阅读说明：本技术 一种环保胶凝材料及其制备方法与应用 (Environment-friendly cementing material and preparation method and application thereof ) 是由 吴建勋 王庶懋 黄涛 张树文 杨永浩 姬广祥 张永恒 腾俊洋 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明具体涉及一种环保胶凝材料及其制备方法与应用,所述环保胶凝材料包括以下重量百分比组分：凝灰岩或凝灰熔岩60～80％、生石灰5～15％、粉煤灰15～30％、氢氧化钠0～2％、脱硫石膏0～2％,所述凝灰岩或凝灰熔岩的主要成分为SiO<Sub>2</Sub>、Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>和CaO,其中SiO<Sub>2</Sub>和Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>的质量分数不低于75％,所述生石灰的主要成分为CaO,所述生石灰中CaO的质量分数不低于80％。本发明创新的选用在我国分布广泛,价格低廉的火山凝灰岩(凝灰熔岩)作为改性垃圾土的主要原材料,并形成一套集配置、改性、制件和试验为一体的完整技术体系,能够综合考虑不同工程对垃圾土强度需求的差异性、各地区垃圾土成分的差异性和天然改性材料的差异性,给出最合适的改性方案以及相应的改性后的垃圾土力学参数值。(The invention particularly relates to an environment-friendly cementing material, a preparation method and an application thereof, wherein the environment-friendly cementing material comprises the following components in percentage by weight: 60-80% of tuff or tuff lava, 5-15% of quicklime, 15-30% of fly ash, 0-2% of sodium hydroxide and 0-2% of desulfurized gypsum, wherein the main component of the tuff or tuff lava is SiO 2 、Al 2 O 3 And CaO, wherein SiO 2 And Al 2 O 3 The mass fraction of the calcium oxide is not less than 75 percent, the main component of the quicklime is CaO, and the mass fraction of the CaO in the quicklime is not less than 80 percent. The volcanic tuff (tuff lava) which is widely distributed in China and low in price is innovatively selected as the main raw material of the modified waste soil, a complete technical system integrating configuration, modification, manufacturing and test is formed, and the differences of the requirements of different projects on the strength of the waste soil and the differences of the waste soil components in different regions can be comprehensively consideredAnd the difference between the natural modified material and the modified garbage soil mechanical parameter value is provided.)

一种环保胶凝材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种环保胶凝材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着现代化城市建设的迅速发展，城市生活垃圾的排放量也越来越多，由此产生的垃圾土堆积量也越来越大。一方面垃圾填埋厂的改、扩建等工程增多，另一方面，随着城市规模不断扩大，需在原有填埋厂上修筑建筑和道路。为了满足上述工程的需要，就要通过室内试验了解垃圾土的工程性质，必要时还需对垃圾土进行一定的改性，从而进一步开发和利用它。

传统的垃圾土改性方法，以水泥作为主要的胶凝材料用于改性垃圾土，并辅以粉煤灰用于减少水泥的用量，使其与垃圾土混合，提高垃圾土的力学强度，以满足工程需要。在正式施工前，对钻取的垃圾土或改性后的垃圾土，直接按照土工试验的方法，进行力学试验，为相关工程提供建设、运营和安全评价参数；该方法有如下缺点：①随着我国基建的大力发展，水泥价格持续上涨，即使辅以粉煤灰减少水泥用量，也只能略微降低改性成本；②水泥的制备过程复杂，且存在煅烧环节，不利于节能环保；③一般凭借经验提出一个固定的水泥掺入量，缺乏科学合理的最优掺入依据。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷与不足，提供了一种环保胶凝材料及其制备方法与应用。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种环保胶凝材料，其包括以下重量百分比组分：凝灰岩或凝灰熔岩60～80％、生石灰5～15％、粉煤灰15～30％、氢氧化钠0～2％、脱硫石膏0～2％，所述凝灰岩或凝灰熔岩的主要成分为SiO₂、Al₂O₃和CaO，其中SiO₂和Al₂O₃的质量分数不低于75％，所述生石灰的主要成分为CaO，所述生石灰中CaO的质量分数不低于80％。

凝灰岩或凝灰熔岩为火山凝灰岩或火山凝灰熔岩，是火山岩浆在喷发散落过程中温度、压力突变，然后在长期的自然搬运过程中逐渐形成的一类结晶良好的岩石，一般由粒度小于2mm的火山灰胶结而成。

一种环保胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)破碎、研磨：采用破碎和研磨工艺分别将凝灰岩或凝灰熔岩、生石灰、粉煤灰、氢氧化钠和脱硫石膏加工成粉状并过筛；

(2)成分分析：分别分析凝灰岩或凝灰熔岩中SiO₂、Al₂O₃和CaO的含量，以及生石灰中CaO的含量；

(3)配料：取凝灰岩或凝灰熔岩100份，生石灰A份，粉煤灰2A份，氢氧化钠1份，脱硫石膏1份；其中A的计算公式如下：

式中A为生石灰的份数；和T_CaO分别为凝灰岩或凝灰熔岩中SiO₂、Al₂O₃和CaO的质量分数；W_CaO为生石灰中CaO的质量分数。

优选的，步骤(1)中各组分粉末均过200目筛，确保各组分中最粗粉末不超过200目。

优选的，步骤(1)中凝灰岩或凝灰熔岩一般直接使用即可，也可以选择在破碎、研磨前将凝灰岩或凝灰熔岩先进行800℃煅烧，需要说明的是，煅烧后可显著增加胶凝材料的性能，但是相应的会对整个胶凝材料的节能环保特性有一定的影响。

优选的，步骤(2)中分别对凝灰岩或凝灰熔岩和生石灰进行XRF定量分析，从而获得凝灰岩或凝灰熔岩中SiO₂、Al₂O₃和CaO的含量，以及生石灰中CaO的含量。

一种环保胶凝材料在改性垃圾土中的应用，包括以下步骤：

(1)钻取填埋厂的垃圾土，根据质量，加50％的水，搅拌均匀，置于恒温恒湿箱中，静置24小时；

(2)静置后的垃圾土，分别掺入15％、25％、35％、45％的环保胶凝材料，搅拌均匀后，制成垃圾土试样；

(3)试样在恒温恒湿箱中养护24小时后，拆模；

(4)试样拆模后，再置于恒温恒湿箱中，养护至设计龄期后，再进行力学试验。

优选的，步骤(2)中制样所用的三开模直径39.1mm，高80mm。

优选的，步骤(1)和(4)中恒温恒湿箱的温度为20℃，湿度为85％。

优选的，步骤(4)中力学试验采用《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)中第19节的三轴压缩试验方法，获得改性垃圾土的粘聚力和内摩擦角；或采用第20节的无侧限抗压强度试验方法，获得改性垃圾土的无侧限抗压强度。

优选的，步骤(4)中设计龄期为3天、7天、17天、28天。

本发明创新的选用在我国分布广泛、价格低廉的火山凝灰岩或火山凝灰熔岩作为改性垃圾土的主要原材料，辅以少量的生石灰、粉煤灰、氢氧化钠和脱硫石膏，通过合理配比，形成环保胶凝材料；以不同比例的环保胶凝材料掺入量与垃圾土混合，制备改性垃圾土试件，并进行强度测试，获得掺入量与强度参数间的对应关系，给出最优配比条件下胶凝材料的最优掺入量，以及相应的改性垃圾土强度参数。

本发明形成了一套集配置、改性、制件和试验为一体的完整技术体系，能够综合考虑不同工程对垃圾土强度需求的差异性、各地区垃圾土成分的差异性和天然改性材料的差异性，给出最合适的改性方案以及相应的改性后的垃圾土力学参数值。

采用上述方案，本发明具有以下优点：

(1)本发明中选用凝灰岩(凝灰熔岩)作为改性垃圾土的主要改性材料，凝灰岩(凝灰熔岩)在我国分布广泛，可在工程周边就近取材；凝灰岩(凝灰熔岩)价格低廉，目前通过机械活化后的石粉价格约是水泥的1/6；因此，本发明可显著降低改性成本。

(2)本发明以凝灰岩(凝灰熔岩)为主要改性材料，辅以少量的生石灰、粉煤灰、氢氧化钠和脱硫石膏，通过合理配比，形成环保胶凝材料，再与垃圾土混合，其中，粉煤灰和脱硫石膏是工业生产的副产品，选用它们作为本技术的原材料，具有废物利用的意义，凝灰岩(凝灰熔岩)和生石灰被研磨至200目即可用于配置，两种原料的研磨操作简单、能耗低；因此，整个改性过程具有操作简单、设备要求低、节能环保的特点。

(3)本发明先进行原材料的检测，再根据检测结果配置出最优的环保胶凝材料，最后以胶凝材料的掺入量作为设计变量进行改性垃圾土的强度试验，获得掺入量和改性垃圾土强度参数之间的对应关系；因此，本发明可综合考虑原材料、垃圾土、工程需求的差异性，给出最优配比条件下胶凝材料的最优掺入量，以及相应的改性垃圾土强度参数。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。

本发明一种环保胶凝材料，其包括以下重量百分比组分：凝灰岩或凝灰熔岩60～80％、生石灰5～15％、粉煤灰15～30％、氢氧化钠0～2％、脱硫石膏0～2％，所述凝灰岩或凝灰熔岩的主要成分为SiO₂、Al₂O₃和CaO，其中SiO₂和Al₂O₃的质量分数不低于75％，所述生石灰的主要成分为CaO，所述生石灰中CaO的质量分数不低于80％。

本发明一种环保胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)破碎、研磨：采用破碎和研磨工艺分别将凝灰岩或凝灰熔岩、生石灰、粉煤灰、氢氧化钠和脱硫石膏加工成粉状并过200目筛；

(2)成分分析：分别对凝灰岩或凝灰熔岩和生石灰进行XRF(X射线荧光光谱分析)定量分析，从而获得凝灰岩或凝灰熔岩中SiO₂、Al₂O₃和CaO的含量，以及生石灰中CaO的含量；

(3)配料：取凝灰岩或凝灰熔岩100份，生石灰A份，粉煤灰2A份，氢氧化钠1份，脱硫石膏1份；其中A的计算公式如下：

式中A为生石灰的份数；和T_CaO分别为凝灰岩或凝灰熔岩中SiO₂、Al₂O₃和CaO的质量分数；W_CaO为生石灰中CaO的质量分数。

本发明一种环保胶凝材料在改性垃圾土中的应用，包括以下步骤：

(1)钻取填埋厂的垃圾土，根据质量，加50％的水，搅拌均匀，置于温度为20℃，湿度为85％的恒温恒湿箱中，静置24小时；

(2)静置后的垃圾土，分别掺入15％、25％、35％、45％的环保胶凝材料，搅拌均匀后，采用三开模(直径39.1mm，高80mm)制成垃圾土试样；

(3)试样在恒温恒湿箱中养护24小时后，拆模；

(4)试样拆模后，再置于温度为20℃，湿度为85％的恒温恒湿箱中，养护至设计龄期(3、7、17、28天)后，再进行力学试验。

上述力学试验采用《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)中第19节的三轴压缩试验方法，获得改性垃圾土的粘聚力和内摩擦角；或采用第20节的无侧限抗压强度试验方法，获得改性垃圾土的无侧限抗压强度。

实施例一

1、配置环保胶凝材料

所用凝灰岩取自白垩纪下统陈棚组，成分见表1；

表1凝灰岩主要成分

成分	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	K<sub>2</sub>O	Na<sub>2</sub>O	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	TiO<sub>2</sub>	MgO
									质量分数(％)	77.98	11.44	7.48	1.17	1.08	0.35	0.13	0.17

所用生石灰来自安阳民顺钙业公司，成分见表2；

表2生石灰主要成分

成分	CaO	SiO<sub>2</sub>	SO3	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO
							质量分数(％)	80.72	7.72	3.21	3.00	2.45	1.49

环保胶凝材料配比见表3；

表3计算所得环保胶凝材料配比

组分	凝灰岩	生石灰	粉煤灰	氢氧化钠	脱硫石膏
						份数	100	8	16	1	1

2、环保胶凝材料在改性垃圾土中的应用

钻取降解稳定后的垃圾土，根据垃圾土的质量加50％的水，搅拌均匀，置于温度为20℃，湿度为85％的恒温恒湿箱中，静置24小时，分别掺入15％、25％、35％、45％的表3所示的胶凝材料，搅拌均匀后，采用三开模(直径39.1mm，高80mm)制成垃圾土试样，试样在恒温恒湿箱中养护24小时后，拆模，试样拆模后，再置于温度为20℃，湿度为85％的恒温恒湿箱中，养护28天后，进行改性垃圾土的无侧限抗压强度试验，试验结果见表4；

表4不同掺量下改性垃圾土的无侧限抗压强度

掺量	15％	25％	35％	45％
					养护期(day)	28	28	28	28
无侧限抗压强度(kPa)	80	115	251	308

由表4结果可知，随垃圾土中环保胶凝材料掺入量的逐渐增加，28天改性垃圾土的无侧限抗压强度也逐渐增大。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。