CN117986001A - 一种基于多元固废的固化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程材料技术领域，提供了一种基于多元固废的固化剂及其制备方法和应用。该产品包含独立分装的主剂和辅剂，所述主剂包含下列重量份数的组分：不锈钢钢渣120~130份、磁选赤泥88~104份、铝粉14~20份、六偏磷酸钠2~4份和茶皂素1~3份；所述辅剂包含下列重量份数的组分：吸水性树脂2~7份和次氯酸钠2~5份；所述主剂和辅剂的质量比为225~261：4~12。本发明提供的具有高掺量固废的固化剂，生产成本低，使用方法简单。该固化剂适用于高氯、高硫酸盐的海洋淤泥固化工程，所制备固化土具有工作性好、早强、强度高、耐海洋环境侵蚀等特点，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程材料技术领域，尤其涉及一种基于多元固废的固化剂及其制备方法和应用。
背景技术
海洋淤泥具有含水量大、透水性差和强度低的特点，其含有较多的有机物质以及氯盐、硫酸盐等危害成分，会严重影响水泥的水化进程，延缓水泥的水化时间，且硬化水泥石结构疏松。这使得市售水泥基土壤固化剂在海洋淤泥固化工程中的应用效果差强人意。因此，开发出一种适用于海洋淤泥高盐环境的土壤固化剂迫在眉睫。
氩氧脱碳法（AOD法）作为不锈钢行业最主流的生产工艺，所产生的钢渣CaO含量极高，Fe2O3含量极低。而过高的CaO含量代表了更多的f-CaO存在，因此即使其易磨性、C2S矿物相含量较普通转炉钢渣优异，但资源化利用难度更大。与之类似，磁选赤泥中高附加值铁相成分已分离萃出，剩余组分主要包含高碱性的硅（铝）酸钠、C2S以及其它无（低）活性的地质矿物组分，回收价值低，环境风险高。
综上所述，合理高效利用不锈钢钢渣及磁选赤泥，并提供一种适用于海泥固化领域的新型固化剂具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于多元固废的固化剂及其制备方法和应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于多元固废的固化剂，包含下列重量份数的组分：所述基于多元固废的固化剂包含独立分装的主剂和辅剂；
所述主剂包含下列重量份数的组分：不锈钢钢渣120~130份、磁选赤泥88~104份、铝粉14~20份、六偏磷酸钠2~4份和茶皂素1~3份；
所述辅剂包含下列重量份数的组分：吸水性树脂2~7份和次氯酸钠2~5份；
所述主剂和辅剂的质量比为225~261：4~12。
作为优选，所述不锈钢钢渣的比表面积为400~500m2/kg。
作为优选，所述不锈钢钢渣中CaO的质量分数≥50%。
作为优选，所述磁选赤泥中Fe2O3的质量分数≤2%。
作为优选，所述铝粉的粒径≥280μm。
作为优选，所述吸水性树脂包含聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇中的一种或几种。
作为优选，所述吸水性树脂的吸水倍率≥1000倍。
本发明还提供了所述的一种基于多元固废的固化剂的制备方法，所述主剂的制备方法包含下列步骤：
将不锈钢钢渣、磁选赤泥、铝粉、六偏磷酸钠和茶皂素混合，得到主剂；
所述辅剂的制备方法包含下列步骤：
将吸水性树脂和次氯酸钠混合，得到辅剂。
本发明还提供了所述的一种基于多元固废的固化剂或所述的一种基于多元固废的固化剂的制备方法制备得到的固化剂在海洋淤泥固化中的应用。
作为优选，所述应用的方法包含下列步骤：
将主剂与水混合，得到浆体；将浆体注入海洋淤泥中，进行搅拌，得到浆体和淤泥的混合物；然后在浆体和淤泥的混合物中加入辅剂，继续搅拌，得到固化体。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于多元固废的固化剂，包含独立分装的主剂和辅剂；主剂包含下列重量份数的组分：不锈钢钢渣120~130份、磁选赤泥88~104份、铝粉14~20份、六偏磷酸钠2~4份和茶皂素1~3份；辅剂包含下列重量份数的组分：吸水性树脂2~7份和次氯酸钠2~5份；主剂和辅剂的质量比为225~261：4~12。本发明利用不锈钢钢渣和磁选赤泥作为主要原料，利用磁选赤泥激发不锈钢钢渣活性，利用土壤较高的压缩性平衡膨胀应力，实现了不锈钢钢渣和磁选赤泥的低风险协同处置，所得固化土强度高。本发明加入高活性铝粉，补充铝相，实现CaO-Al2O3-SiO2向着促进AFt、AFm相生成的方向偏移，能够原位固结海洋淤泥中硫酸盐、氯盐成分，实现固化土的早强、高强发展；此外，本发明利用铝粉作为铝相补充剂的同时，铝粉会快速反应，放热促进固化土快速硬化，放出的气体在六偏磷酸钠、茶皂素等外加剂的作用下，形成细小绵密的小气泡，能够起到润滑作用，解决了固化土施工过程中粘度大的问题。在施工结束后，早期集中释放的气体会在固化土塑性阶段快速逸散，不会对其硬化性能造成影响。本发明提供的具有高掺量固废的固化剂，生产成本低，使用方法简单可行，易于推广，在使用时将各组分通过简单的物理机械混合均匀即可。该固化剂适用于高氯、高硫酸盐的海洋淤泥固化工程，所制备固化土具有工作性好、早强、强度高、耐海洋环境侵蚀等特点，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
具体实施方式
本发明提供了一种基于多元固废的固化剂，所述基于多元固废的固化剂包含独立分装的主剂和辅剂；
所述主剂包含下列重量份数的组分：不锈钢钢渣120~130份、磁选赤泥88~104份、铝粉14~20份、六偏磷酸钠2~4份和茶皂素1~3份；
所述辅剂包含下列重量份数的组分：吸水性树脂2~7份和次氯酸钠2~5份；
所述主剂和辅剂的质量比为225~261：4~12，优选为232~257：6~11，进一步优选为233~252：7~10，更优选为236~246：8~9。
在本发明中，不锈钢钢渣的质量份数为120~130份，优选为122~128份，进一步优选为123~127份，更优选为125~126份。
在本发明中，磁选赤泥的质量份数为88~104份，优选为90~103份，进一步优选为92~100份，更优选为95~97份。
在本发明中，铝粉的质量份数为14~20份，优选为15~19份，进一步优选为16~18份，更优选为17~17.5份。
在本发明中，六偏磷酸钠的质量份数为2~4份，优选为2.2~3.8份，进一步优选为2.5~3.5份，更优选为2.7~3份。
在本发明中，茶皂素的质量份数为1~3份，优选为1.2~2.8份，进一步优选为1.5~2.5份，更优选为1.7~2份。
在本发明中，吸水性树脂的质量份数为2~7份，优选为3~6.5份，进一步优选为4~6份，更优选为5~5.5份。
在本发明中，次氯酸钠的质量份数为2~5份，优选为2.5~4.5份，进一步优选为3~4份，更优选为3.5~3.8份。
在本发明中，所述不锈钢钢渣的制备方法优选包含下列步骤：将AOD法冶炼不锈钢产生的固态尾渣自然冷却，然后进行粉磨，得到不锈钢钢渣。
在本发明中，所述不锈钢钢渣的比表面积优选为400~500m2/kg，进一步优选为420~470m2/kg，更优选为450~460m2/kg。
在本发明中，所述不锈钢钢渣中CaO的质量分数优选≥50%，进一步优选≥52%，更优选≥55%。
在本发明中，所述磁选赤泥的制备方法优选包含下列步骤：采用本领域常规技术手段将铝业生产产生的废渣进行磁选、干燥等工艺，得到磁选赤泥。
在本发明中，所述磁选赤泥中Fe2O3的质量分数优选≤2%，进一步优选≤1.8%，更优选≤1.5%。
在本发明中，所述铝粉的粒径优选≥280μm，进一步优选≥285μm，更优选≥290μm。
在本发明中，铝粉中活性铝的含量优选≥95%，进一步优选≥96%，更优选≥97%。
在本发明中，所述吸水性树脂优选包含聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇中的一种或几种。
在本发明中，所述吸水性树脂的吸水倍率优选≥1000倍，进一步优选≥1005倍，更优选≥1010倍。
本发明还提供了所述的一种基于多元固废的固化剂的制备方法，所述主剂的制备方法包含下列步骤：
将不锈钢钢渣、磁选赤泥、铝粉、六偏磷酸钠和茶皂素混合，得到主剂；
所述辅剂的制备方法包含下列步骤：
将吸水性树脂和次氯酸钠混合，得到辅剂。
本发明还提供了所述的一种基于多元固废的固化剂或所述的一种基于多元固废的固化剂的制备方法制备得到的固化剂在海洋淤泥固化中的应用。
在本发明中，所述应用的方法包含下列步骤：
将主剂与水混合，得到浆体；将浆体注入海洋淤泥中，进行搅拌，得到浆体和淤泥的混合物；然后在浆体和淤泥的混合物中加入辅剂，继续搅拌，得到固化体。
在本发明中，将浆体注入海洋淤泥中，进行搅拌，搅拌至均匀后，得到浆体和淤泥的混合物；然后在搅拌的状态下，在浆体和淤泥的混合物中加入辅剂，继续搅拌至均匀，淤泥固化后得到固化体。
在本发明中，主剂与水的质量比优选为0.8~1.2：0.8~1.2，进一步优选为0.85~1.15：0.85~1.15，更优选为0.9~1.0：0.9~1.0；每立方米海洋淤泥中主剂和辅剂的质量和优选为180~220kg，进一步优选为190~210kg，更优选为200~205kg。
在本发明中，基于多元固废的固化剂包含独立分装的主剂和辅剂两部分，择时加入辅剂，吸水性树脂吸水能够降低海洋淤泥中过高的含水量，促进基体密实，提高强度，避免了施工阶段过早加入导致的吸水使浆体过黏的问题；同时，有机质存在有利于浆体工作性，但不利于水化发展，择时加入次氯酸钠可以在不影响施工的条件下，有效去除有机质，达到保证后期强度发展的目的。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将AOD法冶炼不锈钢产生的固态尾渣自然冷却，然后进行粉磨，得到不锈钢钢渣（不锈钢钢渣的比表面积为450m2/kg，CaO的质量分数为55%）；将铝业生产产生的废渣进行磁选、干燥工艺，得到磁选赤泥（磁选赤泥中Fe2O3的质量分数为1.5%）；
将120份不锈钢钢渣、92份磁选赤泥、16份粒径为285μm的铝粉（铝粉中活性铝的含量为96%）、3份六偏磷酸钠和1份茶皂素混合，得到主剂；将3份聚丙烯酸钠（吸水倍率为1010倍）和4份次氯酸钠混合，得到辅剂；
将主剂与水混合，得到浆体；将浆体注入海洋淤泥中，进行搅拌，搅拌至均匀后，得到浆体和淤泥的混合物；然后在搅拌的状态下，在浆体和淤泥的混合物中加入辅剂，继续搅拌至均匀，淤泥固化后得到固化体（每立方米海洋淤泥中主剂和辅剂的质量和为200kg，主剂和辅剂的质量比为232：7；主剂与水的质量比为1：1）。
对本实施例制备得到的固化体强度进行测试（测试标准为CJT526-2018），得到本实施例中固化体龄期3d时无侧限抗压强度为1.23MPa，7d时无侧限抗压强度为2.78MPa，14d时无侧限抗压强度为4.89MPa，28d时无侧限抗压强度为7.71MPa，同时，固化体的力学性能基本趋向稳定。
实施例2
控制实施例1中其它条件不变，修改不锈钢钢渣的质量份数为125份，磁选赤泥的质量份数为104份，铝粉的质量份数为19份，六偏磷酸钠的质量份数为2份，茶皂素的质量份数为2份，聚丙烯酸钠的质量份数为6份，次氯酸钠的质量份数为5份；主剂和辅剂的质量比为252：11。
对本实施例制备得到的固化体强度进行测试（测试标准为CJT526-2018），得到本实施例中固化体龄期3d时无侧限抗压强度为1.61MPa，7d时无侧限抗压强度为2.99MPa，14d时无侧限抗压强度为5.01MPa，28d时无侧限抗压强度为8.86MPa，同时，固化体的力学性能基本趋向稳定。
实施例3
控制实施例1中其它条件不变，修改不锈钢钢渣的质量份数为120份，磁选赤泥的质量份数为100份，铝粉的质量份数为20份，六偏磷酸钠的质量份数为4份，茶皂素的质量份数为2份，聚丙烯酸钠的质量份数为7份，次氯酸钠的质量份数为3份；主剂和辅剂的质量比为246：10。
对本实施例制备得到的固化体强度进行测试（测试标准为CJT526-2018），得到本实施例中固化体龄期3d时无侧限抗压强度为1.68MPa，7d时无侧限抗压强度为2.66MPa，14d时无侧限抗压强度为4.98MPa，28d时无侧限抗压强度为9.04MPa，同时，固化体的力学性能基本趋向稳定。
实施例4
控制实施例1中其它条件不变，修改不锈钢钢渣的质量份数为130份，磁选赤泥的质量份数为103份，铝粉的质量份数为17份，六偏磷酸钠的质量份数为4份，茶皂素的质量份数为3份，聚丙烯酸钠的质量份数为5份，次氯酸钠的质量份数为2份；主剂和辅剂的质量比为257：7。
对本实施例制备得到的固化体强度进行测试（测试标准为CJT526-2018），得到本实施例中固化体龄期3d时无侧限抗压强度为1.35MPa，7d时无侧限抗压强度为3.10MPa，14d时无侧限抗压强度为5.13MPa，28d时无侧限抗压强度为8.79MPa，同时，固化体的力学性能基本趋向稳定。
实施例5
控制实施例1中其它条件不变，修改不锈钢钢渣的质量份数为127份，磁选赤泥的质量份数为88份，铝粉的质量份数为14份，六偏磷酸钠的质量份数为3份，茶皂素的质量份数为1份，聚丙烯酸钠的质量份数为2份，次氯酸钠的质量份数为5份；主剂和辅剂的质量比为233：7。
对本实施例制备得到的固化体强度进行测试（测试标准为CJT526-2018），得到本实施例中固化体龄期3d时无侧限抗压强度为1.47MPa，7d时无侧限抗压强度为2.59MPa，14d时无侧限抗压强度为4.21MPa，28d时无侧限抗压强度为7.69MPa，同时，固化体的力学性能基本趋向稳定。
对比例1
本对比例中采用P·O42.5水泥作为固化剂，将水泥与水混合均匀，然后再加入海洋淤泥中，混合搅拌至均匀，淤泥固化后得到固化体（每立方米海洋淤泥中水泥的质量为200kg，水泥与水的质量比为1：1）。
对本对比例制备得到的固化体强度进行测试（测试标准为CJT526-2018），得到本对比例中固化体龄期3d时无侧限抗压强度为0.27MPa，7d时无侧限抗压强度为0.44MPa，14d时无侧限抗压强度为0.73MPa，28d时无侧限抗压强度为1.49MPa，同时，固化体的力学性能基本趋向稳定。
由以上实施例可知，以传统的普通硅酸盐水泥作为固化剂，在海洋淤泥固化过程中，由于氯盐、硫酸盐、高含水、有机质等因素影响，强度发展慢，强度低，固化3d无侧限抗压强度仅为0.27MPa，28d仅为1.49MPa，不能满足工程实际需求。而采用本发明制备的基于多元固废的固化剂，通过择时分次加入不同组分，可以在满足施工性能的条件下，保证强度发展达到一个较高的水平，固化体3d无侧限抗压强度可达1~2MPa，28d可达7~10MPa。与水泥固化产品相比，固化效果优异。
本发明提供了一种基于多元固废的固化剂，包含独立分装的主剂和辅剂；主剂包含下列重量份数的组分：不锈钢钢渣120~130份、磁选赤泥88~104份、铝粉14~20份、六偏磷酸钠2~4份和茶皂素1~3份；辅剂包含下列重量份数的组分：吸水性树脂2~7份和次氯酸钠2~5份；主剂和辅剂的质量比为225~261：4~12。本发明利用不锈钢钢渣和磁选赤泥作为主要原料，利用磁选赤泥激发不锈钢钢渣活性，利用土壤较高的压缩性平衡膨胀应力，实现了不锈钢钢渣和磁选赤泥的低风险协同处置，所得固化土强度高。本发明加入高活性铝粉，补充铝相，实现CaO-Al2O3-SiO2向着促进AFt、AFm相生成的方向偏移，能够原位固结海洋淤泥中硫酸盐、氯盐成分，实现固化土的早强、高强发展；此外，本发明利用铝粉作为铝相补充剂的同时，铝粉会快速反应，放热促进固化土快速硬化，放出的气体在六偏磷酸钠、茶皂素等外加剂的作用下，形成细小绵密的小气泡，能够起到润滑作用，解决了固化土施工过程中粘度大的问题。在施工结束后，早期集中释放的气体会在固化土塑性阶段快速逸散，不会对其硬化性能造成影响。本发明提供的具有高掺量固废的固化剂，生产成本低，使用方法简单可行，易于推广，在使用时将各组分通过简单的物理机械混合均匀即可。该固化剂适用于高氯、高硫酸盐的海洋淤泥固化工程，所制备固化土具有工作性好、早强、强度高、耐海洋环境侵蚀等特点，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
以上所述仅是本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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多元固废的固化剂，其特征在于，所述基于多元固废的固化剂包含独立分装的主剂和辅剂；
所述主剂包含下列重量份数的组分：不锈钢钢渣120~130份、磁选赤泥88~104份、铝粉14~20份、六偏磷酸钠2~4份和茶皂素1~3份；
所述辅剂包含下列重量份数的组分：吸水性树脂2~7份和次氯酸钠2~5份；
所述主剂和辅剂的质量比为225~261：4~12。
2.如权利要求1所述的一种基于多元固废的固化剂，其特征在于，所述不锈钢钢渣的比表面积为400~500m2/kg。
3.如权利要求2所述的一种基于多元固废的固化剂，其特征在于，所述不锈钢钢渣中CaO的质量分数≥50%。
4.如权利要求3所述的一种基于多元固废的固化剂，其特征在于，所述磁选赤泥中Fe2O3的质量分数≤2%。
5.如权利要求4所述的一种基于多元固废的固化剂，其特征在于，所述铝粉的粒径≥280μm。
6.如权利要求5所述的一种基于多元固废的固化剂，其特征在于，所述吸水性树脂包含聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇中的一种或几种。
7.如权利要求6所述的一种基于多元固废的固化剂，其特征在于，所述吸水性树脂的吸水倍率≥1000倍。
8.权利要求1~7任意一项所述的一种基于多元固废的固化剂的制备方法，其特征在于，所述主剂的制备方法包含下列步骤：
将不锈钢钢渣、磁选赤泥、铝粉、六偏磷酸钠和茶皂素混合，得到主剂；
所述辅剂的制备方法包含下列步骤：
将吸水性树脂和次氯酸钠混合，得到辅剂。
9.权利要求1~7任意一项所述的一种基于多元固废的固化剂或权利要求8所述的一种基于多元固废的固化剂的制备方法制备得到的固化剂在海洋淤泥固化中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用的方法包含下列步骤：
将主剂与水混合，得到浆体；将浆体注入海洋淤泥中，进行搅拌，得到浆体和淤泥的混合物；然后在浆体和淤泥的混合物中加入辅剂，继续搅拌，得到固化体。
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