CN119977507A - 一种矿渣基黏土固化剂、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑工程材料技术领域，且公开了一种矿渣基黏土固化剂，包括以下重量份数配比的原料：水泥15‑25份、矿渣粉30‑40份、钢渣粉20‑30份、再生微粉10‑20份、磷石膏10‑15份以及外加剂5‑10份。该矿渣基黏土固化剂可制备成固化土混合料用于道路工程路基填料，还可制备成流动性大的液态固化土应用于狭窄肥槽、孔洞等素土难以回填的地下工程部位，并且可作为胶凝材料替代水泥用于生产再生免烧砖等再生制品。本发明主要采用工业固废(高炉矿渣、钢渣、磷石膏等)为主要原料制备黏土固化剂，相较于常见水泥固化剂而言，实现了工业固废中钢渣、磷石膏等大宗固废和废弃黏土、建筑垃圾再生微粉的资源化利用并达到降碳目的。

Description

一种矿渣基黏土固化剂、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及建筑工程材料技术领域，具体为一种矿渣基黏土固化剂、制备方法及其应用。

背景技术

随着城镇化进程的不断发展，在公路、房屋地基施工等城市建设工程中，每年产生上千万立方米的废弃渣土，其中黏土在废弃渣土中占比较高，此类废弃土存在天然含水率高、承载力低、压缩性高等特点，不可作为拟建建筑物天然地基持力层，而传统的处置方式如露天堆放或填埋会造成大量土地资源的浪费，也将带来极高的污染隐患。

同时，我国每年都会产生数十亿吨工业固体废弃物，主要工业固体废弃物如粉煤灰、高炉矿渣、钢渣、磷石膏等的堆放不仅占用土地资源，并且极易对周边环境造成破坏，危害人体健康。因此，在确保环境安全的前提下，应积极探索工业固体废弃物在土壤改良、路基材料、建设工程等领域的高值化利用途径。

水泥作为使用最为广泛的土壤固化剂，被广泛应用于工程建设中。但是，水泥的生产成本较高，制造水泥需消耗大量煤炭、电力能源，且生产过程将产生大量二氧化碳。此外，水泥对不同类型的土质固化效果存在较大差异，已有研究发现，水泥在固化塑性指数较大的黏土效果不佳，单一地增加水泥用量对黏土固化后期强度提高作用有限，且易产生干缩开裂等问题。因此根据土质特点选择合适的固化剂材料才能起到最佳固化作用。粉煤灰、矿渣等工业固废具有一定活性，水泥与工业固废组合会激发土壤中的活性物质并发生水化反应生成钙凡石等胶凝材料，能够达到改良固化的效果，并极大的降低固化剂中水泥的用量。

因此，研发一种以工业固废为主要成分的高性能黏土固化剂，不仅可以有效提高黏土固化后期强度、降低固化剂材料成本，还能达到减少能源消耗，提高工业固废与建筑垃圾的资源化利用水平。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种矿渣基黏土固化剂、制备方法及其应用，该矿渣基黏土固化剂能够提高黏土和工业固体废弃物的资源化利用率、降低传统固化剂中水泥的用量及其碳排放。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种矿渣基黏土固化剂，包括以下重量份数配比的原料：

水泥15-25份、矿渣粉30-40份、钢渣粉20-30份、再生微粉10-20份、磷石膏10-15份以及外加剂5-10份。

优选的，所述矿渣粉为高炉炼铁时产生的副产品，其级别≥S95，比表面积≥400m2/kg，28d活性≥95％。

优选的，所述钢渣粉为钢铁行业炼钢时产生的副产品，比表面积≥350m2/kg，28d活性≥65％。

优选的，所述再生微粉为制备再生骨料过程中产生的粒径小于0.075mm的微细废弃颗粒，活性指数≥60％。

优选的，所述水泥为PO 42.5硅酸盐水泥，所述外加剂包括激发剂和活性剂。

优选的，所述激发剂为硫酸钠、硅酸钠、氢氧化钠中的一种或几种的组合。

优选的，所述活性剂为十二烷基磺酸钠粉末。

上述矿渣基黏土固化剂可应用于地下回填工程、道路工程以及再生制品中，具体的：

在地下回填工程中的应用，方法如下：

步骤1、根据工程回填所需强度、流动值要求，通过试验确定液态固化土的固化剂掺量和用水比例；

步骤2、将废弃黏土进行晾晒、破碎预处理；

步骤3、然后将上述矿渣基固化剂(推荐掺量为8％-16％)和水按与黏土的重量比进行混合，使用特定搅拌设备搅拌均匀形成流态的液态固化土混合料；

步骤4、根据现场施工条件，选择溜槽或泵送将液态固化土泵送至需要填筑的基坑、肥槽、孔洞等部位。

在道路工程中的应用，方法如下：

步骤1、根据道路等级和路基深度，确定路基土中黏土和砂石集料的占比，通过试验确定路基土中上述矿渣基固化剂的掺量；

步骤2、将废弃黏土进行晾晒、破碎预处理；

步骤3、将固化剂按照质量比(推荐掺量10％-20％)掺量加入由上述黏土和砂石集料组成的路基土中，控制含水率≤15％，使用特定搅拌设备搅拌成固化土混合料；

步骤4、使用摊铺机、压路机，将上述固化土混合料分层摊铺并压实成型，固化道路路基碾压成型后至少养护7d。

在免烧再生砖产品中的应用，方法如下：

步骤1、按照MU10再生砖原材料配比(包含水泥、0-5mm再生石屑、水)，采用上述矿渣基固化剂全部替代水泥；

步骤2、按照上述原材料配比对水泥、0-5mm石屑、水依次进行计量，计量后于行星搅拌机搅拌2mim形成均匀混合料；

步骤3、将上述均匀混合料通过皮带传送至制砖机模块，再生砖通过震动、压制成型；

步骤4、再生砖成型2-3天后进行浸水养护，浸水养护10-20min至再生砖表面不再吸水，然后于阴凉处自然风干。

一种矿渣基黏土固化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、固化剂配料：将原材料组分水泥、矿渣粉、钢渣粉、再生微粉、磷石膏、外加剂按重量份比例称取；

S2、搅拌：将步骤S1中称取好的各原材料分批加入搅拌机中，进行混合并充分搅拌，各原材料混合方法为干混，干混搅拌时间应不小于2min；

S3、装袋：将步骤S2中混合搅拌后的粉体置于密封袋内进行干燥、常温保存，形成矿渣基黏土固化剂。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种一种矿渣基黏土固化剂、制备方法及其应用，具备以下有益效果：

1.为工业固废和建筑垃圾处置与资源化利用提供途径：本发明主要采用工业固废(高炉矿渣、钢渣、磷石膏等)为主要原料制备黏土固化剂，相较于常见水泥固化剂而言，实现了工业固废中钢渣、磷石膏等大宗固废和废弃黏土、建筑垃圾再生微粉的资源化利用并达到降碳目的，减轻磷石膏等工业固废堆放对土壤、大气和水环境带来的严重污染问题；

2.固化强度高：本发明的固化剂原料中，水泥、高炉矿渣、钢渣、再生微粉等原料存在水化协同作用和颗粒填充作用，磷石膏在水化过程中能与水泥和矿渣发生反应形成钙凡石(AFt)等水化产物，矿渣粉、钢渣粉等成分的活性在激发剂碱性环境下被进一步激活，形成大量的C-S-H等水化胶凝产物，后期C-S-H凝胶包裹钙凡石形成致密的复合结构，大幅提高固化黏土的强度，十二烷基磺酸钠具有很强的发泡、分散能力，能够吸附在湿润黏土颗粒表面并置换土颗粒之间的自由水，有效降低黏土的粘滞性并增强固化土体的渗透性；

3.应用场景广：本发明在黏土中加入矿渣基固化剂后，根据室内试验确定固化剂掺量及用水量，可制备成流动性大的液态固化土应用于狭窄肥槽、孔洞等素土难以回填的地下工程部位,还可制备成固化土混合料可用于道路工程路基填料，并且还可作为胶凝材料替代水泥用于生产再生免烧砖等再生制品；

4.经济效益明显：本发明黏土固化剂的各原材料来源广泛、易于取材，矿渣、钢渣、磷石膏等大宗固废成本低廉，且本发明固化剂中水泥用量较低，固化剂材料成本显著下降，具有较高的经济价值。

附图说明

图1是本发明的矿渣基黏土固化剂；

图2是本发明的固化土试样图；

图3是本发明的再生砖制品图；

图4是纯生土未经固化的电镜扫描图；

图5是本发明中实施例3养护7d后矿渣基渣土固化剂固化土电镜扫描图；

图6是本发明中实施例3养护28d后矿渣基渣土固化剂固化土电镜扫描图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例中的再生微粉为武汉市汉阳区某建筑弃料材料厂再生细骨料经筛分、碾磨得到的0.075mm以下的微细废弃颗粒，活性指数≥60％，所用其他原料均为市场采购商品，其中，磷石膏主要化学成分为硫酸钙，取自钢铁厂生产时的固体废物，矿渣粉为高炉炼铁时产生的副产品，其级别≥S95，比表面积≥400m²/kg，28d活性≥95％，钢渣粉为钢铁行业炼钢时产生的副产品，比表面积≥350m2/kg，28d活性≥65％，水泥为PO 42.5硅酸盐水泥，外加剂包括激发剂和活性剂，激发剂为硫酸钠、硅酸钠、氢氧化钠中的一种或几种的组合，活性剂为十二烷基磺酸钠粉末。

实施例1：

黏土固化剂主要由以下质量份配比的原料组成：水泥15份、高炉矿渣粉30份、钢渣粉20份、再生微粉15份、磷石膏10份、外加剂10份。

外加剂为8份激发剂和2份活性剂，其中激发剂中硫酸钠与氢氧化钠的比例为3：1。

黏土固化剂制备过程如下：

将各原料按本实施例用量关系称取，依次加入搅拌机中搅拌3-5min，混合均匀后，出料，得到黏土固化剂。

黏土固化剂应用过程如下：

步骤1、取以下重量份的原料：黏土100份和黏土固化剂12份，水40-45份；

步骤2、将上述黏土、黏土固化剂、水分别投至双轴卧式搅拌机，拌合3-5min至混合料均匀，并控制流动值在140mm-200mm，获得液态固化土混合料，同时用70.7mm*70.7mm*70.7mm试模制备固化土试样；

步骤3、根据回填位置选择在现场搭设溜槽或设置泥浆池，将步骤2的液态固化土混合料通过溜槽填筑或暂存于泥浆池后通过泵送管道进行填筑，填筑过程中液态固化土通过自流到达指定填筑面，填筑结束24h后完全固化。

其中，黏土的前处理方法为：取原状黏性土，测定其含水量为35％，经自然风干或晾晒至含水率小于20％，先通过挖机进行粗筛将20cm以上石块等杂质去除，再使用双级无筛底粉碎机进行粉碎，粉碎后粒径≤3mm。

实施例2

其他条件同实施例1，黏土固化剂主要由以下质量份配比的原料组成：

水泥15份、高炉矿渣粉35份、钢渣粉20份、再生微粉15份、磷石膏10份、外加剂5份。

外加剂为4份激发剂和1份活性剂，其中激发剂中硫酸钠与氢氧化钠的比例为3：1。

实施例3

其他条件同实施例1，外加剂中硫酸钠与硅酸钠的比例为1：1。

实施例4

其他条件同实施例1，黏土固化剂主要由以下质量份配比的原料组成：水泥15份、高炉矿渣粉30份、钢渣粉30份、再生微粉10份、磷石膏10份、外加剂5份。

外加剂为4份激发剂和1份活性剂，其中激发剂中硅酸钠与氢氧化钠的比例为1：1。

实施例5

其他条件同实施例1，黏土固化剂主要由以下质量份配比的原料组成：水泥25份、高炉矿渣粉30份、钢渣粉20份、再生微粉10份、磷石膏10份、外加剂5份。

外加剂为4份激发剂和1份活性剂，其中激发剂中硫酸钠与氢氧化钠的比例为3：1。

本发明各原料中：

水泥是常用的土壤固化剂，可以与水发生反应生成Ca(OH)₂、C-S-H凝胶、AFt等水化产物，起到固化土体强度作用；

高炉矿渣粉是一种高活性的矿物掺合料，以粒化高炉矿渣为主要成分，其主要化学组成为Cao、SiO₂、Al₂O₃，其与硅酸盐水泥化学组成相似，能与水泥产生火山灰效应，在碱环境中能进一步与水泥水化产物Ca(OH)₂发生反应生成C-S-H凝胶，提升固化土体早期强度；

钢渣中含有硅酸三钙、铁铝酸盐等活性物质，这些活性物质水化产生的碱性环境可以促进火山灰反应的发生，生成C-S-H等胶凝类产物，起到填充土体孔隙作用；

再生微粉为再生细骨料经筛分、碾磨得到的0.075mm以下的废弃微粉，经过碾磨后具备较高的活性指数，再生微粉中的未水化水泥颗粒在碱性环境激发下能进一步水化形成C-S-H等胶凝物质，并且能够填充土体中的孔隙；

磷石膏可为体系提供在水化过程中能与水泥和矿渣反应促进产物AFt、C-S-H的生成，进一步提高固化土体的强度；

硫酸钠、硅酸钠、氢氧化钠是激发剂胶凝材料中常用的激发剂，在水中溶解成碱性，碱性环境可以激发高炉矿渣、钢渣、再生微粉的反应活性，促进以上各成分的水化反应；

十二烷基磺酸钠是一种常见的阴离子活性剂，具有很强的发泡、分散能力，能够吸附在湿润黏土颗粒表面并置换土颗粒之间的自由水，可以有效降低黏土的粘滞性并增强固化土体的渗透性。

为说明本发明渣土固化剂的功效，参考规范《土壤固化剂应用技术标准》(CJJ/T286-2018)，本申请发明人进行了以下性能测试：

对比例1

对比例1与实施例1相比，区别在于取消高炉矿渣粉、钢渣粉、再生微粉、磷石膏、外加剂的添加，直接以海螺牌PO 42.5的普通硅酸盐水泥作对照实验。

对比例2

对比例2与实施例1相比，区别在于取消了外加剂的添加，其他组分与实施例1相同。

采用工程开挖黏土为基本土样，取自武汉在建工程基坑开挖渣土，黏土含水率约25％，液限29.20，塑限16.80，有机质含量＜5％，将上述5个实施例制备得到的黏土固化剂和对比例1、对比例2，分别以12％的掺量加入到黏土中，然后加入相同用水量制备成液态固化土，测试固化土试样的7d、28d龄期无侧限抗压强度，水稳系数。

液态固化土制备过程如下：

步骤1、取以下重量份的原料：黏土100份和黏土固化剂12份，水40-45份；

步骤2、将上述黏土、黏土固化剂、水分别投至双轴卧式搅拌机，拌合3-5min至混合料均匀，并控制流动值在140mm-200mm，获得液态固化土混合料，同时用70.7mm*70.7mm*70.7mm试模制备固化土试样。

其中，黏土的前处理方法为：取原状黏性土，测定其含水量为35％，经自然风干或晾晒至含水率小于20％，先通过挖机进行粗筛将20cm以上石块等杂质去除，再使用双级无筛底粉碎机进行粉碎，粉碎后粒径≤3mm。

测试结果如表1所示：

表1各实施例所测实验数据表

表1测试结果表明，本发明实施例中矿渣基固化土的7d、28d无侧限抗压强度和水稳系数与对比例1中的水泥固化土相比均得到了提高，表明多源固废具有协同作用，矿渣基固化剂体系优于纯水泥体系。

对比实施例1-5和对比例2可知，在本发明黏土固化剂中，外加剂的主要作用是激发各组分的反应活性、促进各组分发生水化协同作用，以生成更多的胶凝产物，使土体的结构变得更加密实。根据表1的试验数据，本发明提供的矿渣基黏性土固化剂最优配合比为水泥：高炉矿渣粉：钢渣粉：再生微粉：磷石膏：外加剂＝15：30：20：15：10：10(激发剂中硫酸钠与硅酸钠比例为1：1)，其应用于黏土固化时，7d强度为0.90MPa，28d强度为1.35MPa，28d水稳系数为0.90。

电镜观察纯生土和实施例3的固化土试样养护7d、28d后的状态，电镜扫描图如图2、图3、图4所示，可以看出，未经固化的纯生土内部结构疏松，土粒松散，颗粒之间存在较多孔隙和不规则杂质，实施例3的固化土试样养护至7d龄期时，土壤颗粒表面由黏粒结合体组成的片状结构已基本固结成一个整体，且在固化土表面可以看见明显针棒钙凡石(AFt)、水化硅酸钙(C-S-H)凝胶物质发生黏连搭接，这些水化产物覆盖在土壤颗粒表面或交织填充土体骨架间的孔隙。养护至28d龄期时，渣土内部水化产物不断增加，颗粒间的相互作用显著增强，土体的孔隙率进一步减小，土颗粒之间胶结形成致密的空间网状结构。

结合实施例1-5可知，本发明采用硅酸盐水泥、高炉矿渣粉、钢渣粉、再生微粉、磷石膏以及外加剂，通过调整组分配方制备出满足《土壤固化外加剂》(CJ/T486-20152)相关性能要求的黏土固化剂，不仅降低了固化剂的生产成本，同时可提高固体废弃物的资源化利用率。同时本申请提供了即为将黏土改良用作工程回填材料，对于有效降低工程成本，实现渣土的资源化利用具有推动意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种矿渣基黏土固化剂，其特征在于，包括以下重量份数配比的原料：

水泥15-25份、矿渣粉30-40份、钢渣粉20-30份、再生微粉10-20份、磷石膏10-15份以及外加剂5-10份。

2.根据权利要求1所述的一种矿渣基黏土固化剂，其特征在于，所述矿渣粉为高炉炼铁时产生的副产品，其级别≥S95，比表面积≥400m²/kg，28d活性≥95％。

3.根据权利要求1所述的一种矿渣基黏土固化剂，其特征在于，所述钢渣粉为钢铁行业炼钢时产生的副产品，比表面积≥350m2/kg，28d活性≥65％。

4.根据权利要求1所述的一种矿渣基黏土固化剂，其特征在于，所述再生微粉为制备再生骨料过程中产生的粒径小于0.075mm的微细废弃颗粒，活性指数≥60％。

5.根据权利要求1所述的一种矿渣基黏土固化剂，其特征在于，所述水泥为PO 42.5硅酸盐水泥，所述外加剂包括激发剂和活性剂。

6.根据权利要求5所述的一种矿渣基黏土固化剂，其特征在于，所述激发剂为硫酸钠、硅酸钠、氢氧化钠中的一种或几种的组合。

7.根据权利要求5所述的一种矿渣基黏土固化剂，其特征在于，所述活性剂为十二烷基磺酸钠粉末。

8.一种权利要求1-7任一项所述的矿渣基黏土固化剂可应用于地下回填工程、道路工程以及再生制品中。

9.一种权利要求1-7任一项所述的矿渣基黏土固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、固化剂配料：将原材料组分水泥、矿渣粉、钢渣粉、再生微粉、磷石膏、外加剂按重量份比例称取；

S2、搅拌：将步骤S1中称取好的各原材料分批加入搅拌机中，进行混合并充分搅拌，各原材料混合方法为干混，干混搅拌时间应不小于2min；

S3、装袋：将步骤S2中混合搅拌后的粉体置于密封袋内进行干燥、常温保存，形成矿渣基黏土固化剂。