專利名稱：一種基于工業(yè)廢料的粉土固化劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土木建筑材料中的粉土穩(wěn)定固化材料，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種基于工業(yè)廢料的粉土固化劑，該粉土固化劑應(yīng)用于道路工程、港口工程、機(jī)場(chǎng)工程等地基處理工程中。
背景技術(shù)：
粉土分布極為廣泛，它是介于無(wú)粘性土和粘性土之間的一種力學(xué)性質(zhì)差異大的土類，粉土的工程特性與它的形成條件、物質(zhì)成分、堆積年代、所處地理環(huán)境與空間分布規(guī)律等密切相關(guān)，所以不同地域粉土屬性均有差異，但“粉粒”的特性決定它們?nèi)杂幸欢ǖ墓残浴?粉土穩(wěn)定性差，具有弱可塑性、低粘結(jié)性、高分散性；在動(dòng)荷載作用下，飽和粉土易發(fā)生液化現(xiàn)象；粉土的粒徑均勻，級(jí)配不好，難于壓實(shí)；粉土中毛細(xì)水上升較高，在地下水位高地區(qū)， 毛細(xì)水的上升會(huì)導(dǎo)致粉土地基的強(qiáng)度極大降低進(jìn)而產(chǎn)生破壞；在季節(jié)性冰凍地區(qū)，粉土往往具有很強(qiáng)的凍脹性。由于粉土所特有的性質(zhì)，作為路基等基礎(chǔ)工程填土，施工時(shí)成型比較困難，壓實(shí)度很難滿足要求，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性不能滿足要求，并且極易吸水、聚冰凍脹、翻漿，從而導(dǎo)致地基因強(qiáng)度損失而開(kāi)裂，大大縮短工程的使用壽命。為了改善和提高粉土的工程特性，一般采用摻加固化材料(如水泥、石灰等)的方法對(duì)粉土進(jìn)行加固處理。盡管現(xiàn)在研制了多種類型的固化劑，但多數(shù)是用于加固粘性土、淤泥質(zhì)土。一些簡(jiǎn)單傳統(tǒng)的土壤穩(wěn)定方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)粉土地區(qū)工程建設(shè)的技術(shù)要求，尤其是在進(jìn)行交通工程建設(shè)中過(guò)程中，粉土不能直接作為高速鐵路、高速公路路基填料使用。 目前粉土固化的研究不管是理論還是實(shí)踐上還不完全成熟。國(guó)內(nèi)外對(duì)粉土固化穩(wěn)定機(jī)理研究得很少，從而制約了粉土固化技術(shù)的發(fā)展，給粉土地區(qū)的工程建設(shè)帶來(lái)了突出的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于工業(yè)廢料的粉土固化劑，該粉土固化劑來(lái)源于工業(yè)廢料，成本低廉，同時(shí)，與水泥系固化劑相比，該粉土固化劑固化粉土效果更佳，可以達(dá)到固化粉土所需要的工程特性。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于工業(yè)廢料的粉土固化劑，按照質(zhì)量百分比，該粉土固化劑由以下組分組成電石渣10 ‘ 20%,
礦渣微粉30 ‘ 40%,
粉煤灰30 ‘ 40%,
磷石膏10 ‘ 20%,
硫酸鈉5 ‘10%。 有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本技術(shù)方案的粉土固化劑的有益效果是
1.有利于節(jié)約資源、環(huán)境保護(hù)。本粉土固化劑的組分電石渣、礦渣微粉、粉煤灰、 磷石膏和硫酸鈉均來(lái)源于工業(yè)廢料。因此制備本粉土固化劑，只需要從工業(yè)廢料中提取，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢料的有效利用。而現(xiàn)有的固化劑，例如水泥和石灰，都需要工業(yè)制備，需要利用工業(yè)原料。所以說(shuō)，本粉土固化劑可以消耗大量的工業(yè)廢料，節(jié)約資源，有利于環(huán)境保護(hù)，屬于低碳、綠色、環(huán)保型產(chǎn)品。2.本粉土固化劑固化粉土效果更佳，可以達(dá)到固化粉土所需要的工程特性。在本技術(shù)方案中，通過(guò)在粉土中摻加4% 8%的本粉土固化劑，使得固化粉土的孔隙發(fā)育程度降低，土的密實(shí)度增加，早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度發(fā)展?jié)摿Υ?、水穩(wěn)定性好、凝聚力和內(nèi)摩擦角大、變形小，可完全滿足高速公路等路基工程控制指標(biāo)。而現(xiàn)有技術(shù)中，摻加水泥，或者水泥和石灰的混合物的粉土，強(qiáng)度小、水穩(wěn)定性差、凝聚力和內(nèi)摩擦角小、變形大，不能滿足高速公路等路基工程控制指標(biāo)。3.制備成本低廉。本粉土固化劑的組分材料各地極易購(gòu)取，成本低(比同類的產(chǎn)品低30%-40%)。同時(shí)制備時(shí)，只需要將各組分研磨呈粉狀，再混合攪拌即可。制備過(guò)程簡(jiǎn)單。固化時(shí)，只需要按照工程要求，取適量的本粉土固化劑與粉土混合攪拌即可。施工工藝簡(jiǎn)單。因此，本粉土固化劑制備成本低廉、施工工藝簡(jiǎn)單，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。而現(xiàn)有的粉土固化劑，水泥或者石灰，制備過(guò)程比本粉土固化劑的制備過(guò)程復(fù)雜，且經(jīng)濟(jì)成本高。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的基于工業(yè)廢料的粉土固化劑，按照質(zhì)量百分比，該粉土固化劑由以下組分組成電石渣10 ‘ 20%,
礦渣微粉30 ‘ 40%,
粉煤灰30 ‘ 40%,
磷石膏10 ‘ 20%,
硫酸鈉5 ‘10%。粉土固化劑是以工業(yè)廢料作為組分，也就是說(shuō)，電石渣、礦渣微粉、粉煤灰、磷石膏和硫酸鈉都可以從工業(yè)廢料中提取。制備該粉土固化劑時(shí)，將電石渣、礦渣微粉、粉煤灰、磷石膏、硫酸鈉均勻攪拌即可。如果這些組分中有呈塊狀體的，例如磷石膏和硫酸鈉，那么需要首先將呈塊狀體的組分研磨成粉末狀，然后再與呈粉末狀的其他組分混合、攪拌均勻即可。進(jìn)一步，所述的粉土固化劑中，按照質(zhì)量百分比，電石漁 10 12%，礦渣微粉30 35%，粉煤灰 3O 35%，磷石膏 12 20%，硫酸鈉 6 10%。進(jìn)一步，所述的粉土固化劑中，按照質(zhì)量百分比，電石渣 10%,礦渣微粉30%，
粉煤灰30%，磷石膏 20%，硫酸鈉10%。本粉土固化劑中的各組分具有以下特性電石渣是氯堿行業(yè)以電石法生產(chǎn)聚氯乙烯(PVC)產(chǎn)品過(guò)程中，排出的濕電石渣， 其主要成份為Ca(OH)2,具有強(qiáng)堿性，PH高達(dá)14左右。電石渣相對(duì)于石灰石具有顆粒小、比表面積大、活性強(qiáng)等特點(diǎn)。電石渣發(fā)揮復(fù)合膠凝效應(yīng)的激發(fā)作用，激發(fā)土壤本身的活性，而且激發(fā)組分更能激發(fā)礦物料的活性，所以其可以與礦物料共同發(fā)揮水化作用。電石渣的再利用大量替代了石灰石原料，減少了石灰石資源消耗和CO2氣體排放，既充分利用了資源又保護(hù)了環(huán)境，符合國(guó)家資源綜合利用和減少溫室氣體排放的發(fā)展方向。礦渣微粉的主要成分是二氧化硅，其顆粒結(jié)構(gòu)形狀影響微粉的活性指數(shù)。同一品種的礦渣微粉就不同的外觀狀態(tài)(以顆粒結(jié)構(gòu)不同分類)分別粉磨至相同的比表面積，其活性指數(shù)差異較大。其中礦渣微粉顆粒結(jié)構(gòu)圓滑形成結(jié)構(gòu)良好的，其活性指數(shù)最高。在堿性環(huán)境下發(fā)生激活反應(yīng)，為水化硅酸鈣的形成提供中間產(chǎn)物。粉煤灰是一種火山灰材料，是一種硅質(zhì)的或硅鋁質(zhì)材料，主要發(fā)生火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)。粉煤灰本身很少或沒(méi)有粘結(jié)性，但是當(dāng)它以細(xì)分散的狀態(tài)與水和消石灰或水泥混合時(shí)在常溫下與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)能形成一種具有粘結(jié)性的化合物。粉煤灰顆粒是實(shí)心或空心的球狀顆粒，玻璃含量(非晶質(zhì)材料)占71% 80%。粉煤灰的主要成分是硅和鋁，其次有碳和鈣、鐵、鎂及硫的氧化物等。粉煤灰穩(wěn)定的強(qiáng)度形成機(jī)理主要是石灰和粉煤灰之間發(fā)生反應(yīng)形成膠凝性化合物。粉煤灰在石灰的堿性激發(fā)及相互作用下生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硅鋁酸鈣等膠凝性化合物，提高土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。磷石膏是生產(chǎn)磷肥過(guò)程中排出的廢料，其主要化學(xué)成分有S03、CaO, SiO2, A1203、 Fe203、Mg(^nP205。擬進(jìn)行加固的土體一般強(qiáng)度較低、土顆粒間聯(lián)系微弱。磷石膏與含鋁相發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量的鈣礬石，鈣礬石在一定條件下為針刺狀較大的晶體。在該晶體形成過(guò)程中，其固相體積可增加120%左右。鈣釩石存在，一方面因其固體積膨脹，填充了部分孔隙，使土體孔隙量減少；另一方面其較大的針刺狀晶體，與水化硅酸鈣一起形成空間結(jié)構(gòu)， 以較高的效率支撐填充于孔隙中，使固化土的孔徑分布細(xì)化，從而提高了固化土的強(qiáng)度。硫酸鈉是一種無(wú)機(jī)化合物，又稱無(wú)水芒硝，是無(wú)機(jī)鹽工業(yè)大宗產(chǎn)品之一，生產(chǎn)硫酸鈉的原料有兩類①天然資源，主要有海水型咸水(包括鹽水和鹵水)、硫酸鹽-碳酸鹽型咸水，以及含有芒硝、無(wú)水芒硝、鈣芒硝(CaSO4 -Na2SO4)、白鈉鎂礬(Na2SO4 · MgSO4 ·4Η20)和各種水合硫酸鹽的礦床。②從含硫及硫酸鹽的廢氣、液、渣中回收。硫酸鈉在此固化劑中作為一種添加劑。為發(fā)揮復(fù)合膠凝效應(yīng)的水化作用，硫酸鈉與其反應(yīng)生成水化產(chǎn)物進(jìn)一步填充了土壤顆粒間的空隙，這將促進(jìn)填充增強(qiáng)效應(yīng)的發(fā)揮。以上各種組分組成的粉土固化劑摻入粉土中將發(fā)揮填充增強(qiáng)效應(yīng)，而粉土固化劑中含有的或水化產(chǎn)生的Ca2+等將發(fā)揮離子交換作用，粉土固化劑水化生成的激發(fā)組分將進(jìn)一步發(fā)揮激發(fā)作用。電石渣和粉煤灰在一定的壓實(shí)條件下會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化。其初步主要化學(xué)反應(yīng)是在堿性電石渣與粉煤灰中的活性氧化硅和活性氧化鋁之間，分別生成水化硅酸鈣(3Ca · SiO2 · IiH2O)和水化鋁酸鈣(3Ca · Al2O3 · ηΗ20)。這些反應(yīng)產(chǎn)物具有良好的水穩(wěn)性和抗凍性，其中主要產(chǎn)物水化硅酸鈣呈現(xiàn)三種形態(tài)1型凝膠，II型凝膠和III型凝膠，I型凝膠處于亞穩(wěn)態(tài)，隨反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行最終向II型凝膠和III型凝膠轉(zhuǎn)化。電石渣與粉土顆粒土之間發(fā)生下列四種反應(yīng)離子交換反應(yīng)，Ca2+離子與粉土中的金屬陽(yáng)離子發(fā)生交換；Ca (OH) 2結(jié)晶反應(yīng)，Ca (OH) 2膠體逐漸成為晶體，并與土粒結(jié)合起來(lái)形成共晶體；Ca(OH)2的碳酸化作用，與CO2反應(yīng)生成碳酸鈣；火山灰反應(yīng)，土中的活性硅、鋁礦物在石灰的堿性激發(fā)下離解，在水的參與下與Ca(OH)2反應(yīng)生成含水的硅酸鈣和鋁酸鈣。 同時(shí)電石渣可以增加溶液中的OH離子，提高PH值，促進(jìn)促使硅、鋁礦物等解離，同時(shí)還以催化劑的作用方式直接參與化學(xué)反應(yīng)，且有助于新生物_含水硅、鋁酸鈣的結(jié)晶硬化。磷石膏、硫酸鈉的主要作用是在各種組分發(fā)生、發(fā)展和固化土強(qiáng)度提高過(guò)程中進(jìn)行膨脹擠密作用，縮短顆粒間距，增加顆粒接觸面積和數(shù)量，從而增強(qiáng)顆粒間的結(jié)構(gòu)連接， 同時(shí)提高反應(yīng)的速度和程度。在粉土固化劑固化粉土的過(guò)程中，各個(gè)組分并非各自獨(dú)立的發(fā)生反應(yīng)，而是相互影響和聯(lián)系的，組分和各種生成物之間也會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)把本粉土固化劑按照一定比例加入粉土并充分混合后，在一定的壓實(shí)度下緊密接觸，粉土固化劑和粉土中各種礦物和化學(xué)成份間就開(kāi)始了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，主要有石灰水化反應(yīng)CaCHH2O — Ca (OH) 2活性物的激活反應(yīng)Si02+mCa (OH) 2+ηΗ20 — mCaO · SiO2 · χΗ20鈣礬石反應(yīng)Al203+3Ca (OH) 2+CaS04+9H20 — 3CaO · Al2O3 · CaSO4 · 12H203CaO · Al2O3 · CaSO4 · 12H20+2 (CaSO4 · 2H20) +16H20 — 3CaO · Al2O3 · CaSO4 · 32H20綜上，固化粉土結(jié)構(gòu)形成過(guò)程膠結(jié)性水化物，如硅酸鈣和鋁酸鈣，以充分包裹膠結(jié)土團(tuán)粒，膨脹性水化物，如鈣礬石，擠壓填充土團(tuán)粒間和土團(tuán)粒內(nèi)的孔隙，從而提高土的強(qiáng)度。欲使粉土強(qiáng)度提高，關(guān)鍵是粉土固化劑在固化粉土過(guò)程中發(fā)揮復(fù)合膠凝效應(yīng)和填充增強(qiáng)效應(yīng)雙重作用。本發(fā)明在進(jìn)行充分的研究和驗(yàn)證基礎(chǔ)上提出粉土固化主要包括固化材料本身的作用和土壤與固化材料的相互作用兩個(gè)方面，粉土固化效應(yīng)主要為復(fù)合膠凝效應(yīng)和填充增強(qiáng)效應(yīng)。摻入固化劑對(duì)土壤體系所起的固化穩(wěn)定效應(yīng)，可以歸結(jié)為兩大效應(yīng)， 即復(fù)合膠凝效應(yīng)和填充增強(qiáng)效應(yīng)。復(fù)合膠凝效應(yīng)又可進(jìn)一步歸結(jié)為三種作用，即水化作用、 激發(fā)作用和離子交換作用。土壤固化材料的各種作用和效應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互促進(jìn)的，復(fù)合膠凝效應(yīng)可以提高填充增強(qiáng)效應(yīng)，而如果沒(méi)有水化作用，則其激發(fā)作用、離子交換作用也是很微弱的。下面通過(guò)實(shí)施例和對(duì)比例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。在以下實(shí)施例和對(duì)比例中，用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(單位kPa)來(lái)表示加固粉土的強(qiáng)度特性，這一數(shù)值越高，說(shuō)明加固粉土的強(qiáng)度就越高；用水穩(wěn)系數(shù)表示加固粉土的水穩(wěn)性，水穩(wěn)系數(shù)是浸水養(yǎng)護(hù)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值，水穩(wěn)系數(shù)越接近1，說(shuō)明加固粉土的水穩(wěn)性越好；用線性收縮值(單位u ε )表示加固粉土后的粉土體積穩(wěn)定性，這一數(shù)值越小，體積穩(wěn)定性越佳；內(nèi)摩擦角(單位度)和凝聚力(單位kPa)均表示直剪強(qiáng)度的大小，內(nèi)摩擦角和凝聚力的數(shù)值越大，則直剪強(qiáng)度越大，說(shuō)明加固粉土的強(qiáng)度就越高。本技術(shù)方案中使用的固化劑各組分可以通過(guò)市場(chǎng)購(gòu)得。實(shí)施例1(1)試驗(yàn)材料粉土所用土樣取自江蘇海安地區(qū)典型粉土，其化學(xué)成份、礦物成分、基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1、2、3。表1粉土的化學(xué)成分分析結(jié)果(％ )
權(quán)利要求
1.-種基于ェ業(yè)廢料的粉土固化劑，按照質(zhì)量百分比，該粉土固化劑由以下組分組成10 20%, 30 40%, 30 40%, 10 20%,5 10%。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于エ業(yè)廢料的粉土固化劑，其特征在干，所述的粉土固化 劑中，按照質(zhì)量百分比，10 12%, 30 35%, 30 35%, 12 20%,6 10%。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的基于エ業(yè)廢料的粉土固化劑，其特征在干，所述的粉土固 化劑中，按照質(zhì)量百分比，電石渣10%，礦渣微粉30%，粉煤灰30%，磷石膏20%，硫酸鈉10%。電石渣 礦渣微粉 粉煤灰 磷石膏 硫酸鈉電石渣 礦渣微粉 粉煤灰 磷石膏 硫酸鈉
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于工業(yè)廢料的粉土固化劑，按照質(zhì)量百分比，該粉土固化劑由以下組分組成電石渣10～20%，礦渣微粉30～40%，粉煤灰30～40%，磷石膏10～20%，硫酸鈉5～10%。使用該組分的粉土固化劑，與粉土混合后，可以提高粉土固化劑固化粉土效果更佳，可以達(dá)到固化粉土所需要的工程特性。同時(shí)，本粉土固化劑來(lái)源于工業(yè)廢料，成本低廉。
文檔編號(hào)C09K17/08GK102352255SQ20111020290
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者朱志鐸, 譚敏, 郝建新, 魏仁杰 申請(qǐng)人:東南大學(xué)