專利名稱：一種用于道路施工的土壤固化劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及道路及建筑施工技術(shù)領(lǐng)域，具體說是涉及到一種用于道路施工的土壤固化劑。
背景技術(shù)：
眾所周知，在道路及建筑施工中，地基的結(jié)構(gòu)及質(zhì)量對于地上道路、橋梁等建筑物的使用壽命及承載力具有決定性的作用，而構(gòu)成地基的專用土是對不同性質(zhì)的土壤進(jìn)行固結(jié)處理后形成的。土壤是一種巖石自然風(fēng)化后的產(chǎn)物，在土壤中通常含有20-70％、粒徑為0.3-3μm的高嶺石晶體。高嶺石含量高的土壤具有較大的粘性，高嶺石含量低的土壤具有較小的粘性，所以必須通過對土壤進(jìn)行固結(jié)及相應(yīng)的技術(shù)處理后才能用于道路或建筑施工中。傳統(tǒng)的固結(jié)土壤的方法是在粘性大的土壤中摻入一定量的生石灰或消石灰，經(jīng)過攪拌、壓實(shí)、淋水和自然養(yǎng)護(hù)，制備成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)土壤，這種用石灰固結(jié)的土壤稱為石灰穩(wěn)定土。在石灰穩(wěn)定土制備過程中，高嶺石粒子的表面層將水化生成帶負(fù)電荷的鋁硅酸根陰離子，并呈酸性；生石灰也將水化生成強(qiáng)堿性的Ca(OH)2。帶正電荷的鈣離子Ca2+將會自動地游離到高嶺石粒子的周圍，與鋁硅酸根陰離子發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，生成一種具有水硬性的水化鋁硅酸鈣凝膠，通常稱之為C-S-H凝膠。這種C-S-H凝膠對于土壤具有較好的固結(jié)能力，使固結(jié)后的土壤具有一定的強(qiáng)度；對于粘性小的土壤則是摻入一些水泥來提高土壤的固結(jié)強(qiáng)度，這種用水泥固結(jié)的土壤稱為水泥穩(wěn)定土，在水泥穩(wěn)定土制備過程中，大約僅有20％轉(zhuǎn)化成Ca(OH)2，其余80％直接轉(zhuǎn)化成C-S-H凝膠。因此，采用水泥來固結(jié)土壤時，主要地依靠水泥自身水化生成的C-S-H凝膠來固結(jié)土壤，石灰穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定土都可以用來制備公路的底基層(位于地下土和基層之間)和基層(位于路面層和底基層之間)，但是實(shí)踐證明，無論是采用石灰來固結(jié)土壤還是采用水泥來固結(jié)土壤，生成C-S-H凝膠的過程都會引起被固結(jié)土壤的體積收縮，并且會隨著C-S-H凝膠量增加，被固結(jié)的土壤的體積收縮率也相應(yīng)增大。當(dāng)采用石灰和/或水泥固結(jié)的土壤來制備公路的底基層和基層時，這種收縮將會在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生許多小的裂隙，因而將危害它的抗水滲透性和抗凍性，并且由于底基層和基層的板體性降低，可使公路的瀝青路面或混凝土路面出現(xiàn)一些大的裂縫，從而嚴(yán)重地影響公路的質(zhì)量。因此，在公路施工過程中，經(jīng)常采用控制底基層和基層的固結(jié)土壤強(qiáng)度不得超過規(guī)定的上限的方法來減少由土壤收縮造成的危害，然而，限制了底基層和基層土壤的固結(jié)強(qiáng)度又會反過來對于公路在今后使用過程中的承載能力和使用壽命產(chǎn)生不利的影響。目前，采取解決的辦法是一般只允許采用石灰和/或水泥固結(jié)的土壤來制備公路的底基層，而公路的基層則較多地采用由石灰、濕排粉煤灰和砂石混合制備而成的石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土，其原理是，生石灰水化生成的Ca(OH)2與粉煤灰反應(yīng)，生成一定量的C-S-H凝膠，從而把這種混合料固結(jié)在一起。由此可見，用石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土制備成的基層仍然不可避免地會出現(xiàn)由體積收縮造成的公路質(zhì)量問題，只是由于在這種混合料中摻入了80-85％的砂石集料，使之體積收縮率比石灰和/或水泥固結(jié)的土境的體積收縮率有所減少而已。在公路施工過程中，應(yīng)用石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定土另一個重大缺點(diǎn)是，必須首先把基層位置原來的土壤挖出運(yùn)走，再用工廠預(yù)拌的這種混合料取而代之，這必將大大增加運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁亢统杀尽?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過工業(yè)廢物的再利用，從而生產(chǎn)提供一種可使被固結(jié)的土壤不產(chǎn)生體積收縮，提高土壤的防水滲透性和防凍性，從而加強(qiáng)底基層和基層的板體性，避免公路路面產(chǎn)生裂縫，提高公路的施工質(zhì)量，降低施工成本且符合環(huán)保要求的用于道路施工的土壤固化劑。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種用于道路施工的土壤固化劑，其特點(diǎn)是以發(fā)電廠燃燒亞煙煤或褐煤時所產(chǎn)生的干排粉煤灰和脫硫石膏兩種廢料為主要成分，輔以生石灰和/或水泥、熟石膏以及硫酸鋁/明礬石等次要成分，通過稱量配比、強(qiáng)制攪拌及混合，制成干粉狀態(tài)的土壤固化劑產(chǎn)品，其各組份配方范圍如下，均以重量百分比計(jì)粉煤灰 50-80％生石灰和/或水泥 15-30％脫硫石膏(干基) 5-15％熟石膏 0-10％硫酸鋁/明礬石 0-5％以上各組份含量的百分?jǐn)?shù)之和應(yīng)為100％。
上述所述干排粉煤灰是發(fā)電廠燃燒亞煙煤或褐煤的煙氣通過電過濾器時收集到的，屬于具有潛在的水硬性的膠凝材料，其粒徑一般不大于45μm，在它的化學(xué)成分中CaO含量為15-30％。
在上述組份配方中的脫硫石膏是發(fā)電廠燃燒煤的煙氣在脫硫過程中得到的一種潮濕粉狀的工業(yè)廢料，在本發(fā)明中應(yīng)直接采用未經(jīng)烘干的濕態(tài)脫硫石膏，其中CaSO4·2H2O含量應(yīng)不低于85％，吸附水含量應(yīng)不高于15％。
上述所述熟石膏又稱為建筑石膏，采用天然石膏石或脫硫石膏經(jīng)過煅燒和粉磨而制成的粉狀物料，其中β-CaSO4·1/2H2O含量應(yīng)不低于70％。
上述所述生石灰又稱為建筑石灰，采用天然石灰石經(jīng)過煅燒和粉磨制成的粉狀物料，其中CaO含量應(yīng)不低于70％，MgO含量應(yīng)不高于5％。
水上述所述水泥可以采用42.5MPa或32.5MPa普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥。
在上面的原料配方中，“生石灰和/或水泥”的含義是本發(fā)明允許選用的以下三種原料配方第一種是采用生石灰但不采用水泥的原料配方；第二種是采用水泥但不采用生石灰的原料配方；第三種是同時采用生石灰和水泥的原料配方。
本發(fā)明的制備程序是按已選定的原料配方秤量各種原料，直接采用未經(jīng)烘干的脫硫石膏來配料，為了保證最終制成干粉狀態(tài)的土壤固化劑產(chǎn)品，本發(fā)明要求在上面的原料配方中包含一定量的生石灰和/或熟石膏，并且要求它們在土壤固化劑的制備過程中發(fā)生水化反應(yīng)時正好能夠吃掉脫硫石膏中的吸附水，同時也降低土壤固化劑的生產(chǎn)成本。為了避免水泥在土壤固化劑的制備過程中發(fā)生水化反應(yīng)而失效，把除去水泥之外的其它各種原料倒入攪拌機(jī)中，以強(qiáng)制攪拌方式打散脫硫石膏的濕料團(tuán)，并且使它與其它物料均勻混合的同時，它所含有的吸附水將被生石灰和/或熟石膏的水化反應(yīng)過程消耗掉，從而制成比較均勻的干粉物料。如果選定的是采用生石灰但不采用水泥的原料配方，這種干粉物料即為最終的土壤固化劑產(chǎn)品；如果選定的是采用水泥但不采用生石灰的原料配方或者是同時采用生石灰和水泥的原料配方，則應(yīng)再把已秤量的水泥倒入攪拌機(jī)中，與其它物料一同繼續(xù)攪拌而制成最終的土壤固化劑產(chǎn)品。
本發(fā)明的土壤固化劑固結(jié)土壤的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是當(dāng)把一定量(約5-10％)的這種土壤固化劑摻入土壤中，并且經(jīng)過攪拌、壓實(shí)、淋水和自然養(yǎng)護(hù)等處理，由于土壤固化劑的主要原料粉煤灰屬于潛在的水硬性的膠凝材料，遇水后粉煤灰粒子的表面比高嶺石粒子的表面更易于水化生成鋁硅酸根陰離子層，并且，由生石灰和/或水泥水化后提供一定量的Ca(OH)2，由脫硫石膏和熟石膏水化后提供一定量的CaSO4·2H2O。實(shí)驗(yàn)證明，在CaSO4·2H2O直接參與，并且又有硫酸鋁或明礬石的激發(fā)作用下(明礬石是一種含有K2SO4·(AlO)2SO4·6H2O的天然明礬石粉狀物料，而硫酸鋁含有一種含有Al2(SO4)3)，將極大地促進(jìn)Ca(OH)2與粉煤灰粒子的鋁硅酸根陰離子表面層之間的酸堿中和反應(yīng)，生成一種包含有水化硫鋁酸鈣凝膠的復(fù)合C-S-H凝膠。并且，在之后的常溫自然養(yǎng)護(hù)條件下，這種水化硫鋁酸鈣凝膠將會從復(fù)合的C-S-H凝膠中離析出來，生成分子式為3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O的鈣礬石針狀晶體。這種鈣礬石晶體具有極佳的水硬性，它將與尚未結(jié)晶的C-S-H凝膠一起提高土壤的固結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，無論對于粘性土壤還是對于非粘性土壤，在達(dá)到相同的土壤固結(jié)強(qiáng)度的條件下，采用這種土壤化劑時的使用量可以比采用生石灰時的使用量節(jié)省30％。更可貴的是，在生成鈣礬石晶體的過程中，將伴隨產(chǎn)生較大的體積膨脹，這種體積膨脹的作用不僅可以完全抵消生成C-S-H凝膠過程中產(chǎn)生的體積收縮，而且還可以引起被固結(jié)的土壤產(chǎn)生微膨脹。當(dāng)采用這種土壤固化劑固結(jié)的土壤制備公路的底基層和基層時，與傳統(tǒng)的石灰和/或水泥固結(jié)的土壤以及石灰粉煤灰類混合料相比，土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)將可能由這種微膨脹的作用而變得更為致密，從而提高它的防水滲透性和防凍性，并且由于可以提高底基層和基層的板體性，將有利于避免公路路面產(chǎn)生裂縫，從而將有可能大幅度地提高公路的施工質(zhì)量。此外，本發(fā)明還可以廣泛地應(yīng)用于制備鐵路和建筑的基礎(chǔ)、加固河床和河堤、固結(jié)裸露的表土以防止塵土飛揚(yáng)，以及水土保持等領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式
以下通過具體實(shí)施例來詳述本發(fā)明實(shí)施例1以干排粉煤灰和濕態(tài)脫硫石膏兩種工業(yè)廢料為主要成分，輔以生石灰、以及明礬石等次要成分，通過稱量配比、強(qiáng)制攪拌及混合，制成干粉狀態(tài)的土壤固化劑產(chǎn)品，其各組份配方比例如下，均以重量百分比計(jì)粉煤灰 65％生石灰 25％
脫硫石膏(干基) 7％明礬石 3％實(shí)施例2以干排粉煤灰和濕態(tài)脫硫石膏兩種工業(yè)廢料為主要成分，輔以水泥、熟石膏以及硫酸鋁等次要成分，通過稱量配比、強(qiáng)制攪拌及混合，制成干粉狀態(tài)的土壤固化劑產(chǎn)品，其各組份配方比例如下，均以重量百分比計(jì)粉煤灰 68％水泥 20％脫硫石膏 5％熟石膏 5％硫酸鋁 2％實(shí)施例3以干排粉煤灰和濕態(tài)脫硫石膏兩種工業(yè)廢料為主要成分，輔以生石灰、水泥、熟石膏以及明礬石等其他成分，通過稱量配比、強(qiáng)制攪拌及混合，制成干粉狀態(tài)的土壤固化劑產(chǎn)品，其各組份配方比例如下粉煤灰 60％生石灰 14％水泥 10％脫硫石膏(干基) 7％熟石膏 7％明礬石 2％以上各實(shí)施例中各組份配方比例，均以重量百分比計(jì)，且各組份含量的百分?jǐn)?shù)之和應(yīng)為100％。
權(quán)利要求
1.一種用于道路施工的土壤固化劑，其特征在于以發(fā)電廠燃燒亞煙煤或褐煤時所產(chǎn)生的干排粉煤灰和脫硫石膏兩種廢料為主要成分，輔以生石灰和/或水泥、熟石膏以及硫酸鋁/明礬石等次要成分，通過稱量配比、強(qiáng)制攪拌及混合，制成干粉狀態(tài)的土壤固化劑產(chǎn)品，其各組份配方范圍如下，均以重量百分比計(jì)粉煤灰50-80％生石灰和/或水泥 15-30％脫硫石膏(干基)5-15％熟石膏0-10％硫酸鋁/明礬石 0-5％以上各組份含量的百分?jǐn)?shù)之和應(yīng)為100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于道路施工的土壤固化劑，其特征在于所述干排粉煤灰的粒徑一般不大于45μm，在它的化學(xué)成分中CaO含量為15-30％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于道路施工的土壤固化劑，其特征在于所述的脫硫石膏應(yīng)直接采用未經(jīng)烘干的濕態(tài)脫硫石膏，濕態(tài)脫硫石膏中的吸附水在制備土壤固化劑過程中發(fā)生水化反應(yīng)時，被配方中的生石灰和/或熟石膏所吸收。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于道路施工的土壤固化劑，其特征在于所述熟石膏又稱為建筑石膏，采用天然石膏石或脫硫石膏經(jīng)過煅燒和粉磨而制成的粉狀物料，其中β-CaSO4·1/2H2O含量應(yīng)不低于70％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于道路施工的土壤固化劑，其特征在于所述生石灰又稱為建筑石灰，采用天然石灰石經(jīng)過煅燒和粉磨制成的粉狀物料，其中CaO含量應(yīng)不低于70％，MgO含量應(yīng)不高于5％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于道路施工的土壤固化劑，其特征在于所述水泥采用42.5MPa或32.5MPa普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于道路施工的土壤固化劑，其特征在于所述的組份配方中，如采用水泥或是同時采用生石灰和水泥制備土壤固化劑，為了避免水泥在制備過程中發(fā)生水化而失效，應(yīng)在其他組份進(jìn)行一次攪拌混合后再加入水泥組份進(jìn)行第二次攪拌制成土壤固化劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于道路施工的土壤固化劑，以發(fā)電廠燃燒亞煙煤或褐煤時所產(chǎn)生的干排粉煤灰和脫硫石膏兩種廢料為主要成分，輔以生石灰和/或水泥、熟石膏以及硫酸鋁/明礬石等次要成分，通過稱量配比、強(qiáng)制攪拌及混合，制備成干粉狀態(tài)的土壤固化劑產(chǎn)品，把一定量土壤固化劑摻入土壤中，并且經(jīng)過攪拌、壓實(shí)、淋水和養(yǎng)護(hù)等處理，就可固結(jié)土壤。本發(fā)明可使被固結(jié)的土壤增加強(qiáng)度、不產(chǎn)生體積收縮、加強(qiáng)底基層和基層的板體性、提高土壤的防水滲透性和防凍性、避免公路路面產(chǎn)生裂縫、降低施工成本且提高公路的施工質(zhì)量且符合環(huán)保要求。本發(fā)明還可應(yīng)用于鐵路和建筑的基礎(chǔ)、加固河床和河堤、固結(jié)裸露的表土以防止塵土飛揚(yáng)，以及水土保持等領(lǐng)域。
文檔編號E02D3/00GK1562851SQ20041000872
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者徐爾昌, 余健源 申請人:徐爾昌