CN115417652B - 一种黄泛区粉土固废基土壤固化剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种黄泛区粉土固废基土壤固化剂及其应用。高炉矿渣25‑40份，粉煤灰25‑50份，脱硫石膏2‑15份，钛石膏5‑15份，普通硅酸盐水泥25‑40份，二乙醇单异丙醇胺，其重量份为粉体干质量总和的万分之一‑万分之十八，表面活性剂，其重量份为粉体干质量总和的1‑10％。本采用固废材料与水泥进行混合，使固废材料与水泥相互协同，提高固化土体强度；通过钛石膏增加粉土材料的粘结能力，降低材料的脆性；通过激发剂可兼顾提升早期和后期强度，既可以提升固化剂本身的强度，提高了水稳性能；同时其掺入量较少可以满足在性能满足要求的状况下，大大降低了成本，同时也有效地保护了环境。

Description

一种黄泛区粉土固废基土壤固化剂及其应用

技术领域

本发明涉及道路工程材料技术领域，具体涉及一种黄泛区粉土固废基土壤固化剂及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

黄泛区冲击平原上，大面积土质以粉土为主，路基强度低，施工碾压十分困难，为提高路基承载能力，道路建设中一般需要对路床区进行固化处理，但现有的粉土路基土一般以水泥、石灰为固化材料进行粉土固化处置，存在成本高，易收缩开裂，固化粉土施工工艺、质量控制尚不完善等问题。而市场上所出现的土壤固化剂需要配合大量水泥进行使用，成本较高，在道路路基施工过程中很难进行推广使用。此外，随着科技的发展，高炉矿渣、粉煤灰等工业固废大量的产生，大宗的工业固废的堆存造成了严重的环境污染和资源浪费，因此大宗固废的资源化利用迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种黄泛区粉土固废基土壤固化剂及其应用，既解决了大宗固废的利用问题，降低成本，保护环境，同时通过原料的选择和组合来提升整体强度和水稳性能，所述泛区粉土固废基土壤固化剂抗压强度好，水稳系数高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下所述：

在本发明的第一方面，提供一种黄泛区粉土固废基土壤固化剂，由以下组分按照重量份制而成：

高炉矿渣25-40份，粉煤灰25-50份，脱硫石膏2-15份，钛石膏5-15份，普通硅酸盐水泥25-40份，二乙醇单异丙醇胺，其重量份为所有粉体干质量份总和的万分之一到万分之十八，表面活性剂，其重量份为所有粉体干质量份总和的1-10％。

在本发明的第二方面，提供一种黄泛区粉土固废基绿色土壤固化剂的制备方法：

(1)将高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、钛石膏采用烘箱进行烘干、磨细，分别进行过筛处理；

(2)将高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、钛石膏按照比例称取进行干拌得到干拌混合物，将二乙醇单异丙醇胺和表面活性剂加入水中制成激发剂、表面活性剂水溶液；

对土体进行固化时，将干拌混合物与水进行混合和闷料，闷料时长按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)操作；在成型前1h内再将普通硅酸盐水泥与激发剂、表面活性剂水溶液拌入。

在本发明的第三方面，提供一种第一方面所述黄泛区粉土固废基绿色土壤固化剂在土壤固化中的应用。

本发明的具体实施方式具有以下有益效果：

本发明提供的一种黄泛区粉土固废基绿色土壤固化剂中，采用固废材料与水泥进行混合，使固废材料与水泥相互协同，提高固化土体强度，且制备方法简单易操作。

本发明中的高炉矿渣、粉煤灰和脱硫石膏采用固体废弃物，由于固体废弃物的掺入，固化剂本身的强度和性能会弱于水泥，本发明中主要通过激发水泥强度来提升整体强度，本发明采用二乙醇单异丙醇胺作为水泥激发剂，通过激发固化剂内部水泥的强度，来补充由于固体废弃物的加入而降低的部分；加入脱硫石膏，增加钙矾石的生成，起到更好的孔隙填充作用，提升改性粉土的强度，此外，存在离子交换作用，减小土颗粒表面水膜的厚度；将多种固废材料按照材料特性利用起来，更大限度的发挥固废材料的利用率，起到降低成本，保护环境的效果。

此外，对于固废基土壤固化剂，早强效果明显，后期强度却提升不大，二乙醇单异丙醇胺的加入提高内部水化硅酸钙的含量，可兼顾早期和后期强度，既可以提升固化剂本身的强度，提高了水稳性能；同时其掺入量较少可以满足在性能满足要求的状况下，大大降低了成本。

钛石膏具有一定的粘性，粉土粘结性较弱，黏土矿物含量低，主要成分为原生矿物的问题，可以得到有效改善；此外，固化剂的加入，会使固化土壤本身呈现脆性变形，钛石膏的加入，可以有效的缓解改性土壤的脆性变形，减小改性土壤的开裂。

本发明提供的一种黄泛区粉土固废基绿色土壤固化剂材料中采用高炉矿渣、粉煤灰等大宗工业固废，价格低，有效解决了大宗固废减量利用的问题，且降低了固化土体的成本，与4％水泥相比，成本降低约为1-20％。同时也有效地保护了环境。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种实施方式中，提供了一种黄泛区粉土固废基土壤固化剂，由以下组分按照重量份制而成：

高炉矿渣25-40份，粉煤灰25-50份，脱硫石膏2-15份，钛石膏5-15份，普通硅酸盐水泥25-40份，二乙醇单异丙醇胺，其重量份为高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏和普通硅酸盐水泥重量份总和的万分之一-万分之十八，表面活性剂，其重量份为高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏和普通硅酸盐水泥重量份总和的1-10％。

在本发明的一些实施方式中，高炉矿渣为烘干磨细后的状态，其粒径不大于0.075mm，其中氧化钙含量约为30-50％；高炉矿渣为冶炼生铁时从高炉中排出的白色粉状工业废料，具有潜在的水硬胶凝性能，可在水泥熟料、石灰、石膏的作用下，显示出水硬胶凝特性。

在本发明的一些实施方式中，粉煤灰的粒径不大于400目，主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙及三氧化硫等。其中，氧化钙含量为10-15％；粉煤灰是火力发电厂在燃煤过程中排放的微小灰粒，是目前应用最为广泛的工业固体废弃物，具有潜在水硬性。

在本发明的一些实施方式中，脱硫石膏为烘干破碎磨细后的状态，其粒径不大于0.075mm，其中，氧化钙的含量为30-50％，三氧化硫的含量为30-50％；脱硫石膏为发电厂燃烧煤的烟气在脱硫的过程中得到的一种潮湿粉状的工业废料。

在本发明的一些实施方式中，钛石膏为烘干磨细破碎后的状态，粒径为0.1-2mm。

在本发明的一些实施方式中，普通硅酸盐水泥的型号为P.O 42.5、P.O 52.5、P.O62.5中的一种；进一步为P.O 42.5。

在本发明的一些实施方式中，表面活性剂为三乙醇胺或三异丙醇胺。

本发明中的高炉矿渣、粉煤灰和脱硫石膏采用固体废弃物，由于固体废弃物的掺入，固化剂本身的强度和性能会弱于水泥，本发明中主要通过激发水泥强度来提升整体强度，激发方法采用两种，一是有机激发剂，即加入二乙醇单异丙醇胺，二是硫酸盐激发剂，即加入脱硫石膏。采用二乙醇单异丙醇胺作为水泥激发剂，激发固化剂内部水泥的强度，进而提升改性土体强度；二乙醇单异丙醇胺的加入提高内部水化硅酸钙的含量，可兼顾早期和后期强度，既可以提升固化剂本身的强度，提高了水稳性能；同时其掺入量较少可以满足在性能满足要求的状况下，大大降低了成本。采用脱硫石膏作为激发剂，增加钙矾石的生成，起到更好的孔隙填充作用，提升改性粉土的强度，此外，存在离子交换作用，减小土颗粒表面水膜的厚度；将多种固废材料按照材料特性利用起来，更大限度的发挥固废材料的利用率，起到降低成本，保护环境的效果。本发明的一种实施方式中，提供了一种上述黄泛区粉土固废基土壤固化剂的制备方法：

(1)将高炉矿渣、粉煤灰和脱硫石膏采用烘箱进行烘干、磨细，分别进行过筛处理；

(2)将高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏和钛石膏按照比例称取进行干拌，将激发剂二乙醇单异丙醇胺和表面活性剂加入水中制成激发剂-表面活性剂水溶液；

对土体进行固化时，将高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏与水进行混合和闷料，闷料时长按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)操作；在成型前1h内再将普通硅酸盐水泥与激发剂、表面活性剂水溶液拌入。

在一种或多种实施方式中，所述烘干温度选择40-150℃。

本发明的实施方式中，在对土体进行固化时，在成型前1h内再将普通硅酸盐水泥与激发剂、表面活性剂水溶液拌入，这样做可以防止水泥过早水化在后期施工过程中产生强度损失。

本发明的一种实施方式中，提供了一种上述黄泛区粉土固废基绿色土壤固化剂在土壤固化中的应用。

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1

一种针对黄泛区特殊土质的土壤固化剂，按质量分数计，其原料配方如下：

普通硅酸盐水泥33份，高炉矿渣33份，粉煤灰34份，脱硫石膏2份，钛石膏5份；二乙醇单异丙醇胺0.01份，三乙醇胺2份；

将固废材料高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏和钛石膏均采用烘箱进行烘干，烘干温度选择40℃，烘干后的固废材料高炉矿渣、粉煤灰和脱硫石膏使用行星式球磨机进行磨细，分别进行过筛处理；

将高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏、脱硫石膏按照一定的比例称取首先进行干拌，其余激发剂、表面活性剂则加入部分水中制成激发剂、表面活性剂稀释后的水溶液，对土体进行固化时，再将干料与水进行混合进行闷料，闷料时长按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)，其中，为了防止水泥过早水化在后期施工过程中产生强度损失，故在成型前1h内再将水泥与稀释后的激发剂表面活性剂水溶液拌入。

实施例2

一种针对黄泛区特殊土质的土壤固化剂，按质量分数计，其原料配方如下：

普通硅酸盐水泥40份，高炉矿渣40份，粉煤灰20份，脱硫石膏5份，钛石膏10份；二乙醇单异丙醇胺0.08份，三异丙醇5.8份；

制备方法如下：将固废材料高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏、脱硫石膏均采用烘箱进行烘干，烘干温度选择80℃，烘干后的固废材料高炉矿渣、钛石膏、粉煤灰和脱硫石膏使用行星式球磨机进行磨细，分别进行过筛处理；

将高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏、脱硫石膏按照一定的比例称取首先进行干拌，激发剂二乙醇单异丙醇胺和表面活性剂三异丙醇则加入部分水中制成激发剂、表面活性剂稀释后的水溶液，对土体进行固化时，再将干料与水进行混合进行闷料，闷料时长按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)；在成型前1h内将水泥与稀释后的二乙醇单异丙醇胺表面活性剂水溶液拌入。

实施例3

一种针对黄泛区特殊土质的土壤固化剂，按质量分数计，其原料配方如下：

普通硅酸盐水泥40份，高炉矿渣20份，脱硫石膏15份，粉煤灰30份，钛石膏15份，二乙醇单异丙醇胺0.05份，三乙醇胺5.8份；

制备方法如下：将固废材料高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏均采用烘箱进行烘干，烘干温度选择105℃，烘干后的固废材料高炉矿渣、粉煤灰和脱硫石膏使用行星式球磨机进行磨细，分别进行过筛处理；

将高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏按照一定的比例称取首先进行干拌，激发剂二乙醇单异丙醇胺和表面活性剂三乙醇胺则加入部分水中制成激发剂、表面活性剂稀释后的水溶液，对土体进行固化时，再将干拌混合物与水进行混合进行闷料，闷料时长按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)；在成型前1h内将水泥与稀释后的二乙醇单异丙醇胺表面活性剂水溶液拌入。

对比例1(不加二乙醇单异丙醇胺)

普通硅酸盐水泥40份，高炉矿渣20份，脱硫石膏15份，粉煤灰30份，钛石膏15份，三乙醇胺5.8份；

制备方法如下：将固废材料高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏均采用烘箱进行烘干，烘干温度选择40℃，烘干后的固废材料高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏使用行星式球磨机进行磨细，分别进行过筛处理；

将高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏按照一定的比例称取首先进行干拌，表面活性剂三乙醇胺则加入部分水中制成激发剂、表面活性剂稀释后的水溶液，对土体进行固化时，再将干拌混合物与水进行混合进行闷料，闷料时长按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)；在成型前1h内将水泥与稀释后的表面活性剂水溶液拌入。

对比例2(将激发剂二乙醇单异丙醇胺替换为生石灰或氢氧化钠)

普通硅酸盐水泥40份，高炉矿渣20份，脱硫石膏15份，粉煤灰30份，钛石膏15份，三乙醇胺5.8份；生石灰和氢氧化钠5份；

制备方法如下：将固废材料高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏均采用烘箱进行烘干，烘干温度选择40℃，烘干后的固废材料高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏使用行星式球磨机进行磨细，分别进行过筛处理；

将高炉矿渣、粉煤灰、钛石膏和脱硫石膏按照一定的比例称取首先进行干拌，激发剂生石灰或氢氧化钠和表面活性剂三乙醇胺则加入部分水中制成激发剂、表面活性剂稀释后的水溶液，对土体进行固化时，再将干拌混合物与水进行混合进行闷料，闷料时长按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)；在成型前1h内将水泥、生石灰与稀释后的氢氧化钠、表面活性剂水溶液拌入。

将实施例1-实施例3所得的土壤固化剂进行性能检测，具体检测方法如下：

无侧限抗压强度的测定：

取代表性土样均匀分成3份，将实施例1-实施例3的土壤固化剂分别加入到均分的3等分土中，具体质量比为5％土壤固化剂与95％的土样。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009)进行的，制成采用直径×高＝50mm×50mm的圆柱形试样，在温度为温度20℃±2℃，相对湿度95％以上的条件下，保湿养生6d、浸水1d后的7d无侧限抗压强度，其水稳系数的测定参照《土壤固化外加剂》CJ/T 486的规定进行，其值为在温度为温度20℃±2℃，相对湿度95％以上的条件下，保湿养生6d、浸水1d后的7d无侧限抗压强度与在温度为温度20℃±2℃，相对湿度95％以上的条件下，保湿养生7d时的无侧限抗压强度之比。检测结果如表1所示：

从表1可见，本发明实施例得到的土壤固化剂无侧限抗压强度和7d标准养护后试件的无侧限抗压强度更高，并且水稳系数更高，强于对比例1和2得到的土壤固化剂。且二乙醇单异丙醇胺的用量极少，即可提高其强度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种黄泛区粉土固废基土壤固化剂，其特征在于，由以下组分按照重量份组成：

高炉矿渣25-40份；粉煤灰25-50份；脱硫石膏2-15份；钛石膏5-15份；普通硅酸盐水泥25-40份；二乙醇单异丙醇胺，其重量份为粉体干质量总和的万分之一到万分之十八；表面活性剂，其重量份为粉体干质量总和的1-10%；

高炉矿渣为烘干磨细后的状态，其粒径不大于0.075mm，其中氧化钙含量为30-50%；

粉煤灰的粒径不大于400目，主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙及三氧化硫；其中，氧化钙含量为10-15%；

脱硫石膏为烘干破碎磨细后的状态，其粒径不大于0.075 mm，其中，氧化钙的含量为30-50%，三氧化硫的含量为30-50%。

2.如权利要求1所述的黄泛区粉土固废基土壤固化剂，其特征在于，普通硅酸盐水泥的型号为P.O 42.5、P.O 52.5、P.O 62.5中的一种。

3.如权利要求1所述的黄泛区粉土固废基土壤固化剂，其特征在于，普通硅酸盐水泥的型号为P.O 42.5。

4.如权利要求1所述的黄泛区粉土固废基土壤固化剂，其特征在于，表面活性剂为三乙醇胺或三异丙醇胺。

5.一种权利要求1-4任一所述黄泛区粉土固废基土壤固化剂的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

（1）将高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏和钛石膏采用烘箱进行烘干、磨细，分别进行过筛处理；

（2）将高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏和钛石膏按照比例称取进行干拌得到干拌混合物，将二乙醇单异丙醇胺和表面活性剂加入水中制成激发剂-表面活性剂水溶液；

对土体进行固化时，将干拌混合物与水进行混合和闷料，闷料时长按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTGE51-2009操作；在成型前1 h内再将普通硅酸盐水泥与激发剂、表面活性剂水溶液拌入。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述烘干温度选择40-150℃。

7.一种权利要求1-4任一所述黄泛区粉土固废基土壤固化剂在土壤固化中的应用。