CN108164169A - 一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种赤泥‑钢渣复合地聚物胶凝材料，用于软基加固和土体改良，主体由赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土、早强减水剂组成，由赤泥、偏高岭土提供胶凝材料的活性铝酸盐成分和硅酸盐成分，利用赤泥本身的碱性和少量水泥激发钢渣、偏高岭土和赤泥中的矿物发生水化反应，生成胶凝物质，使得复合型赤泥钢渣胶凝材料具有较高的强度和性能。其中，赤泥‑钢渣‑水泥‑偏高岭土质量比例为42~50:35~41:4.5~10.5:4~10:1~2，将其用于软土加固，既可以提高赤泥、钢渣两种废弃物的利用率，又能大幅减少水泥在软基加固中的应用，降低软基加固成本，具备良好的环境效益。

Description

一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料

技术领域

本发明涉及一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料，属于土木工程和交通运输工程路基处理技术领域。

背景技术

赤泥是从铝土矿中冶炼氧化铝得到的工业固体废弃物，我国是世界第四大氧化铝生产国，每年产生的赤泥高达3000万吨。然而，由于赤泥存在碱性高和水化活性低的特点，导致其利用难度较高，综合利用率仅15%。钢渣是冶炼钢铁产生的工业固体废弃物，我国每年约产出1~1.5亿吨钢渣。发达国家拥有完整的钢渣再利用体系，而我国钢渣综合利用率仅50%。这些工业废弃物的堆放不仅浪费了大量土地资源，还导致地下水体污染、土壤污染等严重的环境问题。

在以往的工程实践中，学者专家也对钢渣和赤泥的回收利用进行了研究和创新。古明远（公开号CN104988322A）提出将赤泥、钢渣和还原剂混合焙烧并分离反应产物得到铁产品和尾渣，这种方法同时实现了两种工业废弃物的综合利用，但是从炼铁排出的废弃物中再次冶炼效率不高，而且仍然有尾渣产生，需要解决尾渣堆放问题；刘立强（公开号CN103304141A）提出利用钢渣、赤泥、河沙混合进行热处理复合制备玻璃陶瓷，尽管这种方法同时实现了两种工业废弃物的综合利用，且不产生新的废弃物，但是这种方法需要消耗大量能源才能实现再生利用，不适宜大规模推广应用；邓永锋（公开号CN106316171A）提出以水泥激发钢渣活性，通过偏高岭土增补体系中活性铝含量，并加入复合型减水剂提高早期强度，通过硅率SM、铝率IM、石灰饱和系数KH控制各组分掺量，尽管采用这种方法所得的钢渣基水泥成本仅普通硅酸盐水泥的一半，但是，这种方法仍然需要消耗大量水泥提供碱性环境激发钢渣活性；王辉（公开号CN102584128A）提出由氧化硅、氧化铝、氧化钙、工业副产碱渣、四氢邻苯二甲酸酐酯和乙二醇双偏苯三酸酐酯与赤泥拌和形成固化剂，尽管这个配方在短时间内即可获得工作强度，但是，其所用的有机原料是接触致敏性材料，施工不方便，并且可能对环境产生不良影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料，综合利用赤泥和钢渣两种工业废弃物，将两种材料的特性互补，形成复合型地聚物胶凝材料，用于软土地基加固中，价格低廉，施工工艺简单，地基加固效果良好，具有重要的工程实用价值。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料，包含赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土和早强减水剂，所述赤泥-钢渣-水泥-偏高岭土-早强减水剂质量百分比为42~50:35~41:4.5~10.5:4~10:1~2。

其中，钢渣采用比表面积为300m²/kg~500m²/kg之间的钢渣粉，赤泥采用比表面积为300m²/kg~550m²/kg的赤泥粉。

其中，所述的自研复配型早强剂配比见表1：

表1复配型早强减水剂配比

原料名称	质量比	原料名称	质量比
				萘系减水剂	12.3	无水硫酸钠	17.1
聚羧酸系减水剂	8.6	三乙醇胺	1.7
				石膏	40.3	粉煤灰	20

上述胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将赤泥、钢渣自然风干，研碎后过0.5mm筛，分别装袋备用；

（2）配制复合型早强减水剂，备用；

（3）按质量比，称取赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土、复合减水早强剂，先用工业搅拌机将赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土搅拌均匀后按标准稠度配制样品，然后加入复合减水早强剂拌匀，倒入PVC管模中，振动至表面出浆并刮平；

（4）放入标准养护室(20℃ , 90%±4%)养护后拆模，标准养护至龄期；

（5）对3天、7天和28天龄期的试样测试的无侧限抗压强度值。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料，钢渣中含有硅酸盐，具有潜在胶凝特性，与偏高岭土在碱性环境下激发活性可形成-O-Si-O-Al-O-无机聚合物网络结构胶凝材料，即地聚物。而赤泥作为氧化铝冶炼副产物，其中不仅含有大量强碱性化学物质，还含有一定量未被提炼的铝酸盐，与偏高岭土在碱性环境下激发可形成地聚物。钢渣激发所需要的环境pH值在11~12，而赤泥pH一般在10.5~12，浸出液pH在12~13。本发明以赤泥的强碱性激发钢渣活性，将两种废弃物特性互补，形成复合型地聚物胶凝材料，用于软土地基加固中，不仅能高效解决固体废弃物堆放的问题，还能替代传统的水泥加固材料，减轻水泥生产造成能源消耗和碳排放的负担，大幅减轻了地基加固成本，具有显著的经济效益和环境效益。

未加偏高岭土、赤泥和水泥的钢渣3天无侧限抗压强度为0.1MPa，7天无侧限抗压强度为0.2MPa，28天无侧限抗压强度为0.4MPa；经过偏高岭土的成分增补及赤泥和水泥的碱激发作用，3天无侧限抗压强度达到3.2~4.3MPa，7天无侧限抗压强度为15.5~21.6MPa，28天无侧限抗压强度为32.8~38.2MPa。从无侧限抗压强度看，钢渣、赤泥、偏高岭土、水泥和早强剂组成的固化材料比钢渣的早期强度平均提升了近38倍，后期强度平均提升了近90倍。在利用赤泥的同时免去了对传统综合利用赤泥时的脱碱步骤，仅采用少量水泥激发赤泥和钢渣活性形成复合地聚物，获得了能应用于软基加固的复合地聚物胶凝材料。

目前钢渣的市场价约100元/吨，偏高岭土约400元/吨，水泥约300元/吨，赤泥的前处理成本约50元/吨，本发明中的复配型早强减水剂约280元/吨，依照配比设计，钢渣平均约占38%，赤泥约占46%，水泥约占7.5%，偏高岭土约占7%，早强减水剂约占1.5%，复合固化材料的成本约116元/吨，成本仅为水泥加固材料的39%，使得软土固化成本大大降低，而同时实现了两种工业废弃物的回收利用，大大减少土地浪费，并且减少了生产水泥的能源消耗和环境威胁。

附图说明

图1为实施例1中3天、7天和28天龄期试样的无侧限抗压强度值图。

图2为实施例2中3天、7天和28天龄期试样的无侧限抗压强度值图。

图3为实施例3中3天、7天和28天龄期试样的无侧限抗压强度值图。

图4为实施例4中3天、7天和28天龄期试样的无侧限抗压强度值图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

本实施例介绍了一种使用赤泥和钢渣生产复合地聚物胶凝材料，选用浙江省嘉兴市某钢厂的钢渣，其主要化学组成为48.8%CaO，27.9%SiO₂，8.3%Fe₂O₃，2.3%Al₂O₃，烧失量1.6%，广西某铝业公司的赤泥，其主要化学组成为20.8%CaO，14.3%SiO₂，8.3%Fe₂O₃，26.5%Al₂O₃，烧失量16.9%。准备方法包括以下步骤：

（1）将赤泥、钢渣自然风干，研碎后过0.5mm筛，分别装袋备用；

（2）配制复合型早强减水剂，备用；

（3）称取赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土、复合减水早强剂，质量比为50:35:4.5:8.5:2，先用工业搅拌机将赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土搅拌均匀后按标准稠度配制样品，然后加入复合减水早强剂拌匀，倒入PVC试模中，振动至表面出浆并刮平；

（4）放入标准养护室(20℃，90%)养护一天后拆模，标准养护至龄期；

（5）测试3天、7天和28天龄期试样的无侧限抗压强度值，结果如图1所示。

实施例2

本实施例介绍了一种使用赤泥和钢渣生产复合地聚物胶凝材料，选用安徽省马鞍山市某钢厂的钢渣，其主要化学组成为53.2%CaO，29.5%SiO₂，5.3%Fe₂O₃，3.1%Al₂O₃，烧失量2.1%，山东省淄博市某铝业公司的赤泥，其主要化学组成为23.4%CaO，19.8%SiO₂，15.5%Fe₂O₃，21.5%Al₂O₃，烧失量12.3%；包括以下步骤：

（1）将赤泥、钢渣自然风干，研碎后过0.5mm筛，分别装袋备用；

（2）配制复合型早强减水剂，备用；

（3）称取赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土、复合减水早强剂，质量比为42:39:8:10:1，先用工业搅拌机将赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土搅拌均匀后按标准稠度配制样品，然后加入复合减水早强剂拌匀，倒入PVC试模中，振动至表面出浆并刮平；

（4）放入标准养护室(20℃, 86%)养护一天后拆模，标准养护至龄期；

（5）测试3天、7天和28天龄期试样的无侧限抗压强度值，结果如图2所示。

实施例3

本实施例介绍了一种使用赤泥和钢渣生产复合地聚物胶凝材料，选用安徽省马鞍山市某钢厂的钢渣，其主要化学组成为53.2%CaO，29.5%SiO₂，5.3%Fe₂O₃，3.1%Al₂O₃，烧失量2.1%，广西某铝业公司的赤泥，其主要化学组成为20.8%CaO，14.3%SiO₂，8.3%Fe₂O₃，26.5%Al₂O₃，烧失量16.9%。包括以下步骤：

（1）将赤泥、钢渣自然风干，研碎后过0.5mm筛，分别装袋备用；

（2）配制复合型早强减水剂，备用；

（3）称取赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土、复合减水早强剂，质量比为46.5:38:10.5:4:1，先用工业搅拌机将赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土搅拌均匀后按标准稠度配制样品，然后加入复合减水早强剂拌匀，倒入PVC试模中，振动至表面出浆并刮平；

（4）放入标准养护室(20℃, 92%)养护一天后拆模，标准养护至龄期；

（5）测试3天、7天和28天龄期试样的无侧限抗压强度值，结果如图3所示。

实施例4

本实施例介绍了一种使用赤泥和钢渣生产复合地聚物胶凝材料，用浙江省嘉兴市某钢厂的钢渣，其主要化学组成为48.8%CaO，27.9%SiO₂，8.3%Fe₂O₃，2.3%Al₂O₃，烧失量1.6%，安徽省淮北市某铝业公司的赤泥，其主要化学组成为19.6%CaO，16.6%SiO₂，15.8%Fe₂O₃，23.1%Al₂O₃，烧失量13.3%。包括以下步骤：

（1）将赤泥、钢渣自然风干，研碎后过0.5mm筛，分别装袋备用；

（2）配制复合型早强减水剂，备用；

（3）称取赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土、复合减水早强剂，质量比为44:41:10:4:1，先用工业搅拌机将赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土搅拌均匀后按标准稠度配制样品，然后加入复合减水早强剂拌匀，倒入PVC试模中，振动至表面出浆并刮平；

（4）放入标准养护室(20℃, 94%)养护一天后拆模，标准养护至龄期；

（5）测试3天、7天和28天龄期试样的无侧限抗压强度值，结果如图4所示。

Claims (5)

1.一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料，其特征在于：包含赤泥、钢渣、水泥、偏高岭土和早强减水剂，所述赤泥-钢渣-水泥-偏高岭土-早强减水剂质量百分比为42~50:35~41:4.5~10.5:4~10:1~2。

2.根据权利要求1所述的一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料，其特征在于：所述钢渣采用比表面积为300m²/kg~500m²/kg之间的钢渣粉。

3.根据权利要求1所述的一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料，其特征在于：所述赤泥采用比表面积为300m²/kg~550m²/kg的赤泥粉。

4.根据权利要求1所述的一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料，其特征在于：所述早强减水剂，由以下质量百分比的成分组成：萘系减水剂：12.3%，聚羧酸系减水剂：8.6%，石膏：40.3%，无水硫酸钠：17.1%，三乙醇胺：1.7%，粉煤灰：20%。

5.一种用于软基加固的赤泥-钢渣复合地聚物胶凝材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将赤泥、钢渣自然风干，研碎后过0.5mm筛，分别装袋备用；

（2）配制复合型早强减水剂，备用；

（3）按质量比，分别称取赤泥、钢渣、偏高岭土、水泥、复合减水早强剂，用工业搅拌机将赤泥、钢渣、偏高岭土、水泥搅拌均匀后按标准稠度配制样品，然后加入复合减水早强剂拌匀，倒入PVC管模中，振动至表面出浆并刮平；

（4）放入标准养护室(20℃ , 90%±4%)养护后拆模，标准养护至龄期；

（5）对3天、7天和28天龄期的试样测试的无侧限抗压强度值。