CN113149589A

CN113149589A - 一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN113149589A
Application number: CN202110449461.7A
Authority: CN
Inventors: 王琼; 李阳; 杨利香; 陆美荣
Original assignee: SHANGHAI JIANYAN BUILDING MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD; Shanghai Building Science Research Institute Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI JIANYAN BUILDING MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.; SHANGHAI URBAN CONSTRUCTION MATERIALS Co.,Ltd.; Shanghai Building Science Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2021-04-25
Publication date: 2021-07-23

Abstract

本发明提供了一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，包括以下重量份材料：污泥焚烧灰渣0～30％，石膏5％～10％，矿渣粉40％～55％和水泥20％～30％；所述固化剂用于高软土地基加固时，固化剂与软土的用量比为10％～30％；所述固化剂用于路基加固时，固化剂与土的用量比为4％～15％。本发明提供的一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，采用多种固废协同配伍，利用污泥焚烧灰渣中的氯盐、硫酸盐组分作为激发剂，为土体提供强度，这种固化剂是一种集多元固废于一体的环保型固化剂，在达到与水泥相同固化效果的前提下，造价低于水泥；另外，这种土体固化剂的开发为污泥焚烧灰渣的处置利用寻找了出路，同时能够消纳多种固废，实现资源能源节约与利废新材发展。

Description

一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及固化剂技术领域，具体涉及一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂及其制备方法。

背景技术

搅拌桩技术(湿法、干法)是地下工程基坑开挖前，加固软土地基的常用方法，通常采用深层搅拌法、高压喷射注浆法等施工工艺喷射固化剂，使固化剂与软土反应形成强度较高的临时性的搅拌桩挡土止水墙。目前大多数工程中使用的搅拌桩固化剂以水泥为主，由于水泥的强度较高，性能稳定，已经成为我国最主要的软土地基处理技术之一。但是水泥生产过程中需要高温煅烧，并释放大量的二氧化碳，据计算，每生产一吨水泥将产生约597kg二氧化碳，过量二氧化碳的排放导致全球气候变暖，温室效应严重。

城市污水污泥处置是保证城市稳定运行的重要民生工程，预计在2023年我国污泥产生量将达9772万吨。干化焚烧不仅能够大大减少污泥的体积，而且具有处理速度快、杀死病原体等优势，成为目前处置污泥的主流方式。随着城市污水污泥的迅速增长，污泥焚烧灰渣量的日益增多，据调研，仅上海市而言，污泥焚烧灰渣的产量近5年预计将突破百万吨，由于土地的填埋能力接近饱和，污泥焚烧灰渣的资源化利用迫在眉睫，亟需为污泥焚烧灰渣的处置利用寻找出路，在我国10年实现碳排放达峰、40年实现碳中和的任务艰巨形势下，建筑行业作为水泥用量最大的领域，有效减少水泥产品的使用促进低碳发展，对实现碳达峰、碳中和目标有重要意义。结合上述叙述，本发明在此基础上提供了一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，采用多种固废协同配伍，利用污泥焚烧灰渣中的氯盐、硫酸盐组分作为激发剂，为土体提供强度；本发明提供的固化剂是一种集多元固废于一体的环保型固化剂，在达到与水泥相同固化效果的前提下，造价低于水泥，另外，这种土体固化剂的开发也为污泥焚烧灰渣的处置利用寻找了出路，同时能够消纳多种固废，实现资源能源节约与利废新材发展。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：

一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，包括以下重量份材料：污泥焚烧灰渣0～30％，石膏5％～10％，矿渣粉40％～55％和水泥20％～30％。

进一步地，所述的污泥焚烧灰渣是指生活污水污泥焚烧处理后收集的粉尘，污泥焚烧温度为450℃～1000℃。

进一步地，所述石膏包括脱硫石膏、氟石膏、钛石膏、磷石膏、干法烧结脱硫灰中的一种或几种。

进一步地，所述石膏的二水硫酸钙的含量≥75％，采用弱酸或弱碱类物质作为pH调节剂进行调节，调节后石膏的pH为6～12。

进一步地，所述pH调节剂的添加量为石膏的0～1％。

进一步地，所述pH调节剂包括磷酸盐类、氢氧化钙和氨水中的一种或几种。

进一步地，所述固化剂用于高软土地基加固时，固化剂与软土的用量比为10％～30％。

进一步地，所述固化剂用于高软土地基加固时，固化剂与软土的用量比为12～20％。

进一步地，所述固化剂用于路基加固时，固化剂与土的用量比为4％～15％。

进一步地，所述固化剂用于路基加固时，固化剂与土的用量比为6％～10％。

这种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂的制备方法，步骤包括：将污泥焚烧灰渣经球磨处理，并利用pH调节剂调节石膏的pH为6～12；按比例称取污泥焚烧灰渣、石膏、矿渣粉和水泥，混合后即得到掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂。

进一步地，所述污泥焚烧灰渣的球磨时间为5min～20min。

本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：

本发明采用多种固废协同配伍，利用污泥焚烧灰渣中的氯盐、硫酸盐组分作为激发剂，为土体提供强度；其中原料中工业副产石膏的主要化学成分为硫酸钙(CaSO₄)，矿渣粉是钢铁工业中的一种废料，其化学成分主要以SiO₂、Al₂O₃和CaO为主，污泥焚烧灰渣是污泥经干化焚烧后得到的产物，其化学成分以SiO₂、Al₂O₃为主，矿物组成包含石英(SiO₂)、赤铁矿(Fe₂O₃)和磷酸盐等物质，组分与粉煤灰等矿物材料相似，有潜在胶凝活性；此外，污水处理厂处理污水时需要通过添加絮凝剂达到泥水分离的效果，常用的絮凝剂有硫酸铝、聚合氯化铝、氯化铝等，在高温焚烧后，污泥焚烧灰中仍有硫酸盐和氯盐组分，利用氯盐激发和硫酸盐共激发能够有效增强固化效果；

其中，氯盐激发为利用焚烧灰渣中的氯盐作为激发剂，在碱性环境下，通过形成水化氯铝酸盐，由于Cl-的扩散能力较强，能够穿过焚烧灰渣颗粒表面的水化层，与内部的活性Al₂O₃或矿渣粉中Al₂O₃的反应生成水化铝酸钙，进而促进水化进程，提供土体固化的强度；硫酸盐共激发为采用石膏与污泥焚烧灰中的硫酸盐成分(CaSO₄和Al₂(SO₄)₃)共同作用下，矿渣粉颗粒表面的活性SiO₂产生水化反应生成CSH凝胶，活性Al₂O₃产生水化反应生成钙矾石，提供土体固化的强度；

另外，与现有技术相比，本发明在达到相同固化效果的前提下，可减少70％～80％的二氧化碳排放，节省10％～30％的成本费用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中不同组别的抗压强度的对比图；

图2为本发明实施例2中不同固化剂掺量的抗压强度图；

图3为本发明实施例3中不同固化剂掺量的抗压强度图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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作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。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。以下实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所有原料均为通用材料。

本发明一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，包括以下重量份材料：污泥焚烧灰渣0～30％，石膏5％～10％，矿渣粉40％～55％和水泥20％～30％。

其中，所述的污泥焚烧灰渣是指生活污水污泥焚烧处理后收集的粉尘，污泥焚烧温度为450℃～1000℃；所述石膏包括脱硫石膏、氟石膏、钛石膏、磷石膏、干法烧结脱硫灰中的一种或几种；所述石膏的二水硫酸钙的含量≥75％，采用弱酸或弱碱类物质作为pH调节剂进行调节，调节后石膏的pH为6～12，所述pH调节剂的添加量为石膏的0～1％。

其中，所述pH调节剂包括磷酸盐类、氢氧化钙和氨水中的一种或几种。

当所述固化剂用于高软土地基加固时，固化剂与软土的用量比为10％～30％；进一步地，所述固化剂用于路基加固时，固化剂与土的用量比为4％～15％。

这种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂的制备方法，步骤包括：将污泥焚烧灰渣经球磨处理，球磨时间为5min～20min，使其细度达到国家标准《用于水泥和混凝土的粉煤灰》(GB/T1596)规定的III级粉煤灰的要求；并利用pH调节剂调节石膏的pH为6～12；按比例称取污泥焚烧灰渣、石膏、矿渣粉和水泥，混合后即得到掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂。

下面用具体的实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

采用PO42.5水泥、S95矿渣粉、工业副产石膏和污泥焚烧灰渣作为原料，并按照表1进行配料，其中，工业副产石膏包括烧结干法脱硫灰、磷石膏和钛石膏，工业副产石膏换算成干基的比例。

本实施例采用固化剂加固淤泥土，固化剂掺量为12％，水胶比(即水占固化剂和淤泥土总量的百分数)为0.5。

7d无侧限抗压强度和28d无侧限抗压强度按照JGJ/T 233-2011中B.2的无侧限抗压强度试验方法进行测试；测试结果如下：

表1：掺污泥焚烧灰渣的固化剂加固土试验配合比(％)及土体无侧限抗压强度

表2：掺污泥焚烧灰渣的固化剂加固土试验重金属浸出液毒性

由表1和图1可知，工业副产石膏与污泥焚烧灰渣复掺，土体早期强度和后期强度均有较高的提升，这表明两种固体废弃物具有协同作用，复掺使用可提供土体的强度，且优于纯水泥体系。

这种工业副产石膏、焚烧灰渣复配形成的体系，可激发矿渣粉中活性SiO₂和活性Al₂O₃生成C-S-H和C-A-H凝胶，且CaSO₄溶解后又可进一步与C-A-H反应生成钙矾石，提高胶凝强度；而固化土体时，复掺胶凝体系3d内可形成32份结晶水钙矾石，将粘土中的自由水转化为结晶水，加之后期水化产物不断生成，可形成较高的加固土强度。

由表2可知，选取添加焚烧灰渣的几组进行重金属浸出液毒性测试，均符合标准要求。

实施例2

本实施例中，将这种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂用于加固软体地基，具体步骤如下：

(1)污泥焚烧灰渣先进行球磨预处理，随后根据GB/T 1345中45μm负压筛析法进行，筛析时间为3min，得到污泥焚烧灰的细度为11.2％；

其中，GB/T 1345中的负压筛析法具体步骤包括：筛析试验前应把45μm负压筛放在筛座上，盖上筛盖，接通电源，检查控制系统，调节负压至4000Pa～6000Pa范围内；称取试样精确至0.01g，置于洁净的负压筛中，放在筛座上，盖上筛盖，接通电源，开动筛析仪连续筛析3min，在此期间如有试样附着在筛盖上，可轻轻地敲击筛盖使试样落下。筛毕，用天平称量全部筛余物。

(2)按照质量百分比称量污泥焚烧灰渣、工业副产石膏、矿渣粉和水泥，混合后得到土体固化剂；其中，工业副产石膏为脱硫石膏和钛石膏，脱硫石膏和钛石膏的掺加质量比例为1：1；

(3)加固土选取深度为7m～8m，天然含水率为42％的淤泥质粘土，掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂加固土实验水胶比为0.5；

本实施案例中采用的钛石膏的pH为9，无需调节pH；胶凝材料具体配合比及加固土7d无侧限抗压强度如下表3所示；其中案例别1～3中，固化剂的掺量为12％；案例别4～7中，固化剂的掺量分别为10％、16％、20％和30％。

表3：掺污泥焚烧灰渣的固化剂加固土试验

结果表明，当固化剂掺量为12％时，对比组为单掺水泥，7d抗压强度仅为1.62MPa，采用工业副产石膏-焚烧灰渣-矿渣粉三固废体系取代水泥后，加固土强度最高提升至2.86MPa，提高率高达76％。

由案例别1可知，工业副产石膏焚烧灰复配形成的复合体系，可激发矿渣粉中活性SiO₂和活性Al₂O₃活性；且固化土体时，土体中的游离水转化为高结晶水，进一步降低土体种游离水的含量。

具体可用下式表示：

xCa(OH)₂+SiO₂+(n-1)H₂O→xCaO·SiO₂·nH₂O

(1.5～2.0)CaO·SiO₂·aq+SiO₂→(0.8～1.5)CaO·SiO₂·aq

3CaO·Al₂O₃·6H₂O+SiO₂+mH₂O→xCaO·SiO₂·mH₂O+yCaO·Al₂O₃·nH₂O

xCa(OH)₂+Al₂O₃+mH₂O→xCaO·Al₂O₃·nH2O

3Ca(OH)₂+Al₂O₃+2SiO₂+mH₂O→3CaO·Al₂O₃·2SiO₂·nH₂O

3CaO·Al₂O₃·6H₂O+Ca(OH)₂+6H₂O→4CaO·Al₂O₃·13H₂O

4CaO·Al₂O₃·13H₂O+3(CaSO₄·2H₂O)+14H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O+Ca(OH)₂

同时，结合表3和图2，可知，随着固化剂掺量增加，固化土体的7d无侧限抗压强度增加；当固化剂掺量由10％增加至20％时，强度增加幅度明显，为30.3％，当固化剂掺量由20％持续增加至30％，强度增加趋势变缓，为27.4％。

实施例3

本实施例中，将这种掺污泥焚烧灰渣的固化剂取代水泥用于加固土路基，具体步骤如下：

(1)根据GB/T 1345中45μm负压筛析法进行，筛析时间为3min，得到污泥焚烧灰渣的细度为30.2％；经测试，其重金属浸出浓度、二噁英等安全性指标合格；

(2)选用的工业副产石膏为磷肥生产时的副产物，即钛石膏，含水率为1.2％，经测试，钛石膏pH为3，添加0.5％的消石灰作为改性剂调节pH为6～11。

(3)按照质量百分比称量污泥焚烧灰渣、工业副产石膏、矿渣粉和水泥，混合后得到掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂。

(4)加固土选取道路土路基土，本实施例中的水胶比为0.46。

本实施案例中，对比组和案例别1～3固化剂的掺量为6％，案例4～7中固化剂的掺量为4％、8％、10％和15％，固化剂掺量为固化剂和土路基土总重的百分比。

表4：掺污泥焚烧灰渣的固化剂稳定土路基试验结果

由表4可知，采用纯水泥固化土时，7d无侧限抗压强度为2.62MPa，当采用工业副产石膏与焚烧灰渣复掺作固化剂用来固化土时，7d无侧限抗压强度高于纯水泥；且随着固化剂掺量的增加，固化土的7d无侧限抗压强度越高，当固化剂掺量为15％时，土体的7d无侧限强度为3.86MPa。

同时，由图3可知，固化土的强度随掺量的变化趋势同表3，随掺量的增加而增加，但增加幅度先增大后减小。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的保护范围。

Claims

1.一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，其特征在于，包括以下重量份材料：污泥焚烧灰渣0～30％，石膏5％～10％，矿渣粉40％～55％和水泥20％～30％。

2.根据权利要求1所述的一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，其特征在于，所述的污泥焚烧灰渣是指生活污水污泥焚烧处理后收集的粉尘，污泥焚烧温度为450℃～1000℃。

3.根据权利要求1所述的一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，其特征在于，所述石膏包括脱硫石膏、氟石膏、钛石膏、磷石膏、干法烧结脱硫灰中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，其特征在于，所述石膏的二水硫酸钙的含量≥75％，采用弱酸或弱碱类物质作为pH调节剂进行调节，调节后石膏的pH为6～12。

5.根据权利要求4所述的一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，其特征在于，所述pH调节剂的添加量为石膏的0～1％。

6.根据权利要求4所述的一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，其特征在于，所述pH调节剂包括磷酸盐类、氢氧化钙和氨水中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，其特征在于，所述固化剂用于高软土地基加固时，固化剂与软土的用量比为10％～30％。

8.根据权利要求1所述的一种掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂，其特征在于，所述固化剂用于路基加固时，固化剂与土的用量比为4％～15％。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂的制备方法，其特征在于，步骤包括：将污泥焚烧灰渣经球磨处理，并利用pH调节剂调节石膏的pH为6～12；按比例称取污泥焚烧灰渣、石膏、矿渣粉和水泥，混合后即得到掺污泥焚烧灰渣的土体固化剂。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述污泥焚烧灰渣的球磨时间为5min～20min。