CN111943620A - 一种泥浆固化剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种泥浆固化剂，所述泥浆固化剂按照重量份数包括如下组分：铝酸盐水泥15‑20份，生石灰13‑19份，膨润土15‑20份，脱硫石膏47‑54份。以及所述泥浆固化剂在泥浆处理中的用途。本发明通过复合高吸水性材料和无机水硬性材料制备了一种能与水快速发生反应且显著提高泥浆固化土强度的固化材料，大大提高了施工效率，简化施工工艺，且泥浆固化土可用于修筑施工便道。

Description

一种泥浆固化剂及其应用

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种泥浆固化剂及其应用。

背景技术

工程施工过程中由于开挖、打桩等工序会产生大量的泥浆。泥浆是一种含有一定量的微细泥颗粒的悬浮液体，具有一定粘度，长时间静置也难以分层，其贮存和弃置是困扰工程施工的难题。

目前工程废弃泥浆常用处理方法有沉淀池法、絮凝处理法、设备处理法等。沉淀池法是指在现场建立废弃泥浆沉淀池，再用槽罐车把泥浆运到郊外垃圾场进行自然干化，具有费用高、效率低、容易产生“滴、撒、漏”等缺点，容易产生二次污染。设备处理法是采用卧式离心机对泥浆进行脱水处理，泥饼进行外运处理，废水进行回用，具有处理工艺复杂、成本高、占地面积大等缺点。絮凝处理法是在在泥浆水中加入絮凝剂，由于泥浆水是一种水中含有一定量的微细泥颗粒的悬浮液体，高分子絮凝剂是一类水溶性的高聚物，将其与泥浆水混合时，由于絮凝剂具有架桥、网捕、吸附和电性中和等功能，可以破坏泥浆水的稳定性，使泥颗粒从水中凝聚、沉降，从而达到泥水分离效果。但固化工艺复杂，固化速度慢，固化后的泥浆不易资源化利用。

此外，工地现场需要修建临时性内部施工便道，需要外购土石方，施工结束后还需要对施工便道进行拆除、外运废弃，同样需要外运费和废弃费。若对工地现场产生的废弃泥浆进行固化，作为施工便道材料使用，即可减少相同方量的土方外购和弃置费用。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种泥浆固化剂及其在固化废弃泥浆中的应用，在满足工地现场可操作时间要求时能与废弃泥浆水快速发生反应，且显著提高泥浆固化土强度，大大提高了施工效率，简化施工工艺。

本发明是这样实现的：

本发明首先提供了一种泥浆固化剂，按照重量份数包括如下组分：铝酸盐水泥15-20份，生石灰13-19份，膨润土14-28份，脱硫石膏47-54份。

进一步地：

所述铝酸盐水泥为符合《铝酸盐水泥》GB/T 201-2015的市售产品。

所述生石灰符合《建筑生石灰》JC/T479-2013的钙质石灰。

所述膨润土为符合《膨润土》GB/T 20973—2007的钠基膨润土。

所述脱硫石膏为符合《烟气脱硫石膏》GB/T37785-2019的脱硫石膏或以此脱硫石膏为原料经煅烧生产的半水石膏或无水石膏。出于成本考虑，所述脱硫石膏选择含水率小于15％的湿脱硫石膏。

所述膨润土与所述铝酸盐水泥质量比为1-2：1。

本发明还提供了所述泥浆固化剂在固化废弃泥浆中的用途，将所述泥浆固化剂按废弃泥浆质量的2.5-30％掺入废弃泥浆，与废弃泥浆均匀搅拌，废弃泥浆的含水率为50-1000％。

进一步地：

泥浆需先与生石灰和脱硫石膏按比例拌合均匀，膨润土与铝酸盐水泥需预先混合均匀，两种混合料再拌合均匀，最终混合料拌合均匀后即可摊铺于工地要求区域，1-3天后即可作为施工便道基层甚至面层使用。

本发明的原理如下：

泥浆具有流动性，在于土颗粒间的自由水太多，土颗粒间的摩擦力太小，土颗粒可自由移动，因此固化的机理主要有两种：一种是使自由水排出泥浆体系，使土颗粒间摩擦力增加；另一种则是通过加入胶凝材料，粘接土颗粒，使原来可自由移动的土颗粒粘接成整体，从而使泥浆固化，且土颗粒间粘结的面积越大，土颗粒间的整体性越强，强度越高。

基于上述两个机理，确定本发明的固化策略：选择的固化材料以单位质量材料产生的胶凝物质体积越大越好，意味着相同质量下，胶凝物质体积越大，粘结土壤颗粒时所覆盖的面积更大，粘结力更强，强度更高；选择的固化材料以最终产物的比表面积越大越好，则相同的含水率下，自由水的量更少，吸附水的量更多，固化土承载力更高。

基于上述的理论分析，选择水泥混凝土体系中的膨胀产物组分钙矾石，作为固化材料的目标水化产物，钙矾石反应主要是液相反应，方程式如下所示：

2AlO₂ ^-+6Ca²⁺+4OH^-+3SO₄ ^2-+30H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

若采用CaO·Al₂O₃、CaO、CaSO₄作为固化材料原材料，按1：2：3的mol比混合后固化泥浆，可消耗材料本身质量的85％的水分，生成钙矾石，若硫酸钙替换为15％自由水的脱硫石膏湿粉(保证石膏中硫酸钙与氧化钙、氧化铝的摩尔比不变)，则固化材料可消耗本身质量43％的水分。相对于硅酸盐水泥，其完全水化可消耗约本身质量24％的水分。假设硅酸盐水泥与上述的混合料固化剂密度相同，在用量相同的情况下，硅酸盐完全水化产生的胶凝物质质量增加24％，混合料固化剂完全水化产生的胶凝物质质量增加43-85％，此外，硅酸盐水化会发生体积收缩，而生成钙矾石的水化反应则会发生体积膨胀，膨胀率约为120％，因此，可以推测，混合料固化剂，即以钙矾石为主要水化产物的固化材料，其胶凝物质的增容比远大于硅酸盐水泥，相同质量下，钙矾石胶凝材料比硅酸盐胶凝材料体积多2-4倍。

AlO₂ ^-离子主要由Al₂O₃提供，硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和铝酸盐以及粉煤灰、高炉矿渣粉等多种工业废渣均含有Al₂O₃成分，但铝酸盐水泥所含Al₂O₃成分最多，活性最高，最终生成的钙矾石量最多、最快，因此选择铝酸盐水泥作为Al₂O₃成分来源，铝酸盐水泥的Al₂O₃成分含量一般在50-60％。

1)铝酸盐水泥通过与泥浆中自由水的水化反应生成铝酸钙，水化反应极快，一般1d时反应程度即超过80％，是泥浆能快速固化的基础；

2)生石灰是铝酸钙转化为钙矾石所需的额外CaO来源，石灰与铝酸盐混合使用容易发生瞬凝，因此生石灰与泥浆预先混合分散，抑制铝酸盐水泥的瞬凝；

3)脱硫石膏是铝酸钙转化为钙矾石化所需的大量硫酸钙来源，是固化土强度发展的主要来源，由于石膏在固化剂中所占比重很大，若采用干石膏，固化剂材料成本会提高33％，但固化效果提升不明显(干石膏比湿石膏引入的水量少，但此引入水量的差别相对于泥浆本身自有的水分微不足道)，出于成本考虑，建议采用湿脱硫石膏，预先拌入泥浆中，若选择干石膏，则可以选择预先拌入泥浆或预先与铝酸盐混合均匀；

4)钠基膨润土主要成分是蒙脱石，具有高吸水性，良好可分散性、良好的吸附性和阳离子交换能力，可吸附铝酸盐水泥颗粒、与铝酸盐水泥颗粒竞争吸水，抑制铝酸盐水泥颗粒在早期的水化反应，防止铝酸盐水泥与泥浆中的石灰接触产生的瞬凝，提高铝酸盐水泥颗粒的分散性，此外，钠基膨润土的离子交换提高了泥浆液相的pH值，使钙矾石反应趋向于生成比表面积更大的针状晶体，使大量自由水转化为吸附水，而膨润土本身也是大比表面积的材料，可使大量自由水转化为吸附水，从而使固化土强度得以进一步提高。

5)目前工程中所遇到的泥浆含水率变化较大，无机土产生的泥浆含水率一般为50-200％，有机质土产生的泥浆如河道淤泥、湖体淤泥等，含水率一般为80-400％，而污水处理厂污泥、垃圾渗沥液池污泥等，属于泥炭质土或泥炭，有机质含量高，其产生的泥浆含水率一般会超过400％，甚至高达1000％。固化剂在固化不同含水率的泥浆时，固化剂掺量一般与含水率有关，含水率越高，需要固化剂掺量越高，要求固化的强度越高，则所需的固化剂掺量也越高，此外，泥浆的有机质会强烈抑制固化剂材料的水化反应，有机质含量越高，水化越慢、固化后强度越低，本发明的固化剂是受有机质影响较小的材料，一般固化剂掺量范围在2.5-30％；

6)泥浆需先与生石灰和脱硫石膏按比例拌合均匀，主要是为了给铝酸盐水泥加入泥浆前，为铝酸盐创造均匀的Ca²、OH^-、SO₄ ^2-环境，使铝酸盐加入泥浆后，刚开始反应生成的铝酸钙快速转变为针状钙矾石，并覆盖于铝酸盐水泥颗粒表面，抑制铝酸钙水化过于剧烈而产生瞬凝；膨润土与铝酸盐水泥需预先混合均匀，使铝酸盐水泥颗粒间尽可能被膨润土颗粒分隔，膨润土颗粒既作为防水剂，防止水分与水泥颗粒过早接触发生水化反应，延长水泥的保存时间，同时也延缓了铝酸盐水泥早期的水化反应，提高了水泥颗粒在泥浆中的分散效果，防止水泥颗粒在泥浆搅拌过程中结团，影响固化效果。

本发明具有如下优点：本发明通过复合高吸水性材料和无机水硬性材料制备了一种能与水快速反应且显著提高泥浆固化土强度的固化材料，大大提高了施工效率，简化施工工艺，且泥浆固化土可用于修筑施工便道。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为不同膨润土与铝酸盐水泥的质量比对固化土强度的影响。

具体实施方式

实施例一

福州嘉里樟岚项目打桩泥浆，含水率89％，有机质含量2％。

称取铝酸盐水泥16份，膨润土16份，生石灰13份，含水率15％的脱硫石膏55份，固化材料掺量为4.5％，其中生石灰、脱硫石膏先与泥浆拌合均匀，而铝酸盐水泥与膨润土预先拌合均匀后，最后加入泥浆拌合均匀，拌合均匀后浇筑成型(1#固化土)，以相同掺量的P.O.425硅酸盐水泥(2#固化土)和CA50-I(3#固化土)固化所得的固化土为对比样，去除泥浆固化剂中的膨润土成分，其他三种材料比例不变，加料顺序不变，制成泥浆固化剂对比样(4#固化土)，相同掺量固化泥浆。在相同掺量下，1#固化土28d强度是2#固化土的两倍多，且1#固化土1d时强度即达到了28d强度的约80％，强度发展比2#快很多，具有快速施工快速使用的优点；1#固化土与3#固化土初凝时间相当，强度发展速度也快，但1#固化土强度明显高于3#固化土；4#固化土强度高于1#固化土，但初凝时间只有5min，只能在实验室快速成型，无法满足工地现场的可操作时间要求(不小于30min)；当生石灰与铝酸盐水泥、膨润土预先混合均匀，再与石膏泥浆混合料拌合时，固化材料结团严重，难以均匀拌合，物料均匀性很差，难以成型。

表1泥浆固化土性能对比

对于1#固化土配方，保持固化剂掺量不变，保持铝酸盐水泥、脱硫石膏和生石灰质量比不变，只调整膨润土与铝酸盐水泥的质量比，如图1所示，伴随膨润土-铝酸盐水泥的质量比增大，固化土的初凝时间延长而1d无侧限抗压强度降低，基于现场施工考虑，固化土初凝时间不应小于30min同时考虑到固化土强度的因素，膨润土-铝酸盐水泥质量比一般在1-2范围。

实施例二

福州市新厝河取直段河道淤泥，含水率196％，有机质含量15％。

称取铝酸盐水泥17份，膨润土17份，生石灰14份，12％含水率脱硫石膏52份，固化材料掺量为10％，其中生石灰、脱硫石膏先与泥浆拌合均匀，而铝酸盐水泥与膨润土预先拌合均匀后，最后加入泥浆拌合均匀，拌合均匀后浇筑成型(1#固化土)，以相同掺量的P.O.425硅酸盐水泥(2#固化土)固化所得的固化土为对比样。1#固化土初凝时间32min，1d强度即达0.52MPa，远高于相同掺量下的2#固化土。

表2泥浆固化土性能对比

固化土	固化材料	初凝时间	1d	7d	28d
						1#	泥浆固化剂	32min	0.52	0.63	0.63
2#	硅酸盐水泥P.O.425	5h	<0.1	0.13	0.22
						3#	铝酸盐水泥CA50-I	25min	0.31	0.35	0.36

实施例三

福州红庙岭垃圾渗沥液底泥，含水率900％。

称取铝酸盐水泥16份，膨润土16份，生石灰17份，10％含水率脱硫石膏51份，固化材料掺量为30％，其中生石灰、脱硫石膏先与泥浆拌合均匀，而铝酸盐水泥与膨润土预先拌合均匀后，最后加入泥浆拌合均匀，拌合均匀后浇筑成型(1#固化土)，以相同掺量的P.O.425硅酸盐水泥(2#固化土)固化所得的固化土为对比样。1#固化土初凝时间40min，1d强度即达0.57MPa，远高于相同掺量下的2#固化土。

表3泥浆固化土性能对比

固化土	固化材料	初凝时间	1d	7d	28d
						1#	泥浆固化剂	40min	0.57	0.65	0.72
2#	硅酸盐水泥P.O.425	4d	<0.1	<0.1	0.13
						3#	铝酸盐水泥CA50-I	21min	0.38	0.48	0.51

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种泥浆固化剂，其特征在于：按照重量份数包括如下组分：铝酸盐水泥15-20份，生石灰13-19份，膨润土14-28份，脱硫石膏47-54份。

2.根据权利要求1所述的泥浆固化剂，其特征在于：所述铝酸盐水泥为符合《铝酸盐水泥》GB/T 201-2015的市售产品。

3.根据权利要求1所述的泥浆固化剂，其特征在于：所述生石灰为符合《建筑生石灰》JC/T479-2013的钙质石灰。

4.根据权利要求1所述的泥浆固化剂，其特征在于：所述膨润土为符合《膨润土》GB/T20973—2007的钠基膨润土。

5.根据权利要求1所述的泥浆固化剂，其特征在于：所述脱硫石膏为符合《烟气脱硫石膏》GB/T37785-2019的脱硫石膏，或以此脱硫石膏为原料经煅烧生产的半水石膏或无水石膏。

6.根据权利要求1所述的泥浆固化剂，其特征在于：所述膨润土与所述铝酸盐水泥质量比为1-2：1。

7.如权利要求1-6中任意一项所述泥浆固化剂在固化废弃泥浆中的应用，其特征在于：将所述泥浆固化剂按废弃泥浆质量的2.5-30％掺入废弃泥浆，与废弃泥浆均匀搅拌，所述废弃泥浆的含水率为50-1000％。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：按以下步骤将所述泥浆固化剂掺入废弃泥浆：

(1)将废弃泥浆与生石灰和脱硫石膏按比例拌合均匀，得到混合料1；

(2)将膨润土与铝酸盐水泥按比例混合均匀，得到混合料2；

(3)将混合料1和混合料2拌合均匀。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：将步骤(3)拌合均匀后的混合料摊铺于工地要求区域，1-3天后作为施工便道基层或面层使用。

Images