一種基于脫硫灰活性的土壤固化劑及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于脫硫灰活性的土壤固化劑及其制備方法和應(yīng)用，通過化學(xué)分析或熒光分析獲得脫硫灰和礦渣微粉特征物質(zhì)的組成，重點(diǎn)測試脫硫灰中三氧化硫的含量，折算成硫酸鈣含量；測試礦渣微粉中氧化鋁含量；按照鈣礬石分子經(jīng)典結(jié)構(gòu)3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，控制脫硫灰中的硫酸鈣和礦渣微粉中的氧化鋁，兩者摩爾比不超過3:1；按照預(yù)估比例將脫硫灰和礦渣微粉拌合均勻，加入堿性激發(fā)劑氫氧化鈉和硬脂酸鋅，形成新型土壤固化劑。利用了脫硫灰活性，同時(shí)避免了脫硫灰的體積不穩(wěn)定性問題。固化效果好于粉煤灰－石灰穩(wěn)定路基材料，與水泥穩(wěn)定路基材料相當(dāng)，價(jià)格只有水泥穩(wěn)定路基材料的1/3至1/2。
【專利說明】一種基于脫硫灰活性的土壤固化劑及其制備方法和應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型土壤固化劑，利用電廠新型固體廢棄物一脫硫灰潛在的活 性，在礦渣微粉等作用下，形成具有一定的膠凝性能用于路基材料（素土，級配碎石）固化 過程。屬于土木工程材料和交通工程交叉【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 在電廠尾氣排放過程中，利用氧化鈣粉吸附尾氣中的硫后形成脫硫灰。它是一種 新型固體工業(yè)廢棄物。其氧化鈣含量、三氧化硫含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通粉煤灰材料。一般將其 經(jīng)過煅燒后變成脫硫石膏加以利用。如果直接使用脫硫灰，存在體積不穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)，很難 直接使用。同時(shí)由于各地脫硫技術(shù)和水平不一致，導(dǎo)致脫硫灰中氧化鈣和三氧化硫含量差 異較大，進(jìn)一步增加了脫硫灰直接使用的難度。將脫硫灰煅燒成脫硫石膏需要消耗大量的 能源，在環(huán)保要求日益提高的背景下，脫硫石膏生產(chǎn)線很難獲得批準(zhǔn)。必須通過合適技術(shù)來 探索脫硫灰的直接使用。
[0003] 脫硫灰體積不穩(wěn)定性主要來源于脫硫灰中的硫酸鈣會(huì)形成石膏膨脹。為消除脫硫 灰潛在的體積不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)脫硫灰未經(jīng)煅燒，直接資源化利用。本專利技術(shù)圍繞"消脹、減 壓、防水"三個(gè)核心原則，設(shè)計(jì)土壤固化劑配方。通過多層次復(fù)合，實(shí)現(xiàn)脫硫灰直接資源化利 用。
[0004] 1、利用礦粉中的氧化鋁，促進(jìn)脫硫灰中硫酸鈣轉(zhuǎn)變成鈣礬石的組成部分，鈣礬石 的水穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超高石膏，從根源上消除脫硫灰的體積不穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)消脹、減壓的目的。 選擇礦粉的原因是礦粉價(jià)格便宜，且活性高于粉煤灰。
[0005] 2、利用脫硫灰自身高鈣的特點(diǎn)，通過外補(bǔ)堿激發(fā)劑的方式，激發(fā)礦粉中氧化鈣、氧 化硅的活性，形成氫氧化鈣、C-S-H等物質(zhì)，進(jìn)一步提高固化土壤效果。調(diào)節(jié)強(qiáng)度形成過程 與體積變化過程的一致性。實(shí)現(xiàn)提高整體抗裂性目的。
[0006] 3、摻入硬脂酸鈣，提高土壤固化后的防水性。石膏膨脹或者鈣礬石吸水膨脹都需 要水分的參與，摻入硬脂酸鈣起到材料內(nèi)部防水的效果，進(jìn)一步減少脫硫灰體積不穩(wěn)定性 的可能性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種基于脫硫灰活性的土壤固化劑及其制備方法和應(yīng)用， 是一種利用脫硫灰潛在活性且避免其潛在體積不穩(wěn)定性的方法。通過在素土或級配碎石中 加入脫硫灰、礦渣微粉以及其他輔助材料后實(shí)現(xiàn)固化土壤或者級配碎石的目的。
[0008] 技術(shù)方案：一種基于脫硫灰活性的土壤固化劑的制備方法，步驟為：
[0009] (1)通過化學(xué)分析或熒光分析獲得脫硫灰和礦渣微粉特征物質(zhì)的組成，重點(diǎn)測試 脫硫灰中三氧化硫的含量，折算成硫酸鈣含量；測試礦渣微粉中氧化鋁含量；按照鈣礬石 分子經(jīng)典結(jié)構(gòu)3Ca0 ·Α1203 dCaSC^ ·32Η20,控制脫硫灰中的硫酸鈣和礦渣微粉中的氧化鋁， 兩者摩爾比不超過3:1 ;
[0010] ⑵按照預(yù)估比例將脫硫灰和礦渣微粉拌合均勻，加入堿性激發(fā)劑氫氧化鈉和硬 脂酸鋅，形成新型土壤固化劑。
[0011] 所述的礦渣微粉是超細(xì)礦渣微粉，比表面積在600m2/kg以上；或滿足S75等級及 以上要求的普通礦渣微粉；脫硫灰是經(jīng)過烘干但未經(jīng)過煅燒的工業(yè)固體廢棄物。
[0012] 脫硫灰與礦渣微粉的質(zhì)量比為1 : (0. 2?3)。
[0013] 所述的氫氧化鈉的添加量為土壤固化劑質(zhì)量的5% -10%。
[0014] 所述硬脂酸鋅添加量為土壤固化劑質(zhì)量的4% -6%。
[0015] 所述的土壤固化劑的制備方法得到的土壤固化劑，脫硫灰與礦渣微粉混合后加入 氫氧化鈉和硬脂酸鈣拌合均勻而得。
[0016] 所述的土壤固化劑在土壤固化中的應(yīng)用，使用步驟為：
[0017] (1)按照強(qiáng)度等級的不同，將土壤固化劑加入到土或碎石中，28d無側(cè)限抗壓 強(qiáng)度在2MPa以下，摻量在3 % -10 % wt ;28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在2. OMPa-5. OMPa，摻量在 10% -25% wt ；
[0018] (2) 土壤固化劑與土或碎石拌合均勻后，通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)獲得最佳含水率和最 大干密度；
[0019] (3)按照最佳含水率和最大干密度的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行現(xiàn)場施工。
[0020] 有益效果：
[0021] 脫硫灰具有高鈣、高硫的特征，通常需要經(jīng)過煅燒才能加以使用。本發(fā)明采用礦 粉、氫氧化鈉等材料發(fā)揮脫硫灰的活性且避免其潛在的體積不穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的有益 效果體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：
[0022] 1)采用本發(fā)明技術(shù)，脫硫灰不必經(jīng)過烘干煅燒工藝處理，不增加能耗和碳排量即 可實(shí)現(xiàn)脫硫灰資源化利用。
[0023] 2)按照鈣礬石的分子構(gòu)成，配制脫硫灰和礦渣微粉的質(zhì)量百分比。實(shí)現(xiàn)既發(fā)揮脫 硫灰活性又提高脫硫灰材料體積穩(wěn)定性的目的。利用脫硫灰以及礦粉中存在的氧化鈣、硫 酸鈣以及氧化鋁物質(zhì)，通過提高礦粉比表面積以及增加氧化鋁的含量等方法加速鈣礬石的 形成。促進(jìn)固化土壤強(qiáng)度形成過程與體積變形過程相一致，盡可能促進(jìn)硫酸鈣形成鈣礬石 中組成部分，避免了二水石膏形成及相應(yīng)的體積膨脹。
[0024] 3)利用脫硫灰具有較高的氧化鈣含量的特點(diǎn)，通過補(bǔ)充堿性激發(fā)劑（如氫氧化 鈉）方法去激發(fā)礦粉中二氧化硅的活性，形成C-S-H凝膠體系，提高土壤固化的效果。固化 效果好于粉煤灰一石灰穩(wěn)定路基材料，與水泥穩(wěn)定路基材料相當(dāng)，價(jià)格只有水泥穩(wěn)定路基 材料的1/3至1/2。
[0025] 4)摻加硬脂酸鈣，起到材料內(nèi)部防水效果，進(jìn)一步減小脫硫灰體積不穩(wěn)定性的風(fēng) 險(xiǎn)。
[0026] 路基材料本身就具有固一液一氣三相復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，其中的空隙也為本固化劑使 用提供了便利條件。與石灰-粉煤灰固化土（碎石）技術(shù)相比，本產(chǎn)品強(qiáng)度高，不發(fā)生體積 收縮和明顯膨脹；與水泥穩(wěn)定土（碎石）相比，本產(chǎn)品節(jié)約水泥，價(jià)格低廉，同強(qiáng)度下，本產(chǎn) 品成本僅為水泥穩(wěn)定土（碎石）的一半以下，且不存在體積收縮的風(fēng)險(xiǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本產(chǎn)品與二灰土、水泥土相同摻量下強(qiáng)度對比結(jié)果（實(shí)施例3)。
[0028] 圖2為脫硫灰-礦渣微粉反應(yīng)7d后的SEM照片，形成大量的鈣礬石晶體（實(shí)施例 3)。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 本發(fā)明提供的制備土壤固化劑的方法，步驟為：
[0030] (1)對脫硫灰進(jìn)行化學(xué)分析或者熒光分析，獲得其主要特征組成成分，重點(diǎn)測試脫 硫灰中三氧化硫的含量，折算成硫酸鈣含量；測試礦渣微粉中氧化鋁含量；按照鈣礬石分 子經(jīng)典結(jié)構(gòu)3Ca0 · A1203 · 3CaS04 · 32H20,控制脫硫灰中的硫酸鈣和礦渣微粉中的氧化鋁， 兩者摩爾比不超過3:1 ;從源頭上消除脫硫灰中潛在體積不穩(wěn)定性。為促進(jìn)鈣礬石的盡快 形成，可適當(dāng)提高氧化鋁的含量。由于各地脫硫技術(shù)并不相同，脫硫灰在組成比例上有著一 定的差別。本發(fā)明中提出了基于鈣礬石經(jīng)典分子結(jié)構(gòu)來計(jì)算脫硫灰與礦渣微粉比例上限的 方法。
[0031] (2)將脫硫灰進(jìn)行烘干，使其含水量< 1%，最好是低于0.5% wt，避免影響脫硫 灰-礦渣微粉固化土（碎石）中拌合水的稱量。
[0032] (2)對礦渣微粉的物理化學(xué)性能進(jìn)行測定，重點(diǎn)測試氧化鋁含量。
[0033] (3)按照鈣礬石的分子式，預(yù)估出脫硫灰與礦渣微粉的比例，將其拌合在一起，力口 入一定量的氫氧化鈉和硬脂酸鈣，形成土壤固化劑。
[0034] (4)按照不同工程技術(shù)要求，特別是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，將本產(chǎn)品按照擬固化土 壤（碎石）數(shù)量按照一定的比例加入其中。摻加比例通常在3%-25%，最大干密度和最佳 含水率通過擊實(shí)試驗(yàn)確定。按照強(qiáng)度等級的不同，將本產(chǎn)品加入到土或碎石中。摻加比例 與素土樣品性能有關(guān)，建議28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在2. OMPa以下，摻量在3% -10% ;28d無 側(cè)限抗壓強(qiáng)度在2. OMPa-5. OMPa，摻量在10% -25% ;或者通過試驗(yàn)確定。
[0035] 實(shí)施例1 :
[0036] ⑴稱取二級配碎石5-10,10-15mm，碎石質(zhì)量百分比為85%，本產(chǎn)品占比15%。所 用脫硫灰來自南京，其中熒光分析結(jié)果表明其中三氧化硫含量為18.9% (質(zhì)量比）。礦渣 微粉為S95等級，其中氧化鋁含量為12. 15% (質(zhì)量比），將三氧化硫折算成硫酸鈣，其占比 約為27. 45% (質(zhì)量比），按形成鈣礬石分子結(jié)構(gòu)計(jì)算，該脫硫灰與礦渣微粉理論質(zhì)量比不 應(yīng)超過1. 8 :1，實(shí)際使用比例為1 :1。外加一定量的氫氧化鈉和硬脂酸鈣，即脫硫灰：礦粉： 氫氧化鈉：硬脂酸鈣=1 :1 :〇. 13 :0. 08(質(zhì)量比）。
[0037] ⑵稱取級配碎石（占比85% )和本產(chǎn)品（占比15% )，分別選擇5%、7%、9%、 11 %、13%的含水率，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，測得最佳含水率為9. 5%，最大干密度為2. 118g/cm3。
[0038] (3)采用碾壓法成型無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，具體可參考GB/T50123-1999標(biāo)準(zhǔn)。
[0039] (4)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6d，水養(yǎng)ld，測量無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。
[0040] (5)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度7d達(dá)到了 2.5MPa。超過普通二灰碎石的要求，基本滿足高等 級公路水泥穩(wěn)定碎石的要求。
[0041] 實(shí)施例2:
[0042] (1)為研究本產(chǎn)品的水穩(wěn)定性能，將脫硫灰與礦渣微粉分別按照3 :1，1 :1以及1 : 3的比例（質(zhì)量比）進(jìn)行拌合，再將具有不同配比的本產(chǎn)品以5 %、15 %、20 %以及25 %的摻 量加入到土中，按照素土的最佳含水率，成型試樣。試樣形貌同實(shí)施例1中試樣，直徑和高 度均為100mm的圓柱體。本試驗(yàn)中未摻入氫氧化鈉和硬脂酸鈣。
[0043] (2)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d后，晾干，再在其四周圍進(jìn)行蠟封，在其上端面黏貼玻璃塊，將試 樣放置在水中，采用千分表測試其在水中的體積變化。實(shí)驗(yàn)過程參考GB/T50082-2009標(biāo) 準(zhǔn)。
[0044] (3)由于側(cè)面被蠟封，水分主要通過上下端面進(jìn)入，分別測量ld、3d、7d、14d、28d、 56d的體積變化。
[0045] (4)經(jīng)過56d水浸泡后，試樣均未潰散、開裂，其中脫硫灰和礦渣微粉按照1 :1以 及1 :3拌合的試樣表觀狀態(tài)較好，無明顯體積膨脹變形。而脫硫灰和礦渣微粉按照3 :1拌 合的試樣，存在較為明顯的體積膨脹。試驗(yàn)結(jié)果表明按照鈣礬石分子結(jié)構(gòu)計(jì)算理論配比上 限方法具有一定的合理性。在滿足理論配比上限的情況下，消除了脫硫灰潛在的體積不穩(wěn) 定性。
[0046] (5)脫硫灰通常具有一定的體積不穩(wěn)定性，必須按照其化學(xué)組成進(jìn)行合理的配比， 消除其體積不穩(wěn)定性。鈣礬石本身也存在一定的體積膨脹性能，理論上其體積膨脹量在 5%-10%左右，但相對于脫硫灰中石膏的體積膨脹主要發(fā)生在強(qiáng)度形成后期，而鈣礬石體 積變化過程基本與強(qiáng)度形成過程相一致，其危害性大幅度降低。
[0047] 實(shí)施例3 :
[0048] (1)將本產(chǎn)品中脫硫灰與超細(xì)礦渣微粉分別按照1 :1的比例進(jìn)行拌合，再將具有 不同配比的本產(chǎn)品以5%的摻量加入到素土中，按照素土的最佳含水率確定用水量，成型試 樣。試樣形貌同實(shí)施例1中試樣，記為組1。
[0049] (2)將本產(chǎn)品中脫硫灰與S95礦渣微粉分別按照1 :1的比例進(jìn)行拌合，再將具有 不同配比的本產(chǎn)品以5%的摻量加入到素土中，按照素土的最佳含水率確定用水量，成型試 樣。試樣形貌同實(shí)施例1中試樣，記為組2。
[0050] (3)將粉煤灰和石灰也按照1 :1的比例拌合，以5%的摻量摻加到同樣的素土中， 由于使用同種素土，用水量保持一致。成型試樣，記為組3
[0051] (4)將P. 0. 42. 5水泥以5%的摻量摻加到同樣的素土中，由于使用同種素土，用水 量保持一致。成型試樣，記為組4
[0052] (5)組1、2、3、4試樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6d。水養(yǎng)ld，測量無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果如 圖1所示。
[0053] (6)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，表明同摻量條件下，使用本產(chǎn)品的試樣強(qiáng)度與使用 P. 0. 42. 5強(qiáng)度相當(dāng)，特別是當(dāng)本產(chǎn)品配方中采用超細(xì)礦渣微粉時(shí)候，其效果與水泥土幾乎 相同，遠(yuǎn)高于二灰土。
[0054] (7)對使用本產(chǎn)品的試樣，進(jìn)行SEM測試分析，結(jié)果如圖2所示，電鏡測試結(jié)果表明 其中形成了大量鈣礬石晶體。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于脫硫灰活性的土壤固化劑的制備方法，其特征在于，步驟為： (1) 通過化學(xué)分析或熒光分析獲得脫硫灰和礦渣微粉特征物質(zhì)的組成，重點(diǎn)測試脫硫 灰中三氧化硫的含量，折算成硫酸鈣含量；測試礦渣微粉中氧化鋁含量；按照鈣礬石分子 經(jīng)典結(jié)構(gòu)3CaO · A1203 · 3CaS04 · 32H20,控制脫硫灰中的硫酸鈣和礦渣微粉中的氧化鋁，兩 者摩爾比不超過3:1 ; (2) 按照預(yù)估比例將脫硫灰和礦渣微粉拌合均勻，加入堿性激發(fā)劑氫氧化鈉和硬脂酸 鋅，形成新型土壤固化劑。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于脫硫灰活性的土壤固化劑的制備方法，其特征在于，所述 的礦渣微粉是超細(xì)礦渣微粉，比表面積在600m 2/kg以上；或滿足S75等級及以上要求的普 通礦渣微粉；脫硫灰是經(jīng)過烘干但未經(jīng)過煅燒的工業(yè)固體廢棄物。
3. 權(quán)利要求1所述的基于脫硫灰活性的土壤固化劑的制備方法，其特征在于，脫硫灰 與礦渣微粉的質(zhì)量比為1 : (0. 2?3)。
4. 權(quán)利要求1所述的基于脫硫灰活性的土壤固化劑的制備方法，其特征在于，所述的 氫氧化鈉的添加量為土壤固化劑質(zhì)量的5% -10%。
5. 權(quán)利要求1所述的土壤固化劑的制備方法基于脫硫灰活性的土壤固化劑的制備方 法，其特征在于，所述硬脂酸鋅添加量為土壤固化劑質(zhì)量的4% -6%。
6. 權(quán)利要求1?5任一所述的基于脫硫灰活性的土壤固化劑的制備方法得到的土壤固 化劑，其特征在于，脫硫灰與礦渣微粉混合后加入氫氧化鈉和硬脂酸鈣拌合均勻而得。
7. 權(quán)利要求6所述的土壤固化劑在土壤固化中的應(yīng)用，其特征在于，使用步驟為： (1) 按照強(qiáng)度等級的不同，將土壤固化劑加入到土或碎石中，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在 2MPa以下，摻量在3% -10% wt ;28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在2. OMPa-5. OMPa，摻量在10% -25% wt ; (2) 土壤固化劑與土或碎石拌合均勻后，通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)獲得最佳含水率和最大干 密度； (3) 按照最佳含水率和最大干密度的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行現(xiàn)場施工。
【文檔編號(hào)】E02D3/12GK104045293SQ201410271682
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】陳春, 潘鋼華 申請人:東南大學(xué)