专利名称：泥土改质固化安定剂的制作方法
技术领域：
本发明属于土壤和污泥改良剂的技术领域。
背景技术：
作为土壤和软土地基或污泥等的固化安定剂，以往一直使用各种土壤改良剂或固化剂。一般地，上述的土壤改良剂或固化剂大致可分为以水泥为主要成分的水泥类和以石灰为主要成分的石灰类两大类，使用时应根据处理对象分别选择相应的改良剂或固化剂。
大致上，当处理对象由无机类成分构成时，应选择水泥类的固化安定剂；当处理对象由有机类成分构成时，应选择石灰类的固化安定剂。
然而，对水泥类固化安定剂的功能原理进行探究，可知它是由于水合物生成导致硬化的。该水合物包括钙和二氧化硅的水合物CSH〔C2S(2CaO·SiO2)·C3S(3CaO·SiO2)〕、单硫酸盐水合物Etoringaite〔C3A(3CaO·Al2O3)·C3A·F(4CaO·Al2O3·FeO)·CaSO4·2H2O，3CaO·Al2O3·3CaSO4·3H2O〕、火山灰Bozoran(o-H4SiO4-m-H2SiO3)少含有一些有机物成分，该有机物成分的存在会阻碍水合物生成。使用水泥类固化安定剂时，粒度调整、固结和压缩强度调整的崩塌、土壤流失等问题也是因为有机物成分存在阻碍了水合物生成而出现的。
石灰类固化安定剂的主要反应机理也是水合硬化反应，但其反应不象水泥类固化安定剂具有复杂的反应机理，它仅仅是吸收水分使自身硬化并形成钙化合物使土壤固定。因此，它不具备对相应处理对象的粒度调整、固结和压缩强度调整功能，由于不能进行强度方面的改质和改良，土壤容易崩塌并流失。
而且，用水泥类或石灰类固化安定剂处理过的处理对象存在着相同问题，即处理相应处理对象时的添加量和处理后处理对象的氢离子浓度的PH值。具体地，不论使用何种固化安定剂，处理时需要固化安定剂的添加量要占相应处理对象的10～20wt％，所需添加量较多；另外，由于处理后处理对象氢离子浓度即PH值在10以上，呈现出较高的碱性，进而又出现了碱类流失的问题。
除上述水泥类和石灰类的固化安定剂，最近又开发了以飞灰为有效成分混合而成的固化安定剂，不论无机类或有机类处理对象，该安定剂都可进行处理。由于飞灰所具有的性质和功能随着发生源材料材质的不同而不同，需根据经验进行必要的调整。
另外，对上述的水泥类和石灰类及混合飞灰形成的各种固化安定剂，可认为它们的相同点在于它们的主要目的都是调整粒度和调整固结和压缩强度以促进土壤的固化和固定，而几乎不具备现在所需的无害化处理(重金属类物质的析出问题、与自然土壤的亲和力问题等解决方法)土壤污染的功能。
发明内容
本发明为解决以往的土壤和污泥固化固定处理剂所存在的上述种种问题，以提供兼备多种功能的粉状泥土改质固化安定剂为目的。具体地，①采用特定的飞灰使水分调整和正常的水合硬化反应成为可能；②由硫酸铝、硅酸铝、硫酸钙这些成分，实现了团粒化和粒度调整及促进固化固定的固结和压缩强度调整，改进了水泥的弱点，强化了各自反应的强度；③为固定金属类物质(含重金属类物质)并防止其析出，硫代硫酸钠、硫酸亚铁和土壤菌等成分会积极地固定和稳定金属类物质(含重金属类物质)，并且将其包裹在上述①、②的水合物(形成土质转换基础)所具有的复合结晶结构中，从而加强固化稳定的效果；④关于处理对象(泥土)的中性化和与自然土壤的亲和性，可通过上述①、②、③中的所有反应得到解决。
为达到上述目的，本发明提供了一种泥土改质固化安定剂，其特征在于，它包括在作为主成分的特定飞灰中混入1～2单位重量土壤菌而形成混合物，对于100单位重量的该混合物，以均匀混入作为必须成分的2～5单位重量硫酸铝、3～20单位重量硫代硫酸钠、2～5单位重量硅酸铝、2～5单位重量硫酸钙、2～5单位重量硫酸亚铁和20～50单位重量水泥。
本发明的泥土改质固化安定剂的制备方法，其特征在于，它是在特定飞灰中混入特定土壤菌所得混合物为主要成分，然后再均匀混入作为必须成分的硫酸铝、硫代硫酸钠、硅酸铝、硫酸钙、硫酸亚铁和水泥。
上述特定飞灰可选用树皮灰或粉煤灰中的任一种(或合用)。飞灰应具备对水的吸收能力和保水能力，净化能力以及因水合反应而引起自身硬化的能力，但是飞灰的性状和功能因发生源材料材质的差异而不同。例如，制浆木材及其树皮、制纸淤泥和煤都能够根据其产地而知道其差异。对适用于本发明的泥土改质固化安定剂的飞灰，由于根据经验设定了成分比例的基准，可以进行混合或补充等调整。根据经验，已经知道Si/Al/Ca比例和碳元素比例，更进一步，微量元素(矿物成分)的催化剂能力都是发挥重要作用的要素。混入土壤菌的目的在于固定金属类物质(含重金属类物质)和分解油泥，改善自然土壤的亲和性。如上所述，土壤菌由杆状枯草菌类bacillus bacteria和假单胞菌类pseudomonas及它们的变异菌组成，由此可知它们的作用范围，它们并不具备相应的固化安定剂功能。
必须成分中的硫代硫酸钠具有与重金属类物质发生积极反应，形成不溶性硫代硫酸金属盐Na3〔Me(S2O3)2〕的功能。根据处理对象特别是重金属类物质的数量，可以调整其混入量大小。
必须成分中的硫酸铝(具体采用硫酸铝)与相应处理对象中的水分反应，转化为缩聚氢氧化铝[胶质状的氢氧化铝AL(OH)3和离子化的氢氧化铝Alm(OH)-n]。缩聚氢氧化铝具有降低泥土粒子间的电位，从而使粒子崩溃并分散细化；使有机金属类物质无机化；固定和吸附金属离子；作为氧化催化剂的功能，它能促进团粒形成和粒度调整并加强土壤的固化和固定。
必须成分中的硅酸铝相应处理对象中不会溶解，它作为微粒的核，促进团粒形成和粒度调整及固化固定反应的发生。
必须成分中的硫酸亚铁在相应处理对象中发生加水分解反应，分解为硫酸H2SO4和氧化铁Fe2O3，由于中和反应和凝聚反应促进了团粒形成和粒度调整及固化固定反应的发生。
构成本发明的泥土改质固化安定剂的飞灰和水泥中，前者定位为主角，后者定位为配角。因此，对主角要求的功能自然不同与对配角要求的功能，只有二者的功能相互交错并取得平衡才能够达到目的。如前所述，对飞灰可以设定并调整由经验所得的基准值，而对水泥也同样需要设定并调整由经验所得的基准值。对于水泥，应具备由于钙和二氧化硅的水合物CSH及单硫酸盐水合物形成而硬化的功能。为实现该功能，要尽可能除去阻碍该功能发挥的因素。上述必须成分中也包含了更有效发挥水泥功能的辅助成分。
本发明的泥土改质固化安定剂的添加量应由相应处理对象的含水比决定，但作为普通土壤改良剂时可在3～8重量％范围内使用。但对于特殊处理对象，有时需要进行预先处理。对于构成本发明的泥土改质固化安定剂的特定飞灰，需要具备对水的吸收能力和保水能力，净化能力以及因水合反应而引起自身硬化的能力，除这些能力外，要促进必须成分发生各种反应还需一种重要的催化剂要素，而这一要素已被矿物质和土壤菌的存在所证实。要改善土质，正常的水合反应是最重要的条件，由其他成分固定下来的物质则被包含在水合反应所生成的结晶化结构中，从而使稳定化和无害化成为可能。可以推测矿物质和土壤菌的催化剂反应是属于超微观领域的反应。
图1本发明加入量与土粒子密度关系图；图2本发明加入量与自然含水比关系图；图3本发明加入量与塑性指数关系图；图4本发明加入量与一轴压缩强度关系图；图5本发明加入量与变形系数关系图；图6本发明加入量与粘着力、内摩擦角关系图。
其中，本发明加入量是相对于土壤重量百分比。
具体实施例方式
实施例1作为普通土壤改良剂使用，对本发明有代表性的泥土改质固化安定剂按以下混合比例进行调整。
选择树皮灰作为主成分，在其中加入2重量％的土壤菌(枯草菌和假单胞菌及它们的变异菌制成的粉末)并均匀混合。然后相对于该混合物，在其中均匀混入作为必须成分的2重量％的硫酸铝、5重量％的硫代硫酸钠、2重量％的硅酸铝、2重量％的硫酸钙、2重量％的硫酸亚铁和35重量％的快硬波特兰水泥。该成分比例如表1所示，数值表述为最终产物的重量百分比。
表1
※飞灰中含有2％的土壤菌。
水泥采用快硬波特兰水泥进行混合。
2.本发明的泥土改质固化安定剂按上述混合比调整后，所要进行的性能实验以有机质粘土系、粉土质系、粘质土系、粘土质砂系、粘土质砾系、火山灰质砂系、火山灰质砾系和火山灰质粘性土系的各种土壤为处理对象原土，然后在各种原土中添加3～10％安定剂进行土壤改良实验。实验结果如表所示。另外，作为与以往土壤改良剂进行比较的项目，土粒子密度和自然含水比、塑性指数和一轴压缩强度、变形系数、三轴压缩强度等的关系图如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示。所有的图说明本发明具有良好的稳定性。
如表和图所示，本发明的泥土改质固化安定剂完全没有如同水泥类或石灰类固化安定剂的不稳定性，由此可见所设计的全部功能已被验证。图表显示了土粒子密度、自然含水比、塑性指数和一轴压缩强度等指标在各种土质条件下都随着添加量几乎呈直线变化。另外，关于变形系数、粘着力和内部摩擦角，有机质粘土、粉土质土、粘土质和火山灰质的原土虽各自具有不同特征，但可以判断出这些指标随着添加量有相同的变化趋势。水泥类或石灰类固化安定剂不论其对象土质如何，从其添加量一般约为10～20％，有时需要20％以上来看，它们对土质的积极改质能力很低，可以推测由固化安定剂本身的固化反应导致土粒粗大并不具备调整土壤组成平衡的功能。可以判断石灰类固化安定剂的这种趋势较水泥类固化安定剂强。为改变原土性质，就必须积极地让土粒子发生反应从而改变土粒子性质。本发明的泥土改质固化安定剂不论何种土质，所需添加量约为5％左右，而且能将原土改质为所需的土质，结果如图表所示。
表2(1)
表2(2)
表2(3)
表2(4)
表2(5)
表2(6)
实施例2选择树皮灰和粉煤灰按照1∶1重量比混合作为主成分，在其中加入1重量％的土壤菌(枯草菌和假单胞菌及它们的变异菌制成的粉末)并均匀混合。然后相对于该混合物，在其中均匀混入作为必须成分的3重量％的硫酸铝、3重量％的硫代硫酸钠、5重量％的硅酸铝、3重量％的硫酸钙、5重量％的硫酸亚铁和20重量％的快硬波特兰水泥。
表3
实施例3选择粉煤灰作为主成分，在其中加入1.5重量％的土壤菌(枯草菌和假单胞菌及它们的变异菌制成的粉末)并均匀混合，然后相对于该混合物，在其中均匀混入作为必须成分的5重量％的硫酸铝、20重量％的硫代硫酸钠、4重量％的硅酸铝、5重量％的硫酸钙、3重量％的硫酸亚铁和50重量％的快硬波特兰水泥。
表4
实施例4选择树皮灰作为该混合物，在其中加入1重量％的土壤菌(枯草菌和它的变异菌制成的粉末)并均匀混合。然后相对于该混合物，在其中均匀混入作为必须成分的2重量％的硫酸铝、5重量％的硫代硫酸钠、2重量％的硅酸铝、2重量％的硫酸钙、2重量％的硫酸亚铁和35重量％的快硬波特兰水泥。
表5
实施例5选择树皮灰作为该混合物，在其中加入2重量％的土壤菌(假单胞菌及它的变异菌制成的粉末)并均匀混合。然后相对于该混合物，在其中均匀混入作为必须成分的2重量％的硫酸铝、5重量％的硫代硫酸钠、2重量％的硅酸铝、2重量％的硫酸钙、2重量％的硫酸亚铁和35重量％的快硬波特兰水泥。实验结果见表6、7、8。
表6
表7(1)
表7(2)
表7(3)
表7(4)
表8
3.土壤改良剂的实验条件中包括安全性项目。以往的土壤改良剂以水泥和石灰为主要成分，因此改良土呈现出强碱性，对生物的安全性极低。本发明的泥土改质固化安定剂不管处理对象原土是酸性或碱性，都容易实现中性化并保持长期的稳定性。实施例1关于氢离子浓度PH值的实验结果如表9所示。
表9施工后的氢离子浓度PH值的变化
4.用本发明的泥土改质固化安定剂对泥煤进行土质改良实验，实施例1结果如表10所示。
表10
5.用本发明的泥土改质固化安定剂进行植物生长实验，实施例1结果如表11所示。
表11
6.为观察本发明的泥土改质固化安定剂固定金属类物质(含重金属类物质)并防止其析出的效果调整后的成分比例如表12所示。
实施例6按下述重量百分比配置本发明。
表12
※飞灰中含有2％的土壤菌。
水泥采用快硬波特兰水泥进行混合。
但是，混合比例应随着处理对象泥土中所含金属类物质，特别是重金属类物质的量而变化。另外，重金属类物质含量很高时，需要硫代硫酸钠的混合比例也应提高，但这不会影响土质改质。用上述构成比例的本发明泥土改质固化安定剂进行污泥处理实验，选择的对象污泥为矿山排水中的石灰沉淀物、矿山贮水池中的淤泥和火力发电所的粉煤灰(焚化灰和飞灰)。实施例实验结果如表13、表14、表15所示，说明本发明能有效降低重金属类物质含量。
表13
表14
表15
以上对本发明的泥土改质固化安定剂的相关组成和功能进行了解说，并展示了验证其功能所需的30多项实验和结果。由这些实证实验证明了设定在本发明泥土改质固化安定剂中的功能已得到有效的发挥。
权利要求
1.一种泥土改质固化安定剂，其特征在于，它包括在作为主成分的特定飞灰中混入1～2单位重量土壤菌而形成混合物，对于100单位重量的该混合物，以均匀混入作为必须成分的2～5单位重量硫酸铝、3～20单位重量硫代硫酸钠、2～5单位重量硅酸铝、2～5单位重量硫酸钙、2～5单位重量硫酸亚铁和20～50单位重量水泥。
2.根据权利要求1所述的泥土改质固化安定剂，其特征在于，所述的作为主成分的特定飞灰由树皮灰或粉煤灰中的任一种或两种混合而成。
3.根据权利要求1所述的泥土改质固化安定剂，其特征在于，所述的混入的1～2单位重量土壤菌由杆状枯草菌类和假单胞菌类及它们的变异菌至少一种组成。
4.根据权利要求1所述的泥土改质固化安定剂，其特征在于，所述的必须成分中的硫酸铝、硫代硫酸钠、硅酸铝、硫酸钙、硫酸亚铁和水泥总重量是在作为主成分的特定飞灰中混入1～2单位重量土壤菌而形成混合物总重量的25～45％重量百分比的泥土改质固化安定剂。
全文摘要
泥土改质固化安定剂，属于土壤和污泥改良剂的技术领域。其特征在于，它包括了在作为主成分的特定飞灰中混入1～2单位重量土壤菌而形成混合物，对于100单位重量的该混合物，以均匀混入作为必须成分的2～5单位重量硫酸铝、3～20单位重量硫代硫酸钠、2～5单位重量硅酸铝、2～5单位重量硫酸钙、2～5单位重量硫酸亚铁和20～50单位重量水泥。本发明可用于软土地基土壤或易流失土壤的土质改良，淤泥状污泥、难干燥污泥、油泥等的泥质改良，被金属类物质污染的土壤或被二恶英类和重金属类物质污染的焚化灰的分解、固化和固定。本发明不仅使上述变化成为可能，而且可将上述土壤转变为近似于自然土壤土质。
文档编号C09K17/12GK1513945SQ0314084
公开日2004年7月21日 申请日期2003年6月2日 优先权日2003年6月2日
发明者岩本文男 申请人:北京天润百萌国际环境技术有限公司