CN113264737A

CN113264737A - 一种用于软土路基加固的多源固废基硬化剂及应用

Info

Publication number: CN113264737A
Application number: CN202110699598.8A
Authority: CN
Inventors: 王琼; 李阳; 杨利香; 韩云婷
Original assignee: SHANGHAI JIANYAN BUILDING MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD; Shanghai Building Science Research Institute Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI JIANYAN BUILDING MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD; Shanghai Building Science Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2021-08-17

Abstract

本发明公开了一种用于软土路基加固的多源固废基硬化剂及应用，按重量百分比计，该硬化剂由17％～42％的脱硫灰渣、33％～68％的冶金废渣和12％～30％的水泥混合而成。该硬化剂可100％取代水泥或石灰，用于软土路基处理和加固，且硬化剂与软土的用量比为4％～16％。本发明提供的一种用于软土路基加固的固废基硬化剂，利用脱硫灰渣中的有效钙、CaCO₃、亚硫酸根和硫酸根等，通过化学固化、物理吸水等方式，将软土中的自由水转化为结合水，提高软土强度，同等掺量下固化效果明显优于水泥、石灰等传统方式，且大幅缩短养护周期。

Description

一种用于软土路基加固的多源固废基硬化剂及应用

技术领域

本发明涉及道路施工技术领域，具体涉及一种用于软土路基加固的多源固废基硬化剂及应用。

背景技术

上海等沿江沿海地区地下水位较高，土质松软、强度低，在外力作用下，易发生沉降、变形，造成“弹簧土”。因此，需对修筑在软土地基上的道路路基进行加固，确保道路路基的强度、稳定性指标等满足设计和规范要求。

目前软土路基加固处理最常用方法有补强法、置换法和改良法，补强法中最常用的补强材料是水泥、石灰等。然而，水泥作为施工材料时，一方面成本较高，另一方面软土中较高的含水率导致水泥土强度增长缓慢，加固效果不理想。石灰加固也面临着成本高、强度低、养护周期长等问题。

随着烟气脱硫政策的落地，各大电厂、钢铁厂烟气脱硫强制实施，脱硫灰渣是电厂、钢铁厂通过干法、半干法脱硫而产生的固体废弃物，与湿法脱硫的副产物二水石膏不同，干法、半干法脱硫产生的脱硫灰渣属于高钙高硫型灰渣，过高的CaSO₃、CaSO₄、f-CaO和CaCO₃限制了其在水泥混凝土中的应用。

因此，从节约天然资源和利废两方面考虑，亟需采用各类固体废弃物来开发一种可替代水泥、石灰等天然资源的新型硬化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种能同时利用固化剂的物化吸水与化学固化作用，可将土体中的自由水转化为结晶水，且硬化剂水化后可生成具有胶结作用的水化硅酸钙，从而大幅提高加固土的强度的用于软土路基加固的多源固废基硬化剂。

本固化剂达到与水泥、石灰相同固化效果时，掺量、***格远低于水泥石灰，有效减少了水泥等的掺入带来的增容效应，可固化更多的土体；同时，本硬化剂的应用，为脱硫灰渣、钢渣等安定性不良的低值固废提供了资源化利用途径。

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种用于软土路基加固的多源固废基硬化剂，其特点为，以脱硫灰渣、冶金废渣、水泥为原料，按重量百分比计，该硬化剂由17％～42％的脱硫灰渣、33％～68％的冶金废渣和12％～30％的水泥混合而成。

作为本技术方案的进一步改进，所述脱硫灰渣为电厂或钢铁烧结工艺通过干法、半干法脱硫后得到的固体废弃物。

作为本技术方案的更进一步改进，所述的脱硫灰渣为电厂脱硫灰或烧结脱硫灰中的一种或几种。

也作为本技术方案的更进一步改进，所述的两种脱硫灰渣均为高钙高硫型灰渣；当其为钢铁烧结工艺产生的脱硫灰时，化学组成主要以CaCO₃和CaSO₃为主；当为电厂脱硫灰渣时，化学成分以SiO₂和Al₂O₃为主，并含有一定量的SO₃、f-CaO和CaSO₃。

进一步，所述的冶金废渣为高炉粒化矿渣粉和钢渣粉中的一种或几种。

也进一步，所述的冶金废渣为高炉粒化矿渣粉时，其细度、活性指数至少满足GBT18046《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中S95级矿粉的要求。

还进一步，所述的冶金废渣为钢渣粉时，其比表面积、活性指数满足GBT20491《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》中的要求。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种前述用于软土路基加固的多源固废基硬化剂的应用，该硬化剂用于路基加固时，固化剂与土的用量比为4％～16％。

本发明用于软土路基加固的多源固废基硬化剂的反应机理为，由于脱硫工艺、灰渣来源的差异，导致脱硫灰渣的化学成分变动较大，当脱硫灰渣来源于钢铁烧结工艺时，首先高含量的CaCO₃发挥其物理吸水作用，可有效降低土体的含水量；其次，脱硫灰渣中的有效钙遇水反应生成Ca(OH)₂，OH^-的存在促使矿渣玻璃体的Si-O-Si和Al-O-Al断裂，并重新聚合生成水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶，而此时体系中SO₄ ^2-和SO₃ ^2-将与矿渣中的活性铝及水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙(AFt)或类似钙矾石的片状水化亚硫铝酸钙(3CaO·Al₂O₃·CaSO₃·11H₂O)，新生成的水化产物，填充在软土的孔隙中，增加固化土的密实性；同时，生成的钙矾石或类钙矾石分别含有32个、11个结晶水，将土体中的游离水变成结晶水，进一步提升了固化土的强度。

当脱硫灰渣来源于烟气干法或半干法脱硫工艺时，脱硫灰渣中的SiO₂、Al₂O₃可参与水泥的水化反应；同时，CaSO₃的存在也与矿渣中的活性铝及水化铝酸钙反应，进而提高固化土的强度。

综上，掺脱硫灰渣的水泥石的XRD图如图1所示。

在水泥基材料中，水化生成的钙矾石可使固相体积增大约120％，易造成水泥石膨胀开裂等一系列安定性问题，因此必须严格控制钙矾石的生成量。而本发明正是利用钙矾石体积膨胀这一特点，首先通过化学反应将高含水路基土体中的自由水转化为结晶水，然后生成的钙矾石充分填充在疏松多孔的土体中，增加土体密实度。

将本发明的硬化剂与高含水率土体充分拌合、碾压，硬化剂一方面可在土体中生成32份结晶水的钙钒石，将土体中的自由水转化为结晶水，并且充分填充土体间的孔隙；另一方面，硬化剂中的f-CaO、CaCO₃等通过化学-物理吸水作用，进一步降低土体中自由水的含量。此外，随着水化反应得不断进行，具有胶结作用的水化硅酸钙持续生成，进而提高加固土强度。

附图说明

图1为掺脱硫灰渣的水泥石的XRD图；旨在说明脱硫灰渣水泥石的水化产物进一步佐证反应机理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

实施例1

取干法脱硫灰、PO42.5水泥、冶金废渣粉按比例进行配料(烧结干法脱硫灰：PO42.5水泥：冶金废渣粉(S95矿粉：钢渣粉＝7：3)＝40％：20％：40％)，高含水率软土路基天然含水率26％，烘干粉磨过2.36mm筛后备用。

配制好的硬化剂按照软土质量的5％、8％、10％、12％、16％进行最佳含水率和最大干密度试验，并按照最佳含水率成型试件，测试固化土的7d无侧限抗压强度。下表1为固化土7d无侧限抗压强度的相关数据。

表1：

由表1可知，室内试验的最佳含水率低于土路基土的天然含水率，与水泥同等掺量时，强度优势不明显，但与石灰同等掺量时，强度明显高于石灰土。

按照现场施工流程，采用硬化剂+高含水率湿土(天然含水率，约26％)直接翻拌养生7d后，测试固化土体无侧限抗压强度，实验结果如下表2。

表2：固化土7d无侧限抗压强度

由表2可知，在天然含水率下，采用硬化剂固化的土体，其7d无侧限抗压强度优于同等掺量下的水泥和石灰。

实施例2

本实施例采用现场施工流程，加入8％硬化剂与天然土体(天然含水率约31％)直接拌合，养生7d后，测试固化土体的7d无侧限抗压强度，硬化剂配合比和实验结果如下表3。

表3：固化剂配合比(％)及固化土体无侧限抗压强度

由表3可知，掺量相同时，对高含水率土体的加固效果，硬化剂优于水泥优于石灰，这是因为，硬化剂具有物理-化学双重吸水效果：一方面硬化剂中高含量的CaCO₃发挥其物理吸水作用，有效降低土体的含水量；其次，脱硫灰渣中的有效钙遇水反应生成Ca(OH)₂，OH^-的存在促使矿渣玻璃体的Si-O-Si和Al-O-Al断裂，并重新聚合生成水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶，最终与体系中SO₄ ^2-和SO₃ ^2-反应生成三硫型水化硫铝酸钙(AFt)或类似钙矾石的片状水化亚硫铝酸钙(3CaO·Al₂O₃·CaSO₃·11H₂O)，将土体中的自由水进一步变成结合水，提升了固化土的强度。

具体可用下式表示：

xCa(OH)₂+SiO₂+(n-1)H₂O→xCaO·SiO₂·nH₂O

(1.5～2.0)CaO·SiO₂·aq+SiO₂→(0.8～1.5)CaO·SiO₂·aq

3CaO·Al₂O₃·6H₂O+SiO₂+mH₂O→xCaO·SiO₂·mH₂O+yCaO·Al₂O₃·nH₂O

xCa(OH)₂+Al₂O₃+mH₂O→xCaO·Al₂O₃·nH₂O

3Ca(OH)₂+Al₂O₃+2SiO₂+mH₂O→3CaO·Al₂O₃·2SiO₂·nH₂O

3CaO·Al₂O₃·6H₂O+Ca(OH)₂+6H₂O→4CaO·Al₂O₃·13H₂O

4CaO·Al₂O₃·13H₂O+3(CaSO₄·2H₂O)+14H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O+Ca(OH)₂

实施例3

本实施例主要为现场中试试验，采用固化剂对上海市某区土路基进行加固，土路基天然含水率约33％，采用6％硬化剂(水泥：S95矿粉：烧结干法脱硫灰)对土体进行加固，首次加固采用小型压路机进行压实，养生7d后对加固土进行翻拌，进行二次加固，继续养生后对土体进行碾压，测试加固后土路基的回弹弯沉值，具体如下表4所示。

表4：土路基回弹弯沉值

由表4可知，土路基的回弹弯沉值在140～380(0.01mm)之间，满足设计施工要求。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种用于软土路基加固的多源固废基硬化剂，其特征在于，以脱硫灰渣、冶金废渣、水泥为原料，按重量百分比计，该硬化剂由17％～42％的脱硫灰渣、33％～68％的冶金废渣和12％～30％的水泥混合而成。

2.根据权利要求1所述的用于软土路基加固的多源固废基硬化剂，其特征在于，所述脱硫灰渣为电厂或钢铁烧结工艺通过干法、半干法脱硫后得到的固体废弃物。

3.根据权利要求1或2所述的用于软土路基加固的多源固废基硬化剂，其特征在于，所述的脱硫灰渣为电厂脱硫灰或烧结脱硫灰中的一种或几种。

4.根据权利要求2所述的用于软土路基加固的多源固废基硬化剂，其特征在于，所述的两种脱硫灰渣均为高钙高硫型灰渣；当其为钢铁烧结工艺产生的脱硫灰时，化学组成主要以CaCO₃和CaSO₃为主；当为电厂脱硫灰渣时，化学成分以SiO₂和Al₂O₃为主，并含有一定量的SO₃、f-CaO和CaSO₃。

5.根据权利要求1所述的用于软土路基加固的多源固废基硬化剂，其特征在于，所述的冶金废渣为高炉粒化矿渣粉和钢渣粉中的一种或几种。

6.根据权利要求1或5所述的用于软土路基加固的多源固废基硬化剂，其特征在于，所述的冶金废渣为高炉粒化矿渣粉时，其细度、活性指数至少满足GBT18046《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中S95级矿粉的要求。

7.根据权利要求1或5所述的用于软土路基加固的多源固废基硬化剂，其特征在于，所述的冶金废渣为钢渣粉时，其比表面积、活性指数满足GBT20491《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》中的要求。

8.一种权利要求1-7中任一权利要求所述用于软土路基加固的多源固废基硬化剂的应用，其特征在于，该硬化剂用于路基加固时，固化剂与土的用量比为4％～16％。