专利名称：一种路用土壤固化剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤固化剂，特别涉及一种用于道路施工的利用工业废料的土壤固化剂。
背景技术：
固化剂加固土是采用一定的物理化学方法使土的物理力学性能适应工程需求的技术。近几年，国内应用较多的无机材料加固土主要有石灰加固土、水泥加固土和二灰(即石灰和粉煤灰)加固土。
以石灰和二灰为主的固化剂成本较低，然而在应用中存在较多缺点。例如固化土早期强度不高、整体性差，形成一定强度时间长，需7天以上，而且强度的可调节范围不大，抗压和抗拉强度低等。此外，石灰和二灰的水稳性和冻稳性相对较差，可施工期比较短。
以水泥作为固化剂，固化土的强度比石灰和二灰固化土有较大提高。但是，由于水泥的价格较高，增加了工程的造价。
因此，成本较低、性能优异、施工方便的无机固化剂的研究开发便成为国内相关工程技术人员关注的问题。
近年来，随着绿色建筑材料的发展，矿渣这种工业废料开始被开发用作建筑原料。矿渣是冶炼钢铁的废渣。它经水或空气急冷处理成为粒状颗粒，称为粒化高炉矿渣，其主要化学成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO等。经水淬急冷后的矿渣，玻璃体含量多，但是颗粒较粗，与水不发生化学反应。但是经研磨后，在激发剂的存在下，矿渣中的SiO2和Al2O3成分与水反应形成凝胶物质，而具有水硬活性。我国每年水淬矿渣的产量为6000万吨，价格低廉。国内已经开发了以矿渣为主要原料的矿渣水泥。然而，到目前为止，还没有开发出以矿渣为主要成分，固土效果好、固化土的耐久性好，且价格低廉的路用土壤固化剂。
发明内容
针对目前采用的石灰或二灰土壤固化剂存在的固土效果差、强度低，而以水泥作为固化剂成本又较高的问题，本发明的目的在于提供一种新型的固化剂。
本发明提供一种土壤固化剂，包括A)43wt％～73wt％的矿渣；B)19wt％～49wt％的碱类激发剂；和C)1wt％～8wt％的盐类激发剂。
其中矿渣为比表面积为400～500m2/kg的超细粉。
该土壤固化剂所采用的碱类激发剂可为至少一种选自如下组中的物质熟石灰、水泥熟料、氢氧化钠或氢氧化钾。
该土壤固化剂所采用的盐类激发剂为至少一种选自如下组中的物质硫酸钙、硫酸钠、碳酸钠或碳酸钾。
矿渣的含量优选为55wt％～65wt％；碱类激发剂的含量优选为19wt％～30wt％；和盐类激发剂的含量优选为1.5wt％～5.0wt％。
除上述组分外，本发明的土壤固化剂，还可进一步包括D)7wt％～25wt％的粉煤灰。优选，粉煤灰的含量为8wt％～15wt％。
本发明的固化剂以工业废料——矿渣为主要原料，通过掺加其他无机材料用于土壤加固，大大降低了固化剂的成本。并且，在同等添加量下，该固化剂加固土的7天无侧限抗压强度与水泥加固土相当，明显优于采用石灰的加固土。而该固化剂价格低廉，仅约为水泥价格的二分之一。该固化剂不但成本低廉、加固效果好、为公路建设节约资金，而且利用了工业废料，节约了资源。另外，本发明固化剂的主要组成材料均为无机物，无毒、无害、无污染，对动、植物都是安全的，也不会污染施工地的土壤和环境，完全符合对环境保护的要求。该固化剂略显碱性，但没有腐蚀性，因此在包装、运输和储存过程中无特殊要求，通常在常温下即可保存，十分方便。
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
来详细描述本发明的固化剂。
本发明提供一种土壤固化剂，包括A)43wt％～73wt％的矿渣；B)19wt％～49wt％的碱类激发剂；和C)1wt％～8wt％的盐类激发剂。
矿渣的主要化学成分是SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，其本身不与水发生化学反应。在加入少量适当的激发剂后，矿渣中的SiO2、Al2O3等成分在水的存在下可反应形成胶凝物质，而具有水硬性。特别是当矿渣研磨成比表面积为400～500m2/kg的超细粉时，其水硬活性可更充分地发挥出来。
基于固化剂的总重量，本发明固化剂中矿渣的重量百分比为43wt％～73wt％，优选为55wt％～65wt％。如果矿渣的重量百分比过小，则在一定掺量条件下，采用本发明固化剂的加固土的7天无侧限抗压强度不能满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ 034-2000)的要求。例如，当固化剂中矿渣的含量为30wt％时，添加了5％固化剂的加固土，7天无侧限抗压强度只有0.7MPa，而上述规范所要求的采用水泥的加固土同期无侧限抗压强度要在1.5MPa以上。另一方面，如果矿渣掺量过高，虽然可进一步降低固化剂的成本，但是加固土的强度反而下降。这是由于矿渣掺量增高使激发剂的含量相对减小，矿渣中的硅、铝成分不能充分反应形成足够的胶凝物质，因此造成了强度的下降。另外，由于矿渣细度较小，当其用量过大时极易引起加固土产生干缩增大或易开裂的问题。
能促使矿渣呈现胶凝能力的物质称为激发剂。激发剂分碱类激发剂和盐类激发剂两种。
常用的碱类激发剂例如有熟石灰、水泥熟料、氢氧化钠或氢氧化钾等。各种常用的碱类激发剂均可作为本发明固化剂的激发剂。从经济的角度出发，可根据当时的市场价格，优选采用价格较低的产品。其中，由于熟石灰资源丰富，目前的市场价格相对较低，因此在本申请中作为优选的实施例。
矿渣中的SiO2、Al2O3成分形成胶凝物的反应机理有两种。一种机理是在碱性条件下，SiO2、Al2O3从矿渣中溶解出来，进入水溶液，然后与溶解在水溶液中的阳离子结合，形成硅酸基、铝酸基等的胶凝物质。由于在这个先溶解、再沉淀的过程中，溶解是一个过渡过程，因此该过程又被本发明称作“过渡溶解”过程。另一种机理是表面的物理化学反应，其定性描述如下
其中m和n分别为自然数；X代表金属阳离子。
基于固化剂的总重量，用于本发明固化剂的碱类激发剂的重量百分比为19wt％～49wt％，优选为19wt％～30wt％。如果碱类激发剂用量若过小，则加固土的碱性不高，不能给矿渣水化提供足够的碱度，易影响加固土的强度；相反，如果碱类激发剂的用量在达到某一限度后继续增加，却并不能进一步提高加固土的强度，反而会使固化剂的成本增加。
所述盐类激发剂有硫酸钙、硫酸钠、碳酸钠或碳酸钾等。盐类激发剂与碱类激发剂反应可生成可溶性盐和强碱。例如Na2SO4中的SO42-和Na+与熟石灰中的Ca2+和OH-分别结合生成CaSO4和NaOH。NaOH等强碱可以提高液相的pH值，加快矿渣中硅、铝物质溶解，加速火山灰反应进程，提高反应生成物的含量；Na2SO4、CaSO4等可以与火山灰反应产物——铝酸钙反应生成例如硫铝酸钙胶凝物质，填充加固土内部孔隙，增加加固土的密实度，从而进一步提高加固土的强度。
上述盐类激发剂均可作为本发明固化剂的激发剂。其中，硫酸钙、硫酸钠、碳酸钠优选用于本发明。可根据当时的市场价格选择其中具有价格优势的盐类激发剂，以进一步降低成本。本发明的实施例中，特别优选的是硫酸钠，因为它不仅能有效提高固化土的强度，而且目前的市场价格较低，有利于进一步降低本发明固化剂的成本。
基于固化剂的总重量，用于本发明固化剂的盐类激发剂的重量百分比为1wt％～8wt％，优选为1.5wt％～5.0wt％。如果盐类激发剂的用量过小，固化剂加固土的强度将明显下降。如果盐类激发剂的用量过大，不但会增加固化剂的成本，而且当超过一定限度后，加固土强度的提高与所增加的量之间的比例下降，从经济的角度考虑，这是不可取的。
除上述的矿渣、碱类激发剂和盐类激发剂外，根据本发明的固化剂可进一步包括粉煤灰。
粉煤灰也是一种工业废料，是火力发电厂煤粉燃烧后从烟气中收集下来的粉状物。其粒径约为1～50μm，主要氧化物为SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者重量的总和一般超过70％。在碱性激发剂存在的条件下会生成硅酸基、铝酸基的胶凝物质，即发生“火山灰反应”。粉煤灰的另一效应——“微集料效应”可以增大固化剂水化后的总胶凝材料的数量，有利于细粒较少或粒径单一类土壤的稳定。加入一定量的粉煤灰可充分利用其“微集料效应”增加加固土的密实度。并且与矿渣反应后碱类激发剂会有所剩余，从而可利用粉煤灰的火山灰效应，使碱类激发剂与粉煤灰中的SiO2、Al2O3等发生反应，增加胶凝材料的数量。但粉煤灰中的SiO2、Al2O3在一般条件下活性激发较慢，胶凝材料的生成主要在后期，所以加入粉煤灰可提高加固土后期的强度，进一步巩固加固土的路用性能。但是过多的粉煤灰会导致加固土的碱性降低，不利于矿渣的早期水化，对加固土早期强度产生一定影响。因此，本发明的固化剂中，基于固化剂的总重量，粉煤灰的量为7wt％～25wt％。优选，粉煤灰的含量为8wt％～15wt％。
下面通过实施例进一步说明本发明的路用土壤固化剂。
实施例固化剂的制备实施例1用球磨机将原状水淬急冷矿渣(购自陕西龙门钢铁厂)磨成比表面积为439m2/kg的超细粉，密度为2.83g/cm3，其粒径分布用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000，英国马尔文仪器有限公司)进行测定，计算其平均粒径为14.120μm。熟石灰(购自陕西泾阳石灰厂)用2.36mm的筛子过筛。将68.57kg的矿渣超细粉和28.57kg的过筛的熟石灰粉混合，并加入2.86kg的III类工业硫酸钠(购自陕西宝化化工有限责任公司)，搅拌均匀，即得到本发明的土壤固化剂。该实施例中，矿渣、熟石灰和硫酸钠的重量比为12∶5∶0.5。
实施例2～9按照表1中矿渣、熟石灰和硫酸钠的重量比，采用与实施例1相同的制备方法，分别制备实施例2～9的土壤固化剂。
实施例10～20在实施例10～20中，采用与实施例1相同的制备方法，只是在矿渣、熟石灰和硫酸钠中进一步添加粉煤灰(购自陕西渭河电厂)。各原料的重量比如表1所示，将这些原料一起混合，搅拌均匀，即得到本发明实施例10～20的土壤固化剂。
表1
实施例21～22和对比例1在实施例21、22以及对比例1中，固化剂的制备方法与实施例1相同，区别在于在实施例21中以硫酸钙代替硫酸钠；在实施例22中以碳酸钠代替硫酸钠；在对比例1中用氯化钙代替硫酸钠，所用原料的重量比如下表2所示。其中硫酸钙、碳酸钠和氯化钙均购自陕西宝化化工有限责任公司。
表2对比例2和3采用目前国内常用于道路施工的材料作为固化剂，其中对比例2以普通硅酸盐水泥32.5作为固化剂；对比例3以熟石灰作为固化剂。
测试实施例按照如下方法用以上实施例1～22和对比例1～3中制备的固化剂进行土壤加固，并对加固土进行7天无侧限抗压强度的测定。
用于加固的土壤为西安附近的黄土，使用前用2.36mm的圆孔筛子过筛。首先按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)，通过击实试验确定最佳含水量和最大干密度。施工时，考虑到土壤的天然含水量是经常变化的，因而在拌和中以略低于最佳含水量1～2个百分点的用水量进行控制，以保证料土中含水量不会过高。将各实施例的固化剂分别以一定的比例添加到待加固的土壤中，按照常规的固化剂加固土的工程实施方法施工。然后，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)分别测定加固土的7天无侧限抗压强度。
实施例1～9的固化剂分别以10重量份的量添加到100重量份土壤中。测得的加固土7天无侧限抗压强度的结果如表3所示。
表3实施例10～20的固化剂分别以10重量份和15重量份添加到100重量份的土壤中，并按照上述方法测定加固土的7天无侧限抗压强度。此外，根据目前国内的原料价格，计算实施例10～20的固化剂每吨的价格。其中矿渣超细粉价格为90元/吨，熟石灰粉的价格为188元/吨，工业硫酸钠的价格为480元/吨，粉煤灰的价格为120元/吨。结果如表4所示。
表4由上表可见，本发明实施例10～20的固化剂每吨的价格在130元左右。如果以10重量份的添加量进行施工，每吨土所需固化剂的成本为13元左右。其中，实施例10的固化剂的成本只有12.3元，并且该实施例的固化剂也具有理想的抗压强度。与表3相比较，可以发现实施例10～20的固化剂加固土的7天无侧限抗压强度比实施例1～9的固化剂加固土的7天无侧限抗压强度略有降低。这是因为添加了一定量的粉煤灰造成的。其原因在前面已经进行了详述。虽然粉煤灰的加入使加固土的早期强度有所下降，但是可提高加固土后期的强度(数据未示出)，有利于提高工程的质量。
实施例16与实施例21、22和对比例1的固化剂的原料比例相同，只是所采用的盐类激发剂不同。将实施例16、21、22和对比例1的固化剂也按照同样的方法，以10重量份添加到100重量份的土中，测定7天无侧限抗压强度。结果如下表5所示。
表5由表5可见，与其它盐类固化剂相比，硫酸钠具有更好的效果。使用碳酸钠和硫酸钙也能使加固土达到较高的强度。而氯化钙的效果则较差，不能满足工程的要求。
为了进一步说明本发明的固化剂在价格和使用性能上的特点，将实施例10的固化剂与对比例2的普通硅酸盐水泥32.5和对比例3的熟石灰加固土的7天无侧限抗压强度进行对比。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)分别测定基于100重量份的土，固化剂的添加量为5、10和15重量份时，加固土的最佳含水量、最大干密度和7天无侧限抗压强度。测定结果如下表6所示。
表6将上表6中10重量份添加量下本发明实施例10的固化剂、水泥32.5以及石灰的性能价格比总结如下表7。其中，32.5级普通硅酸盐水泥的价格为260元/吨；熟石灰的价格为188元/吨。把熟石灰的各项值设为1，将本发明固化剂和水泥的各项值分别与之相比。
表7由表6和表7可见，本发明的路用土壤固化剂价格低廉，每吨仅为水泥价格的二分之一；同等添加量下的强度明显优于石灰，而与水泥相当，具有很高的性价比。完全可在道路路基或基层施工中代替水泥，在达到同等工程要求质量的条件下，为工程建设节约资金。
权利要求
1.一种土壤固化剂，包括A)43wt％～73wt％的矿渣；B)19wt％～49wt％的碱类激发剂；和C)1wt％～8wt％的盐类激发剂。
2.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其中矿渣的比表面积为400～500m2/kg。
3.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其中碱类激发剂选自熟石灰、水泥熟料、氢氧化钠或氢氧化钾。
4.根据权利要求3所述的土壤固化剂，其中碱类激发剂为熟石灰。
5.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其中盐类激发剂选自硫酸钙、硫酸钠、碳酸钠或碳酸钾。
6.根据权利要求5所述的土壤固化剂，其中盐类激发剂为硫酸钠。
7.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其中矿渣的含量为55wt％～65wt％。
8.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其中碱类激发剂的含量为19wt％～30wt％。
9.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其中盐类激发剂的含量为1.5wt％～5.0wt％。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的土壤固化剂，进一步包括D)7wt％～25wt％的粉煤灰。
11.根据权利要求10所述的土壤固化剂，其中所述粉煤灰的含量为8wt％～15wt％。
全文摘要
本发明提供一种路用土壤固化剂，包括A)43wt％～73wt％的矿渣；B)19wt％～49wt％的碱类激发剂；和C)1wt％～8wt％的盐类激发剂。该固化剂还可进一步包括D)7wt％～25wt％的粉煤灰。在同等掺加量下，采用该固化剂的加固土的7天无侧限抗压强度要明显高于用石灰的加固土的同期无侧限抗压强度，且与采用32.5普通硅酸盐水泥的加固土的7天无侧限抗压强度相当。而该固化剂价格低廉，仅约为水泥价格的二分之一。
文档编号E02D3/00GK1746432SQ20051011271
公开日2006年3月15日 申请日期2005年10月10日 优先权日2005年10月10日
发明者沙爱民, 王振军, 胡力群, 翁优灵, 张嘎吱 申请人:长安大学