CN117534350A - 一种原状盾构渣土路基材料的固化剂、路基材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原状盾构渣土路基材料的固化剂、路基材料及其制备方法，所述固化剂包括如下质量百分比的原料：碱激发胶凝材料60％‑92％、石粉1％‑12％、石膏5％‑18％和外加剂1％‑10％；所述固化剂用量占所述路基材料质量的1％‑15％；本发明还包括该盾构渣土固化路基材料的制备方法，通过将固化剂与盾构渣土混合搅拌均匀后摊铺、回填；本发明的盾构渣土路基材料，经固化后3d强度超过1.5MPa，7d强度超过3.0MPa，是同等掺量水泥固化强度的3倍以上。本发明固化剂掺量低、固化强度高、固化成本低、应用场景广泛，可大规模处置与资源化利用盾构渣土。
Description
技术领域
本发明属于建材材料技术和固废处理领域，具体涉及一种原状盾构渣土路基材料的固化剂、路基材料及其制备方法。
背景技术
目前，我国城市轨道交通建设规模大、速度快，将产生巨量盾构渣土。盾构渣土是盾构机开挖过程中为了维持掌子面稳定而产生的，由刀盘切削前方土体后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中。在盾构掘进过程中，为了避免刀盘磨损与结泥饼现象，保证顺利掘进与出渣，需要添加膨润土、泡沫剂、高分子聚合物等来改良渣土，使得盾构渣土具有良好的流动性。
由于盾构渣土含水率和含泥率较高，露天堆存将产生一系列问题。而目前我国盾构渣土基本都是以弃置为主，渣土处置成本高、资源化利用率低，现场掘进出渣料都是通过渣土车运输至指定消纳场堆存。因此，如何处置巨量盾构渣土将是地铁施工不可回避的一个问题。
当前，我国城镇化仍然处于快速发展阶段，基础设施建设空间较大。若将原状盾构渣土就近用于路基、基层、底基层、地基处理以及其他回填料等，将大规模处理并利用盾构渣土的同时降低生产成本，提高盾构渣土附加值，实现“变废为宝”，取得显著的经济效益、环境效益和社会效益。
发明内容
本发明针对盾构渣土难以脱水与筛分，进而导致盾构渣土难以处置及资源化利用的问题，将原状盾构渣土直接固化制备路基材料，提高盾构渣土附加值。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，所述固化剂包括如下质量百分比的原料：碱激发胶凝材料60％-92％、石粉1％-12％、石膏5％-18％、外加剂1％-10％。
优选地，所述原状盾构渣土为盾构机的刀盘切削前方土体后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中的未经脱水与筛分处理的原状渣土。
优选地，所述原状渣土为土压平衡盾构渣土或泥水平衡盾构渣土中的一种或多种。
优选地，所述碱激发胶凝材料由如下质量百分比原料组成：胶凝组分70％-95％和碱激发剂5％-30％。
优选地，所述胶凝组分为高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、钢渣、磷渣中的一种或多种。
进一步地，所述胶凝组分的细度为200目以上。
优选地，所述碱激发剂为生石灰、碳酸钠、硅酸钠、氢氧化钠中的一种或多种。
优选地，所述生石灰含钙量大于75％，细度大于100目。
优选地，所述碳酸钠为粉末状，细度大于100目。
优选地，所述硅酸钠为粉末状，模数为2.0-3.2，细度大于100目。
优选地，所述氢氧化钠为固体片状分析纯，纯度大于99％。
优选地，所述石粉为天然石粉、建筑垃圾再生微粉中的一种或多种，细度为200目以上。
优选地，所述石膏为天然石膏、脱硫石膏、磷石膏中的一种或多种。
优选地，所述外加剂为偏铝酸钠、硫酸钠、硫酸铝、聚氯化铝中的一种或多种。
优选地，所述偏铝酸钠为粉末状，细度大于100目。
优选地，所述硫酸钠为粉末状，细度大于100目。
优选地，所述硫酸铝为固体颗粒状。
优选地，所述聚氯化铝(PAC)为固体粉末状。
本发明还提供了一种原状盾构渣土路基材料，该路基材料包括原状盾构渣土和上述任一实施方式所述的固化剂；所述固化剂的质量为所述原状盾构渣土质量的1-15％。
本发明还提供了上述的原状盾构渣土路基材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)根据土方摊铺厚度设计配合比，将固化剂均匀撒布待处理原状盾构渣土的表面；
(2)用挖掘机拌合，确保固化剂与原状盾构渣土初步混合均匀，得混合物料S1；
(3)采用破碎筛分斗将物料S1破碎筛分均匀，得混合物料S2；
(4)采用摊铺机将混合物料S2松铺，再用挖斗压实整平；对于含水率相对较低的物料，可以采用压路机碾压密实。
本发明的原状盾构渣土路基材料，可以作为基层、底基层、地基、边坡、挡土墙以及不同场景的回填料的应用。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明在碱激发胶凝材料、石粉和石膏的基础上，通过引入外加剂来进一步提高固化强度。通常情况下，盾构渣土与固化材料混合后，碱激发胶凝材料中的生石灰、碳酸钠、硅酸钠、氢氧化钠等碱性激发剂溶解在原状盾构渣土中形成强碱环境，碱激发胶凝材料中的高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、钢渣、磷渣等胶凝组分玻璃体中的Si-O和Al-O键在强碱的作用下发生断裂，溶出[SiO4]、[AlO4]四面体并向四周扩散，吸附在渣土颗粒表面，发生缩聚反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硅铝酸钙凝胶，形成渣土固化体。石粉起到骨架或填充作用，石膏可以吸收一部分自由水。而在碱激发胶凝材料掺量低的情况下，混合物料体系中碱浓度同时降低，碱激发反应也被相应减弱，宏观上表现为胶凝物质减少，进而导致强度降低。本发明通过添加偏铝酸钠、硫酸钠、硫酸铝、聚氯化铝等外加剂，溶于水后释放出AlO2 -、SO4 2-、Al3+等离子，进一步水化释放出氢氧根离子，加强渣土体系中的碱激发反应，并与原状盾构渣土中的活性黏土矿物发生反应，在渣土颗粒之间聚集并逐渐包络周围的渣土体，达到吸附、凝聚、固化的效果，从而提高固化强度。
本发明对于低强度的盾构渣土固化材料需求，即碱激发胶凝材料掺量较少且浓度减弱的情况下，通过掺量一定的外加剂来强化碱激发反应，以提高固化强度。
将本发明的固化剂应用于原状盾构渣土路基材料中，3d抗压强度超过1.5MPa，7d抗压强度超过3.0MPa，与不添加外加剂相比，原状盾构渣土固化路基材料的强度提高了1倍以上；在同等掺量下，固化强度是水泥的3倍以上，且掺量越少优势更明显。本发明具有掺量低、固化时间短、固化强度高、固化成本低等突出优势，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明的原状盾构渣土路基材料的制备工艺示意图；
图2为本发明具体实施例1与对比例1和水泥的固化强度对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明提供了一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，所述固化剂包括如下质量百分比的原料：碱激发胶凝材料60％-92％、石粉1％-12％、石膏5％-18％、外加剂1％-10％。
所述碱激发胶凝材料由如下质量百分比原料组成：胶凝组分70％-95％和碱激发剂5％-30％。
所述碱激发胶凝材料中的胶凝组分为高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、钢渣、磷渣中的一种或多种。
所述胶凝组分的细度为200目以上。
所述碱激发胶凝材料中的碱激发剂为生石灰、碳酸钠、硅酸钠、氢氧化钠中的一种或多种。
所述生石灰含钙量大于75％，细度大于100目。
所述碳酸钠为粉末状，细度大于100目。
所述硅酸钠为粉末状，模数为2.0-3.2，细度大于100目。
所述氢氧化钠为固体片状分析纯，纯度大于99％。
所述石粉为天然石粉、建筑垃圾再生微粉中的一种或多种，细度为200目以上。
所述石膏为天然石膏、脱硫石膏、磷石膏中的一种或多种。
所述外加剂为偏铝酸钠、硫酸钠、硫酸铝、聚氯化铝中的一种或多种。
所述偏铝酸钠为粉末状，细度大于100目。
所述硫酸钠为粉末状，细度大于100目。
所述硫酸铝为固体颗粒状。
所述聚氯化铝(PAC)为固体粉末状。
本发明还提供了原状盾构渣土路基材料，包括原状盾构渣土和上述的固化剂，所述固化剂质量为所述原状盾构渣土质量的1％-15％。
所述原状盾构渣土为盾构机的刀盘切削前方土体后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中的未经脱水与筛分处理的原状渣土。
所述原状渣土为土压平衡盾构渣土或泥水平衡盾构渣土中的一种或多种。
优选的，所述原状盾构渣土的含水率为30％-50％；含泥率为70％以上。所述原状盾构渣土路基材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)根据土方摊铺厚度设计配合比，将固化剂均匀撒布待处理盾构渣土的表面；
(2)用挖掘机拌合，确保固化剂与盾构渣土初步混合均匀，得混合物料S1；
(3)采用破碎筛分斗将物料S1破碎筛分均匀，得混合物料S2；
(4)采用摊铺机将混合物料S2松铺，再用挖斗压实整平；对于含水率相对较低的物料，可以采用压路机碾压密实。
具体实施过程中，对原状盾构渣土路基材料进行试验段施工，通过试验段来确定固化剂配合比以及获得最佳施工工艺参数。
松铺宜采用推土机配合人工的方式进行，松铺完成后应采用振动压路机静压一遍，随即采用平地机进行初平。
初平后采用振动压路机对最佳含水率附近(±2％)的固化渣土混合料进行碾压，在碾压结束之前，应采用平地机最后一次整形。
盾构渣土固化混合料路基碾压完成后，应立即在其表面进行洒水后覆盖薄膜养生。
对成型后的路基，进行质量检查验收。
原状盾构渣土路基材料的压实度、弯沉值、沉降差应满足规范设计要求，否则应重新施工。
本发明的原状盾构渣土路基材料的应用，包括但不限于作为固化路基材料、基层、底基层、地基、边坡、挡土墙以及不同场景的回填料等的用途。
下面进一步列举相关实施例进行详细说明。下述实施例和对比例中的原状盾构渣土取自长沙地铁1号线北延线的全风化板岩盾构渣土，经测试含水率为41％，含泥率为90％。所用生石灰、碳酸钠、硅酸钠的细度为100目，硅酸钠粉模数为2.85；氢氧化钠为固体片状分析纯，纯度大于99％；所用偏铝酸钠、硫酸钠、聚氯化铝细度为100目，硫酸铝为固体颗粒状。
实施例1
一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，由如下质量百分比的原料组成：高炉矿渣45.97％、粉煤灰15.28％、脱硫石膏8.32％、石粉8.15％、生石灰6.61％、碳酸钠6.23％、硅酸钠4.79％、偏铝酸钠4.65％。
将该固化剂用于制备原状盾构渣土路基材料，该固化剂在原状盾构渣土中的掺量为12％，如图1所示，路基材料的制备方法包括如下步骤：
(1)根据土方摊铺厚度设计配合比，将固化剂均匀撒布待处理原状盾构渣土的表面；
(2)用挖掘机拌合，确保固化剂与原状盾构渣土初步混合均匀，得混合物料S1；
(3)采用破碎筛分斗将物料S1破碎筛分均匀，得混合物料S2；
(4)采用摊铺机将混合物料S2松铺，再用挖斗压实整平，覆膜养护。
经测试，如图2所示，本实施例1制成的原状盾构渣土固化路基材料3d平均抗压强度为2.62MPa，7d平均抗压强度为3.91MPa。
对比例1
一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，由如下质量百分比原料组成：高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、石粉、生石灰、碳酸钠、硅酸钠，且各组分之间的比例与实施例1相同。
将该固化剂用于制备原状盾构渣土路基材料，该固化剂在原状盾构渣土中的掺量为12％，固化路基材料制备方法与实施例1相同。
经测试，如图2所示，本对比例1制成的原状盾构渣土路基材料3d平均抗压强度为0.85MPa，7d平均抗压强度为1.61MPa。
实施例2
一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，由如下质量百分比原料组成：高炉矿渣52.36％、硅灰5.35％、天然石膏9.16％、石粉7.63％、生石灰6.95％、碳酸钠7.12％、硅酸钠5.18％、偏铝酸钠1.48％、硫酸钠4.77％。
将该固化剂用于制备原状盾构渣土路基材料，该固化剂在原状盾构渣土中的掺量为10％，如图1所示，路基材料的制备方法包括如下步骤：
(1)根据土方摊铺厚度设计配合比，将固化剂均匀撒布待处理原状盾构渣土的表面；
(2)用挖掘机拌合，确保固化剂与原状盾构渣土初步混合均匀，得混合物料S1；
(3)采用破碎筛分斗将物料S1破碎筛分均匀，得混合物料S2；
(4)采用摊铺机将混合物料S2松铺，再用挖斗压实整平，覆膜养护。
经测试，本实施例2制成的原状盾构渣土固化路基材料3d平均抗压强度为2.12MPa，7d平均抗压强度为3.30MPa。
对比例2
一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，作为实施例2的对比例。由如下质量百分比原料组成：高炉矿渣、硅灰、天然石膏、石粉、生石灰、碳酸钠、硅酸钠，且各组分之间的比例与实施例2相同。
该固化剂在原状盾构渣土中的掺量为10％，固化路基材料制备方法与实施例2相同。
经测试，本对比例2制成的原状盾构渣土路基材料3d平均抗压强度为0.67MPa，7d平均抗压强度为1.25MPa。
实施例3
一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，由如下质量百分比原料组成：高炉矿渣60.79％、天然石膏11.12％、石粉6.63％、生石灰6.59％、碳酸钠6.44％、硅酸钠4.35％、硫酸铝4.08％。
将该固化剂用于制备原状盾构渣土路基材料，该固化剂在原状盾构渣土中的掺量为10％，如图1所示，路基材料的制备方法包括如下步骤：
(1)根据土方摊铺厚度设计配合比，将固化剂均匀撒布待处理原状盾构渣土的表面；
(2)用挖掘机拌合，确保固化剂与原状盾构渣土初步混合均匀，得混合物料S1；
(3)采用破碎筛分斗将物料S1破碎筛分均匀，得混合物料S2；
(4)采用摊铺机将混合物料S2松铺，再用挖斗压实整平，覆膜养护。
经测试，本实施例3制成的原状盾构渣土固化路基材料3d平均抗压强度为1.90MPa，7d平均抗压强度为3.08MPa。
实施例4
一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，由如下质量百分比原料组成：高炉矿渣67.41％、天然石膏8.59％、建筑垃圾微粉5.33％、生石灰5.45％、碳酸钠5.15％、硅酸钠3.64％、氢氧化钠1.18％、聚氯化铝3.25％。
将该固化剂用于制备原状盾构渣土路基材料，该固化剂在原状盾构渣土中的掺量为8％，如图1所示，路基材料的制备方法包括如下步骤：
(1)根据土方摊铺厚度设计配合比，将固化剂均匀撒布待处理盾构渣土的表面；
(2)用挖掘机拌合，确保固化剂与原状盾构渣土初步混合均匀，得混合物料S1；
(3)采用破碎筛分斗将物料S1破碎筛分均匀，得混合物料S2；
(4)采用摊铺机将混合物料S2松铺，再用挖斗压实整平，覆膜养护。
经测试，本实施例4制成的原状盾构渣土路基材料3d平均抗压强度为1.67MPa，7d平均抗压强度为3.19MPa。
对比例3
一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，作为实施例1-4的对比例。采用硅酸盐水泥作为固化剂，水泥在原状盾构渣土中的掺量分别为8％、10％、12％，路基材料的制备方法与实施例1-4相同。
经测试，本对比例3制成的原状盾构渣土固化路基材料在水泥掺量为8％时的3d平均抗压强度为0.35MPa，7d平均抗压强度为0.58MPa；掺量为10％时的3d平均抗压强度为0.43MPa，7d平均抗压强度为0.84MPa；掺量为12％时，如图2所示，3d平均抗压强度为0.57MPa，7d平均抗压强度为1.08MPa。
图2为本发明实施例1和对比例1、水泥的固化强度对比图。由图2可以看出，在掺量12％的情况下，实施例1的3d抗压强度是对比例1的3.08倍，是水泥的4.60倍；实施例1的7d抗压强度是对比例1的2.43倍，是水泥的3.62倍。由此可见，与不添加外加剂相比，原状盾构渣土固化路基材料的强度提高了1倍以上；在同等掺量下，固化强度是水泥的3倍以上，且龄期越短优势更明显。
另外，由实施例1、实施例2和对比例1、对比例2的结果可知，通过添加外加剂，本发明的原状盾构渣土路基材料的强度提高了1倍以上，效果明显。
由实施例1-4和对比例3的结果可知，本发明提供的原状盾构渣土固化路基材料的固化强度是同等掺量水泥固化强度的3倍以上，且掺量越少效果更优。
除此之外，本发明的其他有益效果如下：
(1)无需对原状盾构渣土进行脱水或筛分处理，处置工艺简单、成本低，极大地提高了盾构渣土的附加值。
(2)针对不同类型的原状盾构渣土，均可调整配合比等满足相应的固化强度需求，使用范围广泛。
(3)可以大规模处置与资源化利用盾构渣土，节省盾构渣土运输费和弃置费，降低施工成本，避免了渣土堆存带来的安全风险及隐患，可以获得很好的经济效益、环境效益和社会效益。
需要说明的是，上述实施例中所使用的原状盾构渣土，风化程度高，黏粒含量高，粗颗粒含量少，处置难度大，制成的盾构渣土固化路基材料的性能还不是最佳的，若采用砂石含量较高或含水率较低的盾构渣土制备的固化路基材料的抗压强度等优于本发明，都应当是本发明内容记载的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
Claims (10)
1.一种原状盾构渣土路基材料的固化剂，其特征在于，包括如下质量百分比的原料：碱激发胶凝材料60％-92％、石粉1％-12％、石膏5％-18％和外加剂1％-10％。
2.根据权利要求1所述的原状盾构渣土路基材料中的固化剂，其特征在于，所述碱激发胶凝材料由如下质量百分比原料组成：胶凝组分70％-95％和碱激发剂5％-30％。
3.根据权利要求2所述的原状盾构渣路基材料中的固化剂，其特征在于，所述胶凝组分为高炉矿渣、粉煤灰、硅灰、钢渣、磷渣中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的原状盾构渣土路基材料中的固化剂，其特征在于，所述碱激发剂为生石灰、碳酸钠、硅酸钠、氢氧化钠中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的原状盾构渣土路基材料中的固化剂，其特征在于，所述石粉为天然石粉、建筑垃圾再生微粉中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的原状盾构渣土路基材料中的固化剂，其特征在于，所述石膏为天然石膏、脱硫石膏、磷石膏中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的原状盾构渣土路基材料中的固化剂，其特征在于，所述外加剂为偏铝酸钠、硫酸钠、硫酸铝、聚氯化铝中的一种或多种。
8.一种原状盾构渣土路基材料，其特征在于，其原料包括原状盾构渣土和权利要求1-7任一项所述的固化剂，所述固化剂的质量为所述原状盾构渣土质量的1％-15％。
9.权利要求8所述的原状盾构渣土路基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据土方摊铺厚度设计配合比，将固化剂均匀撒布待处理的原状盾构渣土的表面；
(2)用挖掘机拌合，确保固化剂与原状盾构渣土初步混合均匀，得混合物料S1；
(3)采用破碎筛分斗将物料S1破碎筛分均匀，得混合物料S2；
(4)采用摊铺机将混合物料S2松铺，再用挖斗压实整平；对于含水率相对较低的物料，可以采用压路机碾压密实。
10.权利要求8所述的原状盾构渣土路基材料作为基层、底基层、地基、边坡、挡土墙以及回填料的应用。
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