技术领域
[0001] 本发明涉及土壤固化技术领域，尤其涉及一种高含水量土壤的土壤胶结料及制备方法和使用。
相关背景技术
[0002] 广东位于珠江三角洲冲积平原，水系发达，存在大量沼泽地和鱼塘。在进行基础设施建设前需要对沼泽地和鱼塘浅层的高含水率软土进行换填处理，但是通常其含水率可高达100％，运输过程容易对城市环境造成负面影响。当前越来越多的工程采用就地固化新技术对浅层高含水率软土进行就地固化处理，固化材料通常为水泥。但是水泥在该类高含水率软土中由于含水量过高导致水泥水化胶结强度较低，需要大量增加水泥用量，部分工程用量甚至超过10％。造成了资源的极大浪费。同时水泥生产属于高污染高碳排放行业，每生产1吨普通硅酸盐水泥约排放0.8吨CO2，不符合当前减少碳排放的国家战略目标。
具体实施方式
[0020] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。
[0021] 本发明提供了一种用于高含水量土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰10份～20份，脱硫灰10份～20份，三氯化铁粉末5份～10份，矿渣粉30～40份，水泥10份～20份。
[0022] 相较于现有技术，本发明的土壤胶结料中内引入了三氯化铁、脱硫灰和矿渣粉；三氯化铁中的三价铁离子可使高含水率软土中高正价的铁离子吸附于带负电的土颗粒表面，减少被吸附水的数量，达到压缩、减薄双电层厚度并降低电位的作用，使得双电子层中的弱结合水被排出，土颗粒间距减小，密实度提高。另外，脱硫灰与生石灰配合，可消耗上述所排出的弱结合水，生成氢氧化钙并体积膨胀，而脱硫灰与结合水结合转化为一水亚硫酸钙、二水亚硫酸钙和二水硫酸钙。最后，结合自由水的二水硫酸钙可激发矿渣粉活性，溶解玻璃体生成水化硅酸钙，胶结软土颗粒；结合自由水的氢氧化钙可参与并进一步促进水化产物发生二次水化反应生成钙矾石，晶体体积增大一倍可有效填充软土内部孔隙。因此该类土壤胶结料具有优异的胶结效果，且提高了固化土的密实度，从而固化土强度高。因此生石灰和脱硫灰具有高效降水、激发胶结及密实填充三重作用。
[0023] 进一步的，所述三氯化铁粉末、脱硫灰和矿渣粉的质量之比为(8～10):(10～13):(33～36)。将三氯化铁、脱硫灰和矿渣粉投加的质量之比控制在特定的比例发现，三者之间具有协同作用，能够加快土壤的固化速度，这有利于缩短土壤固化过程的时间，降低固化时间成本。
[0024] 其中，所述脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物；其中，所述脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％。与湿法工艺相比较，干法/半干法工艺所产生的脱硫灰的成分复杂得多，具有高硫、高钙、高碱性的特点，尤其是CaSO3的比例很高。由于在去除若自由水时，需要大量的半水CaSO3·1/2H2O与自由水结合生成CaSO3·H2O和CaSO3·2H2O。
[0025] 进一步的，上述土壤胶结料中还包括稻壳灰8份～22份和聚丙烯酰胺10份～25份。
[0026] 首先，稻壳灰能有效提高固化土材料的抗压及抗拉强度，使其比表面积减小，膨胀性减弱，土水接触角增大，水稳定性增强；且能使固化土中的水化产物含量增多，针状矿物变长变粗，并成簇状或捆状分布，不断填充孔隙，使结构更加密实；此外在稻壳灰水泥土中生成了新的蜂窝状C‑S‑H凝胶，其纳观结构是由呈规律紧密排列的长棒槌形颗粒堆积形成。其次，聚丙烯酰胺可以产生絮片凝聚物。稻壳灰和聚丙烯酰胺互相协同，能够提高软土固化时的早期强度。
[0027] 其中，所述稻壳灰、聚丙烯酰胺和生石灰投加的质量之比为(10～15):(17～22):(13～17)。当稻壳灰、聚丙烯酰胺和生石灰的投加质量处于上述的质量之比的范围内时，三者能够起到协同作用，进一步提高软土固化的早期强度，同时固化后的孔隙率和和渗透系数能够进一步降低。
[0028] 其中，所述稻壳灰为在550～650℃下、燃烧3～4h所得到的黑色粉末状的物质，平2
均粒径为10～20μm，比表面积为0.4～0.6m/g。所得到的稻灰壳粉末，其表面会存在一定量的纳米二氧化硅和为完全燃烧的骨架结构。稻壳灰具有巨大比表面积以及独特的多孔性能，且内部含有大量的活性二氧化硅，在稻壳灰周围存水化硅酸钙凝胶，在此处会发生离子交换运动，其中Si元素和Ca元素含量变化最为明显；碳元素的存在不会完全抑制水化反应
2+ 2+
的进行，但会阻碍和延缓Ca 向稻壳灰内部扩散，而多孔结构则会促进水和Ca 等从外部溶液中渗入到孔隙内部，使孔隙均匀化、微细化。
[0029] 其中，所述稻壳灰包括以下化学成分：SiO2 87％～90％、Al2O3 1％～5％、CaO 1wt％～5wt％、MgO 0.3wt％～2wt％、Fe2O3 0.1wt％～0.5wt％、SO30.5wt％～1wt％。
[0030] 进一步的，所述矿渣粉为S75级矿渣粉、S95级矿渣粉和S105级矿渣粉中的一种或多种。矿渣粉是粒化高炉矿渣粉的简称，粒化高炉矿渣是炼铁厂在高炉冶炼生铁时所得到的以硅铝酸钙为主要成分的熔融物，经水淬成粒后所得的工业固体废渣，大部分为玻璃质，具有潜在水硬胶凝性。
[0031] 相应的，本发明还提供了一种土壤胶结料的制备方法，本发明还提供了一种土壤胶结料的制备方法，由生石灰、脱硫灰、三氯化铁粉末、矿渣粉、水泥、稻壳灰和聚丙烯酰胺按照预定重量份混合制成。
[0032] 相应的，本发明还提供了一种土壤胶结料的使用方法，包括以下步骤：
[0033] S1、将上述所述的土壤胶结料配制为含水100％的胶结料浆液；
[0034] S2、将其输送至搅拌头处，通过搅拌头对土体高速搅拌实现胶结料浆液与土壤颗粒度的均匀混合。
[0035] 下面以具体实施例进一步说明本发明：
[0036] 实施例1
[0037] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，脱硫灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉40份，水泥10份；
[0038] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0039] 实施例2
[0040] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰10份，脱硫灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉40份，水泥20份；
[0041] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0042] 实施例3
[0043] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，脱硫灰20份，三氯化铁5份，矿渣粉40份，水泥15份；
[0044] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0045] 实施例4
[0046] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，脱硫灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉30份，水泥20份；
[0047] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0048] 实施例5
[0049] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，脱硫灰13份，三氯化铁10份，矿渣粉35份，水泥10份；
[0050] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0051] 实施例6
[0052] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，脱硫灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉40份，水泥10份，稻壳灰20份，聚丙烯酰胺25份；
[0053] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级；
[0054] 稻灰壳为在600℃下、燃烧3h所得到的黑色粉末状物质，平均粒径为15μm，比表面2
积为0.4m/g；
[0055] 稻壳灰的化学成分为：
[0056] SiO2 90wt％、Al2O3 3wt％、CaO 3.5wt％、MgO 2wt％、Fe2O3 0.5wt％、SO3 1wt％。
[0057] 实施例7
[0058] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰15份，脱硫灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉40份，水泥10份，稻壳灰13份，聚丙烯酰胺18份；
[0059] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级；
[0060] 稻灰壳为在600℃下、燃烧3h所得到的黑色粉末状物质，平均粒径为15μm，比表面2
积为0.4m/g；
[0061] 稻壳灰的化学成分为：
[0062] SiO2 90wt％、Al2O3 3wt％、CaO 3.5wt％、MgO 2wt％、Fe2O3 0.5wt％、SO3 1wt％。
[0063] 实施例8
[0064] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，脱硫灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉40份，水泥10份，稻壳灰20份；
[0065] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级；
[0066] 稻灰壳为在600℃下、燃烧3h所得到的黑色粉末状物质，平均粒径为15μm，比表面2
积为0.4m/g；
[0067] 稻壳灰的化学成分为：
[0068] SiO2 90wt％、Al2O3 3wt％、CaO 3.5wt％、MgO 2wt％、Fe2O3 0.5wt％、SO3 1wt％。
[0069] 实施例9
[0070] 本实施例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，脱硫灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉40份，水泥10份，聚丙烯酰胺25份；
[0071] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0072] 对比例1
[0073] 本对比例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：脱硫灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉40份，水泥10份；
[0074] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0075] 对比例2
[0076] 本对比例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，三氯化铁10份，矿渣粉40份，水泥10份；
[0077] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0078] 对比例3
[0079] 本对比例提供了一种用于高含水率土壤的土壤胶结料，按照重量份计包括以下组分：生石灰20份，脱硫灰20份，矿渣粉40份，水泥10份；
[0080] 其中，脱硫灰为钢铁行业半干法脱硫技术产生的固体废物，且脱硫灰中的CaSO3·1/2H2O含量大于90wt％；矿渣粉为S95级。
[0081] 实施例1～9和对比例1～3制得的土壤胶结料固化软土，具体步骤如下：
[0082] (1)取土
[0083] 土样均取自佛山市某一施工现场，采挖深度1m，土样挖掘后立即密封在聚乙烯袋中，避免在储存过程中水分流失。土样及部分性能指标如表1所示。
[0084] 表1土样基本性能
[0085]
[0086] (2)固土:固化土成型参照JGJ/T233‑2011《水泥土配合比设计规程》，土壤胶结料掺入量为干土质量的17％，水胶比为0.7。
[0087] 将搅拌后的土浆液倒入直径50mm、高度100mm的圆柱体试模中并振捣2min，抹平并覆盖保鲜膜，置于标准养护室[(20±5)℃，湿度>95％RH]养护两天后对试件进行拆模并继续养护，然后对养护7天、14天、28天的试块检测其渗透系数、无侧限抗压强度、不同冻融循环次数下试块无侧限抗压强度损失率性能指标，测试结果如表2所示。
[0088] 其中，降水率为高含水率淤泥与高效降水土壤胶结料均匀混合后20℃条件下覆膜闷料6h，后在60℃烘24小时测得的质量损失率与淤泥天然含水率的差值为降水率；无侧限抗压强度按《水泥土配合比设计规程》JGJ/T233进行测试；孔隙率由CT断层扫描测试，并通过软件处理计算得到；渗透系数试验和冻融循环试验参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)。
[0089] 表2试块各检测性能测试结果
[0090]
[0091] 由上述结果可知，三氯化铁的引入，可以将土壤中的弱结合水排出，与胶结料中的脱硫灰和生石灰结合，进而能够大幅度降低软土的含水率。生石灰和自由水结合转化为氢氧化钙，使得体积膨胀，进而能够降低孔隙率和渗透系数。另外，在高效去除的基础上脱硫灰中的半水亚硫酸钙结合自由水后的二水硫酸钙可激发矿渣粉活性，溶解玻璃体生成水化硅酸钙，胶结软土颗粒。最后，引入的稻壳灰和聚丙烯酰胺之间存在协同作用，能够提高软土固化过程中的早期强度。
[0092] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
