CN100434383C - 一种用于道路施工的土壤固化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于道路施工的土壤固化剂，以发电厂燃烧亚烟煤或褐煤时所产生的干排粉煤灰和脱硫石膏两种废料为主要成分，辅以生石灰和/或水泥、熟石膏以及硫酸铝或明矾石次要成分，通过称量配比、强制搅拌及混合，制备成干粉状态的土壤固化剂产品，把一定量土壤固化剂掺入土壤中，并且经过搅拌、压实、淋水和养护等处理，就可固结土壤。本发明可使被固结的土壤增加强度、不产生体积收缩、加强底基层和基层的板体性、提高土壤的防水渗透性和防冻性、避免公路路面产生裂缝、降低施工成本且提高公路的施工质量且符合环保要求。本发明还可应用于铁路和建筑的基础、加固河床和河堤、固结裸露的表土以防止尘土飞扬，以及水土保持等领域。
Description
所属技术领域
本发明涉及道路及建筑施工技术领域，具体说是涉及到一种用于道路施工的土壤固化剂。
背景技术
众所周知，在道路及建筑施工中，地基的结构及质量对于地上道路、桥梁等建筑物的使用寿命及承载力具有决定性的作用，而构成地基的专用土是对不同性质的土壤进行固结处理后形成的。土壤是一种岩石自然风化后的产物，在土壤中通常含有20-70％、粒径为0.3-3μm的高岭石晶体。高岭石含量高的土壤具有较大的粘性，高岭石含量低的土壤具有较小的粘性，所以必须通过对土壤进行固结及相应的技术处理后才能用于道路或建筑施工中。传统的固结土壤的方法是：在粘性大的土壤中掺入一定量的生石灰或消石灰，经过搅拌、压实、淋水和自然养护，制备成具有一定强度的固结土壤，这种用石灰固结的土壤称为石灰稳定土。在石灰稳定土制备过程中，高岭石粒子的表面层将水化生成带负电荷的铝硅酸根阴离子，并呈酸性；生石灰也将水化生成强碱性的Ca(OH)2。带正电荷的钙离子Ca2+将会自动地游离到高岭石粒子的周围，与铝硅酸根阴离子发生酸碱中和反应，生成一种具有水硬性的水化铝硅酸钙凝胶，通常称之为C-S-H凝胶。这种C-S-H凝胶对于土壤具有较好的固结能力，使固结后的土壤具有一定的强度；对于粘性小的土壤则是掺入一些水泥来提高土壤的固结强度，这种用水泥固结的上壤称为水泥稳定土，在水泥稳定土制备过程中，大约仅有20％转化成Ca(OH)2，其余80％直接转化成C-S-H凝胶。因此，采用水泥来固结土壤时，主要地依靠水泥自身水化生成的C-S-H凝胶来固结土壤，石灰稳定土和水泥稳定土都可以用来制备公路的底基层(位于地下土和基层之间)和基层(位于路面层和底基层之间)，但是实践证明，无论是采用石灰来固结土壤还是采用水泥来固结土壤，生成C-S-H凝胶的过程都会引起被固结土壤的体积收缩，并且会随着C-S-H凝胶量增加，被固结的土壤的体积收缩率也相应增大。当采用石灰和/或水泥固结的土壤来制备公路的底基层和基层时，这种收缩将会在其内部结构中产生许多小的裂隙，因而将危害它的抗水渗透性和抗冻性，并且由于底基层和基层的板体性降低，可使公路的沥青路面或混凝土路面出现一些大的裂缝，从而严重地影响公路的质量。因此，在公路施工过程中，经常采用控制底基层和基层的固结土壤强度不得超过规定的上限的方法来减少由土壤收缩造成的危害，然而，限制了底基层和基层土壤的固结强度又会反过来对于公路在今后使用过程中的承载能力和使用寿命产生不利的影响。目前，采取解决的办法是一般只允许采用石灰和/或水泥固结的土壤来制备公路的底基层，而公路的基层则较多地采用由石灰、湿排粉煤灰和砂石混合制备而成的石灰工业废渣稳定土，其原理是，生石灰水化生成的Ca(OH)2与粉煤灰反应，生成一定量的C-S-H凝胶，从而把这种混合料固结在一起。由此可见，用石灰工业废渣稳定土制备成的基层仍然不可避免地会出现由体积收缩造成的公路质量问题，只是由于在这种混合料中掺入了80-85％的砂石集料，使之体积收缩率比石灰和/或水泥固结的土境的体积收缩率有所减少而已。在公路施工过程中，应用石灰工业废渣稳定土另一个重大缺点是，必须首先把基层位置原来的土壤挖出运走，再用工厂预拌的这种混合料取而代之，这必将大大增加运输的工作量和成本。
发明内容
本发明的目的是通过工业废物的再利用，从而生产提供一种可使被固结的土壤不产生体积收缩，提高土壤的防水渗透性和防冻性，从而加强底基层和基层的板体性，避免公路路面产生裂缝，提高公路的施工质量，降低施工成本且符合环保要求的用于道路施工的土壤固化剂。
为了达到上述目的，一种用于道路施工的土壤固化剂，其特征在于：以发电厂燃烧亚烟煤或褐煤时所产生的干排粉煤灰和脱硫石膏两种废料为主要成分，辅以生石灰和/或水泥、熟石膏以及硫酸铝或明矾石次要成分，通过称量配比、强制搅拌及混合，制成干粉状态的土壤固化剂产品，其中脱硫石膏直接采用未经烘干的湿态脱硫石膏，CaSO4·2H2O含量不低于85％，吸附水含量不高于15％，熟石膏称为建筑石膏，采用天然石膏石或脱硫石膏经过煅烧和粉磨而制成的粉状物料，其中β-CaSO4·1/2H2O含量应不低于70％，各组份配方范围如下，均以重量百分比计：
粉煤灰 50-80％
生石灰和/或水泥 15-30％
脱硫石膏-干基 5-15％
熟石膏 0-10％
硫酸铝或明矾石 0-5％
以上各组份含量的百分数之和应为100％。
上述所述干排粉煤灰是发电厂燃烧亚烟煤或褐煤的烟气通过电过滤器时收集到的，属于具有潜在的水硬性的胶凝材料，其粒径一般不大于45μm，在它的化学成分中CaO含量为15-30％。
在上述组份配方中的脱硫石膏是发电厂燃烧煤的烟气在脱硫过程中得到的一种潮湿粉状的工业废料，在本发明中应直接采用未经烘干的湿态脱硫石膏，湿态脱硫石膏中的吸附水在制备土壤固化剂过程中发生水化反应时，被配方中的生石灰和/或熟石膏所吸收。
上述所述生石灰也称为建筑石灰，采用天然石灰石经过煅烧和粉磨制成的粉状物料，其中CaO含量应不低于70％，MgO含量应不高于5％。
上述所述水泥可以采用42.5MPa或32.5MPa普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。
在上面的原料配方中，“生石灰和/或水泥”的含义是本发明允许选用的以下三种原料配方：第一种是采用生石灰但不采用水泥的原料配方；第二种是采用水泥但不采用生石灰的原料配方；第三种是同时采用生石灰和水泥的原料配方。
本发明的制备程序是：按已选定的原料配方秤量各种原料，直接采用未经烘干的脱硫石膏来配料，为了保证最终制成干粉状态的土壤固化剂产品，本发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，并且要求它们在土壤固化剂的制备过程中发生水化反应时正好能够吃掉脱硫石膏中的吸附水，同时也降低土壤固化剂的生产成本。为了避免水泥在土壤固化剂的制备过程中发生水化反应而失效，把除去水泥之外的其它各种原料倒入搅拌机中，以强制搅拌方式打散脱硫石膏的湿料团，并且使它与其它物料均匀混合的同时，它所含有的吸附水将被生石灰和/或熟石膏的水化反应过程消耗掉，从而制成比较均匀的干粉物料。如果选定的是采用生石灰但不采用水泥的原料配方，这种干粉物料即为最终的土壤固化剂产品；如果选定的是采用水泥但不采用生石灰的原料配方或者是同时采用生石灰和水泥的原料配方，则应再把已秤量的水泥倒入搅拌机中，与其它物料一同继续搅拌而制成最终的土壤固化剂产品。
本发明的土壤固化剂固结土壤的化学反应机理是：当把一定量(约5-10％)的这种土壤固化剂掺入土壤中，并且经过搅拌、压实、淋水和自然养护等处理，由于土壤固化剂的主要原料粉煤灰属于潜在的水硬性的胶凝材料，遇水后粉煤灰粒子的表面比高岭石粒子的表面更易于水化生成铝硅酸根阴离子层，并且，由生石灰和/或水泥水化后提供一定量的Ca(OH)2，由脱硫石膏和熟石膏水化后提供一定量的CaSO4·2H2O。实验证明，在CaSO4·2H2O直接参与，并且又有硫酸铝或明矾石的激发作用下(明矾石是一种含有K2SO4·(AlO)2SO4·6H2O的天然明矾石粉状物料，而硫酸铝含有一种含有Al2(SO4)3)，将极大地促进Ca(OH)2与粉煤灰粒子的铝硅酸根阴离子表面层之间的酸碱中和反应，生成一种包含有水化硫铝酸钙凝胶的复合C-S-H凝胶。并且，在之后的常温自然养护条件下，这种水化硫铝酸钙凝胶将会从复合的C-S-H凝胶中离析出来，生成分子式为3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O的钙矾石针状晶体。这种钙矾石晶体具有极佳的水硬性，它将与尚未结晶的C-S-H凝胶一起提高土壤的固结强度。试验表明，无论对于粘性土壤还是对于非粘性土壤，在达到相同的土壤固结强度的条件下，采用这种土壤化剂时的使用量可以比采用生石灰时的使用量节省30％。更可贵的是，在生成钙矾石晶体的过程中，将伴随产生较大的体积膨胀，这种体积膨胀的作用不仅可以完全抵消生成C-S-H凝胶过程中产生的体积收缩，而且还可以引起被固结的土壤产生微膨胀。当采用这种土壤固化剂固结的土壤制备公路的底基层和基层时，与传统的石灰和/或水泥固结的土壤以及石灰粉煤灰类混合料相比，土壤内部结构将可能由这种微膨胀的作用而变得更为致密，从而提高它的防水渗透性和防冻性，并且由于可以提高底基层和基层的板体性，将有利于避免公路路面产生裂缝，从而将有可能大幅度地提高公路的施工质量。此外，本发明还可以广泛地应用于制备铁路和建筑的基础、加固河床和河堤、固结裸露的表土以防止尘土飞扬，以及水土保持等领域。
具体实施方式
以下通过具体实施例来详述本发明：
实施例1
以干排粉煤灰和湿态脱硫石膏两种工业废料为主要成分，辅以生石灰、以及明矾石等次要成分，通过称量配比、强制搅拌及混合，制成干粉状态的土壤固化剂产品，其各组份配方比例如下，均以重量百分比计：
粉煤灰 65％
生石灰 25％
脱硫石膏-干基 7％
明矾石 3％
实施例2
以干排粉煤灰和湿态脱硫石膏两种工业废料为主要成分，辅以水泥、熟石膏以及硫酸铝等次要成分，通过称量配比、强制搅拌及混合，制成干粉状态的土壤固化剂产品，其各组份配方比例如下，均以重量百分比计：
粉煤灰 68％
水泥 20％
脱硫石膏-干基 5％
熟石膏 5％
硫酸铝 2％
实施例3
以干排粉煤灰和湿态脱硫石膏两种工业废料为主要成分，辅以生石灰、水泥、熟石膏以及明矾石等其他成分，通过称量配比、强制搅拌及混合，制成干粉状态的土壤固化剂产品，其各组份配方比例如下：
粉煤灰 60％
生石灰 14％
水泥 10％
脱硫石膏-干基 7％
熟石膏 7％
明矾石 2％
以上各实施例中各组份配方比例，均以重量百分比计，且各组份含量的百分数之和应为100％。
Claims (5)
1.一种用于道路施工的土壤固化剂，其特征在于：以发电厂燃烧亚烟煤或褐煤时所产生的干排粉煤灰和脱硫石膏两种废料为主要成分，辅以生石灰和/或水泥、熟石膏以及硫酸铝或明矾石次要成分，通过称量配比、强制搅拌及混合，制成干粉状态的土壤固化剂产品，其中脱硫石膏直接采用未经烘于的湿态脱硫石膏，CaSO4·2H2O含量不低于85％，吸附水含量不高于15％，熟石膏采用天然石膏石或脱硫石膏经过煅烧和粉磨而制成的粉状物料，其中β-CaSO4·1/2HzO含量不低于70％，各组份配方范围如下，均以重量百分比计：
粉煤灰 50-80％
生石灰和/或水泥 15-30％
脱硫石膏-干基 5-15％
熟石膏 0-10％
硫酸铝或明矾石 0-5％
以上各组份含量的百分数之和应为100％，其中，在上面的原料配方中包含一定量的生石灰和/或熟石膏。
2.根据权利要求1所述的一种用于道路施工的土壤固化剂，其特征在于：所述干排粉煤灰的粒径一般不大于45μm，在它的化学成分中CaO含量为15-30％。
3.根据权利要求1所述的一种用于道路施工的土壤固化剂，其特征在于：所述生石灰又称为建筑石灰，采用天然石灰石经过煅烧和粉磨制成的粉状物料，其中CaO含量应不低于70％，MgO含量应不高于5％。
4.根据权利要求1所述的一种用于道路施工的土壤固化剂，其特征在于：所述水泥采用42.5MPa或32.5MPa普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。
5.根据权利要求1所述的一种用于道路施工的土壤固化剂，其特征在于：所述的组份配方中，如采用水泥或是同时采用生石灰和水泥制备土壤固化剂，为了避免水泥在制备过程中发生水化而失效，应在其他组份进行一次搅拌混合后再加入水泥组份进行第二次搅拌制成土壤固化剂。
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