CN103275730A

CN103275730A - 含钡硫铝酸盐软土固化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN103275730A
Application number: CN 201310233051
Authority: CN
Inventors: 徐冠立; 孙传敏; 孙遥; 管登高; 何政伟
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-06-13
Also published as: CN103275730B

Abstract

本发明涉及软土固化剂领域，具体提供一种含钡硫铝酸盐软土固化剂及其制备方法，其组分包括：（1）含钡硫铝酸盐熟料50wt%~80wt%；（2）煅烧石膏25wt%~40wt%；（3）石灰10wt%~12wt%；（4）保水剂0.5wt%~2wt%；（5）缓凝剂0.5wt%~5wt%。制备工艺流程包括煅烧天然石膏和配料混合研磨。该软土固化剂具有快速凝结、强度高、固化土体积不收缩的特点，固化后1~3天内可形成全部强度，特别适合用于快速维修和补强道路基础。在相同添加量下，采用该软土固化剂的加固土的无侧限抗压强度明显高于采用P.C32.5普通硅酸盐水泥的加固土，加固效果显著。

Description

含钡硫铝酸盐软土固化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及软土固化剂领域，具体涉及一种含钡硫铝酸盐软土固化剂及其制备方法。

背景技术

软土是指承载力低、孔隙比大、含水量高、压缩量高的一类土壤。对软土地基进行加固处理已经成为工程建设和维护的热点课题之一。软土加固处理方法有多种，如压实加固、热处理加固和化学加固等，其中，固化剂加固软土因其成本较低、施工相对简单，已成为目前应用较多的软土加固处理手段。

软土固化剂是指在常温下能够直接胶结土体颗粒，或能够与粘土矿物反应，生成胶凝物质，从而改善土体物理性能的材料。软土固化剂按其主要成分可分为钙基固化剂（水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等）和非钙基固化剂（离子型固化剂、酶类固化剂、聚合物固化剂等）。目前国内应用较多的软土固化剂主要有水泥、石灰、粉煤灰等。

石灰、二灰（粉煤灰和石灰）固化剂成本较低，被广泛用于加固膨胀土，但在应用中发现存在许多缺点。例如固化效果缓慢，一般施工后需要7至28天方可形成一定强度；固化土强度不可控；水稳定性差，一般石灰土或二灰土被水浸泡后既丧失强度。

水泥加固土强度增长速度快，造价相对较高，广泛适用于各种粒径软土固化处理，但是在处理粘性土时，容易与土壤混合不均，无法获得理想效果。水泥浆体呈强碱性，pH值一般大于12，不利于环境保护，且普通硅酸盐水泥水化后体积收缩，易在固化土中形成裂缝。

含钡硫铝酸盐矿物的分子式为(3-x)CaO·xBaO·3Al₂O₃·CaSO₄，其中x=0.25~3，它是由铝制原料（如铝土矿）、石灰质原料（如石灰石）、石膏、重晶石在1200~1300℃温度下制成。它的水化速度很快，具有早强、高强的特点，一般3天内可形成全部强度，其3天强度相当于同标号硅酸盐水泥的28天强度。水化时能消耗大量自由水，生成钙矾石和氢氧化铝凝胶，水化物的水稳定性和抗冻性能较好。水化浆体pH值小于12，利于保护环境，且含钡硫铝酸盐矿物制备温度比普通硅酸盐水泥低100~200℃，也有利于降低能耗。

国内已开发了以硫铝酸盐矿物为主要成分的快硬硫铝酸盐水泥、高强硫铝酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥五个品种，工艺成熟，只需稍微改变原料的配比，就可制得含钡硫铝酸盐熟料。

目前，关于含钡硫铝酸盐已经公开的专利有：含钡硫铝酸盐水泥（公开号：CN1035486A）；一种水泥基防渗堵漏材料（公开号：CN1526785A）。经检索，未发现有关将含钡硫铝酸盐制成软土固化剂的专利申请或文献报道。

发明内容

本发明针对现有软土固化剂的不足，提供一种新型含钡硫铝酸盐软土固化剂的配方和制备方法。

本发明提供一种软土固化剂，其组分和各组分重量百分含量为：

（1）含钡硫铝酸盐熟料 50~80%

（2）煅烧石膏 25~40%

（3）石灰 10~12%

（4）保水剂 0.5~2%

（5）缓凝剂 0.5~5%

本软土固化剂所用的含钡硫铝酸盐熟料的矿物组成重量百分比为：

（1）含钡硫铝酸盐[(3-x)CaO·xBaO·3Al₂O₃·CaSO₄，其中x=0.25~3] 55~75wt%

（2）硅酸二钙（2CaO·SiO₂） 8~37%

（3）铁相（2CaO·Fe₂O₃-6CaO·2Al₂O₃·Fe₂O₃） 3~10%

本软土固化剂所采用的煅烧石膏，是由天然石膏在300℃温度下煅烧30分钟制成的。

本软土固化剂所采用的保水剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵或淀粉接枝丙烯酸盐中的任一种；缓凝剂为淀粉、蔗糖、葡萄糖、木质磺酸钙盐、羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素、六偏磷酸钠或柠檬酸钠中的任一种。

本发明的软土固化剂是以含钡硫铝酸盐熟料为主要原料，添加煅烧石膏、石灰、保水剂、缓凝剂共同研磨制成，控制固化剂粉料颗粒比表面积为300~400m²/kg。

含钡硫铝酸盐是由铝制原料（如铝土矿）、石灰质原料（如石灰石）、石膏、重晶石原料，经适当配合后，在1200~1300℃温度下煅烧制成的胶凝材料。在充满石膏的液相中，含钡硫铝酸盐会发生水化反应，生成钙矾石和氢氧化铝凝胶，反应方程如下：

(3-x)CaO·xBaO·3Al₂O₃·CaSO₄+ 2CaSO₄ + 38H₂O → (3-x)CaO·xBaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O + 2(Al₂O₃·3H₂O)(gel)，其中x=0.25~3

在碱性条件下，氢氧化铝凝胶能与石膏和氢氧化钙反应，进一步生成钙矾石，反应方程如下：

Al₂O₃·3H₂O+3CaSO₄+3Ca(OH)₂+26H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

本发明的软土固化剂，利用了含钡硫铝酸盐矿物的水化反应，其固化机理如下：将软土固化剂加入到饱水软土中，含钡硫铝酸盐立即与土中的自由水反应，在充满石膏和氢氧化钙的液相中，生成大量钙矾石，总反应式如下：

(3-x)CaO·xBaO·3Al₂O₃·CaSO₄+ 8CaSO₄ + 6Ca(OH)₂ + 90H₂O → 3[(3-y)CaO·yBaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O]，其中x=0.25~3，y=0.08~1

通过上述水化反应，将软土中的液态自由水转化为固态结晶水，减少软土中的自由水和部分弱结合水含量，生成的针状钙矾石矿物能胶结土壤颗粒，形成新的骨架结构支撑整个土体。经计算，每1 kg含钡硫铝酸盐矿物可固化约3.0 kg水，同时生成约6.4 kg钙矾石。同时固化剂中的石灰水化后生成氢氧化钙，使软土呈碱性，能促使软土中的活性硅、铝成分发生硬凝反应，直接生成含水硅酸钙或铝酸钙矿物，进一步胶结颗粒。Ca²⁺还能与土中Na⁺、K⁺离子发生离子交换，减少土胶粒吸附阳离子量，进而减薄扩散层厚度，促使土粒相互聚拢，形成较大土团。

本发明的软土固化剂固化速度快、固化土强度高，一般1~3天内可形成全部强度，特别适合用于快速维修和补强道路基础。固化剂水化产物主要为钙矾石，水化后体积略膨胀，可避免普通硅酸盐水泥水化后体积收缩而在固化土中产生裂缝的缺点。

四、具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，并以水泥为对比说明本发明软土固化剂的特性。有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员，可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

1 实施例1~3和对比例1

将54.6wt%含钡硫铝酸盐熟料与34.4wt%煅烧石膏、10%石灰、0.5wt%聚丙烯酰胺保水剂、0.5wt%柠檬酸钠缓凝剂共同粉磨制成固化剂。待加固的软土取自成都的黄色细粒重粘土，土壤事先经过110℃干燥24小时，并用橡皮锤破碎至全部通过3mm圆孔筛。在干燥后的土壤中分别加入18.18wt%、22.22wt%、28.57wt%固化剂及28.57wt%P.C32.5普通硅酸盐水泥，搅拌均匀后按含水率60%加入蒸馏水，搅拌2分钟后将浆体倒入40×40×160mm水泥胶砂试模并振动成型。固化土与模具一起密封，并在20℃下养护1天和3天，脱模后测得固化土无侧限抗压强度。本实施例和对比例的材料和强度见表1。

表1固化剂及水泥加固黄色粘土的无侧限抗压强度

序号	固化剂（水泥）掺量	1天无侧限抗压强度/KPa	3天无侧限抗压强度/KPa
				实施例1	18.18wt%	446.83	458.46
实施例2	22.22wt%	1170.64	1124.65
				实施例3	28.57wt%	2263.77	2278.59
对比例1	28.57wt%	716.91	1697.42

2 实施例4~6和对比例2

将54.6wt%含钡硫铝酸盐熟料与34.4wt%煅烧石膏、10%石灰、0.5wt%聚丙烯酰胺保水剂、0.5wt%柠檬酸钠缓凝剂共同粉磨制成固化剂。待加固的软土取自成都的网纹状红色粉质粘土，土壤事先经过110℃干燥24小时，并用橡皮锤破碎至全部通过3mm圆孔筛。在干燥后的土壤中分别加入18.18wt%、22.22wt%、28.57wt%固化剂及28.57wt%P.C32.5普通硅酸盐水泥，搅拌均匀后按含水率60%加入蒸馏水，搅拌2分钟后将浆体倒入40×40×160mm水泥胶砂试模并振动成型。固化土与模具一起密封，并在20℃下养护1天和3天，脱模后测得固化土无侧限抗压强度。本实施例和对比例的材料和强度见表2。

表2 固化剂及水泥加固红色粉质粘土的无侧限抗压强度

序号	固化剂（水泥）掺量	1天无侧限抗压强度/KPa	3天无侧限抗压强度/KPa
				实施例4	18.18wt%	241.41	233.93
实施例5	22.22wt%	586.13	665.42
				实施例6	28.57wt%	1933.36	2034.76
对比例2	28.57wt%	382.43	791.91

3 实施例7~9和对比例3

将54.6wt%含钡硫铝酸盐熟料与34.4wt%煅烧石膏、10%石灰、0.5wt%聚丙烯酰胺保水剂、0.5wt%柠檬酸钠缓凝剂共同粉磨制成固化剂。待加固的软土取自成都的细粒饱水有机土，土壤事先经过110℃干燥24小时，并用橡皮锤破碎至全部通过3mm圆孔筛。在干燥后的土壤中分别加入18.18wt%、22.22wt%、28.57wt%固化剂及28.57wt%P.C32.5普通硅酸盐水泥，搅拌均匀后按含水率60%加入蒸馏水，搅拌2分钟后将浆体倒入40×40×160mm水泥胶砂试模并振动成型。固化土与模具一起密封，并在20℃下养护1天和3天，脱模后测得固化土无侧限抗压强度。本实施例和对比例的材料和强度见表3。

表3固化剂及水泥加固细粒有机土的无侧限抗压强度

序号	固化剂（水泥）掺量	1天无侧限抗压强度/KPa	3天无侧限抗压强度/KPa
				实施例7	18.18wt%	666.43	647.09
实施例8	22.22wt%	1122.79	1073.58
				实施例9	28.57wt%	2574.21	2715.09
对比例3	28.57wt%	519.84	858.90

Claims

1.一种含钡硫铝酸盐软土固化剂，其组分包括含钡硫铝酸盐熟料、煅烧石膏、石灰、保水剂和缓凝剂，各组分的重量百分含量为：

（1）含钡硫铝酸盐熟料 50~80%；

（2）煅烧石膏 25~40%；

（3）石灰 10~12%；

（4）保水剂 0.5~2%；

（5）缓凝剂 0.5~5%。

2.根据权利要求1所述的一种含钡硫铝酸盐软土固化剂，其特征在于所述的含钡硫铝酸盐固化剂颗粒比表面积为300~400 m²/kg。

3.根据权利要求1所述的一种含钡硫铝酸盐软土固化剂，其特征在于所用的含钡硫铝酸盐熟料的主要成分的重量百分比为：

（1）含钡硫铝酸盐[(3-x)CaO·xBaO·3Al₂O₃·CaSO₄，其中x=0.25~3] 55~75%；

（2）硅酸二钙（2CaO·SiO₂） 8~37%；

（3）铁相（2CaO·Fe₂O₃-6CaO·2Al₂O₃·Fe₂O₃） 3~10%。

4.根据权利要求1所述的一种含钡硫铝酸盐软土固化剂，其特征在于保水剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵或淀粉接枝丙烯酸盐中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种含钡硫铝酸盐软土固化剂，其特征在于缓凝剂为淀粉、蔗糖、葡萄糖、木质磺酸钙盐、羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素、六偏磷酸钠或柠檬酸钠中的任一种。

6.按照权利要求1所述一种含钡硫铝酸盐软土固化剂的制备方法，其特征在于工艺流程包括以下步骤：

（1）煅烧石膏的制备：将天然石膏用研磨机研磨制成直径75~96μm颗粒，加水后在成球机上制成直径2~20mm球粒，在温度250~350℃煅烧30分钟；

（2）由常规方法煅烧制成的含钡硫铝酸盐熟料，加入煅烧石膏、石灰、保水剂和缓凝剂，在常温下用研磨机研磨至混合物颗粒比表面积300~400 m²/kg，即制得含钡硫铝酸盐软土固化剂。

7.根据权利要求1所述的一种含钡硫铝酸盐软土固化剂，其特征在于固化后1~3天内固化土形成全部强度。

8.根据权利要求1所述的一种含钡硫铝酸盐软土固化剂，其特征在于固化后固化土体积不收缩，土体中不存在收缩裂缝。