢渣和矿渣水化生成水化硅酸钙，胶结土颗粒，提高固化土强度。碱渣粉中的硫酸钙、其他的游离钙还可与锂电废渣中的硫酸根离子以及钢渣和矿渣水化的硅酸钙反应生成钙矾石，体积膨胀进一步提升固化土密实性。碱渣粉中残余的碱可以作为碱性激发剂溶解掺合料(矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉)中的硅氧四面体、铝氧四面体的玻璃体等有效组分，从而使掺合料具有胶结作用和强度。碱渣粉中残余的碱还能够与锂电固废中残留的重金属钴、镍、锰等离子生成固体氢氧化物，这些固体重金属氢氧化物可被土壤胶结料固化土的同时固化封装，使得不会污染环境。具体，碱渣粉的用量为5～15份，示例性的为6份、7.5份、9份、10.5份、12份或13.5份，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，碱渣粉的化学成分符合下述关系：
LOI1300/LOI1000＝1.22～1.45
其中，LOI1300为绝干碱渣粉在1300℃灼烧至恒重后的质量损失率，LOI1000为绝干碱渣粉在1000℃灼烧至恒重后的质量损失率，其中，绝干碱渣粉是在50～120℃下将碱渣粉烘干至恒重后得到。基于该化学成分的碱渣粉中，矿相成分硫酸钙的含量相对较高，可有效提升固化后钙矾石的含量，有效提升固化强度。
优选的，在本发明的一个实施例之中，碱渣粉的化学成分符合下述关系：
其中，LOI1300为绝干碱渣粉在1300℃灼烧至恒重后的质量损失率，wMgO为绝干碱渣粉采用ICP分析得到的MgO含量，为绝干碱渣粉采用ICP分析得到的Na2O含量。基于该化学组分的碱渣粉，其游离碱含量高，确保了有效激发其他原料，提升固化强度，同时还能有足够的碱实现锂电固废中重金属的固定，从而提升锂电固废的用量，提升固化后钙矾石的含量，有效提升固化强度。
此外，由于碱渣粉中还存在一些游离状态的Cl离子，其在碱性条件下一般不对与其接触的钢制品造成损伤，但若大量碱被固定、中和后，游离的Cl离子会腐蚀钢制品，限制本发明中的土壤胶结料的适用范围。而本发明的发明人经大量研究后发现，碱渣粉中的游离碱多以Mg(OH)2相赋存，游离氯离子则多以NaCl相、CaCl2相赋存，而通过对MgO、Na2O、LOI1300的联合控制，即可有效控制游离碱量，游离Cl离子量，从而解决腐蚀问题。
其中，碱渣粉的含水率≥20wt％，优选的为20～40wt％，基于本发明的制备方法和使用方法，可实现碱渣粉不脱水，不干燥情况下的有效利用。
其中，锂电固废是指锂电正极材料生产过程中或废弃锂电池回收过程中产生的以硫酸钠为主要矿相成分的废渣。优选的，在本发明的一个实施例之中，锂电固废为废弃锂电池回收过程中产生的废渣，受限于后期回收工艺，这种锂电固废中往往含有一些重金属，如Ni、Mn、Co(以硫酸盐形式存在)。具体的，Ni、Mn、Co的总含量为1～25mg/g。本发明通过引入碱渣粉实现了这些重金属的固定，避免其污染环境，同时也释放出了与重金属结合的硫酸根离子，使得其固化后形成钙矾石，提升了固化强度。
其中，锂电固废的用量为5～15份，示例性的6份、8份、10份、12份或14份。优选的，通过对碱渣粉化学成分的控制，可将锂电固废的用量提升至10～15份。
其中，锂电固废的含水率≥10wt％，优选的为10～30wt％，基于本发明的制备方法和使用方法，可实现锂电固废不脱水，不干燥情况下的有效利用。
相应的，本发明还公开了一种全固废绿色高性能土壤胶结料的制备方法，其包括：分别提供矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉、碱渣粉和锂电固废，并将其分别包装，即得。或者还可先将碱渣粉、锂电固废混合得到第一混合物；将矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉混合得到第二混合物；将第一混合物、第二混合物分别包装，即得。
相应的，本发明还公开了一种全固废绿色高性能土壤胶结料的使用方法，其包括以下步骤：
(1)设置第一浆池，投放碱渣粉、锂电固废和第一预设量的水，制得具有第一含水率的第一浆料；其中，第一含水率为45～65％，优选的为60％。
(2)设置第二浆池，投放矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉和第二预设量的水，制得具有第二含水率的第二浆料；其中，第二含水率为45～65％，优选的为60％。
(3)将第一浆料和第二浆料混合均匀，得到第三浆料；
其中，可在第二浆池中对第一浆料和第二浆料进行混合，也可另外设置第三浆池，在第三浆池中进行两者的混合。
(4)采用搅拌桩机将第三浆料与待固化土壤混合。
相应的，本发明还公开了另一种全固废绿色高性能土壤胶结料的使用方法，其包括：
(1)设置第一浆池，投放碱渣粉和锂电固废的混合物以及第一预设量的水，制得具有第一含水率的第一浆料；其中，第一含水率为45～65％，优选的为60％。
(2)设置第二浆池，投放矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉的混合物以及第二预设量的水，制得具有第二含水率的第二浆料；其中，第二含水率为45～65％，优选的为60％。
(3)将第一浆料和第二浆料混合均匀，得到第三浆料；
其中，可在第二浆池中对第一浆料和第二浆料进行混合，也可另外设置第三浆池，在第三浆池中进行两者的混合。
(4)采用搅拌桩机将第三浆料与待固化土壤混合。
下面以具体实施例对本发明进行说明：
各实施例中测试所采用的软土样品的各项性能如下表所示：
实施例1
本实施例提供一种全固废绿色高性能土壤胶结料，其配方如下：
S95级矿渣粉45份，I级F类粉煤灰20份，一级钢渣微粉15份，碱渣粉10份，锂电固废10份。
其中，S95级矿渣粉的28d活性指数为98.5％，I级F类粉煤灰的28d活性指数为73％，一级钢渣微粉的28d活性指数为67％。锂电固废为废弃锂电池回收过程中产生的废渣，其Ni、Mn、Co的总含量为23.4mg/g，其含水率为16.3wt％。
其中，碱渣粉的含水率为28.5wt％，其LOI1300为21.9wt％，LOI1000为15.9wt％，wMgO为7.82wt％，wNa2O为4.12wt％。
实施例2
本实施例提供一种全固废绿色高性能土壤胶结料，其配方如下：
S95级矿渣粉45份，I级F类粉煤灰20份，一级钢渣微粉15份，碱渣粉10份，锂电固废10份。
其中，S95级矿渣粉的28d活性指数为98.5％，I级F类粉煤灰的28d活性指数为73％，一级钢渣微粉的28d活性指数为67％。锂电固废为废弃锂电池回收过程中产生的废渣，其Ni、Mn、Co的总含量为23.4mg/g，其含水率为16.3wt％。
其中，碱渣粉的含水率为31.3wt％，其LOI1300为26.75wt％，LOI1000为20.61wt％，wMgO为6.5wt％，wNa2O为7.23wt％。
实施例3
本实施例提供一种全固废绿色高性能土壤胶结料，其配方如下：
S95级矿渣粉45份，I级F类粉煤灰20份，一级钢渣微粉15份，碱渣粉10份，锂电固废10份。
其中，S95级矿渣粉的28d活性指数为98.5％，I级F类粉煤灰的28d活性指数为73％，一级钢渣微粉的28d活性指数为67％。锂电固废为废弃锂电池回收过程中产生的废渣，其Ni、Mn、Co的总含量为23.4mg/g，其含水率为16.3wt％。
其中，碱渣粉的含水率为35.4wt％，其LOI1300为19.4wt％，LOI1000为16.3wt％，wMgO为9.24wt％，wNa2O为8.15wt％。
实施例4
本实施例提供一种全固废绿色高性能土壤胶结料，其配方如下：
S95级矿渣粉45份，I级F类粉煤灰20份，一级钢渣微粉15份，碱渣粉10份，锂电固废10份。
其中，S95级矿渣粉的28d活性指数为98.5％，I级F类粉煤灰的28d活性指数为73％，一级钢渣微粉的28d活性指数为67％。锂电固废为废弃锂电池回收过程中产生的废渣，其Ni、Mn、Co的总含量为23.4mg/g，其含水率为16.3wt％。
其中，碱渣粉的含水率为23.5wt％，其LOI1300为22.5wt％，LOI1000为18.6wt％，wMgO为3.23wt％，wNa2O为5.12wt％。
对比例1
S95级矿渣粉60份，I级F类粉煤灰20份，一级钢渣微粉10份，锂电固废10份。
其中，S95级矿渣粉的28d活性指数为98.5％，I级F类粉煤灰的28d活性指数为73％，一级钢渣微粉的28d活性指数为67％。锂电固废为废弃锂电池回收过程中产生的废渣，其Ni、Mn、Co的总含量为23.4mg/g，其含水率为16.3wt％。
对比例2
S95级矿渣粉60份，I级F类粉煤灰20份，一级钢渣微粉10份，碱渣粉10份。
其中，S95级矿渣粉的28d活性指数为98.5％，I级F类粉煤灰的28d活性指数为73％，一级钢渣微粉的28d活性指数为67％。
其中，碱渣粉的含水率为31.3wt％，其LOI1300为26.75wt％，LOI1000为20.61wt％，wMgO为6.5wt％，wNa2O为7.2wt％。
对比例3
S95级矿渣粉60份，I级F类粉煤灰20份，一级钢渣微粉20份。
其中，S95级矿渣粉的28d活性指数为98.5％，I级F类粉煤灰的28d活性指数为73％，一级钢渣微粉的28d活性指数为67％。
将实施例1～4、对比例1～3的土壤胶结料按照0.6的水胶比混合均匀，然后与软土样品混合(按照15％比例)，固化28天后测定各项性能。具体测试结果如下表：
注：无侧限抗压强度按《水泥土配合比设计规程》JGJ/T 233进行测试；渗透系数试验和冻融循环试验参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，包括以下重量份的组分：矿渣粉30～60份，粉煤灰10～25份，钢渣微粉10～30份，碱渣粉5～15份，锂电固废5～15份；
其中，所述碱渣粉的主要矿相成分为碳酸钙、硫酸钙和氯化钙，所述锂电固废的主要矿相成分为硫酸钠；
所述矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉、碱渣粉、锂电固废的重量份之和为100份。
2.如权利要求1所述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，所述矿渣粉选用S95级矿渣粉或S105级矿渣粉；
所述粉煤灰选用I级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰；
所述钢渣微粉选用一级钢渣微粉或二级钢渣微粉。
3.如权利要求1或2所述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，所述矿渣粉的活性指数≥95％，所述粉煤灰的活性指数≥70％，所述钢渣微粉的活性指数≥65％。
4.如权利要求1所述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，所述碱渣粉的含水率≥20wt％，锂电固废的含水率≥10wt％。
5.如权利要求1所述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，所述锂电固废选用废弃锂电池回收过程中产生的废渣，其Ni、Mn、Co的总含量为1～25mg/g。
6.如权利要求1或5所述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，所述碱渣粉的化学成分符合下述关系：
LOI1300/LOI1000＝1.22～1.45
其中，LOI1300为绝干碱渣粉在1300℃灼烧至恒重后的质量损失率，LOI1000为绝干碱渣粉在1000℃灼烧至恒重后的质量损失率，wMgO为绝干碱渣粉采用ICP分析得到的MgO含量，为绝干碱渣粉采用ICP分析得到的Na2O含量。
7.一种全固废绿色高性能土壤胶结料的制备方法，用于制备如权利要求1～6任一项所述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，包括：
分别提供矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉、碱渣粉和锂电固废，并将其分别包装，即得；或
提供碱渣粉、锂电固废，混合得到第一混合物；提供矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉，混合得到第二混合物；将所述第一混合物、第二混合物分别包装，即得。
8.一种全固废绿色高性能土壤胶结料的使用方法，用于使用如权利要求1～6任一项所述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，包括：
设置第一浆池，投放碱渣粉、锂电固废和第一预设量的水，制得具有第一含水率的第一浆料；
设置第二浆池，投放矿渣粉、粉煤灰、钢渣微粉和第二预设量的水，制得具有第二含水率的第二浆料；
将所述第一浆料和第二浆料混合均匀，得到第三浆料；
采用搅拌桩机将第三浆料与待固化土壤混合。
9.一种全固废绿色高性能土壤胶结料的使用方法，用于使用如权利要求1～6任一项所述的全固废绿色高性能土壤胶结料，其特征在于，包括：
设置第一浆池，投放碱渣粉和锂电固废的混合物以及第一预设量的水，制得具有第一含水率的第一浆料；
设置第二浆池，投放矿渣粉、粉煤灰和钢渣微粉的混合物以及第二预设量的水，制得具有第二含水率的第二浆料；
将所述第一浆料和第二浆料混合均匀，得到第三浆料；
采用搅拌桩机将第三浆料与待固化土壤混合。
10.如权利要求8或9所述的全固废绿色高性能土壤胶结料的使用方法，其特征在于，所述第一含水率为60％
所述第二含水率为60％。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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