CN117303855A - 一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂及其制备方法，属于建筑材料技术领域，该方法可以处理土木工程施工、隧道工程中产的废弃泥浆。固化剂按照质量份数计，包括如下组分：磷酸镁水泥8～12份、生石灰6～8份、高炉矿渣6～8份，硅酸钠4～6份。与现有技术相比，本发明将磷酸镁水泥改性，使其固化废弃泥浆具有更高的强度。本发明通过与废弃泥浆进行混合搅拌，固化时间为3d，7d，14d，28d经过一系列水化反应形成大量的水化胶凝产物，一方面消耗了高炉矿渣这类工业固体废料和生石灰材料价格的便宜，降低了固化处理的成本，另一方面改善了废弃泥浆固化土体的强度和耐水性，使其强度在短期内快速提升和抵抗水的侵蚀能力更好。

Description

一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂及其制备 方法

技术领域

本发明涉及一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂及其制备方法，特别是一种对在土木工程施工中产生的废弃泥浆进行固化处理所使用的复合型固化材料，属于建筑材料技术领域。

背景技术

目前，工程废弃泥浆处理主要以外运处置为主，导致处理和运输成本较高，还可能会引起处理不规范带来较为严重的环境污染和占地等问题。由于这种处理方式较为落后而且费用昂贵，效率低下，这与高效低耗的国家可持续发展战略背道而驰。因此，有必要寻找一种新的废弃泥浆处理技术方式，对工程废弃泥浆进行固化处理再利用，目前已经逐渐变成当今社会解决工程废弃泥浆的方法。固化剂的作用原理在于，通过固化材料的一系列物理化学反应，能够改善土体的孔隙结构使原本松散的土体转变成更致密的结构，能大幅提升土体的强度和耐久性。

目前，广泛应用的普通硅酸盐水泥固化剂和石灰类的固化剂，这些材料普遍需要很高的成本投入，且生产能耗高。磷酸镁水泥是由重烧MgO(碱性氧化物)和可溶性磷酸盐酸发生酸碱中和反应而形成强度的一类新型无机胶凝材料，具有凝结硬化快、早期强度高、粘结性能好、生物相容性高等特点，被广泛的应用于军民领域，如修补公共道路、桥梁及结构工程构件、人造牙齿、骨骼等。同时，磷酸镁水泥因其快硬早强、稳定性好、pH近中性的特性，还可用于军事抢修、抢建以及核废料处理。

2018年6月22日公开的公布号为CN201810317241.7的专利公开了一种严寒环境抢修抢建用磷酸镁水泥，其特征在于，在水泥配方材料中采用了磷酸、甲酸钾中的一种或者两种作为防冻成分；采用了铝矾土作为升温材料；采用了甲基纤维素作为保水成分；采用了磷酸钾和Dynol～360以改善严寒环境下磷酸镁水泥的流动性。还公开了一种所述严寒环境抢修抢建用磷酸镁水泥的制备方法。实施时，无需采用特殊搅拌设备，施工方便，制备成型后也无需特殊的养护工艺，经试验，得到的磷酸镁水泥施工后2h抗压强度在温度低于-20℃的严寒环境中可以达到20MPa以上，满足严寒环境下抢修抢建工程对胶凝材料早期强度发展的要求。

2022年4月29日公开的公布号为CN114409371A的专利公布了一种耐水型磷酸盐水泥基修补材料，该专利公布的材料由如下原材料制备而成：改性氧化镁、磷酸二氢钾、磷铝酸盐水泥、硅灰、氯化钾、外加剂，是一种耐水型磷酸盐水泥基修补材料，可应用于长期潮湿环境及沿海环境中建筑物的快速修复，具有早强、高强和良好的水稳定性。改性氧化镁按照以下步骤进行制备：(1)在湿式球磨机中加入乙醇,再将氯化钙、碳酸钾和三乙醇胺按重量份1:1:20-200加入湿式球磨机中混合均匀,固液比为10～50％；(2)湿磨后离心过滤得浆料,湿磨过程中采用水冷或液氮方式控制球磨机外壁温度≤50℃；(3)将氧化镁与浆料按质量份1:50充分混合后造粒,得到改性氧化镁；其中,氧化镁为重烧氧化镁破碎而成,比表面积为238～322m²/kg。

由于其快硬早强特性，磷酸镁水泥在特殊工程场景里具有相当大的开发潜力，而不耐水这一天然缺陷在一定程度上限制了其在工程上的应用。近些年关于磷酸镁水泥修补材料的技术多聚焦在改善其耐水性方面，但以往研究或多或少都存在缺陷，上述技术或是在成熟的磷酸镁水泥体系内引入掺合料或者表面活性剂，通过增大硬化浆体密实度的办法提高耐水性；或是加入高分子聚合物来改善表面性能，降低材料表面浸润性。单纯引入掺合料或者表面活性剂的技术对磷酸镁水泥的强度无影响，但其耐水性的提升不够大，长期遇水侵蚀的环境下依然会遭到结构性破坏；单纯加入高分子聚合物来改善表面性能的技术可以大幅度提升磷酸镁水泥的耐水性，但这一技术会使得以磷酸二氢钾和氧化镁为胶凝材料的磷酸镁水泥强度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂及其制备方法，能够制备具有较高早期强度的磷酸镁水泥，同时提高其耐水性保证其强度不损失，具有快速固化废弃泥浆效果，并且实现固体废物的高效利用。

本发明的目的在于针对废弃泥浆中超高含水率、高孔隙比、高压缩性、高流动性、低强度等特点，本发明人经过大量的试验研究，研制出高效复合固化剂，以弥补单一固化剂效果不稳定、功能不全面的问题，同时能在废弃泥浆中发挥协同作用，改善废弃泥浆的物理力学性质和耐水性。

本发明采用的技术方案是：

一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂及其制备方法，按照质量份数计，包括如下组分：磷酸镁水泥8～12份、生石灰6～8份、高炉矿渣6～8份，硅酸钠4～6份。

优选的，所述重烧氧化镁为菱镁矿粉于1400℃以上高温煅烧制得。

优选的，所述磷酸二氢钾为化学分析纯KH₂PO₄。

优选的，所述生石灰为工业级CaO。

优选的，所述高炉矿渣为S95矿渣粉。

优选的，所述硅酸钠为工业级Na₂SiO₃。

本发明提供的一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂及其制备方法，包括以下步骤：

(1)将重烧氧化镁和磷酸二氢钾按质量比3:1～4:1进行混合，加入水后用搅拌机搅拌均匀，制成磷酸镁水泥浆，磷酸镁水泥浆干燥后得到磷酸镁水泥；

(2)按质量份数，将磷酸镁水泥8～12份、生石灰6～8份、高炉矿渣6～8份，硅酸钠4～6份混合搅拌均匀，制成废弃泥浆固化剂。

步骤(1)、(2)中所述搅拌，搅拌速率为80r/min，搅拌时间为1min。

本发明设计思路如下：

本发明使用较少量的生石灰和高炉矿渣在一定比例下复掺，相较于既往单掺生石灰或者高炉矿渣的磷酸镁水泥修复材料，本发明具有更高的凝结硬化强度。重烧氧化镁和磷酸二氢钾可经水化反应生成提供强度的水化产物MgKPO₄·6H₂O(MgO+K₂HPO₄·3H₂O+3H₂O→MgKPO₄·6H₂O)，其中掺入高炉矿渣和生石灰，可以促进早期强度快速发展，还可以促进该水化反应的进一步发展，增加MgKPO₄·6H₂O含量，并生成凝胶物质，火山灰效应和微集料效应对土体孔隙以及对土颗粒/土团聚体的胶结作用，使土体结构更加密实，保证了本修复材料的密实度，从而很好地改善水化产物形貌，阻碍水分渗透，提高泥浆固化土耐水性。同时，未反应的高炉矿渣可以作为微集料填充基体与生石灰之间形成界面过渡区，增加粘结性能。

本发明的有益效果是：

本发明的废弃泥浆固化剂是以磷酸镁水泥为主，磷酸镁水泥可以在短期内快速提升强度，同时具备固化后早期强度高、耐磨抗冻等优异性能，改性后的磷酸镁水泥处理废弃泥浆有较强的耐久性，并能满足路基填料等工程，既能解决大量废弃泥浆堆放占地问题，又能解决废弃泥浆处理成本高的问题，降低了工程建设处理成本和实现废弃泥浆资源化利用，具有环保效益和经济效益，符合国家秉持的可持续发展理念。

附图说明

图1是废弃泥浆加入本发明固化剂浸水1d的水稳定性效果图；

图2是废弃泥浆加入本发明固化剂浸水5d的水稳定性效果图；

图3是废弃泥浆加入本发明固化剂浸水9d的水稳定性效果图；

图4是废弃泥浆加入本发明固化剂浸水14d的水稳定性效果图；

图5是废弃泥浆加入本发明固化剂浸水28d的水稳定性效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步地详细说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1，一种改性磷酸镁水泥废弃泥浆固化剂，按照质量份数计，包括如下组分：磷酸镁水泥12kg，生石灰8kg，高炉矿渣6kg，硅酸钠5kg。

按照上述用量配比将磷酸镁水泥、生石灰、高炉矿渣、硅酸钠混合均匀搅拌即可。

所述生石灰为工业级CaO。

所述高炉矿渣为S95矿渣粉。

所述硅酸钠为工业级Na₂SiO₃。

一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将重烧氧化镁和磷酸二氢钾按质量比3:1进行混合，加入少量水搅拌均匀，制成磷酸镁水泥浆，磷酸镁水泥浆干燥后得到磷酸镁水泥；

步骤二：将上述质量份数的磷酸镁水泥、生石灰、高炉矿渣、硅酸钠混合均匀，充分搅拌，制成废弃泥浆固化剂。

实施例2，一种改性磷酸镁水泥废弃泥浆固化剂，按照质量份数计，包括如下组分：磷酸镁水泥10kg，生石灰6kg，高炉矿渣7kg，硅酸钠4kg。

按照上述用量配比将磷酸镁水泥、生石灰、高炉矿渣、硅酸钠混合均匀搅拌即可。

所述生石灰为工业级CaO。

所述高炉矿渣为S95矿渣粉。

所述硅酸钠为工业级Na₂SiO₃。

一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将重烧氧化镁和磷酸二氢钾按质量比4:1进行混合，加入少量水搅拌均匀，制成磷酸镁水泥浆，磷酸镁水泥浆干燥后得到磷酸镁水泥；

步骤二：将上述质量份数的磷酸镁水泥、生石灰、高炉矿渣、硅酸钠混合均匀，充分搅拌，制成废弃泥浆固化剂。

实施例3，一种改性磷酸镁水泥废弃泥浆固化剂，按照质量份数计，包括如下组分：磷酸镁水泥8kg，生石灰7kg，高炉矿渣8kg，硅酸钠6kg。

按照上述用量配比将磷酸镁水泥、生石灰、高炉矿渣、硅酸钠混合均匀搅拌即可。

所述生石灰为工业级CaO。

所述高炉矿渣为S95矿渣粉。

所述硅酸钠为工业级Na₂SiO₃。

一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将重烧氧化镁和磷酸二氢钾按质量比5:1进行混合，加入少量水搅拌均匀，制成磷酸镁水泥浆，磷酸镁水泥浆干燥后得到磷酸镁水泥；

步骤二：将上述质量份数的磷酸镁水泥、生石灰、高炉矿渣、硅酸钠混合均匀，充分搅拌，制成废弃泥浆固化剂。

将实施例1～3所得到废弃泥浆固化剂运用于废弃泥浆固化：将实施例1～3所得废弃泥浆固化剂分别加入到废弃泥浆当中后，进行3d，7d，14d，28d养护，形成泥浆固化土体。

因实施例1～3得到的废弃泥浆固化剂的性能相近，以下仅详细介绍对实施例1得到的废弃泥浆固化剂进行各项性能指标测试的说明。

1、无侧限抗压强度测试

测试不同龄期下泥浆固化土体的无侧限抗压强度，步骤如下：将得到的废弃泥浆固化剂和含水率45％的废弃泥浆按质量比1:5进行混合搅拌，装入38.1mm×80mm(d×h)的三瓣膜中，覆盖保鲜膜，在常温下进行养护，测试不同龄期下泥浆固化土体的无侧限抗压强度，测试结果见表1：

表1养护中废弃泥浆固化土体无侧限抗压强度

固化剂/g	废弃泥浆/g	3d/MPa	7d/MPa	14d/MPa	28d/MPa
						80	400	1.4	1.8	2.0	2.1

2、水稳定性试验

对养护28d固化后的泥浆固化土体，进行浸水试验，浸水天数取1d、5d、9d、14d、28d，K₁为浸水后的无侧限抗压强度，K为28d泥浆固化土体的无侧限强度。P₁为强度损失率，P₁＝(K-K₁)/K。具体试验数据见表2：

表2

3、干湿循环试验

对养护28d固化后的泥浆固化土体，对其进行干湿循环试验，循环次数为2次、4次、6次、8次，K₂为浸水后的无侧限抗压强度，K为28d泥浆固化土体的无侧限强度。P₂为强度损失率，P₂＝(K-K₂)/K。具体试验数据如表3所示：

表3

干湿循环次数	2	4	6	8
					强度/MPa	1.945	1.867	1.578	1.496
强度保留系数	0.93	0.89	0.75	0.71

在实际工程中，工程回填土的强度要求远低于1MPa，从以上表中的数据可以得出，本次试验养护后期强度响度较高，经过28d的养护，8次的干湿循环后，其强度依旧满足要求，耐久性好，能够满足回填土的要求。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂，其特征在于，按照质量份数计，包括如下组分：磷酸镁水泥8～12份、生石灰6～8份、高炉矿渣6～8份，硅酸钠4～6份。

2.根据权利要求1所述的一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂，其特征在于，所述磷酸镁水泥中重烧氧化镁和磷酸二氢钾的质量比在3:1～5:1之间。

3.根据权利要求2所述的一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂，其特征在于，所述重烧氧化镁为菱镁矿粉于1400℃以上高温煅烧制得。

4.根据权利要求1所述的一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂，其特征在于，所述高炉矿渣为S95矿渣粉。

5.根据权利要求1所述的一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂，其特征在于，所述硅酸钠为工业级粉体速溶硅酸钠。

6.一种改性磷酸镁水泥快速固化废弃泥浆的固化剂，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一：将重烧氧化镁和磷酸二氢钾按质量比3:1～5:1进行混合，加入水后用搅拌机搅拌均匀，制成磷酸镁水泥浆，磷酸镁水泥浆干燥后得到磷酸镁水泥；

步骤二：按质量份数，将磷酸镁水泥8～12份、生石灰6～8份、高炉矿渣6～8份，硅酸钠4～6份混合搅拌均匀，制成废弃泥浆固化剂。