一种用于盐渍土处理的低碳固化剂制备方法及应用与流程

本发明涉及一种用于盐渍土处理的低碳固化剂制备方法及应用，属于盐渍土处理。

背景技术：

1、土壤固化剂通常是指在常温下添加到土壤中就可以胶结土壤颗粒，或与粘土矿物发生离子结合、水化反应、生物作用等过程从而大幅提高土壤密实度、强度、弹性和耐水性的材料。土壤固化剂作为一种新型道路材料，可将总量丰富、成本低廉但工程特性不佳的自然土壤进行固化改性之后，用作各类地基、路基以及工程填筑用料，就地取材，减少砂石用量和运输成本，避免环境污染。

2、我国西部地区分布着一千多个大大小小的盐湖，造成盐渍土分布广泛。盐湖中主要腐蚀离子浓度大约是海水的5～10倍，分析其盐的组成，主要是cl-、mg2+和so42-等。由于盐渍土内部多物理场之间的相互作用，引发了如土体盐渍化、溶陷、荒漠化等一系列的环境问题。随着西部地区交通、水利等工程建设的快速发展，为了控制盐渍土的工程病害，提升盐渍土的强度和稳定性，亟待提供一种有效而经济合理的固化剂及处理方法。因此，如果能在盐渍土固化过程中利用西部盐渍土地区的mg2+、cl-、so42-，不但能“变废为宝”，解决了环境污染问题，达到节能减排循环利用的目的，又能降低盐渍土的固化生产成本。

3、另一方面，co2矿化作为一种新兴的减排方案，既能固定大气co2，生成具有工业附加值的碳酸盐产品，又能实现环境友好。其实质利用co2与固体废弃物中的碱土金属离子(ca2+/mg2+)进行化学反应，形成稳定的碳酸盐(caco3/mgco3)以达到永久封存。2022年全国水泥产量21.3亿吨，而基于当前co2矿化技术理论公式的计算，水泥基材料最大的co2吸收能力约为0.5co2吨/吨材料，因此，可预估建筑行业每年封存利用co2量约为11亿吨，充分证实了建筑行业具有变成co2“汇”的潜力。co2矿化养护水泥基材料不仅能够在短期内得到较高强度增益，改善耐久性能，同时也能永久封存利用co2，对于道路行业的可持续性发展和减少全球碳排放均具有重要的意义。目前co2矿化技术在水泥基材料中应用广泛，而在土壤固化方面应用较少。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种用于盐渍土处理的低碳固化剂制备方法及应用，基于co2的矿化原理，钙基固废矿化后产生的碳酸钙均以方解石和文石相的形式存在，填充盐渍土土壤孔隙且黏结土壤颗粒，从而可以在一定程度上改善固化土的强度；发明结果有助于解决盐渍土地区高mg2+、cl-、so42-含量导致的路基填筑过程中遇到的盐胀等工程病害，同时提升钢渣、粉煤灰、电石渣等工业固废的资源化利用，解决了其长期堆存占地无法消纳的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种用于盐渍土处理的低碳固化剂制备方法，包括如下步骤：

4、(1)固化剂与盐渍土的配合比设计

5、所述固化剂为组分a和组分b的混合物，组分a包括生石灰和碳酸盐，组分b包括钙基固废和石膏，其中组分a、组分b的质量比为(0.6～0.85)：1；

6、固化剂与盐渍土的质量比为(0.85～1.2)：1；

7、同时满足：固化剂与盐渍土中，钙元素与硅元素的质量比为(1.0～1.4)：1，钙元素与镁元素的质量比为(1.1～1.5)：1；

8、(2)将步骤(1)所得原料进行烘干；

9、(3)将烘干后的原料进行研磨；

10、(4)将研磨后的固化剂的组分a装入密封袋保存，将固化剂的组分b装入另一密封袋保存，得到盐渍土的固化剂产品。

11、优选的，步骤(1)中，组分a中的碳酸盐为碳酸氢钠，组分a中碳酸氢钠与生石灰的质量比为(0.65～0.8)：1；

12、组分b中钙基固废包括粉煤灰(硅元素主要来源)、硅灰、高炉矿渣、钢渣及电石渣(钙元素主要来源)的一种或几种组合，粉煤灰与电石渣或钢渣的质量比为(1.7～3)：1；组分b中添加钢渣时，需加入一定质量的石膏，钢渣与石膏的质量占比为(1.5～2.5)：1。

13、优选的，所述组分a中生石灰的氧化钙含量在90％以上，生石灰中不得含有未消解的生石灰颗粒。

14、优选的，所述组分b中粉煤灰中二氧化硅含量应在40～60％，其中，高钙粉煤灰的氧化钙含量应在15～22％，二氧化硅含量应在40～55％，氧化铝含量在25～30％；低钙粉煤灰的氧化钙含量应在3～6％，二氧化硅含量在55～60％；氧化铝含量在25～30％；

15、组分b中钢渣的氧化钙含量应在40～60％，氧化镁含量应在3～10％，二氧化硅含量应在15～20％；

16、组分b中电石渣的氧化钙含量应在80～90％。

17、优选的，固化剂与盐渍土中，钙元素含量的计算公式为：

18、

19、其中，yca为钙元素的含量，nn为固化剂组分b中钙基固废n的质量，xnca为固化剂组分b中钙基固废n中钙元素所占比例，mcao为固化剂组分a中氧化钙的质量，m为固化剂组分a、组分b和盐渍土的总质量；

20、硅元素含量的计算公式为：

21、

22、其中，ysi为硅元素的含量，xnsi为固化剂组分b中钙基固废n中硅元素所占比例，mb为固化剂组分b的总质量；

23、镁元素含量的计算公式为：

24、

25、其中，ymg为镁元素的含量，xnmg为固化剂组分b中钙基固废n中镁元素所占比例，为盐渍土中氯化镁的质量。

26、本发明在固化剂与盐渍土的配合比设计过程中，先初步限定固化剂和盐渍土的组分，首选通过控制单一钙元素/硅元素/镁元素的比例，去调节另外两种元素的占比，进行初步强度试验，确定每种固定元素下的固化土的最佳强度范围，例如：首先控制钙元素的掺量在固定范围内，调节镁元素和硅元素的掺量(间隔5％掺量取值)，制得不同硅镁掺量的固化土试件，对固化土试件进行7d抗压强度测试，取实验得到的最优强度范围，并进行统计绘图，最终取三个强度范围的相交部分定为钙硅镁元素对固化土的最佳强度范围。

27、然后通过公式(1)、(2)、(3)计算固化剂和盐渍土体系中钙、铝、镁元素的含量，通过该方法得到本发明中钙元素与硅元素的质量比＝(1.0～1.4)：1，钙元素与镁元素的质量比＝(1.1～1.5)：1。

28、当计算出的钙硅比低于上述比例时：在满足初步限定条件的前提下，通过增加钢渣/电石渣的质量，降低粉煤灰的质量，以提高钙元素的占比、降低硅元素占比，调整钙硅比在(1.0～1.4)：1范围内。

29、当计算出的钙硅比高于上述比例时：在满足初步限定条件的前提下，通过降低钢渣/电石渣的质量，提高粉煤灰的质量，以降低钙元素的占比、提高硅元素占比，调整钙硅比在(1.0～1.4)：1范围内。

30、当计算出的镁钙比低于上述比例要求时，在满足初步限定条件的前提下，通过降低固化土的质量，或提高钢渣/电石渣的质量，以降低镁元素的占比、提高钙元素的占比，调整钙镁比在(1.1～1.5)：1范围内。

31、当计算出的镁钙比高于上述比例要求时，在满足初步限定条件的前提下，通过增加固化土的质量，或降低钢渣/电石渣的质量，以提高镁元素的占比、降低钙元素的占比调整钙镁比在(1.1～1.5)：1范围内。

32、优选的，步骤(2)中，烘干时间控制在3-4h内。

33、优选的，通过步骤(3)的研磨，固化剂中组分a中的生石灰颗粒的粒径：粒径小于0.6mm的颗粒应该占100％，小于0.15mm的颗粒应该占90％-100％，小于0.075mm的颗粒应该占75％-100％；

34、固化剂的组分b应先研磨为粉末，为确保固化剂中组分b能够充分参与矿化过程，并保证固化剂与土壤间的充分接触与反应，对于固化剂组分b中的钙基固废，粒径要求为：粒径小于55μm颗粒的占钙基固废总量的100％，小于20μm的颗粒占钙基固废总量的30％～70％，小于5μm颗粒占钙基固废总量的5％～25％。

35、一种道路用土，包括盐渍土和固化剂，所述固化剂由上述的用于盐渍土处理的低碳固化剂制备方法得到，固化剂与盐渍土的质量比为(0.85～1.2)：1；同时满足：固化剂与盐渍土中，钙元素与硅元素的质量比为(1.0～1.4)：1，钙元素与镁元素的质量比为(1.1～1.5)：1。

36、一种上述道路用土的应用，用于路面施工，其过程如下：

37、s1：将上述制备得到的固化剂产品与盐渍土根据质量比进行拌合，其中拌合用水的质量与固化剂产品与盐渍土的总量质量比为1：(2～3)，即液固比1：(2～3)；

38、s2：摊铺和初步碾压

39、将盐渍土与固化剂混合料拌合均匀后进入施工阶段，为保证矿化反应的充分进行，将步骤s1拌合后的混合物进行摊铺整平，使用压路机对其进行初步碾压，初步碾压过程在摊铺后30～40分钟内完成，压实度控制在55-75％，使得盐渍土和固化剂能进行接触的同时也便于co2流通并与各固废材料充分接触反应，从而提高固化土的力学和耐久性能；

40、不同于常规土壤的初次碾压过程，由于本发明采用的土壤固化为矿化法，固化剂的组分a的加入产生矿化所需的co2气体(碳酸盐分解产生)，为了防止初次碾压过程中气体的溢出，需对盐渍土、固化剂a和固化剂b组成的混合物进行密封，初步碾压后，采用薄膜对初步碾压后的混合物进行覆盖密封，薄膜的覆盖时间在12-24h之间；

41、采用薄膜对初步碾压后的混合物进行覆盖密封，使得矿化反应可以充分的进行；在此过程中，co2气体与固化剂组分b中的粉煤灰等钙基固废中的氧化钙和氢氧化钙发生矿化反应生成碳酸钙晶体，并以文石和方解石形式存在，填充孔隙且黏结颗粒促使试样整体强度提升，初次碾压时间需控制在12-24h之间。

42、s3：二次碾压、养护

43、拆除表面覆盖的塑料薄膜后，再对固化土壤进行二次压碾压，目标压实度为90-95％；

44、二次碾压完成并经压实度检查合格后应中断交通，同时在路基上表面覆盖塑料薄膜并开始养生，养生时间为一周；养护过程中要求路面保持湿润，避免过湿过干或忽湿忽干，养生期不少于7天。

45、作为本发明的进一步改进，s1中拌合时，先将固化剂的组分a、组分b与盐渍土装入土壤搅拌机进行预搅拌，预搅拌时间为5-10min；

46、待预搅拌均匀后，加入拌合用水再次搅拌，使盐渍土中的可溶盐溶解，拌合用水的质量与固化剂产品与盐渍土的总量质量比为1：(2～3)，此过程发生的为矿化与水化反应，搅拌速度为100～150rpm，搅拌温度为70～80℃，搅拌时间为5～20min；

47、拌合后测定混合料的含水率，并控制含水率在0.4-0.45之间，当含水率低于0.4时，需再次补水。

48、作为本发明的进一步改进，s1中，盐渍土的物理性质：

49、首先对盐渍土的物理性质进行测试，应分别测定天然状态和洗除易溶盐后的物理性质指标，各项指标的测试除应符合现行国家标准《土工试验方法标准》gb/t50123的规定。对以中溶盐为土的盐渍土必要时也应测定洗盐后的物理性质指标。

50、盐渍土的化学成分分析应符合现行国家标准《土工试验方法标准》gb/t50123的规定，试验应包括以下内容：ph值、易溶盐含量中溶盐含量、总盐量；易溶盐中的na+、k+、ca2+、mg2+、nh4+、cl-、so42-、hco3-、co32-离子含量；中溶盐caso4的含量。

51、在预定的深度范围内取土拌和并进行堆积。过大土块在取土过程中适当粉碎，将土中的杂质、未消解的灰块、石块、大粒径灰块剔除干净，将粉碎后的盐渍土过直径为1mm的圆孔筛，防止团块。粉碎后再局部翻拌，预拌三遍，一般可达到外观上色泽均匀一致，盐渍土的粒径范围要求为：粒径小于0.6mm颗粒的占盐渍土总量的100％，小于0.3mm的颗粒占盐渍土总量的90-100％，小于0.18mm的颗粒占盐渍土总量的80-90％。

52、本发明的作用机理为：

53、固化剂中组分a主要为固化剂的组分b中钙基固废的矿化过程提供热量，并产生矿化反应所必需的二氧化碳气体，具体发生的反应如下：

54、cao+h2o＝ca(oh)2(放热反应)

55、

56、固化剂中组分a中的生石灰遇水生成氢氧化钙，产生热量，同时大量的氢氧根离子提高了溶液的ph值，使溶液具有较强的二氧化碳捕集能力；产生的热量为碳酸氢钠(分解温度为50℃)分解提供了热源，碳酸氢钠分解产生碳酸钠和二氧化碳气体。

57、固化剂中组分b中的钙基固废主要为矿化过程提供钙离子，同时钙基固废活性物质的溶解也会释放出大量的氢氧根离子，二氧化碳在碱性环境中产生碳酸根，与固化剂中钙基固废中的钙离子发生反应生成碳酸钙沉淀，具体发生的反应如下：

58、ca(oh)2＝ca2++2oh-

59、

60、

61、

62、

63、

64、

65、产生的碳酸钙均以方解石和文石相的形式存在，填充盐渍土土壤孔隙且黏结颗粒促使试样整体强度提升；由于盐渍土中含mg2+，在矿化过程中会生成部分mgco3晶体。适时延长矿化时间可促生更多caco3晶体、降低总孔隙体积和大孔隙数量。随着矿化反应不断进行，盐渍土与固化剂混合物的ph值逐渐下降至7，并保持稳定时，矿化反应基本完成。

66、固化剂组分中的钙基固废发生矿化反应生成碳酸钙的过程中，当反应体系温度在50-80℃时，盐渍土中的氯化镁成分可以作为碳酸钙生成过程中的晶型控制剂，mg2+被证实可以作为碳酸钙生成过程中的晶型控制剂，促进碳酸钙文石相的生成而抑制文石向方解石的转换，实现文石型碳酸钙晶须的生成。mg2+对碳酸钙晶型调控的过程如中主要发生的反应如下：

67、ca(oh)2+mgcl 2＝cacl2+mg(oh)2

68、cacl2+mg(oh)2+co2＝caco3+mgcl2+h2o

69、文石晶须的大长径比可以起到类似于纤维增强材料的作用并提高韧性和弯曲强度。这对于抗拉强度和韧性相对较低的材料尤其重要。通过调节碳酸钙的晶型，可以选择性地调节固化土的性能，固化剂中ca2+与晶型控制剂mg2+的比例应在1.1:1～1.5:1范围内。另一方面，在晶型调控完成后多余的mg2+会与反应体系中的co32-发生矿化反应，生成mgco3晶体，填充土壤孔隙且黏结颗粒促使试样整体强度提升。发生的反应如下：

70、

71、固化剂b中矿化反应后剩余的煤灰、硅灰、高炉矿渣、钢渣以及高炉矿渣等具有潜在水硬活性或火山灰活性的其他含活性硅铝的工业固废中的sio2、al2o3成分发生水化作用，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，增强土壤的稳定性。

72、同时盐渍土中的cl-和so42-参与了矿渣复合固化剂的水化过程，并生成了新的水化产物六方片状晶体和针棒状晶体3cao·al2o3·(0.5cacl20.5caso4)·12h2o片状晶体和针棒状晶体在空间中相互交错，填充试块中的空隙部分，从而大幅度提高了试块强度，另一方面可以缓解cl-和so42-所导致的土体盐渍化、溶陷、荒漠化等一系列的环境问题。

73、由于钙基固废钢渣中f-cao/mgo的含量非常低，ca/mg硅酸盐水悬浮液的矿化是主要反应，因此钢渣的矿化过程还会生成水化硅酸钙和碳酸钙，有利于土壤颗粒之间的粘结，该过程中主要发生的反应如下。

74、2(2cao·sio2)+co2+3h2o＝3cao·2sio2·3h2o+caco3

75、2(3cao·sio2)+3co2+3h2o＝3cao·2sio2·3h2o+3caco3

76、通过加入石膏，可以激发钢渣中铝酸盐矿物的活性，两者生成的钙矾石和半碳型水化碳铝酸钙等作为重要的中间产物，在矿化环境中被进一步矿化成方解石、单碳型水化碳铝酸钙、文石和球霰石等矿化产物，一方面可以缓解钙矾石的膨胀作用；另一方面，水化矿化产物相互穿插包裹、填充孔隙，促进试样强度的增长。此外，通过后期对盐渍土进行碾压处理，可以压实由钙矾石膨胀过程引起的地面裂缝，消除由钙矾石膨胀引起的固化土结构的松散。

77、本发明通过将钙基固废应用于盐渍土中，并利用盐渍土中的金属离子mg2+，有利于提高矿化效率，矿化过程生成的文石型碳酸钙能起到纤维增强与填充作用，提升盐渍土颗粒间的结合能力；此外，矿化反应后的钙基固废还能发生水化作用，产生的水化凝胶产物能起到增强盐渍土壤强度的作用。

78、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

79、本发明的有益效果为：

80、1、本发明的矿化反应提升了固废的活性，降低盐渍土的固化剂的生产成本；

81、本发明可以实现钢渣、粉煤灰、电石渣等工业固废的资源化利用，解决了其长期堆存占地无法消纳的问题。使用钙基固废作为矿化过程中ca2+的来源，有利于节约成本，废物利用，绿色环保。矿化后的钙基固废，如粉煤灰、电石渣的活性得到了提升，产生的碳酸钙均以方解石和文石相的形式存在，填充盐渍土土壤孔隙且黏结土壤颗粒，从而可以在一定程度上改善固化土的强度；矿化反应后剩余固废中的sio2、al2o3成分会发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，增强土壤的稳定性。

82、另一方面，使用钙基固废作为矿化过程中ca2+的来源，有利于节约成本，废物利用，绿色环保。

83、2、本发明可以充分利用盐渍土中的金属阳离子mg2+，以及阴离子cl-和so42-，“变废为宝”，解决环境污染问题，达到节能减排循环利用的目的；

84、其中，mg2+可以调节碳酸钙晶体的晶型，不同于方解石的方块微观结构，生成的文石型碳酸钙的微观形貌为纤维状，具有较高的长径比，可以发挥类似于纤维的作用，提升固化土的韧性和强度，剩余的mg2+参与矿化反应，生成mgco3。so42-可以促进并参与钙基固废的水化过程，生成了新的水化产物，填充试块中的空隙部分，从而大幅度提高了试块强度，另一方面可以缓解cl-和so42-所导致的土体盐渍化、溶陷、荒漠化等一系列的环境问题。

85、3、本发明不需要额外的热量和co2气源，固化剂中氧化钙在分解过程中产生的热量既可以分解碳酸盐产生co2，又可以作为碳酸钙晶型调控过程中的热量来源，有利于环境的保护，推动绿色低碳循环发展。