一种高强度固土岩粉状材料、制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种高强度固土岩粉状材料、制备方法及应用 (High-strength soil-fixing rock powdery material, preparation method and application ) 是由 王寿龙 朱分清 甘善杰 缪胜林 杨立华 陈龙海 杜江宇 毛非非 于 2021-01-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强度固土岩粉状材料、制备方法及应用,本发明通过特定的材料制备方法调配原料的成分组成,根据不同的土质类型,依据其不同特性配制不同原料配比的固土岩材料,在常温常压的状态下,固土岩材料自生硬凝,并与土颗粒矿物在界面上发生同构反应,固体化体内部形成空间网络交错结构,从而具有高强度、高水稳性和抗渗、抗冻的性能。通过高强度固土岩粉状材料的应用,针对路段的强度进行跟踪观测,观测到路段路表外观平整,无沉陷和车辙,无纵横向和反射裂缝出现。(The invention discloses a high-strength soil-fixing rock powdery material, a preparation method and application thereof. By applying the high-strength soil-fixing rock powder material, the tracking observation is carried out aiming at the strength of the road section, and the road section is observed to have flat surface appearance, no settlement and rutting, no longitudinal and transverse cracks and no reflection cracks.)
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种高强度固土岩粉状材料、制备方法及应用。
背景技术
在中国古代时期，为满足人们的基本生产、生活需要，就地取材，曾利用草筋、姜石和糯米灰浆来改良土壤的工程性质。随着社会的进步，水泥和石灰的发明和发展，改良固化土壤最开始使用水泥和石灰，伴随中国经济飞速发展，基础建设进入了投资高潮期，水泥和石灰行业发展迅猛，同时带来了无法忽视的严重问题；能源和资源的大量消耗，开山劈石、过度的开采河沙造成了水土流失和自然生态失稳，加剧了人类生活环境的恶化；同时在生产水泥和石灰的过程中也会产生不同程度的环境污染。
水泥和石灰虽然是工程建设中不可缺少的主要材料，但是这两种材料在土壤固化方面存在局限性，其具体主要表现在：对水泥稳定土，由于受土壤条件限制，产生的强度有限，而且干缩系数和温缩系数较大，容易产生干缩和温缩裂缝，导致水泥稳定土的水稳性、抗压性、抗渗性和抗冲刷性降低，容易造成路面反射性裂缝，降低路面的使用寿命。因此在公路施工规范中，水泥稳定土是被禁止作为高等级公路的基层。水泥对施工的条件要求比较严格，水泥的初凝和终凝时间较短，工程对施工速率要求较高，而在现场实际施工过程中，因受施工条件等因素的影响，在短时间内完成施工各项工序难度较大。石灰稳定土其强度低而且增长缓慢，对施工进度有一定的限制，同时对石灰掺量有严格要求，超过掺量标准范围值会降低强度，石灰稳定土的水稳性较差，易遇水软化，收缩率较水泥更大，无法满足工程的一般要求，更不适合作为高等级道路的路面基层。工程实践证明，单一的水泥、石灰建筑材料已经无法满足高质量工程建设的发展需要。
专门用来固化土壤的固化技术应运而生，土壤技术从上世纪40年代开始兴起，至今已发展成为一门综合性的交叉学科。土壤固化技术涉及到建筑业的基础、公路及市政道路的地下工程、堤坝加固工程、深基坑工程、垃圾固化、固沙防尘等多项领域。由于其较水泥和石灰等传统的固化材料具有更好的工程力学性能、低成本、节约自然资源的环保及经济优势，被广泛研究应用于农业工程、水利工程和道路工程的基础建设中。但是，目前真正具有工程实施价值的土壤固化技术还仅仅停留在土壤中添加一定比例的化学剂，通过化学剂的“胶凝”作用，使得松散的土壤胶结成为具有一定工程力学强度的稳定结构。
能够用于土壤固化的化学剂很多，有传统固化材料如石灰、水泥，以及高聚类离子土壤固化剂、有机酶蛋白土壤固化剂、有机无机结合的固化剂等，其固土作用都是通过使原本松散的土壤颗粒胶联在一起从而达到一定的力学强度而实现的。这类土壤固化技术在现实的实施中存在以下缺点：1)力学强度有限，由于需要同不同的地方土壤进行拌和，难以达到道路建设所需的力学强度；2) 稳定性较差，胶结完成后即达到最佳力学强度，后期强度无法稳定增长，胶凝结构遭受外力破坏后便无法恢复，整体结构力学强度无以为继；3)抗冻性较差，在低温环境下(低于0°)施工后的胶凝结构无法达到道路建设所需的工程力学指标。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高强度固土岩粉状材料、制备方法及应用，解决了上述背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强度固土岩粉状材料，所述的固土岩粉状材料由以下按照重量份的组分组成：
活性硅铝质混合物60～80重量份；稳定材料10～30重量份；化学激发剂5～ 15重量份；
所述活性硅铝质混合物由以下按照重量份的组分组成：
坡缕石6～18重量份；水镁石硅藻土6～17重量份；沸石0～10重量份；镍铁渣10～40重量份，粉煤灰5～45重量份；煤矸石0～17重量份；钢渣5～ 15重量份；
所述稳定材料由以下按照重量份的组分组成：
铁尾矿5～15重量份；石灰石5～15重量份；石墨尾矿0～10重量份；铅锌尾矿5～10重量份；
所述的化学激发剂由以下按照重量份的组分组成：
水玻璃1～10重量份；氢氧化钾1～4重量份；磷酸二氢钾1～4重量份；石膏2～8重量份。
优选的，所述沸石为斜发沸石；所述镍铁渣为高炉冶炼工艺所得，所述钢渣为热泼法工艺所得。
优选的，所述石灰石的CaCO3+MgCO3含量≥90％。
优选的，所述水玻璃模数为1.8～2.4，所述石膏为硬石膏。
一种高强度固土岩粉状材料的制备方法，步骤如下：
S1、将活性硅铝质混合物混合粉磨，加热到580～620℃，保温4h～6h，然后在2h内快速冷却至室温；
S2、将步骤S1中获得的混合物与稳定材料、化学激发剂按比例混合粉磨，粉磨细度达到80um筛余小于15％，即得到一种固土岩粉状材料。
优选的，所述活性硅铝质混合物含水量＜5％，混合粉磨的比表面积为350～450m2/kg。
一种高强度固土岩粉状材料的应用，将所述的固土岩粉状材料按照土质量的3％～25％加入，与土拌和均匀后，通过压实工艺将混合料压实，覆盖保湿养生，达到龄期后，即可获得性能优良的固化土。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过特定的材料制备方法调配原料的成分组成，根据不同的土质类型，依据其不同特性配制不同原料配比的固土岩材料，在常温常压的状态下，固土岩材料自生硬凝，并与土颗粒矿物在界面上发生同构反应，固体化体内部形成空间网络交错结构，从而具有高强度、高水稳性和抗渗、抗冻的性能。通过高强度固土岩粉状材料的应用，针对路段的强度进行跟踪观测，观测到路段路表外观平整，无沉陷和车辙，无纵横向和反射裂缝出现。
2.本发明将以上原材料通过设定的制备方法按照相应的比例通过制备结合到了一起，发挥协同作用，制成了方便运输和使用的固土岩粉料，同时，采用清洁化制备工艺，高效利用工业废弃物，充分体现节能减排，循环经济的发展战略。该固土岩粉料直接加入到不同类型的土壤中，在具体的施工中可以就地取材，可以在不改变原施工设备和施工工序的前提下代替水泥、石灰、碎石，大大降低建设成本，而且通过该固土岩粉料铺筑的公路工程力学强度高、稳定性好、抗冲刷性能强、使用寿命长。
3.通过对本发明固土岩粉料的应用，在基础建设工程中，，必将极大的减少水泥、石灰产业对矿产资源和能源的大量消耗，减少对环境日益加剧的污染，具有卓越的社会经济效益和生态环境效益。采用固土岩粉料每代替1万吨水泥的用量，将减少5500吨CO2气体的排放量，节省煤炭约2600吨；每代替1万吨石灰使用量，可减少8700吨CO2气体的排放量，节省煤炭约3200吨；每减少1万立方米的碎石用量，能够使约720立方米的植被得到保护，环保的同时还提高了工程质量，延长了工程寿命，大大的降低了工程成本。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所描述的固土岩粉状材料是一种土壤固化剂，可以改变土壤的结构性能。
实施例1
一种固土岩粉状材料，由以下按照重量份的组分组成：活性硅铝质混合物 60重量份；稳定材料10重量份；化学激发剂5重量份。
活性硅铝质混合物由以下按照重量份的组分组成：坡缕石6重量份；水镁石硅藻土6重量份；沸石1重量份；镍铁渣10重量份，粉煤灰5重量份；煤矸石1重量份；钢渣5重量份；稳定材料由以下按照重量份的组分组成：铁尾矿5 重量份；石灰石5重量份；石墨尾矿1重量份；铅锌尾矿5重量份；化学激发剂由以下按照重量份的组分组成：水玻璃1重量份；氢氧化钾1重量份；磷酸二氢钾1量份；石膏2重量份。
实施例2
一种固土岩粉状材料，由以下按照重量份的组分组成：活性硅铝质混合物 80重量份；稳定材料30重量份；化学激发剂15重量份。
活性硅铝质混合物由以下按照重量份的组分组成：坡缕石18重量份；水镁石硅藻土17重量份；沸石10重量份；镍铁渣40重量份，粉煤灰45重量份；煤矸石17重量份；钢渣15重量份；稳定材料由以下按照重量份的组分组成：铁尾矿15重量份；石灰石15重量份；石墨尾矿10重量份；铅锌尾矿10重量份；化学激发剂由以下按照重量份的组分组成：水玻璃10重量份；氢氧化钾4 重量份；磷酸二氢钾4重量份；石膏8重量份。
实施例3
一种固土岩粉状材料，由以下按照重量份的组分组成：活性硅铝质混合物 70重量份；稳定材料20重量份；化学激发剂10重量份。
活性硅铝质混合物由以下按照重量份的组分组成：坡缕石12重量份；水镁石硅藻土11重量份；沸石5重量份；镍铁渣25重量份，粉煤灰25重量份；煤矸石8重量份；钢渣10重量份；稳定材料由以下按照重量份的组分组成：铁尾矿10重量份；石灰石10重量份；石墨尾矿5重量份；铅锌尾矿8重量份；化学激发剂由以下按照重量份的组分组成：水玻璃5重量份；氢氧化钾2重量份；磷酸二氢钾3重量份；石膏5重量份。
实施例4
一种固土岩粉状材料，由以下按照重量份的组分组成：活性硅铝质混合物 65重量份；稳定材料15重量份；化学激发剂9重量份。
活性硅铝质混合物由以下按照重量份的组分组成：坡缕石13重量份；水镁石硅藻土15重量份；镍铁渣35重量份，粉煤灰40重量份；煤矸石5重量份；钢渣11重量份；稳定材料由以下按照重量份的组分组成：铁尾矿8重量份；石灰石12重量份；石墨尾矿7重量份；铅锌尾矿6重量份；化学激发剂由以下按照重量份的组分组成：水玻璃7重量份；氢氧化钾3重量份；磷酸二氢钾4重量份；石膏3重量份。
实施例5
一种固土岩粉状材料，由以下按照重量份的组分组成：活性硅铝质混合物 75重量份；稳定材料18重量份；化学激发剂6重量份。
活性硅铝质混合物由以下按照重量份的组分组成：坡缕石10重量份；水镁石硅藻土15重量份；沸石8重量份；镍铁渣16重量份，粉煤灰41重量份；钢渣11重量份；稳定材料由以下按照重量份的组分组成：铁尾矿12重量份；石灰石14重量份；石墨尾矿8重量份；铅锌尾矿6重量份；化学激发剂由以下按照重量份的组分组成：水玻璃4重量份；氢氧化钾3重量份；磷酸二氢钾2重量份；石膏8重量份。
实施例6
实施例一到实施例五的基础上，其固土岩粉状材料的制备方法为：将活性硅铝质混合物混合粉磨，加热到580～620℃，保温4h～6h，然后在2h内快速冷却至室温；将上述过程获得的混合物与稳定材料、化学激发剂按比例混合粉磨，粉磨细度达到80um筛余小于15％，即得到一种固土岩粉状材料。
固土岩化材料的应用：将所述的固土岩粉状材料按照土质量的3％～25％加入，根据不同的工程技术要求，具体施工按照JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》实施，与土拌和均匀后，通过压实工艺将混合料压实，覆盖保湿养生，达到龄期后，即可获得性能优良的固化土。
在具体的施工过程中，岩凝剂成分的具体比例主要根据土壤中成岩要素保障原则进行设计的，即基于对施工的土壤对象进行化学成分分析和矿物成分分析设计固土岩化材料配方，保障施工原料中黏土矿物>25％，无机聚合物>2％，活动金属元素>2％，重金属元素>6％。
与常规的土壤固化剂不同，本发明所涉及的矿渣类干粉土壤固化剂是基于地质岩化作用原理和物理、化学工程学方法而设计的，其固结土壤的能力不是单纯通过简单的“胶结”作用实现的，而是通过使土壤本身发生“胶凝”与“岩化”作用实现的，会经历几个不同的演变阶段，使施工后的固结体结构工程力学的强度越来越大。
随着我国公路建设的需求，建筑材料的大量使用，主要是采用水泥、石灰、碎石，这些传统材料在工程中存在以下问题：工程力学强度不高，水稳性差，抗冲刷能力不强，容易产生干缩、温缩裂缝，导致工程结构的使用寿命过短。同时，这些材料的需消耗大量的矿产资源、能源，产生较大的温室气体，造成环境污染。本发明的应用，在不改变原生产设备和生产工序的前提下，提高工程质量，降低投资成本，而且可实现大量利用既有的工业废弃物，产品在生产时可采用清洁化制备工艺，从真正意义实现节能减排，环保经济，为工业固废的再利用提供一种新的绿色产业链。
由物理、化学、生物和人为过程对岩石的综合效应形成土壤，岩石风化产生的母质是土壤形成的来源。由于岩石中原有的钾、钠、钙、镁、铁、铝等水可溶元素的大量流失，以及原有矿物发生了分解、流失与结构转化，使土壤成为了比较惰性的松散状态。本发明是一种基于地质学原理，通过在土壤中加入固土岩化材料并充分混合，使之形成聚合物并具有合理配伍的成岩元素组成的方法来促进土壤的凝结与岩化，继而成为具备合适工程力学强度的基础结构材料的技术方法。
固土岩化材料是基于土壤的本身形成的物质来源基础，与土壤拌和后，使土壤重新胶凝并实现期望的工程力学强度为目的，根据材料学理论和岩石学地质原理，以固化结构元素所构成的因素和地质岩化的固结条件为依据，基于建筑工程力学规范的要求，运用化学工程学的胶凝与固化技术进行试验研发的矿渣类干粉土壤固化剂。
由于全国各地的土壤种类不同，其物理化学性质有着显著的差异，本发明的固土岩化材料针对不同原生矿物、次生矿物成分及多种物理性质组成的土壤采用不同的配方，构成了一个能适应各种类型土壤性质的完整产品系列。但是，所有的固土岩化材料产品在作用原理上都是一致的，它们对于土壤的胶凝与固化作用包括三个层次，并且可以大致划分为三个阶段:
第一阶段，初始骨架阶段。这是一个最初始阶段。固土岩化材料与土壤均匀混拌后，在水的化学激发和外力物理压力作用的辅助下，土壤固化剂与含有一定水分的土壤混合后，在土壤中形成立体网状结晶体，穿插在土壤颗粒空隙间形成强度骨架，从而使土壤胶凝与板结，并形成有效的早期工程力学强度。
第二阶段，胶凝阶段。在这一阶段，固土岩化材料的成分和土壤颗粒参加化学反应，激发土壤的自身物质生成不溶于水的坚硬物质，填充在高强度骨架之中，使固化土形成不可逆的坚实板体，并具有良好的稳定耐久性。土壤稳定骨架的空隙得以填充，该阶段的土壤固结体的化学稳定性得以再次加强，为下阶段的板结固化作为打下坚实的基础，固结体的工程力学性能得以再次加强。
第三阶段，固化成型阶段。这是最高层次的最后阶段。随着土壤凝聚体化学结构的不断稳固，在外部持续压力的物理作用下，降低土壤颗粒的水膜厚度，提高土壤颗粒间的吸附力，增大密实度，土壤凝聚体不断进行缩凝与岩化，排出多余的水及流动性化学成分，稳定矿物不断发生固结反应，土壤进一步岩化。在这一阶段进行的是土壤在形成板块后的造岩作用，土壤的岩化产生很强的后期工程力学强度、稳定性和耐水性，最终成为优良的工程结构材料。这一过程持续的时间比较漫长，且与外力的物理作用情况和所处的温度、湿度、水文条件等环境因素有关。
本发明通过向土壤中添加岩凝剂使土壤固结成为土凝岩，快速而显著地改变土壤的物理结构和力学性能，通过该方法制成的土凝岩七天内的力学强度可达到5～6MPa，形成能够满足工程技术要求的合格建筑材料，从而把丰富的土壤资源转化为优良的工程结构材料。它包括以下优点：一是适应性强，可以适合各种类型的土壤，方便施工，不改变原施工机械及施工工艺，可以就地取材，大大地降低了建筑材料的运输成本；二是创建了一套基于不同土壤的化学与矿物组成进行土壤与岩凝剂配伍的制作方法，可以严格地保障土凝岩的制备质量，方便推广和普及，技术指标趋于标准化，容易实现，能够提高施工效率。
实验：取1000米实验路段进行施工，跟踪观测，具体情况如下：
1、施工地点土壤的物理性能技术指标如下表：
根据测试指数判断，该工程用土属于粉砂土类，有少量粘性成分。
2、采用实施例三中的成分配比，在施工的底基层按照细粒土：岩凝剂＝ 100:4的比例进行施工，在基层按照细粒土：岩凝剂＝100:10的比例进行施工。对试验路段土壤进行无侧限抗压强度实验，所得参数如下表：
经过试验路段的取芯样测试，力学强度完全符合《工程路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)的设计强度要求。进一步针对上述试验路段的强度进行跟踪观测，历时三年，观测到实验范围内路段路表外观平整，无沉陷和车辙，无纵横向和反射裂缝出现。
本发明将以上原材料通过设定的制备方法按照相应的比例通过制备结合到了一起，发挥协同作用，制成了方便运输和使用的固土岩粉料，同时，采用清洁化制备工艺，高效利用工业废弃物，充分体现节能减排，循环经济的发展战略。该固土岩粉料直接加入到不同类型的土壤中，在具体的施工中可以就地取材，可以在不改变原施工设备和施工工序的前提下代替水泥、石灰、碎石，大大降低建设成本，而且通过该固土岩粉料铺筑的公路工程力学强度高、稳定性好、抗冲刷性能强、使用寿命长。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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。
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