CN115340325A - 一种用于预拌流态固化土的固化剂及其制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了一种用于预拌流态固化土的固化剂及其制备和使用方法，涉及土木建筑材料技术领域。一种用于预拌流态固化土的固化剂，包括以下原料：水泥、生石灰、矿渣、粉煤灰、钢纤维、减水剂和渗透剂。本申请固化剂的制备方法为：将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至粒度为0.5‑2mm；与其他原料进行混合，均匀后得到固化剂。本申请固化剂的使用方法为：将固化剂加入至渣土中，搅拌均匀，然后加入水和复合激发剂，混合得到浆料，将浆料对基坑和肥槽进行灌注回填。本申请得到的固化剂具有固化效果好、干缩率低和强度高等优点，其制备方法和使用方法简单方便，具有很广泛的应用场景。
Description
技术领域
本申请涉及土木建筑材料技术领域，具体而言，涉及一种用于预拌流态固化土的固化剂及其制备和使用方法。
背景技术
目前我国各类工程的建设施工过程中，往往会遇到改良土体、加固土体方面的处理需求，比如地基处理或者路基加固等，也经常遇到针对矿山采空区和沟槽等特定部位的浇注回填方面的施工作业。针对这些施工需求，目前从业者所采用的设计方案和施工方法中，都存在一定的局限性。比如对于地基处理大都采用深层搅拌法，通过在原位土体中掺加入水泥等固化剂后进行强制搅拌使其与土体结合以提高强度，但是这种原位拌合由于缺乏流动和操作空间，以及机械设备等原因拌合不均匀，而导致处理后的强度较低，效果不好。
土壤(岩土)固化指通过某种措施将散碎状的土壤固结为具有一定强度的整体性固体物质，经固化处理的土可以称为固化土，土壤固化的主要目的是获得比天然土更高的强度、更好的整体性和抗渗性。固化土与自然土的最大区别在于整体性与散碎性的区别。
从广义上讲，也可以把固化土视为一种低强度、低弹性模量的混凝土。而一般意义上的混凝土可以理解为：用以水泥为主的胶凝材料看作(含分散胶凝材料的化学物质)固化粗粒土(石、砂)；固化土则可以理解为：用特殊胶凝材料组合(含改善土颗粒界面和反应活性的化学物质)固化细粒土(粉土、黏土、淤泥质土等)。水泥特别是硅酸盐水泥用于固结表面性质为惰性的粗粒土(石、砂)，其有效性毋庸置疑。但一般的硅酸盐水泥用于有表面活性的细粒土则效果一般，甚至没有效果，特别是在高含水率状态下或者固化类似盐渍土这样的特殊土壤时，更加不适用。
因此，需要开发特殊的胶凝材料体系(固化剂)用于预拌流态固化土的固化，使其功能达到使用要求，以获得技术和经济上的可行性。
发明内容
本申请的目的在于提供一种用于预拌流态固化土的固化剂，此固化剂具有固化效果好、干缩率低和强度高等优点。
本申请的另一目的在于提供一种用于预拌流态固化土的固化剂的制备方法，该制备方法简单。
本申请的再一目的在于提供一种用于预拌流态固化土的固化剂的使用方法，该使用方法方便。
本申请解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一方面，本申请实施例提供一种用于预拌流态固化土的固化剂，包括以下原料：水泥、生石灰、矿渣、粉煤灰、钢纤维、减水剂和渗透剂。
另一方面，本申请实施例提供一种用于预拌流态固化土的固化剂的制备方法，包括以下步骤：将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至粒度为0.5-2mm；与其他原料进行混合，均匀后得到所述固化剂。
再一方面，本申请实施例还提供一种用于预拌流态固化土的固化剂的使用方法，包括以下步骤：将固化剂加入至渣土中，搅拌均匀，然后加入水和复合激发剂，混合得到浆料，将浆料对基坑、肥槽进行灌注回填。
相对于现有技术，本申请的实施例至少具有如下优点或有益效果：
针对第一方面，在本申请中，采用水泥作为固化剂的主要原料，其提供凝固效果好，无侧限抗压强度高的优点，但水泥在凝固时会产生收缩现象，因此容易产生裂纹，本申请在原料中加入生石灰，生石灰在凝固时体积膨大，可填补空缺，降低干缩效果，进一步弥补了水泥的干缩率；同时加入粉煤灰、矿渣和钢纤维，提高整个固化土凝固后的强度；其中矿渣属于矿物废渣，具有资源重复利用的优点，并且矿渣中含有较高的硅酸二钙，水化反应慢，延长初凝时间，在前期提高预拌流态固化土的流动性和坍落度，在后期提高强度；钢纤维中含有二氧化硅，具有较好的稳定性，降低热膨胀系数，与生石灰共同起到降低干缩效果的作用。另外，本申请生石灰中含钙量高，提高整个固化剂中氢氧化钙的含量，对于粉煤灰而言具有良好的协同作用，防止粉煤灰结合水泥的水产物，影响水泥最终的稳定性。在本申请配方中还加入了渗透剂和减水剂，改善渣土表面的电荷情况，提高预拌流态固化土的流动性和渗透作用，使其与周围土壤或岩土进行更紧密的结合。
针对第二方面，本申请的制备方法简单，将原料进行破碎，可以在与渣土结合时具有更大的比表面积，提高固化效果。
针对第三方面，本申请固化剂为水硬性凝胶材料，因此在使用时，将渣土与固化剂混合，然后加入水和激发剂，达到更好的固化效果。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本申请。
一种用于预拌流态固化土的固化剂，包括以下原料：水泥、生石灰、矿渣、粉煤灰、钢纤维、减水剂和渗透剂。
在本申请中，采用水泥作为固化剂的主要原料，其提供凝固效果好，无侧限抗压强度高的优点，但水泥在凝固时会产生收缩现象，因此容易产生裂纹，本申请在原料中加入生石灰，生石灰在凝固时体积膨大，可填补空缺，降低干缩效果，进一步弥补了水泥的干缩率；同时加入粉煤灰、矿渣和钢纤维，提高整个固化土凝固后的强度；其中矿渣属于矿物废渣，具有资源重复利用的优点，并且矿渣中含有较高的硅酸二钙，水化反应慢，延长初凝时间，在前期提高预拌流态固化土的流动性和坍落度，在后期提高强度；钢纤维中含有二氧化硅，具有较好的稳定性，降低热膨胀系数，与生石灰共同起到降低干缩效果的作用。另外，本申请生石灰中含钙量高，提高整个固化剂中氢氧化钙的含量，对于粉煤灰而言具有良好的协同作用，防止粉煤灰结合水泥的水产物，影响水泥最终的稳定性。在本申请配方中还加入了渗透剂和减水剂，改善渣土表面的电荷情况，提高预拌流态固化土的流动性和渗透作用，使其与周围土壤或岩土进行更紧密的结合。
在本申请的一些实施例中，按重量份计，上述固化剂包括以下原料：水泥20-40份、生石灰10-20份、矿渣15-30份、粉煤灰10-20份、钢纤维10-18份、减水剂3-8份和渗透剂3-8份。采用上述比例的原料结合，可以得到各方面效果更好更稳定的固化剂。
在本申请的一些实施例中，按重量份计，上述固化剂包括以下原料：水泥30份、生石灰15份、矿渣25份、粉煤灰15份、钢纤维12份、减水剂5份和渗透剂5份。
在本申请的一些实施例中，上述减水剂为阴离子表面活性剂，具体为木质素磺酸盐或萘磺酸盐甲醛聚合物。上述阴离子表面活性剂可以改变渣土表面的电荷情况，从而使得固化剂与渣土更好的混合，减少水的使用，从而可以减少固化土的水化作用，提高预拌流态固化土的稳定性，并且减少其终凝时间。
在本申请的一些实施例中，上述渗透剂为聚氧化乙烯。聚氧化乙烯具有可延伸性，在固化剂原料混合以及初凝阶段，生石灰吸水放任，温度高于聚氧化乙烯熔点时，聚氧化乙烯成为热塑性物质，促进预拌流态固化土在地下对建筑缝隙的渗透，提高预拌流态固化土的流动性，并且在后期凝固时具有较好的强度，起到后期增强的效果。
一种用于预拌流态固化土的固化剂的制备方法，包括以下步骤：将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至粒度为0.5-2mm；与其他原料进行混合，均匀后得到所述固化剂。
本申请的制备方法简单，将原料进行破碎，可以在与渣土结合时具有更大的比表面积，使固化剂与渣土的结合效果更好，提高固化效果。
一种用于预拌流态固化土的固化剂的使用方法，包括以下步骤：将固化剂加入至渣土中，搅拌均匀，然后加入水和复合激发剂，混合得到浆料，将浆料对基坑、肥槽进行灌注回填。
本申请固化剂为水硬性凝胶材料，因此在使用时，将渣土与固化剂混合，然后加入水和激发剂，达到更好的固化效果。
在本申请的一些实施例中，上述渣土中砂土和黏土的比例为(0.1-1)：(0.1-1)，上述渣土的含水量为5～15％。本申请固化剂更适用于上述性质的渣土，如果砂土含量更高的话，需要额外增加固化剂的用量，提高粘结性能，如果渣土中水含量降低，需要在使用时提高水的加入，促使固化剂的固化进程。
在本申请的一些实施例中，上述渣土、固化剂、水和复合激发剂的加入比例为10：(0.8-1.5)：(1.5-4)：(0.05-0.1)。采用上述比例可以使得渣土与固化剂进行更好的结合；因为原料中加入减水剂，可以降低水的利用，从而降低水化的缺陷，降低终凝效果。
在本申请的一些实施例中，上述复合激发剂由以下质量百分比的原料组成：硫酸铝渣55-65％、硫酸钠15-25％和木钙10-25％。采用复合激发剂可以促进粉煤灰和矿渣的凝固，并且提供凝固后期的强度。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种用于预拌流态固化土的固化剂，其制备方法为：
按量称取以下原料：水泥300g、生石灰150g、矿渣250g、粉煤灰150g、钢纤维120g、减水剂50g(木质素磺酸盐)和渗透剂50g(聚氧化乙烯)；
将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至1mm，过筛后与其他原料混合均匀，得到本实施例的固化剂。
使用方法：将固化土(砂土和黏土的质量比为4：3，含水量为8.5％)1000g和上述制备的固化剂150g，搅拌混合20min后，加入水20g以及复合激发剂1g，再搅拌10min，得到预拌流态固化土；将预拌流态固化土对基坑、肥槽进行灌注回填。本实施例复合激发剂中各原料的质量比为硫酸铝渣60％、硫酸钠20％和木钙20％。
实施例2
一种用于预拌流态固化土的固化剂，其制备方法为：
按量称取以下原料：水泥250g、生石灰120g、矿渣300g、粉煤灰100g、钢纤维180g、减水剂30g(木质素磺酸盐)和渗透剂60g(聚氧化乙烯)；
将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至1mm，过筛后与其他原料混合均匀，得到本实施例的固化剂。
使用方法：将固化土(砂土和黏土的质量比为4：1，含水量为12％)1000g和上述制备的固化剂100g，搅拌混合25min后，加入水40g以及复合激发剂0.8g，再搅拌10min，得到预拌流态固化土；将预拌流态固化土对基坑、肥槽进行灌注回填。本实施例复合激发剂中各原料的质量比为硫酸铝渣65％、硫酸钠25％和木钙10％。
实施例3
一种用于预拌流态固化土的固化剂，其制备方法为：
按量称取以下原料：水泥400g、生石灰100g、矿渣280g、粉煤灰200g、钢纤维120g、减水剂80g(萘磺酸盐甲醛聚合物)和渗透剂30g(聚氧化乙烯)；
将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至2mm，过筛后与其他原料混合均匀，得到本实施例的固化剂。
使用方法：将固化土(砂土和黏土的质量比为4：1，含水量为12％)1000g和上述制备的固化剂80g，搅拌混合15min后，加入水15g以及复合激发剂0.5g，再搅拌10min，得到预拌流态固化土；将预拌流态固化土对基坑、肥槽进行灌注回填。本实施例复合激发剂中各原料的质量比为硫酸铝渣65％、硫酸钠25％和木钙10％。
实施例4
一种用于预拌流态固化土的固化剂，其制备方法为：
按量称取以下原料：水泥380g、生石灰150g、矿渣160g、粉煤灰180g、钢纤维130g、减水剂60g(萘磺酸盐甲醛聚合物)和渗透剂40g(聚氧化乙烯)；
将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至0.5mm，过筛后与其他原料混合均匀，得到本实施例的固化剂。
使用方法：将固化土(砂土和黏土的质量比为1：8，含水量为15％)1000g和上述制备的固化剂120g，搅拌混合20min后，加入水30g以及复合激发剂0.9g，再搅拌20min，得到预拌流态固化土；将预拌流态固化土对基坑、肥槽进行灌注回填。本实施例复合激发剂中各原料的质量比为硫酸铝渣60％、硫酸钠15％和木钙25％。
实施例5
一种用于预拌流态固化土的固化剂，其制备方法为：
按量称取以下原料：水泥200g、生石灰180g、矿渣180g、粉煤灰100g、钢纤维180g、减水剂80g(萘磺酸盐甲醛聚合物)和渗透剂50g(聚氧化乙烯)；
将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至0.5mm，过筛后与其他原料混合均匀，得到本实施例的固化剂。
使用方法：将固化土(砂土和黏土的质量比为1：5，含水量为14％)1000g和上述制备的固化剂150g，搅拌混合20min后，加入水15g以及复合激发剂1g，再搅拌20min，得到预拌流态固化土；将预拌流态固化土对基坑、肥槽进行灌注回填。本实施例复合激发剂中各原料的质量比为硫酸铝渣55％、硫酸钠20％和木钙25％。
实施例6
一种用于预拌流态固化土的固化剂，其制备方法为：
按量称取以下原料：水泥390g、生石灰120g、矿渣280g、粉煤灰180g、钢纤维100g、减水剂30g(萘磺酸盐甲醛聚合物)和渗透剂40g(聚氧化乙烯)；
将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至0.8mm，过筛后与其他原料混合均匀，得到本实施例的固化剂。
使用方法：将固化土(砂土和黏土的质量比为1：1，含水量为10％)1000g和上述制备的固化剂150g，搅拌混合20min后，加入水40g以及复合激发剂1g，再搅拌20min，得到预拌流态固化土；将预拌流态固化土对基坑、肥槽进行灌注回填。本实施例复合激发剂中各原料的质量比为硫酸铝渣55％、硫酸钠25％和木钙20％。
实施例7
一种用于预拌流态固化土的固化剂，其制备方法为：
按量称取以下原料：水泥420g、生石灰130g、矿渣280g、粉煤灰180g、钢纤维100g、减水剂30g(萘磺酸盐甲醛聚合物)和渗透剂40g(聚氧化乙烯)；
将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至0.8mm，过筛后与其他原料混合均匀，得到本实施例的固化剂。
使用方法：将固化土(砂土和黏土的质量比为5：1，含水量为5％)1000g和上述制备的固化剂150g，搅拌混合20min后，加入水40g以及复合激发剂1g，再搅拌20min，得到预拌流态固化土；将预拌流态固化土对基坑、肥槽进行灌注回填。本实施例复合激发剂中各原料的质量比为硫酸铝渣55％、硫酸钠25％和木钙20％。
对比例1
本对比例的原料、制备方法和使用方法与实施例1基本相同，区别在于：本对比例中不加入生石膏。
对比例2
本对比例的原料、制备方法和使用方法与实施例1基本相同，区别在于：本对比例中不加入钢纤维。
实验例
将本申请实施例1-6以及对比例1-2制备的固化剂对渣土进行固化，其使用方法与实施例1相同，分别测定其坍落度、干缩率、初凝时间、终凝时间以及不同时间的无侧限抗压强度，其结果如表1和表2所示。
表1
表2
从表1和表2中可以看出，本申请实施例1-6制备得到的固化剂对于预拌流态固化土的固化效果好且稳定，满足18d无侧限抗压强度≥0.8MPa，初凝时间≥3h，终凝时间≤10h的标准，并且干缩率较低，符合固化土的施工标准。相比较实施例1-6而言，对比例1-2制备的固化剂在干缩和无侧限抗压强度方面效果较差，说明缺少生石灰会较大影响最终固化土的干缩率，从而影响强度；缺少钢纤维会更影响固化土的无侧限抗压强度。由此也可以说明采用本申请配方的固化剂具有更好更全面的稳定性能。
综上所述，本申请实施例的一种用于预拌流态固化土的固化剂及其制备和使用方法。
针对第一方面，在本申请中，采用水泥作为固化剂的主要原料，其提供凝固效果好，无侧限抗压强度高的优点，但水泥在凝固时会产生收缩现象，因此容易产生裂纹，本申请在原料中加入生石灰，生石灰在凝固时体积膨大，可填补空缺，降低干缩效果，进一步弥补了水泥的干缩率；同时加入粉煤灰、矿渣和钢纤维，提高整个固化土凝固后的强度；其中矿渣属于矿物废渣，具有资源重复利用的优点，并且矿渣中含有较高的硅酸二钙，水化反应慢，延长初凝时间，在前期提高预拌流态固化土的流动性和坍落度，在后期提高强度；钢纤维中含有二氧化硅，具有较好的稳定性，降低热膨胀系数，与生石灰共同起到降低干缩效果的作用。另外，本申请生石灰中含钙量高，提高整个固化剂中氢氧化钙的含量，对于粉煤灰而言具有良好的协同作用，防止粉煤灰结合水泥的水产物，影响水泥最终的稳定性。在本申请配方中还加入了渗透剂和减水剂，改善渣土表面的电荷情况，提高预拌流态固化土的流动性和渗透作用，使其与周围土壤或岩土进行更紧密的结合。
针对第二方面，本申请的制备方法简单，将原料进行破碎，可以在于渣土结合时具有更大的比表面积，增加渣土和固化剂的混合效果，提高固化效果。
针对第三方面，本申请固化剂为水硬性凝胶材料，因此在使用时，将渣土与固化剂混合，然后加入水和激发剂，达到更好的固化效果，且使用方便。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于预拌流态固化土的固化剂，其特征在于，包括以下原料：水泥、生石灰、矿渣、粉煤灰、钢纤维、减水剂和渗透剂。
2.根据权利要求1所述的一种用于预拌流态固化土的固化剂，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：水泥20-40份、生石灰10-20份、矿渣15-30份、粉煤灰10-20份、钢纤维10-18份、减水剂3-8份和渗透剂3-8份。
3.根据权利要求2所述的一种用于预拌流态固化土的固化剂，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：水泥30份、生石灰15份、矿渣25份、粉煤灰15份、钢纤维12份、减水剂5份和渗透剂5份。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于预拌流态固化土的固化剂，其特征在于，所述减水剂为阴离子表面活性剂，具体为木质素磺酸盐或萘磺酸盐甲醛聚合物。
5.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于预拌流态固化土的固化剂，其特征在于，所述渗透剂为聚氧化乙烯。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的用于预拌流态固化土的固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将生石灰、矿渣和粉煤灰破碎至粒度为0.5-2mm；与其他原料进行混合，均匀后得到所述固化剂。
7.一种如权利要求1～5任一项所述的用于预拌流态固化土的固化剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：将固化剂加入至渣土中，搅拌均匀，然后加入水和复合激发剂，混合得到浆料预拌流态固化土，将浆料预拌流态固化土对基坑、肥槽进行灌注回填。
8.根据权利要求7所述的一种用于预拌流态固化土的固化剂的使用方法，其特征在于，所述渣土中砂土和黏土的比例为(0.1-1)：(0.1-1)，所述渣土的含水量为5～15％。
9.根据权利要求8所述的一种用于预拌流态固化土的固化剂的使用方法，征其特在于，所述渣土、固化剂、水和复合激发剂的加入比例为10：(0.8-1.5)：(1.5-4)：(0.05-0.1)。
10.根据权利要求9所述的一种用于预拌流态固化土的固化剂的使用方法，其特征在于，所述复合激发剂由以下质量百分比的原料组成：硫酸铝渣55-65％、硫酸钠15-25％和木钙10-25％。
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