一种固化淤泥软土的低碳复合胶凝固化剂及其固化方法

本发明属于道路工程材料领域，更具体地，涉及一种固化淤泥软土的低碳复合胶凝固化剂及其固化方法。

背景技术：

1、在我国沿海、河流的中下游或湖泊附近地区，水底的地表下存在大量的淤泥软土。由于淤泥软土强度极低、压缩性大、透水性差，使得该区域内地基承载力低，强度增长缓慢，加载后易变性且不均匀，存在着路基沉降的风险，为该区域的道路建设增添隐患。另一方面，随着我国工业化的建设，传统行业面临着大宗固废存量大，处理难的问题。主要包含有钢渣、粉煤灰、矿渣粉、磷石膏、脱硫石膏等。资源化利用水平低。而在软土路基的问题上，固化技术能很好处理高含水率的淤泥软土。传统的固化材料以水泥、生石灰为主，该类固化剂不仅需要消耗大量的天然资源。此外，此类固化剂在有机质含量高的情况下，还存在着固化效率低，固化后强度低的问题。因此，目前的固化剂通常采用大宗固废部分替代水泥的方式，在激发剂的作用下，提高固化剂的固化效率，达到固化淤泥软土的目的。

2、专利cn113072943a公开了一种基于石英石粉和钢渣微粉制成的软土硬化剂，该专利采用石英石粉、钢渣微粉及一种以上的工业生产固废制成的微粉和激发剂混合，通过这些材料混合而成的粉体在激发剂的作用下产生的胶凝活性，达到固化地基软土的目的。但是，对于内陆的淡水河内的有机质含量高的淤泥软土，石英石粉、钢渣微粉、工业固废微粉中并无能有效处理有机质的成分，使得该方案会面临着固化剂活性难以激发的问题，对有机质含量高的淤泥软土的固化效果较差。

3、专利cn113735526a公开了一种用于海域环境的软土硬化剂，该专利采用水泥、磨细粉煤灰、矿渣粉、石膏、早强激发剂相结合，实现了高含水量、高有机质和高含盐量的海相淤泥、淤泥质土。但是该专利中使用了部分水泥，水泥的生产和使用存在以下问题：1)高能耗：制造水泥需要大量的能源，使其成为高能耗的材料，这也使其生产对环境产生影响；2)碳排放：水泥生产是碳排放的重要来源，因为在制造过程中会产生大量二氧化碳，与目前倡导的低碳环保不符；3)危险废弃物：水泥生产会产生大量有害废弃物，这些废弃物包括高温下危险的工业废气和有毒废水等。该固化剂固化剂的主体材料为水泥，并不符合低碳的要求。

4、专利cn113880544a公开了一种淤泥软土固化剂及淤泥软土固化方法，该专利使用生石灰粉、水泥、水玻璃、氢氧化钠、磷石膏作为激发剂，对房屋拆除过程中产生的碎砖块、混凝土碎块、砂浆碎块进行处理，使其具有一定的水化活性，进而实现对淤泥软土的固化。但是，建筑固废成分较复杂，水泥砂浆的碳化往往比较严重，仅仅采用该激发剂进行处理，水化活性有限。此外，该方案中仍需要使用水泥。该固化剂的主体材料为水泥，不符合低碳的要求。

5、专利cn104045292 a公开了一种铁尾矿充填用固化剂及其制备方法，尾矿浆和固化剂进行混合后，利用输送管道将具有一定流动性的膏体利用自身重力和泵将其注入矿井，将坑道一次或逐次填满，并由固化剂将尾矿固化为有一定强度的实体，铁尾矿中的主要成分为氧化铁矿物、硅酸盐矿物、氧化铝矿物，与有机质含量高的淤泥软土成分相差过大，使得该固化剂用于淤泥软土固化时会面临碱激发难的问题，固化效果较差。

6、专利cn 116425461 a公开了一种改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料及制备方法，其作为土壤固化剂对淤泥软土性能进行改良，但该方案并无针对淤泥软土有机质的成分，淤泥中的有机质则呈现酸性，会降低体系的ph，而地聚合物的固化则需要在强碱环境下进行，使得该固化剂用于淤泥软土的固化效果较差。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了低碳复合胶凝固化剂及其固化淤泥软土的方法，其可在不使用水泥的情况下，解决现有淤泥软土难固化，浆体凝结时间难调控的问题。通过协同胶凝作用，使水化与无机缩聚反应同时进行，制备了高强度的固化土。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低碳复合胶凝固化剂，用于强化淤泥软土，其特征在于，所述低碳复合胶凝固化剂按质量份数计包括以下组分：

3、钢渣粉：30份-60份；

4、矿渣粉：10份-25份；

5、粉煤灰：5份-20份；

6、脱硫灰：2份-10份；

7、熟石灰：5份-15份；

8、缓凝剂：2份-10份；

9、激发剂：5份-20份。

10、优选地，所述低碳复合胶凝固化剂的组分不包含水泥。

11、优选地，所述钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、脱硫灰均为工业固废，并且上述这些工业固废的质量之和不低于低碳复合胶凝固化剂总质量的80％；

12、所述钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、脱硫灰均优选为细磨加工处理后的粉体，粒径优选为800目～1250目。

13、优选地，所述钢渣粉的游离氧化钙含量不大于3％，浸水膨胀率不超过2％，粉煤灰优选需满足二级粉煤灰的标准。

14、优选地，所述矿渣粉为钢铁冶炼厂的高炉水淬矿渣经过破碎球磨制备而成的白色矿物，粒径优选为800目～1250目。

15、优选地，所述脱硫灰为旋转喷雾法所制得，碳酸钙含量需达到90％以上。

16、优选地，所述熟石灰的氧化钙含量不低于90％，粒径优选为800目～1250目。

17、优选地，所述的缓凝剂由二水石膏和三乙醇胺组成，粒径优选为800目～1250目，二水石膏与三乙醇胺的质量比为3:1～9:1。

18、优选地，所述激发剂由工业级无水硫酸钠、工业级无水硅酸钠、氢氧化钠组成的混合物，其中硅酸钠的模数为1.5～2.5，由工业级无水硅酸钠与氢氧化钠的质量比决定，硅酸钠与硫酸钠的质量比为3:1～9:1。

19、按照本发明的另一个方面，还提供了所述的低碳复合胶凝固化剂强化淤泥软土的方法，其特征在于，包括以下步骤：

20、1)将所述低碳复合胶凝固化剂与水混合获得预制浆体；

21、2)通过深层搅拌桩法，将预制浆体与淤泥软土相混合。

22、优选地，步骤1)中，所述水与低碳复合胶凝固化剂的质量比为0.3～0.6。

23、优选地，步骤2)中，所述淤泥软土的有机质含量为5％～10％；

24、所述低碳复合胶凝固化剂与淤泥软土的掺入比为14％～25％，其中，所述掺入比＝低碳复合胶凝固化剂/淤泥软土的湿质量。

25、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于，能够取得下列有益效果：

26、1)固化效率高：本发明的低碳复合胶凝固化剂，可用于淡水河中的淤泥软土的固化，尤其适用于复杂淤泥环境。由于淡水河中的淤泥软土中含有大量的酸性的有机质，解离出来的离子(h+)和酸根(r-)，能与水泥浆体中的ca(oh)2，反应生成水和盐。当h+浓度达到一定浓度时，还能直接与水化硅酸钙和水化铝酸钙起作用，使浆体结构遭到严重破坏，使得传统的水泥基固化剂的固化效率低。而本发明的固化剂中含有熟石灰和脱硫灰，能与淤泥软土中的有机质反应，改善淤泥软土的ph值，为体系中材料的水化及无机缩聚反应创造碱性环境，降低有机质对体系的影响，有效提高了固化剂的固化效率。

27、2)固化土强度高：本发明的固化剂中的各组分存在协同作用。一方面在激发剂的作用下，固化剂组分中的si-o、al-o键断裂并重新聚合，形成si-o-al凝胶。此外，钢渣粉中存在的硅酸三钙和硅酸二钙还可以进行水化反应，生成c-s-h凝胶，si-o-al凝胶和c-s-h凝胶的相互交联作用，可以极大提高固化剂加入淤泥软土后形成的固化土的强度。

28、3)固化时间可调控：通过调控石膏与三乙醇胺的比例，不仅能保证预制浆体的施工性，避免了固化剂凝结过快，还能有利于提高材料体系的强度，实现浆体凝结时间的可调控性。一方面，石膏可以与固化剂中的钙离子结合，生成硫酸钙水化产物，这些产物通常呈椎体状和棒状结晶形态，它们填充了胶体间隙，延长了固化剂的凝固时间。另一方面，三乙醇胺作为表面活性剂，能够改变固化剂颗粒表面的电荷状态，减少颗粒之间的互相作用，并且三乙醇胺能够与固化剂中的组分反应，加速铝酸三钙与石膏的反应，形成钙矾石，对浆体凝结时间有着调节作用。

29、综上所述，本发明固化剂尤其适用于淡水河的淤泥软土难固化的问题，不仅能有效提升淤泥软土的强度，还能实现固化时间的调控。

30、此外，本发明的固化剂所用的主体材料为钢渣粉、矿渣粉、粉煤灰、脱硫灰等固废，质量占比在80％以上，水泥用量为零，与传统的无机固化剂材料相比，不仅解决了固废的再利用问题，还能减少水泥的消耗，有利于节能减排。此外，由于si-o-al凝胶和c-s-h凝胶的协同胶凝的作用，极大提高了固化土的强度。