專利名稱：一種可噴射、泵送建筑材料－土壤凝固劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可噴射、泵送的建筑材料-土壤凝固劑具體地講，該土壤凝固劑組合物能夠保持低粘性以延長(zhǎng)時(shí)間，以便將該組合物用噴射、泵送到包括難以到達(dá)的地質(zhì)或人工的場(chǎng)所中。
背景技術(shù)：
土壤固化技術(shù)，是世界公路建設(shè)史上一個(gè)具有劃時(shí)代意義的革命。傳統(tǒng)的筑路方式是在施工中使用大量外來路料，通過“物理—力學(xué)”的施工工藝，達(dá)到各項(xiàng)工程力學(xué)指標(biāo)的方式。土壤固化技術(shù)是憑借獨(dú)特的化學(xué)固化劑攪拌到筑路土壤中，通過“化學(xué)—物理”的施工工藝，改變土壤的物理力學(xué)性質(zhì)，從而筑成具有高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性、高承載力的公路路面的一種先進(jìn)的技術(shù)。
防止物料失去穩(wěn)定性，以至于產(chǎn)生滲漏。還要努力使欲處理的物料與粘合劑結(jié)合以形成固體大塊或廢棄物結(jié)構(gòu)用于埋葬或作建筑產(chǎn)品。例如，F(xiàn)rey等人的美國(guó)專利4432666中披露，采用粘合劑和去他的防水粘合劑處理廢棄物被認(rèn)為對(duì)環(huán)境有破壞作用。然而，在很多情況下粘合劑不穩(wěn)定，比如，在包裝鹵化物時(shí)。
除了上述提到的方法中的缺點(diǎn)外，市售上述方法中的原料(特別是氧化物)的結(jié)構(gòu)都不利形成可流動(dòng)的混合物，結(jié)果，發(fā)熱的反映變得不可控制。導(dǎo)致形成稠漿液。使最終產(chǎn)品缺乏均質(zhì)性。而且，所得陶瓷的快速凝固時(shí)間不能夠保證足夠的工作時(shí)間。
現(xiàn)有技術(shù)配方以適應(yīng)在不同沉積情況下多種廢棄物料的穩(wěn)固，能夠提供廢棄物液體，其具有延長(zhǎng)的、也使用的稠度或粘度以目前采用噴射設(shè)備。該方法還提供選擇和制備配方組分的協(xié)定，以設(shè)計(jì)需要不同粘度情況下的配方。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明不僅提供一種包括土壤凝固劑材料的配方，該配方是一種把廢棄物當(dāng)作可噴射、泵送凝固劑中的一種主體成分的方法。其特點(diǎn)是采用添加劑減緩凝結(jié)劑組分之間的反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是延長(zhǎng)了可操作性的時(shí)間和使用迄今為止不能用的廢棄物。
還有，提供了一種把普通市售的氧化物轉(zhuǎn)化成可噴射的土壤凝固劑中的一種組分，其特征是般燒氧化物，然后把鍛燒的氧化物與涂劑混合。優(yōu)點(diǎn)是減小了鍛燒的氧化物與其他凝結(jié)劑組分的反應(yīng)速率，從而延長(zhǎng)了凝結(jié)劑在凝固之前的可操作時(shí)間。
簡(jiǎn)要地說，本發(fā)明提供噴射、泵送的土壤凝固劑，該土壤凝固劑由市場(chǎng)可以買到。


由以下圖示的發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述可最好地理解本發(fā)明連同上述及其它目的和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是生產(chǎn)與本發(fā)明特征一致的可噴射的凝固廢棄物的方法示意圖。
圖2是本發(fā)明的可噴射的凝固廢棄物的X·光衍射分析結(jié)果。
圖3A和3B分別是與本發(fā)明中特征一致的CBPC配方中合適的和不合適的氧化物組分的顯微鏡照片。
圖4A和4B分別是用在發(fā)明的可噴射的CBPC配方中的合適的和不合適的氧化物組分的X-光衍射分析結(jié)果。
圖5是確定與本發(fā)明特征一致的合適的氧化物的判斷數(shù)。
圖6是與本發(fā)明特征一致的各種氧化物的溶解度曲線圖。
具體實(shí)施例方式
一種把土壤凝固劑加入可噴射、泵送的混合物的方法，這樣的混合物依次可固定在包括難以到達(dá)的場(chǎng)所。同樣，這種混合物廣泛被利用及能就地筑路，還與廢棄物結(jié)合而封裝廢棄物，特別是廢棄物在不可到達(dá)或危險(xiǎn)區(qū)的情況下，如污染的核電廠的石棺，或廢棄物泄漏場(chǎng)所。這種方法雖延遲了磷酸鹽陶瓷的凝結(jié)作用，也減小了磷酸鹽陶瓷漿液或磷酸鹽陶瓷/廢棄物漿液的整體粘度，但足以讓漿液能被噴射或其他方式運(yùn)輸?shù)阶罱K地點(diǎn)。最后，這種方法制備了一種堅(jiān)硬的、難以滲透的CBPC結(jié)構(gòu)，這種CBPC結(jié)構(gòu)的耐久力可與混凝土抗衡，并且，不必另外加熱。
關(guān)于這種可噴射、泵送的土壤凝固劑材料。從而減慢凝結(jié)反應(yīng)速度，延遲凝結(jié)和凝固足夠讓起反應(yīng)的土壤凝固劑材料液體能被噴射或其他方式運(yùn)輸?shù)阶罱K靜置地點(diǎn)。一旦沉積下來，土壤凝固劑材料液體可凝固或成為它的密實(shí)的最終結(jié)構(gòu)。盡管采用了外加劑減慢反應(yīng)速度，最終產(chǎn)品已被證明比采用波特蘭水泥生產(chǎn)的產(chǎn)品要堅(jiān)硬。一般的壓力超過每平方英寸4,000磅。
可噴射、泵送的土壤凝固劑材料的制作如圖1中數(shù)字10所示。簡(jiǎn)要地說，氧化物粉末12于第一混合工序17中以不同比例與磷酸鹽粉/溶液14及預(yù)分級(jí)的廢棄物料16混合。
廢棄物料的粒度小于200微米是合適的?？梢圆捎枚喾N磷酸鹽溶液，該溶液包括含陽離子部分的磷酸鹽，陽離子部分選自鉀、鈉、鈣、鋯、鐵、鎂-銨以及其組合。合適的磷酸鹽溶液的濃度是所產(chǎn)生的漿液在與下面列舉的組分結(jié)合時(shí)，能提供一種液體，該液體的厘泊值能促使分散容易。這種磷酸鹽的濃度可為水與KH2PO4的重量比約0.66。
氧化物粉末、磷酸鹽溶液和廢棄物的混合產(chǎn)生了第一種混合物或漿液18。選擇性地，在與磷酸鹽溶液和廢棄物料混合之前，氧化物粉末要進(jìn)行工序11的預(yù)處理。氧化物預(yù)處理工序詳述如下。
合適的氧化物∶磷酸鹽∶廢棄物重量比范圍為1∶3.4∶1.45到1∶3.4∶6.6。當(dāng)MgO被用作氧化物，KH2PO4用作磷酸鹽的和灰份用作廢棄物料時(shí)，特別合適的MgO∶KH2PO4∶灰份的重量比為1∶3.4∶1.45。
在一個(gè)示范性程序中，漿液18與含不同覆蓋劑和吸水劑的添加劑結(jié)合成為第二種混合物21。但是，添加劑可以在混合工藝中的不同位置加入，比如，包括但不僅限于檸檬酸或硼酸的覆蓋劑，能夠在氧化物與磷酸鹽溶液和廢棄物料的混合之前，直接加入氧化物粉末12中。然后，吸水劑，如木素磺酸鹽，能夠在上述三種組分完全混合在一起之后加入。
在添加劑混合好之后，水22加入到配好的混合物中，當(dāng)前含水的液體進(jìn)入第二種混合步驟23，產(chǎn)生一種同質(zhì)的、活性液體25，一般的混合時(shí)間約為20到60分鐘。
水在反應(yīng)過程24開始時(shí)加入。在反應(yīng)過程24中，當(dāng)前活性物料25可以在最終的凝結(jié)出現(xiàn)之前被噴射成薄漿或其他方式的操作26?；旌衔?5的凝結(jié)、穩(wěn)固或凝固28不會(huì)在上述的加水步驟22之后的兩小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)。
本發(fā)明方法的一個(gè)顯著的特征是，在反應(yīng)、噴射、運(yùn)輸和土壤凝固劑液體的最終凝固中不需要外加熱。
盡管添加劑作用在于使反應(yīng)液體流態(tài)化，所得的最終凝固廢棄物結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的性質(zhì)。比如，如圖2所示，這種方法提供的一種主要含呈晶態(tài)結(jié)構(gòu)的磷酸鎂鉀的廢棄物結(jié)構(gòu)，圖中尖峰代表晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
氧化物制備的詳細(xì)情況多種氧化物都適合作為本發(fā)明中的粉末，氧化鈣、氧化鈉、氧化鋯、氧化鐵、氧化鎂及其組合都是適宜的啟動(dòng)粉末。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)氧化物的預(yù)處理11通常能提高最終的陶瓷粘合劑-廢棄物混合物的流動(dòng)性。然而，市售的預(yù)處理氧化物，在提高流動(dòng)性時(shí)不能達(dá)到其預(yù)期值。更適合的，此處披露的已發(fā)明鍛燒方法可生產(chǎn)一種具有最佳性能(如高強(qiáng)度和低粘度)的粘合劑。采用本發(fā)明的氧化物預(yù)處理方法11得到的產(chǎn)品，具有凝固速率約為兩小時(shí)、甚至在凝結(jié)過程中也為低放熱(如產(chǎn)生低的熱量)，及結(jié)構(gòu)極為均質(zhì)的特點(diǎn)。
為了制備合適的土壤凝固劑，氧化物組分應(yīng)該具有下面的特性1.平均的氧化物顆粒的粒度應(yīng)該在8-10微米，每個(gè)顆粒應(yīng)該為密實(shí)的、晶態(tài)，且不含有無定形覆蓋。
2.所采用的氧化物顆粒，在混合過程中土壤凝固劑混合物不應(yīng)產(chǎn)生大量熱量。同樣，所選擇的氧化物顆粒不會(huì)使?jié){液發(fā)稠。
3.最終產(chǎn)品應(yīng)該是均質(zhì)陶瓷，而且，不應(yīng)該是在漿液中迅速形成沉淀。極限壓力至少為3,500磅每平方英寸。產(chǎn)品斷開的或結(jié)合的孔隙度占形成的或凝固的整塊體積應(yīng)約少于10％。
為此，在現(xiàn)場(chǎng)由最終用戶或其他人采用的、氧化物預(yù)處理方法的功效。
如圖5中的判斷樹所示，若成為用于廢棄物的可流動(dòng)土壤凝固劑中的一種合適的組分，氧化物必須滿足以下三條標(biāo)準(zhǔn)A)表面積粉末表面積應(yīng)該在0.3-0.55m2/g，另外本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，顆粒團(tuán)聚而導(dǎo)致的表面積減小會(huì)依次抑制氧化物與其他反應(yīng)物之間的反應(yīng)，表面積比上述范圍大時(shí)將加快反應(yīng)速度，使?jié){液過熱，某些情況下會(huì)使?jié){液沸騰。工業(yè)用合適的氧化物的表面積約為4m2/g。
B)形態(tài)結(jié)構(gòu)在高倍顯微鏡下(如，1500X)，氧化物表面應(yīng)該為平面，并且有條痕表明為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。圖3A和3B分別描述了合適的和不合適樣品的形態(tài)結(jié)構(gòu)。
除了對(duì)氧化物視覺、顯微鏡檢查外，X-光衍射分析也能判斷氧化物中的有效的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。例如，合適的氧化物(圖4A)顯示出尖峰，表明是晶態(tài)結(jié)構(gòu)，而不合適的氧化物(圖4B)顯示出寬峰，表明存在無定形物質(zhì)。無定形物質(zhì)反應(yīng)快，并且在漿液中產(chǎn)生不必要的過量的熱量。
C)溶解性氧化物在磷酸溶液中的溶解性也可判斷是合適的和不合適的氧化物，一般地，氧化物的溶解度越小，越宜制備可流動(dòng)土壤凝固劑，這樣的物質(zhì)將會(huì)凝結(jié)成難以滲透的塊。低溶解度的氧化物能使反應(yīng)后存在更多的MgO顆粒，因此，在反應(yīng)溶液中存在更多的晶核，這些晶核可以幫助形成單獨(dú)的硬的中心點(diǎn)，并增加最終的廢棄物結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。
圖6展示了兩種合適的氧化物(虛線)和兩種不合適的氧化物(實(shí)線)的曲線?？梢?，使一種酸-氧化物溶液的pH值達(dá)到8所需要的重量，合適的氧化物要比不合適的氧化物多20％。合適的氧化物中的初始雜質(zhì)含量不影響其溶解度。例如，圖5中的更多可溶解的氧化物(如合適的氧化物)有不同含量的鈣污染物，其中一種氧化物(分析品位)含鈣重量比為0.05％，另一種合適的氧化物(技術(shù)品位)含鈣重量比為0.45％。
待選的氧化物的溶解度試驗(yàn)進(jìn)行如下，由去離子水配成H3PO4濃度為5％的30ml溶液，通過磁力攪拌器或其他方式保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)，加入1克的MgO，使配好的混合物到平衡，記錄pH值。再加入MgO，每次1克，直至平衡。這樣一直持續(xù)到pH值達(dá)到8。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)一種制備符合上述A-C標(biāo)準(zhǔn)的氧化物的方法是通過一種煅燒方法。如果使用市售MgO，這種氧化物必須如前面提到的那樣，首先粒度在8-10微米之間，氧化物中鈣含量不超過0.5％重量。
一旦確定適宜的鈣含量和顆粒粒度，氧化物裝入爐子中，爐溫保持1,300℃。氧化物可進(jìn)入″預(yù)熱″爐，或者在爐子逐漸升溫的過程中裝入。氧化物的均熱或加熱時(shí)間依據(jù)氧化物原料(和雜質(zhì))性質(zhì)而有差異。高純(分析品位)氧化物均熱時(shí)間約為一個(gè)小時(shí)，而技術(shù)級(jí)純度的氧化物加熱時(shí)間約需要三個(gè)小時(shí)。
加熱后，樣品在爐子中冷卻，結(jié)果冷卻后的氧化物通常為成團(tuán)的大塊，這樣的大塊必須重新研磨到8-10微米。
添加劑詳述如前所述，本發(fā)明的一個(gè)突出特征是使用添加劑阻止反應(yīng)，因此而擴(kuò)大反應(yīng)液23的使用性。添加劑包含兩種組分覆蓋劑和吸水劑，或叫除水劑。如前所述，合適的覆蓋劑是選自硼酸、檸檬酸及其組合。添加劑中覆蓋組分有覆蓋作用而使氧化物顆粒免于完全暴露，或與其他反應(yīng)物接觸。
合適的吸水劑來自含木素磷酸鹽的聚合有機(jī)化合物類。木素磷酸鹽化合物的作用是避免水與磷酸鹽很快反應(yīng)，實(shí)質(zhì)上，這些木纖維素類化合物能夠吸收任何水分以防止磷酸鹽很快水合作用。堿性的木素磷酸鹽化合物是優(yōu)選的吸水劑，特別選自木素磺酸鹽、木素磷酸鹽和其他羥基有機(jī)化合物及其組合。一組合適的木素磺酸鹽化合物有木素磺酸鈉、木素磺酸鈣、木素磺酸鉀及其組合。一種示范性的木素磺酸鹽化合物是Daratard 17TM，加入到最后的反應(yīng)液中的添加劑的重量百分比可以不同，0.5％-3.5％比較合適。通常，添加劑與第一種混合物組合，添加劑∶氧化物∶磷酸鹽重量比例是在1.83∶10.3∶35到2.1∶10.3∶34。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，有硼酸存在時(shí)木素磺化鹽化合物的脫水效果增強(qiáng)，其中硼酸的重量比與用在木素磺酸鹽中的重量比類似。
添加劑可以在反應(yīng)過程24的反應(yīng)之前任何時(shí)間或開始時(shí)加入，得到的示范性結(jié)果，如圖1指示的那樣，即在加水22前加入。
在一實(shí)施例中，最終可噴射的產(chǎn)品中每種組分的具體比例如下堿性氧化物(12重量％)，磷酸鹽(4重量％)，飄塵(17重量％)，硼酸(1重量％)，木素磺酸鹽(1重量％)和水(29重量％)。本實(shí)施例的漿液具有與牛奶相同的稠度，因而容易泵送或形成薄漿，兩到三小時(shí)之后，漿液轉(zhuǎn)變成硬質(zhì)密集CBPC結(jié)構(gòu)。如圖2所示，對(duì)最后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行X-光衍射分析，除了含水的磷酸鎂鉀外，還有殘余的氧化鎂存在。
因?yàn)樵谡扯刃∮?,500厘泊時(shí)噴射和注射的應(yīng)用效果可以得到改善，添加劑中的覆蓋劑在0.5-3重量％(添加劑中含覆蓋劑和吸水劑)的配方是合適的。
幾種不同類型的基料能與可噴射、泵送的土壤凝固劑單獨(dú)地或者共同結(jié)合，形成CBPC結(jié)構(gòu)。這些廢棄物包括但不限于粘土、土壤、紅泥、及其組合。對(duì)物科進(jìn)行分級(jí)、研磨或其他預(yù)處理可以是必要的。合適的廢棄物料的粒度范圍在10-200微米之間。
從下面的表10中可以看出，因?yàn)樘砑觿┑臐舛炔煌瑵{液的稠度亦不同。表1表明了添加劑相對(duì)整個(gè)漿液的重量濃度在0.5％-3.5％時(shí)漿液的粘度厘泊值(cp)。
表10不同添加劑濃度時(shí)CBPC棄物液體的枯度

所得的漿液/如前述，或者作為可噴射、泵送的液體中已經(jīng)含有的顆粒處理，或用作穩(wěn)固其他廢棄物料的密封劑。例如，配入灰分的漿液能夠注射到污染土壤中使土壤穩(wěn)固。盡管本發(fā)明由所詳述的實(shí)施例描述，但其并非對(duì)所附權(quán)利要求限定的發(fā)明范圍形成限制。
權(quán)利要求
1.一種可噴射、泵送建筑材料-土壤凝固劑，含有無機(jī)氧化物、磷酸鹽和聚合有機(jī)材料是堿性木素磺酸鹽，選自木素磺酸鈉、木素磺酸鈣、木素磺酸鉀及其組合。
2.如權(quán)利要求1中所述的聚合有機(jī)物，在組合物中占的重量百分比約在1％到3％之間。
3.如權(quán)利要求1中所述聚合有機(jī)材料與硼酸以約為0.6∶1.25-1∶1之間的重量比例組合。
4.如權(quán)利要求1中所述.土壤凝固劑中含有在15-20重量％的廢棄物料。
5.如權(quán)利要求1中所述土壤凝固劑，其中在開始混合超過1小時(shí)后，土壤凝固劑粘度約在850-15,000厘泊之間。無須加熱。其中無機(jī)氧化物的表面積在0.3m2/g-0.55m2/g之間。
6.如權(quán)利要求1中所述一種可噴射、泵送的基料廢棄物配方，按重量比，含有7-14％堿性氧化物、25-40％磷酸鹽、15-50％灰份、1-4％硼酸、0.5-2％木素磺酸鹽和15-25％水。
7.如權(quán)利要求1中所述一種可噴射、泵送的基料廢棄物配方，按重量計(jì)，含有10％的堿性氧化物、35％磷酸鹽、15％飄塵、1.2％硼酸、0.61％木素磺酸鹽和23％水。
8.如權(quán)利要求1中所述一種制各可噴射、泵送的基料廢棄物的方法，包括，用H2PO作溶劑來確定的表面積和形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)來選擇無機(jī)氧化物；同時(shí)，將所選擇的氧化物與磷酸鹽溶液及廢棄物混合形成第一種混合物；再與木素磺酸鹽化合物是與硼酸以在1∶1-2∶1之間的重量比例組合混合。在第二種混合物中加入水，形成一種活性混合物；將活性混合物均質(zhì)化；并且將活性混合物凝固。
9.如權(quán)利要求1中所述要求均勻化活性混合物的粘度在200厘泊到1000厘泊之間。
全文摘要
關(guān)于這種可噴射、泵送土壤凝固劑材料。從而減慢凝結(jié)反應(yīng)速度，延遲凝結(jié)和凝固足夠讓起反應(yīng)的土壤凝固劑材料液體能被噴射或其他方式運(yùn)輸?shù)阶罱K靜置地點(diǎn)。一旦沉積下來，土壤凝固劑材料液體可凝固或成為它的密實(shí)的最終結(jié)構(gòu)。盡管采用了外加劑減慢反應(yīng)速度，最終產(chǎn)品已被證明比采用波特蘭水泥生產(chǎn)的產(chǎn)品要堅(jiān)硬。
文檔編號(hào)C04B22/16GK101074153SQ20061008047
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者李智 申請(qǐng)人:李智, 任偉立, 于雷