CN109020614B - 一种赤泥基泡沫轻质土及其制备方法 - Google Patents

一种赤泥基泡沫轻质土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种赤泥基泡沫轻质土及其制备方法，该赤泥基泡沫轻质土包括如下重量份的组分原料：赤泥268～401份，脱硫石膏13～20份，水泥382～256份，水329～337份，32～33份泡沫。本发明制备的赤泥基泡沫轻质土流值为160mm～200mm，湿密度为780～820kg/m3，28d无侧限抗压强度为0.81～1.20MPa，28d回弹模量为280～377MPa。本发明利用赤泥代替部分胶凝材料，相较于水泥、粉煤灰或泥沙制成的泡沫轻质土，大大降低制备成本，同时循环利用工业废料，符合绿色发展理念，解决了道路工程材料稀缺问题，且制备方法简单，满足路基强度要求，适用于道路路基填筑和道路路基拓宽。

Description

一种赤泥基泡沫轻质土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种赤泥基泡沫轻质土及其制备方法。
背景技术
泡沫轻质土是将由发泡剂发泡得到的泡沫群加入到胶凝材料中，经过养护得到的具有大量密闭气孔的轻质工程材料。其具有质量轻、整体性好、强度与密度可调节、高流动性、良好的隔热、隔音、防水性能、凝固后自立性等优点，用于道路加宽时的路基填土可减小新老路基沉降差异，节省道路用地，并且缩短工期，用于桥台背填土时可大幅度缓解桥头跳车的问题，同时减小对桥台结构物的水平力。现有的泡沫轻质土大都以水泥、粉煤灰作为胶凝材料，生产成本高，不适合大规模推行。
赤泥是氧化铝工业过程中排出的固体废弃物，据不完全统计，我国的赤泥排放总量已超过了3000万吨，日益增多的赤泥限制了我国铝工业的发展，赤泥的大量堆积占据了大量土地资源。赤泥中的碱含量较多，pH值为10.29～11.83，其浸出液的pH值为12.1～13.0，超出《有色金属工业固体废物污染控制标准》(GB5058-85)，因此赤泥属于强碱性土，由于碱性较大，赤泥在露天堆放时会渗入土壤中污染土壤和地下水，其扬尘会造成大气污染，排放入海时，则又会对海水造成污染，危害海洋生物，同时细小赤泥颗粒进入空气中会产生扬尘。但赤泥的大量利用却难以实现，因此，亟需一种能够大量消耗赤泥的实际可行的方法。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的是提供一种利用工业废料烧结法赤泥制备泡沫轻质土的方法。该方法使得废物赤泥得到了充分的利用，其制备的泡沫轻质土的抗压强度指标达到了路堤强度要求。本发明大大降低制备成本，循环利用了工业废料，且制备方法简单。
本发明提供了一种赤泥基泡沫轻质土，由以下重量分的组分组成，赤泥217～325份，脱硫石膏11～16份，水泥207～309份，水267～273份，泡沫21～23份。本发明经大量试验表明，上述重量分混合制备的泡沫轻质土效果最佳。
优选地，所述赤泥基泡沫轻质土，由以下重量分的组分组成，赤泥217～271份，脱硫石膏11～14份，水泥271～309份，水270～273份，泡沫21～22份。本申请材料的重量份是通过赤泥基泡沫轻质土的密度计算而得，经大量试验表明，上述重量分混合制备的泡沫轻质土效果最佳。
优选地，所述赤泥基泡沫轻质土，由以下重量分的组分组成，赤泥217份，脱硫石膏11份，水泥309份，水273份，21份泡沫。本申请材料的重量份是通过赤泥基泡沫轻质土的密度计算而得，经大量试验表明，上述重量分混合制备的泡沫轻质土效果最佳。
优选地，所述的赤泥为烧结法赤泥，其塑限为52％～57％，液限为67％～73％，塑性指数为11～16，比重为2.78～2.80。相对于拜耳法赤泥，本发明选用烧结法赤泥，其氧化钙含量多，有助于泡沫轻质土中强度形成，而拜耳法赤泥中重金属离子较多，不适于路堤填筑。
优选地，所述赤泥CaO含量为36％～41％，SiO2含量为15％～19％，Fe2O3含量为8％～12％。Al2O3含量为6％～8％。
优选地，所述赤泥细度要求为过4.75mm方孔筛。赤泥颗粒太大会使仪器搅拌受阻，该细度的赤泥可以使物质间能够充分反应。
优选地，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，符合标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2007。
优选地，所述脱硫石膏其细度要求为过4.75mm方孔筛。
优选地，所述泡沫是由复合发泡剂稀释为发泡液，再通过压缩空气法制成；所述稀释倍数为50～55倍，发泡倍数为30～35倍，密度为40～45g/L，消泡率不大于7％。
优选地，所述赤泥基泡沫轻质土的湿密度为780～820kg/L，其28d抗压强度为0.81～1.20，28d回弹模量为280～377MPa。
本发明还提供了上述赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括如下步骤：
(1)称取一定重量分的赤泥、脱硫石膏、水泥、水和泡沫原料；
(2)将步骤(1)称量好的水、脱硫石膏和赤泥搅拌混合；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入称量好的水泥继续搅拌。
(4)向步骤(3)所得的混合液中加入泡沫，搅拌，调节所得混合浆料密度，即得所述的赤泥泡沫轻质土。
(5)将步骤(4)所得的赤泥基泡沫轻质土浇筑成型，即可得到赤泥基泡沫轻质土试件。
优选地，步骤(2)和(3)所述搅拌是以1200～1600rpm的转速搅拌5～10min，优选为1400rpm的转速搅拌5min。
优选地，步骤(4)所述搅拌为500～800rpm搅拌2～3min，优选为700rpm搅拌2min。
优选地，步骤(4)所述浆料湿密度780～820kg/m3。研究发现，密度小于780kg/m3时，会导致形成的泡沫轻质土强度不够，湿密度增大时强度初期会随密度增大快速增长，而当湿密度大于800kg/m3时，强度随密度增大呈现缓慢增长，密度大于820kg/m3，虽然还可以增大强度，但强度太高，但是会使重量增加，出现不均匀沉降，而且也会导致造价或成本大幅度增加。因此本申请优选浆料湿密度780～820kg/m3。
优选地，本发明得到的赤泥基泡沫轻质土使用洒水覆盖的方式进行养护。
本发明的原理为：
本发明以水泥、赤泥和脱硫石膏等作为基本原料，其中除水泥水化产生强度外，水泥水化与赤泥中氧化钙水化产生的氢氧化钙与赤泥中氧化硅、氧化铝反应得到硅酸钙和铝酸钙，而这两者即为水泥的主要组成部分，进一步水化形成强度，如式(1)、式(2)所示。同时式(2)中产生的xCaO·Al2O3会与脱硫石膏反应得到钙矾石从而进一步提高赤泥基泡沫轻质土的强度，如式(3)、(4)、(5)所示。
xCa(OH)2+SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·nH2O (1)
xCa(OH)2+Al2O3+mH2O→xCaO·Al2O3·nH2O (2)
3(CaO·Al2O3)+3CaSO4·2H2O+32H2O
→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2Al(OH)3 (3)
3(CaO·2Al2O3)+3CaSO4·2H2O+47H2O
→3CaO·Al2O3·3CαSO4·32H2O+5Al(OH)3 (4)
3CaO·Al2O3+3CaSO4+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (5)
本发明的有益效果：
1)本发明首次将工业废渣赤泥应用在制备轻质泡沫土中，对赤泥能得到大量的利用提供了一种新的途径，降低赤泥对环境的污染，解决了赤泥大量堆积且日益增多的问题，符合绿色发展理念。
2)本发明除了水泥水化可以提供一定的强度外，水化的赤泥和水泥会和赤泥中氧化硅、氧化铝发生反应得到水泥的主要组成部分硅酸钙和铝酸钙，其水化后又会对本发明提供一定的强度，此外，本发明中的脱硫石膏主要成分为CaSO4·2H2O，可以和上述水泥主要产物铝酸钙xCaO·Al2O3产生钙矾石从而再次提高了赤泥基泡沫轻质土的强度，同时脱硫石膏还可以和赤泥可形成赤泥基碱激发胶凝材料，也提高了赤泥基泡沫轻质土的强度。所以，本发明通过各组分间的相互作用，使得制备的赤泥基泡沫轻质土流值为160mm～200mm，湿密度为780～820kg/m3，28d无侧限抗压强度为0.81～1.20MPa，28d回弹模量为280～377MPa，满足了路堤填筑强度要求(《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中采用泡沫轻质土作为路堤材料的要求为28d无侧限抗压强度≥0.6Mpa)。
3)传统泡沫轻质土需要添加生产成本较高的粉煤灰、炉渣灰、石粉等作为胶凝材料，而本发明采用赤泥可以替代传统的高成本凝胶，在满足路堤填筑强度要求的前提下，大大降低了材料成本，且制备方法简单，适宜于大规模推广使用。
说明书附图
图1为实施例1中养护龄期与抗压强度关系图。
图2为实施例2中养护龄期与抗压强度关系图。
图3为实施例3中养护龄期与抗压强度关系图。
图4为实施例1中养护龄期与回弹模量关系图。
图5为实施例2中养护龄期与回弹模量关系图。
图6为实施例3中养护龄期与回弹模量关系图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
在以下实施例中，所述赤泥为烧结法赤泥，其塑限为52％～57％，液限为67％～73％，塑性指数为11～16，比重为2.78～2.80，其细度要求为过4.75mm方孔筛。所述赤泥CaO含量为36％～41％，其SiO2含量为15％～19％，其Fe2O3含量为8％～12％。所述脱硫石膏其细度要求为过4.75mm方孔筛。所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，符合标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2007。所述脱硫石膏其细度要求为过4.75mm方孔筛。所述泡沫是由复合发泡剂稀释为发泡液，再通过压缩空气法制成，其稀释倍数为50～55倍，发泡倍数为30～35倍，密度为40～45g/L，消泡率不大于7％。
实施例1
一种赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
1)称取原料：其中包括赤泥217份，脱硫石膏11份，水泥309份，水273份，21份泡沫。
2)将称量好的水、脱硫石膏和赤泥以1400rpm的转速搅拌5min，再加入水泥以1400rpm的转速搅拌5min。
3)降低转速至700rpm，加入泡沫搅拌2min，调节所得浆料密度至800kg/m3，即可得到所述赤泥基泡沫轻质土。
4)将赤泥基泡沫轻质土浇筑成型，即可得到赤泥基泡沫轻质土试件。
如图1和图4所示，将本实施例制得赤泥基泡沫轻质土试件进行抗压强度与回弹模量测试，得出其28d抗压强度为1.2MPa，28d回弹模量为377MPa。
实施例2
一种赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
1)称取原料：其中包括赤泥271份，脱硫石膏14份，水泥271份，水270份，22份泡沫。
2)将称量好的水、脱硫石膏和赤泥以1400rpm的转速搅拌7min，再加入水泥以1400rpm的转速搅拌7min。
3)降低转速至700rpm，加入泡沫搅拌2.5min，调节所得浆料密度至800kg/m3，即可得到所述赤泥基泡沫轻质土。
4)将赤泥基泡沫轻质土浇筑成型，即可得到赤泥基泡沫轻质土试件。
如图2和图5所示，将本实施例制得赤泥基泡沫轻质土试件进行抗压强度与回弹模量测试，得出其28天抗压强度为0.94MPa，28天回弹模量为300MPa。
实施例3
一种赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
1)称取原料：其中包括赤泥325份，脱硫石膏16份，水泥207份，水267份，23份泡沫。
2)将称量好的水、脱硫石膏和赤泥以1400rpm的转速搅拌10min，再加入水泥以1400rpm的转速搅拌10min。
3)降低转速至700rpm，加入泡沫搅拌3min，调节所得浆料密度至800kg/m3，即可得到所述赤泥基泡沫轻质土。
4)将赤泥基泡沫轻质土浇筑成型，即可得到赤泥基泡沫轻质土试件。
如图3和6所示，将本实施例制得赤泥基泡沫轻质土试件进行抗压强度与回弹模量测试，得出其28天抗压强度为0.81MPa，28天回弹模量为280MPa。
对比例1：
与实施例1的区别在于无脱硫石膏，原料组分及重量分为赤泥217份，水泥309份，水273份，泡沫21份。
将本实施例制得赤泥基泡沫轻质土试件进行抗压强度与回弹模量测试，得出其28天抗压强度为0.8MPa，28天回弹模量为290MPa。
对比例2：
与实施例1的区别在于，原料组分及重量分为赤泥220份，水泥200份，脱硫石膏11份，水262份，泡沫18份。
将本实施例制得赤泥基泡沫轻质土试件进行抗压强度与回弹模量测试，得出其28天抗压强度为0.78MPa，28天回弹模量为246MPa。
上述对比例1～2制备的赤泥基泡沫轻质土的湿密度在本发明湿密度780～820kg/m3范围内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，由以下重量份 的组分组成，赤泥217～325份，脱硫石膏11～16份，水泥207～309份，水267～273份，泡沫21～23份；
所述赤泥为烧结法赤泥，其塑限为52％～57％，液限为67％～73％，塑性指数为11～16，比重为2.78～2.80。
2.根据权利要求1所述的赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，由以下重量份 的组分组成，赤泥217～271份，脱硫石膏11～14份，水泥271～309份，水270～273份，泡沫21～22份。
3.根据权利要求2所述的赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，由以下重量份 的组分组成，赤泥217份，脱硫石膏11份，水泥309份，水273份，21份泡沫。
4.根据权利要求1所述的赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，所述赤泥CaO含量为36％～41％，其SiO2含量为15％～19％，其Fe2O3含量为8％～12％。
5.根据权利要求1所述的赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，所述赤泥细度要求为过4.75mm方孔筛。
6.根据权利要求1～3任一所述的赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥，符合标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2007。
7.根据权利要求1～3任一所述的赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，所述脱硫石膏其细度要求为过4.75mm方孔筛。
8.根据权利要求1～3任一所述的赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，所述泡沫是由复合发泡剂稀释为发泡液，再通过压缩空气法制成，所述稀释倍数为50～55倍，发泡倍数为30～35倍，密度为40～45g/L，消泡率不大于7％。
9.根据权利要求1～3任一所述的赤泥基泡沫轻质土，其特征在于，所述赤泥基泡沫轻质土的湿密度为780～820kg/L。
10.权利要求1～3任一所述的赤泥基泡沫轻质土在道路路基填筑和道路路基拓宽中的应用。
11.权利要求1～3任一所述的赤泥基泡沫轻质土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)称取一定重量份 的赤泥、脱硫石膏、水泥、水和泡沫原料；
(2)将步骤(1)称量好的水、脱硫石膏和赤泥搅拌混合；
(3)向步骤(2)所得的混合浆料中加入称量好的水泥继续搅拌；
(4)向步骤(3)所得的混合浆料中加入泡沫搅拌混合，调节所得混合浆料密度，即得所述的赤泥泡沫轻质土。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)和(3)所述搅拌是以1200～1600rpm的转速搅拌5～10min。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)和(3)所述搅拌为1400rpm的转速搅拌5min。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述搅拌为500～800rpm搅拌2～3min。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述搅拌为700rpm搅拌2min。
16.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述浆料密度780～820kg/m3。
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