CN116813257A - 一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料、制备方法及施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料、制备方法及施工工艺，属于建筑材料技术领域。本发明以赤泥、粉煤灰、高炉矿渣粉和碎石为基本原材料，在激发剂溶液的作用下在常温下得到的地质聚合物材料，具有良好的和易性，常温养护28d强度可达13.9MPa，高温养护24小时，在常温养护28d强度可达21.4Mpa，可泵送、干法或水下灌注，用于建筑工程中的桩体材料或其他结构材料。本发明消耗赤泥量大，解决赤泥的堆存问题和污染问题，对赤泥和粉煤灰的资源化利用具有推动作用。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料、制备方法及施工工艺。
背景技术
拜耳法赤泥是铝土矿提炼氧化铝之后排出的固体废弃物。由于氧化铝工业的快速发展，我国产生的赤泥量越来越大，2015年全国赤泥产生量超过7000万吨，累计堆存量已超过3.52亿吨。但其利用率只有4％。赤泥的大量集中堆存，既占用土地，浪费资源，又易造成环境污染和安全隐患。因此，最大限度的减少赤泥堆存和危害，实现多渠道、大规模的资源化利用已迫在眉睫。
拜耳法赤泥富含地质聚合物反应所需的Na2O、SiO2和Al2O3等，可用于制备高性能地质聚合物材料，因此逐渐成为赤泥综合利用的有效途径之一。但由于受到技术工艺的限制，赤泥粉煤灰地质聚合物材料的研究局限于室内制备及基本物理力学性能测试，难以实现在工程上的规模化应用，并且赤泥粉煤灰地质聚合物的形成均是在高温养护条件下形成的，且配比材料比较单一。此外，赤泥粉煤灰地质聚合物材料的流动性和强度随液固比的变化而变化，因此找出一种既满足于现场施工泵送和水下灌注，又具有要求强度的赤泥粉煤灰地质聚合物材料配方和施工工艺成为目前赤泥大规模工程利用的“卡脖子”难题。一旦解决，可以为赤泥大批量消纳和资源化利用提供一条切实可行的有效途径。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料、制备方法及施工工艺，本发明提供的赤泥粉煤灰地质聚合物材料具有良好的和易性，常温养护下28天的抗压强度可达到13.9MPa，高温养护24小时，在常温养护28d强度可达21.4MPa，可以满足于现场施工泵送和水下灌注。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料，包括以下重量份数的原料：赤泥100-200份、粉煤灰200-400份、细骨料200-400份、碎石500-600份、高炉矿渣粉10-20份、碱激发剂溶液160-200份。
优选地，所述粉煤灰为二级粉煤灰。
优选地，所述细骨料粒度为0.28-0.3mm；所述碎石粒度为10-20mm。
优选地，所述高炉矿渣粉为S95级高炉矿渣粉。
优选地，所述碱激发剂为氢氧化钠溶液和水玻璃的混合液。
进一步优选地，所述氢氧化钠溶液与水玻璃质量比为(1:1.5)-(1:3)。
进一步优选地，所述氢氧化钠溶液浓度为8-15mol/L。
本发明还提供了上述技术方案所述地质聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将赤泥干燥后研磨、过筛，配置碱激发剂溶液；
(2)按重量份数称量赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石、高炉矿渣粉和碱激发剂溶液；
(3)将碱激发剂溶液倒入搅拌机中，再加入赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石和高炉矿渣粉，搅拌10-15min得到塌落度200mm～220mm的拌合物；
(4)取部分拌合物进行坍落度试验，测量该配比下的拌合物坍落度；
(5)将剩余拌合物倒入已涂有脱模剂的试模中，用钢制捣棒捣制均匀，放于振动台上振动60s～180s至试块表面不再冒出气泡，用油灰刀刮平；
(6)在25-30℃条件下，将试模平放24小时脱模，养护至28d；或在55-60℃条件下养护24小时后，放至常温环境养护至28d。
优选地，步骤(1)所述研磨时间为30-60min；所述过筛为过0.3-0.6mm圆孔筛。
本发明还提供了一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料的施工工艺，包括以下步骤：
(1)根据桩体材料强度和制桩工艺要求进行现场桩身材料制备，桩体材料按照权利要求1所述原料重量份数进行配比，采用自落式搅拌机，先将碱激发剂溶液倒入搅拌机中，再加入赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石和高炉矿渣粉，搅拌10-15min，制备塌落度在220mm～240mm的相应流动性和强度的桩体材料；
(2)制桩
根据桩身设计尺寸、地层条件可选择如下制桩工艺；
①泥浆护壁旋挖钻孔制桩：采用旋挖钻孔工艺施工时，应进行泥浆制备和护筒埋设；钻机就位后，在钻进过程中，根据机载装置随时观察钻杆是否垂直，并通过深度计数器控制钻孔深度。旋挖钻均匀缓慢钻进，起到钻进和泥浆护壁的作用。钻孔达到设计深度后清孔和检孔。满足质量要求后采用导管法进行水下灌注拌合物，完成制桩；
②长螺旋钻孔压灌拌合物制桩：采用长螺旋钻孔时，开孔时下钻速度缓慢；钻进过程中，不得反转或提升钻杆；在钻进过程中遇到卡钻、钻机摇晃、偏斜或发生异常声响时，立即停钻，查明原因，采取相应措施后继续作业；钻孔深度达到设计要求后，可利用混凝土输送泵泵送拌合物，同时提升钻杆完成制桩。
有益技术效果：
本发明以赤泥、粉煤灰、高炉矿渣粉和碎石为基本原材料，在碱激发剂溶液的作用下常温得到的地质聚合物材料，消耗赤泥量大；本发明获得可用于泵送的地质聚合物材料常温养护28d强度可达13MPa以上，高温养护下28d强度可达21.4Mpa，现场施工更加方便，更加节约能源，且针对工程为一般桩体材料或其他低强度结构材料，强度符合要求；本申请配比增加了粗骨料、细骨料、高炉矿渣粉的配比，在保证地质聚合物材料强度的同时更加注重在工程应用上的工作性能；本发明提供的地质聚合物材料适用于现场泵送和水下灌注，并总结出一套适用该配方的施工工艺；本申请能广泛用于建筑工程，解决赤泥的堆存问题和污染问题，对赤泥和粉煤灰的综合利用具有推动作用。
具体实施方式
一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料，包括以下重量份数的原料：赤泥100-200份、粉煤灰200-400份、细骨料200-400份、碎石500-600份、高炉矿渣粉10-20份、碱激发剂溶液160-200份。
在一些实施方式中，所述粉煤灰为二级粉煤灰。
在一些实施方式中，所述细骨料为细河沙；所述细骨料粒度为0.28-0.3mm；所述碎石粒度为10-20mm。
在一些实施方式中，所述高炉矿渣粉为S95级高炉矿渣粉。
在一些实施方式中，所述碱激发剂为氢氧化钠溶液和水玻璃的混合液；所述氢氧化钠溶液与水玻璃质量比为(1:1.5)-(1:3)，优选为1:25；所述氢氧化钠溶液浓度为8-15mol/L，优选为10mol/L。
本发明还提供了上述技术方案所述地质聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将赤泥干燥后研磨30-60min、过0.3-0.6mm圆孔筛筛，配置碱激发剂溶液；
(2)按重量份数称量赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石、高炉矿渣粉和碱激发剂溶液；
(3)将碱激发剂溶液倒入搅拌机中，再加入赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石和高炉矿渣粉，搅拌10-15min得到拌合物；
(4)取拌合物进行坍落度试验，测量该配比下的拌合物坍落度；
(5)将剩余拌合物倒入已涂有脱模剂的试模中，用钢制捣棒捣制均匀，放于振动台上振动60s～180s至试块表面不再冒出气泡，用油灰刀刮平；
(6)在25-30℃条件下，将试模平放24小时脱模，养护至28d；或在55-60℃条件下养护24小时后，放至常温环境养护至28d。
本发明还提供了一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料的施工工艺，包括以下步骤：
(1)根据材料配方进行现场桩身材料配比试验
以赤泥、粉煤灰、高炉矿渣粉为基本材料，细骨料、碎石作为填充材料，配以碱激发剂溶液，按照上述技术方案所述赤泥粉煤灰地质聚合物材料的重量份数制备地质聚合物材料的拌合物，测试其坍落度和强度；选择适宜的现场材料配比，坍落度控制在220-240mm；
(2)采用混凝土搅拌机制备赤泥粉煤灰聚合物拌合物。搅拌拌合物前，加水空转一定时间，使拌筒充分润湿后将水倒出。然后先将碱激发剂溶液、赤泥、粉煤灰、细骨料投入搅拌2-3分钟，再加入碎石再搅拌2-3分钟，完成拌合物制备；
(3)制桩工艺
根据桩身设计尺寸、地层条件选择制桩工艺；
①旋挖钻孔水下灌注拌合物制桩(水下灌注)：
S1、泥浆制备与护筒埋设：泥浆制备根据施工机械、工艺及穿越土层情况选用高塑性黏土或膨润土，护筒埋设深度应符合有关规定，护筒顶面宜高出施工水位或地下水位2m并宜高出施工地面0.3m；
S2、旋挖钻孔：泥浆护壁成孔时根据泥浆补给情况控制钻进速度；保持钻机稳定，钻进过程中如发生斜孔、塌孔和护筒周围冒浆、失稳等现象时，应先停钻，待采取相应措施后再进行钻进。钻孔达到设计深度，质量符合规范和设计要求后下入导管，准备灌注拌合物；
S3、水下灌注的拌合物坍落度应控制在220～240mm，保证具有良好的和易性；
S4、水下灌注赤泥粉煤灰聚合物拌合物：赤泥粉煤灰聚合物拌合物通过密封连接的导管注入钻孔，灌注应连续进行，直至桩顶设计标高，完成制桩。
②长螺旋钻孔泵送压灌拌合物制桩：
S11、钻机定位后，进行复检，钻头与桩位点偏差不得大于20mm，开孔时下钻速度应缓慢；钻进过程中，不宜反转或提升钻杆；
S21、在钻进过程中遇到卡钻、钻机摇晃、偏斜或发生异常声响时，应立即停钻，查明原因，采取相应措施后方可继续作业；
S31、钻至设计标高后，利用混凝土泵泵送拌合物，并提升钻杆。提钻速度应根据土层情况确定；
S41、泵送的赤泥粉煤灰聚合物拌合物坍落度应控制在220～240mm，保证具有良好的和易性，泵送应连续进行，严禁先提钻后灌料，确保成桩质量。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
所用原材料包括山东某铝电厂的赤泥(RM)、二级粉煤灰(F2)、河砂、碎石、S95级高炉矿渣粉和碱激发剂溶液。F2和RM的化学组成见表1所示。
表1F2和RM的化学组成
(1)将赤泥晾晒干燥后研磨60min、过0.6mm圆孔筛筛，按照氢氧化钠溶液和水玻璃溶液的质量比1:2.5，氢氧化钠溶液浓度为10mol/L配置碱激发剂溶液；
(2)按赤泥、粉煤灰、河砂、碎石、S95级高炉矿渣粉、碱激发剂溶液按照配比称取足量原材料；
(3)将碱激发剂溶液倒入搅拌机中，再加入赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石和高炉矿渣粉，搅拌10-15min得到拌合物；
(4)取部分拌合物进行坍落度试验，测量该配比下的拌合物坍落度；
(5)将剩余拌合物倒入已涂有脱模剂的试模中，用钢制捣棒捣制均匀，放于振动台上振动180s至试块表面不再冒出气泡，用油灰刀刮平；
(6)在25-30℃条件下，将试模平放24小时脱模，养护至28d；或在55-60℃条件下养护24小时后，放至常温环境养护至28d；
(7)按0.3mm/min的应变速率，测试试件的抗压强度，测试结果见表2。
表2各配比试件抗压强度值
由表2可知，不同赤泥粉煤灰地质聚合物的配比，可得到不同塌落度、不同强度的赤泥地质聚合物材料。在0.55液固比下，赤泥：粉煤灰：河砂：碎石：高炉矿渣粉：碱激发剂溶液＝(1:2:2:4.94:0.1:1.5)的地质聚合物的和易性最优，强度最高，常温养护28d强度达13.9MPa，高温养护24小时，在常温养护28d强度可达21.4Mpa,可选为最优配比。
实施例2
一种可用于泵送的赤泥粉煤灰地质聚合物材料的施工工艺包括以下步骤：
1、桩体材料准备
按照质量比赤泥：粉煤灰：河砂：碎石：S95级高炉矿渣粉：碱激发剂溶液＝1：2：2：4.94：0.1：1.5配置原料，加入搅拌机，搅拌5～10分钟，根据拌制实际情况，适当调节碱激发剂溶液中氢氧化钠溶液的浓度以及与水玻璃的质量比，保证聚合物材料的强度和工作性能，坍落度控制在220-240mm；
2、泥浆池制备、护筒埋设及钻孔
根据地质勘察，本场区的地下水位为地下2～4m，选用旋挖钻机进行钻孔作业，桩径520mm，桩长10m；在桩位旁2米外筑开挖浆池一座，容积5～15m3；采用3～4mm的钢板焊制护筒；定出桩位后埋设护筒，深度不小于2.0m，上口高出地面0.3m；为防止钻进施工中护筒返浆造成塌孔，护筒埋设位置应准确，其中心线与桩中心线的允许偏差不得大于2cm，并保证筒的垂直度和水平度，其倾斜度不得大于1％；在钻进过程中，桩孔上部孔段应轻压慢转，控制导向、防止偏位和斜孔；在钻锥入土后进行正常进钻；刚开钻时必须原位造浆0.5-1.0小时，以防止浅塌孔；然后根据土质情况确定造浆的部位、钻进速度。
3、清孔和下设导管
在孔深达到11米后改用平底钻头开始清孔。清孔完成后安放钢筋笼，下设导管。再用导管进行第二次清孔，测定孔底沉渣厚度符合设计要求后方可停止清孔，清孔结束后应在30分钟内灌注拌合物。
4、灌注拌合物
在二次清孔完毕钻孔质量符合要求后，迅速安放漏斗与隔水橡皮球胆，将导管提离孔底0.5m；首灌拌合物的体积必须保证能埋住导管不小于0.8m；灌注开始后要连续进行并尽可能缩短拆除导管的间隔时间；在灌注过程中安排专人经常测量孔内拌合物面位置，及时拆卸导管，应保证导管埋深不小于6.0m；严禁将导管提出拌合物面或埋入过深，
当拌合物顶面达桩顶标高时，再超灌注0.5-0.8m，以保证桩顶质量，充盈系数应控制在1.1-1.2；
5、每次灌注,按规定测坍落度二次，做好试块，试块标明桩号、日期、并养护。自然养护至28d龄期。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：赤泥100-200份、粉煤灰200-400份、细骨料200-400份、碎石500-600份、高炉矿渣粉10-20份、碱激发剂溶液160-200份。
2.根据权利要求1所述的地质聚合物材料，其特征在于，所述粉煤灰为二级粉煤灰。
3.根据权利要求1所述的地质聚合物材料，其特征在于，所述细骨料粒径为0.28-0.3mm；所述碎石粒径为10-20mm。
4.根据权利要求1所述的地质聚合物材料，其特征在于，所述高炉矿渣粉为S95级高炉矿渣粉。
5.根据权利要求1所述的地质聚合物材料，其特征在于，所述碱激发剂为氢氧化钠溶液和水玻璃的混合液。
6.根据权利要求5所述的地质聚合物材料，其特征在于，所述氢氧化钠溶液与水玻璃质量比为(1:1.5)-(1:3)。
7.根据权利要求5或6所述的地质聚合物材料，其特征在于，所述氢氧化钠溶液浓度为8-15mol/L。
8.权利要求1-7任一项所述地质聚合物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将赤泥干燥后研磨、过筛，配置碱激发剂溶液；
(2)按重量份数称量赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石、高炉矿渣粉和碱激发剂溶液；
(3)将碱激发剂溶液倒入搅拌机中，再加入赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石和高炉矿渣粉，搅拌10-15min得到塌落度220mm～240mm的拌合物；
(4)取部分拌合物进行坍落度试验，测量该配比下的拌合物坍落度；
(5)将剩余拌合物倒入已涂有脱模剂的试模中，用钢制捣棒捣制均匀，放于振动台上振动60s～180s至试块表面不再冒出气泡，用油灰刀刮平；
(6)在25-30℃条件下，将试模平放24小时脱模，养护至28d；或在55-60℃条件下养护24小时后，放至常温环境养护至28d。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述研磨时间为30-60min；所述过筛为过0.3-0.6mm圆孔筛。
10.一种可用于泵送和水下灌注的赤泥粉煤灰地质聚合物材料的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据桩体材料强度和制桩工艺要求进行桩身材料配比试验，桩体材料按照权利要求1所述原料重量份数进行配比，采用自落式搅拌机，先将碱激发剂溶液倒入搅拌机中，再加入赤泥、粉煤灰、细骨料、碎石和高炉矿渣粉，搅拌10-15min，制备相应流动性和强度的桩体材料；
(2)根据桩身设计尺寸、地层条件，可选择如下制桩工艺：
①旋挖钻孔灌注制桩工艺：钻孔达到设计深度，质量满足规范要求，采用导管法水下灌注拌合物完成制桩；
②长螺旋钻孔压灌制桩工艺：钻孔深度满足设计要求后采用混凝土输送泵泵送拌合物完成制桩。
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