用于制作赤泥基泡沫轻质土的粉料、赤泥基泡沫轻质土及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及土建工程技术领域，尤其是涉及一种用于制作赤泥基泡沫轻质土的粉料、赤泥基泡沫轻质土及其制备方法和应用。


背景技术：

2.泡沫轻质土是土建工程领域中的一种轻质填土材料，具有质量轻、整体性好、强度与密度可调节、高流动性、良好的隔热、隔音、防水性能优异以及凝固后自立性等优点。泡沫轻质土经常用于路基建设，不仅可减少路基沉降差异和节省道路用地，而且能缩短工期；泡沫轻质土也用于桥台背填土，不仅可大幅度缓解桥头跳车的问题，还能减小对桥台结构物的水平力。
3.赤泥属于强碱性土，由于其碱性较大，赤泥在露天堆放时会渗入土壤中，不仅污染土壤和地下水，而且扬尘会污染大气，当排放入海时，又会对海水造成污染，危害海洋生物。然而，赤泥的大量利用却难以实现。因此，急需一种能够大量消耗赤泥资源的实际可行的方法。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于提供一种赤泥基泡沫轻质土粉料，所述粉料以水泥、工业固废赤泥以及超细灰为原料，可以制成性能优异的赤泥基泡沫轻质土。
6.本发明的目的之二在于提供一种赤泥基泡沫轻质土，所述泡沫轻质土的抗压强度指标符合要求，能够应用于道路建设。
7.本发明的目的之三在于一种赤泥基泡沫轻质土的制备方法，该方法不仅使得工业固废赤泥得到了充分的利用，而且降低了制作泡沫轻质土成本，同时该方法简单易行，能制备出高抗压强度的赤泥基泡沫轻质土。
8.本发明的目的之四在于提供赤泥基泡沫轻质土在道路路基填筑或道路路基拓宽中的应用。
9.为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
10.第一方面，本发明提供了一种赤泥基泡沫轻质土粉料，包括质量百分比的如下成分：
11.赤泥20～40％、超细灰10～20％以及水泥40～70％。
12.进一步的，所述赤泥为烧结法赤泥；
13.所述赤泥的塑限为52％～57％，液限为67％～73％；
14.所述赤泥的塑性指数为11～16；
15.所述赤泥的比重为2.78～2.80；
16.所述赤泥的细度要求为标准目数≥4目。
17.进一步的，所述超细灰的粒径为标准目数≥180目。
18.进一步的，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥。
19.第二方面，本发明提供了一种赤泥基泡沫轻质土，主要由上述的粉料和水制备得到；
20.其中，制备赤泥基泡沫轻质土的水胶比为0.5～0.65。
21.第三方面，本发明提供了一种上述的赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
22.将赤泥、超细灰、水泥、固化剂以及部分水充分混合搅拌均匀成胶凝材料浆体；
23.将剩余的水加入到发泡剂中形成发泡液，发泡后加入胶凝材料浆体中，混合，得到赤泥基泡沫轻质土。
24.进一步的，所述固化剂的加入质量占粉料质量的1％～5％；
25.所述固化剂为内掺型固化剂；
26.所述内掺型固化剂包括乙烯基三胺、二氨基环己烷、亚甲基双环己烷胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺以及多乙烯多胺中的至少一种。
27.进一步的，所述发泡液通过压缩空气法发泡形成泡沫；
28.剩余水与发泡剂的质量比为70～100：1。
29.进一步的，所述泡沫的气泡群参数如下：
30.气泡群密度为48kg/m3～52kg/m3；
31.标准气泡柱静置1h沉降距＜5mm；
32.标准气泡柱静置1h泌水量＜25ml。
33.第四方面，本发明提供了上述的赤泥基泡沫轻质土在道路路基填筑或道路路基拓宽中的应用。
34.与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
35.传统泡沫轻质土需要添加生产成本较高的粉煤灰、炉渣灰、石粉等作为胶凝材料，而本发明采用赤泥可以替代传统的高成本胶凝，在满足路堤填筑强度要求的前提下，大大降低了材料成本。
36.本发明将工业固废赤泥应用在制备轻质泡沫土中，对赤泥能得到大量的利用提供了一种新的途径，降低赤泥对环境的污染，解决了赤泥大量堆积且日益增多的问题。
37.本发明充分利用赤泥碱性激发胶凝材料反应活性，消除赤泥高碱性危害；除了水泥水化可以提供一定的强度外，充分利用赤泥颗粒粒径特征，发挥微集料填充作用提高材料力学性能。
38.本发明提供的制备方法工艺简单，成本低廉，易于推广。
具体实施方式
39.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.根据本发明的第一个方面，一种赤泥基泡沫轻质土粉料，包括质量百分比的如下
成分：
41.赤泥20～40％、超细灰10～20％以及水泥40～70％。
42.泡沫轻质土
43.泡沫轻质土是通过气泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。它属于气泡状绝热材料，突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化。
44.赤泥
45.赤泥(redmud)是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物。一般含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，因而得名。但有的因含氧化铁较少而呈棕色，甚至灰白色。据估计，全世界氧化铝工业每年产生的赤泥超过7000万吨，而2007年中国的赤泥产生量超过3000万吨。赤泥排入海中，因含有碱等有害物质而污染海洋，危害渔业生产。赤泥在陆地堆放，占用农田，污染水系，干燥后随风飘扬，又污染大气。
46.赤泥典型但非限制性的质量百分比例如为20％、30％、40％。
47.采用赤泥可以替代传统的高成本胶凝，在满足路堤填筑强度要求的前提下，大大降低了材料成本。赤泥碱性激发胶凝材料反应活性，消除赤泥高碱性危害；除了水泥水化可以提供一定的强度外，充分利用赤泥颗粒粒径特征，发挥微集料填充作用提高材料力学性能。
48.在本发明中，赤泥包括但不限于烧结法赤泥；本发明赤泥的塑限为52％～57％，液限为67％～73％；本发明赤泥的塑性指数为11～16；本发明赤泥的比重为2.78～2.80；本发明赤泥的细度要求为标准目数≥4目。
49.塑限
50.塑限是指土由可塑状态过渡到半固体状态时的界限含水率。
51.赤泥典型但非限制性的塑限例如为52％、53％、54％、55％、56％、57％。
52.塑性界限即塑限wp＝(gp/gs)
×
100％，gp是由塑态变为半固态时所含水分的质量，单位kg；gs为绝对干燥的粘土质量，单位kg。可用搓条法直接测定，或用液、塑限联合测定法获得。
53.液限
54.土从流动状态转变为可塑状态(或由可塑状态到流动状态)的界限含水率称为液限。
55.赤泥典型但非限制性的液限例如为67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％。
56.可用圆锥仪法或用液、塑限联合测定法获得液限。
57.塑性指数
58.塑性指数(plasticity index)是表征细粒土物理性能一个重要特征，是液限与塑限的差值。塑性指数习惯上用不带％的数值表示。它是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。塑性指数能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响。
59.赤泥典型但非限制性的塑性指数例如为11、12、13、14、15、16。
60.塑性指数为液限与塑限的差值。
61.超细灰
62.一种含有sio2、cao、caso4以及al2o3等多种化合物的超细粉体
63.超细灰典型但非限制性的质量百分比例如为10％、15％、20％。
64.超细灰可以参与水泥水化，超细的粉体还可以填充于水泥水化产物之间，形成致密的结构，增加其强度。
65.在本发明中，超细灰的粒径为标准目数≥180目。
66.水泥
67.水泥(cement)，又称洋灰、红毛灰、红毛土等，是一种粉状水硬性无机胶凝材料，与水混合后会凝固硬化，它通常不单独使用，而是用来与沙、砾(骨料)接合，形成砂浆或混凝土。水泥的主原料为石灰或硅酸钙，硬化后能够抵抗淡水或含盐水的侵蚀，它作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。
68.水泥典型但非限制性的质量百分比例如为40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％。
69.水泥水化生成aft(钙矾石)，形成一定的强度。
70.在本发明中，水泥为42.5普通硅酸盐水泥。
71.由上述配比的粉料制备的泡沫轻质土效果更佳。具体的，赤泥遇水而水化，赤泥中的氧化钙水化产生氢氧化钙，水泥和赤泥水化产生的氢氧化钙与赤泥和超细灰中的氧化硅、氧化铝反应生成铝酸钙和硅酸钙，生成的铝酸钙、硅酸钙和水泥中的铝酸钙、硅酸钙水化在超细灰中硫酸钙的作用下最终生成钙矾石，而未参与反应的超细灰将继续填充在钙矾石之间，从而进一步提高赤泥基泡沫轻质土的强度。
72.根据本发明的第二个方面，一种赤泥基泡沫轻质土，主要由上述的粉料和水制备得到；
73.其中，制备赤泥基泡沫轻质土的水胶比为0.5～0.65。
74.水胶比
75.水胶比，每立方米混凝土用水量与所有胶凝材料用量的比值。
76.水胶比典型但非限制性的例如为0.50、0.55、0.65。
77.选择适宜的水胶比会让赤泥基泡沫轻质土的性能更优异。
78.经大量试验表明，由上述混合配比的粉料以及水胶比制备的赤泥基泡沫轻质土效果最佳。
79.根据本发明的第三个方面，一种上述的赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
80.将赤泥、超细灰、水泥、固化剂以及部分水充分混合搅拌均匀成胶凝材料浆体；
81.将剩余的水加入到发泡剂中形成发泡液，发泡后加入胶凝材料浆体中，混合，得到赤泥基泡沫轻质土。
82.固化剂
83.固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。
84.在本发明中，固化剂的加入质量占粉料质量的1％～5％；本发明的固化剂为内掺型固化剂；本发明的内掺型固化剂包括但不限于乙烯基三胺、二氨基环己烷、亚甲基双环己
烷胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺以及多乙烯多胺中的至少一种。
85.内掺型固化剂
86.内掺型固化剂为水性材料，能够内掺到泡沫轻质土中，不影响泡沫轻质土的稳定性，固化赤泥中的重金属离子，浸出液中重金属离子的浓度符合《生活垃圾填满场控制标准》(16889-2008)相关技术要求。
87.内掺型固化剂典型但非限制性的质量百分比例如为1％、2％、3％、4％、5％。
88.胶凝材料
89.胶凝材料又称胶结料，在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质。分为水硬性胶凝材料和非水硬性胶凝材料两大类。后一类中又分为无机的和有机的两种。
90.发泡剂
91.发泡剂可分为化学发泡剂，物理发泡剂和表面活性剂三大类。化学发泡剂是那些经加热分解后能释放出二氧化碳和氮气等气体，并在聚合物组成中形成细孔的化合物；物理发泡剂是泡沫细孔是通过某一种物质的物理形态的变化，即通过压缩气体的膨胀、液体的挥发或固体的溶解而形成的；发泡剂均具有较高的表面活性，能有效降低液体的表面张力，并在液膜表面双电子层排列而包围空气，形成气泡，再由单个气泡组成泡沫。
92.在本发明中，发泡液通过压缩空气法发泡形成泡沫；其中，剩余水和发泡剂的比例70～100：1。
93.剩余水和发泡剂典型但非限制性的质量比例如为70：1、80：1、90：1、100：1。
94.在本发明中，泡沫的气泡群参数如下：
95.气泡群密度为48kg/m3～52kg/m3；
96.标准气泡柱静置1h沉降距＜5mm；
97.标准气泡柱静置1h泌水量＜25ml。
98.根据本发明的第四个方面，提供了上述的赤泥基泡沫轻质土在道路路基填筑或道路路基拓宽中的应用。
99.本发明优化材料组分设计，充分利用赤泥碱性激发胶凝材料反应活性，消除赤泥高碱性危害；充分利用赤泥颗粒粒径特征，发挥微集料填充作用，提高胶凝材料力学性能；实现赤泥等固废中重金属离子的精准固化，满足环保性能需求；泡沫轻质土强度符合cjj/t177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》中路面底面0-1.5m以下深度要求，且掺加赤泥后的胶凝材料浸出液的ph值满足《危险废物鉴别标准腐蚀性鉴别》(gb5085.1-2007)3.1所规定的不具有腐蚀性的技术要求，浸出液中重金属离子的浓度符合《生活垃圾填满场控制标准》(16889-2008)相关技术要求。本发明的赤泥基泡沫轻质土的制备方法使得工业固废赤泥得到了充分的利用，为其处理找到出口，制备的泡沫轻质土抗压强度指标符合要求。同时，本发明降低了制作成本，制备方法简单，而且解决了赤泥的利用问题。
100.实施例1
101.一种赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
102.水泥、超细灰、赤泥、固化剂、水充分混合均匀成胶凝材料浆体，将发泡剂和水通过自动化泡沫轻质土机械加入到胶凝材料浆体，配比如下：
[0103][0104]
其中，赤泥的掺入量为胶凝材料量的20％，超细灰掺入量为胶凝材料的10％，经检验，该配合比的赤泥基泡沫轻质土湿容重为5.8kn/m3，28天抗压强度达到1.13mpa，力学性能满足cjj/t177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》路面底面0-1.5m以下深度要求和一般路基填筑要求。
[0105]
实施例2
[0106]
一种赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
[0107]
水泥、超细灰、赤泥、固化剂、水充分混合均匀成胶凝材料浆体，将发泡剂和水通过自动化泡沫轻质土机械加入到胶凝材料浆体，配比如下：
[0108][0109][0110]
其中，赤泥的掺入量为胶凝材料量的30％，超细灰掺入量为胶凝材料的15％，经检验，该配合比的赤泥基泡沫轻质土湿容重为5.9kn/m
□
，28天抗压强度达到1.30mpa，力学性能满足cjj/t177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》路面底面0-1.5m以下深度要求和一般路基填筑要求。
[0111]
实施例3
[0112]
一种赤泥基泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
[0113]
将水泥、超细灰、赤泥、固化剂、水充分混合搅拌均匀成胶凝材料浆体，再将发泡剂和水通过自动化泡沫轻质土机械加入到胶凝材料浆体，然后经混合搅拌、导管输送、浇筑成型、养护而成路基，具体配比如下：
[0114][0115]
其中，赤泥的掺入量为胶凝材料量的40％，超细灰掺入量为胶凝材料的20％，经检验，该配合比的赤泥基泡沫轻质土湿容重为5.8kn/m
□
，28天抗压强度达到1.06mpa，力学性能满足cjj/t177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》路面底面0-1.5m以下深度要求和一般路基填筑要求。
[0116]
对比例1
[0117]
本对比例与实施例1的区别在于，对比例1中赤泥的掺入量为胶凝材料量的45％，超细灰掺入量为胶凝材料的25％，制备方法同实施例1，得到赤泥基泡沫轻质土，配料见表1。
[0118]
对比例2
[0119]
本对比例与实施例1的区别在于，对比例2中赤泥的掺入量为胶凝材料量的15％，超细灰掺入量为胶凝材料的5％，制备方法同实施例1，得到赤泥基泡沫轻质土，配料见表1。
[0120]
对比例3
[0121]
本对比例与实施例2的区别在于，对比例3中的水胶比为0.45，制备方法同实施例1，得到赤泥基泡沫轻质土，配料见表1。
[0122]
对比例4
[0123]
本对比例与实施例2的区别在于，对比例4中的水胶比为0.70，制备方法同实施例1，得到赤泥基泡沫轻质土，配料见表1。
[0124]
试验例
[0125]
对实施例1-3和对比例1-4得到的赤泥基泡沫轻质土进行性能测试，具体数据见表1；
[0126]
其中，28天抗压强度的测试方法为依据《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》cjj/t177-2012的试验方法检测。
[0127]
表1
[0128][0129][0130]
分析：
[0131]
通过实施例和对比例对比可以看出，本发明通过精准复配，可以有效地发挥微集料的填充作用，增加密实度，提高抗压强度。
[0132]
本发明将工业固废赤泥应用在制备轻质泡沫土中，对赤泥能得到大量的利用提供了一种新的途径，降低赤泥对环境的污染，解决了赤泥大量堆积且日益增多的问题。
[0133]
本发明充分利用赤泥碱性激发胶凝材料反应活性，消除赤泥高碱性危害；除了水泥水化可以提供一定的强度外，充分利用赤泥颗粒粒径特征，发挥微集料填充作用提高材料力学性能。
[0134]
传统泡沫轻质土需要添加生产成本较高的粉煤灰、炉渣灰、石粉等作为胶凝材料，而本发明采用赤泥可以替代传统的高成本凝胶，在满足路堤填筑强度要求的前提下，大大降低了材料成本，且制备方法简单，适宜于大规模推广使用。
[0135]
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可做出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
[0136]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。