一种大掺量磷石膏基流态固化土及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料，具体涉及一种大掺量磷石膏基流态固化土及其制备方法。

背景技术：

1、磷石膏(pg)是湿法制磷酸过程中生产的工业废物，其主要成分为caso4·2h2o。生产1吨磷酸会产出约5.0吨磷石膏，通常含有残留的五氧化二磷和少量杂质，ph值约2.1～5.0。其中含有的杂质包括放射性元素、微量重金属和其他可能污染土壤和水的化学元素，由于这些杂质的存在，限制了其在建筑工业中有效应用(通常采用天然石膏)，从而导致了大量的工业储备。目前，主要将磷石膏运输到堆场中进行露天堆放处理，占用大量土地，对环境危害很大。全球每年产磷石膏2～3亿吨磷石膏，累计超过56亿吨，但全球磷石膏的年综合利用率仅约为10％，如何实现大量堆积的磷石膏进行大掺量、高附加值的利用已然迫在眉睫。

2、此外，受限于部分施工条件，难以采用传统的回填土料压实法进行填筑；若不能保证压实质量，将引起后期回填土沉降，甚至将引起地表塌陷或建筑物移位等问题。流态固化土是一种新型环保的回填材料，其为将土、固化剂、外加剂和水等按配比进行拌和形成的一种大流态、可塑性极强的建筑用材。在不同的施工过程中，流态固化土以流体状态存在，可塑性强，可利用其流动性的特性填充建筑空间的任何部位；且用于工程中强度调整范围很大(通常0.4～15mpa)。

3、流态固化土相比常规回填土具有无需压实便可拥有足够密实度的优良特点，其依靠自身材料的理化作用，能够在1～2天内凝结成固体，形成一个水稳定性强的整体。固化土常规的施工工艺中，经历了从流态到固态的转化。在施工过程中，早期需要满足泵送和压灌的要求，应具备大流态、均匀程度高、不泌水等工程特性，才能在施工过程中无堵塞、连续生产；后期养护成型的过程中，需要满足快硬早强的特点，满足不同场景的施工要求。目前，流态固化土的固化主体大多采用常规土(通常选用原位土、淤泥、粘土等)将磷石膏用于流态固化土还需考虑磷石膏自身含有可溶性磷、氟以及重金属等杂质的环保问题，此外，磷石膏用作建筑材料时，存在早期强度低、凝结时间慢、流动性差等缺陷，进一步限制其资源化(尤其大掺量)应用。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种大掺量磷石膏基流态固化土，通过优化原状磷石膏的级配、外加剂与固化剂的选材和配比，高效固化磷石膏的有害杂质(可溶磷、可溶氟以及重金属元素等)并同步提升所得流态固化土的工作性能(流动度、均匀性和泌水程度等)和力学性能等，有效解决大掺量磷石膏制备流态固化土时存在的早强低、难以凝结等问题，能够实现在实际施工应用中的连续生产；且涉及的制备方法简单、操作方便，具有显著的经济和环境效益。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种大掺量磷石膏基流态固化土，各组分及其所占重量份数包括：磷石膏295～595份，复合外加剂1.5～2.5份，水100～150份，固化剂50～75份；其中，固化剂以工业固废、水泥和激发剂为主要原料混合得到，复合外加剂以减水剂和增粘剂为主要原料复配而成。

4、上述方案中，所述工业固废、激发剂与水泥的质量比为(30～60):(2～5):5。

5、上述方案中，所述工业固废可选用粒化高炉矿渣、粉煤灰、钢渣粉、磷渣等具有潜在活性的材料中的一种或几种；其比表面积为400～500m2/kg。

6、上述方案中，所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其强度等级不低于p.o42.5，比表面积为300～400m2/kg。

7、上述方案中，所述激发剂包括快硬型硫铝酸盐水泥(sac)和碱性激发组分。

8、进一步地，所述碱性激发组分可选用氢氧化钠(naoh)、生石灰(cao)、氢氧化钾(koh)、水玻璃等中的一种或几种。

9、优选的，所述碱性激发组分为生石灰。

10、优选的，所述激发剂中快快硬型硫铝酸盐水泥(sac)的含量为60～80％。

11、上述方案中，所述固化剂主要采用水泥、工业固废以及激发剂三类成分混合制备，激发剂在固化剂中主要采取复掺的形式，其对流态固化土流态状态时的流动性能以及由流态转换为固态的过程中的凝结时间能够进行精准调控；硅铝酸盐水泥在发挥对磷石膏的固化作用的同时，可有效激发工业固废材料的潜在活性；工业固废采取的是具备潜在活性的材料，其作为活性sio2和al2o3的主要来源，能为形成钙矾石和c-s-h凝胶提供充足的铝相和硅氧基团；三种激发体系协同促进整体发生反应，同时能够与磷石膏这一气硬性材料发生反应；所得磷石膏基流态固化土在空气以及水中均能硬化，被固化的材料兼具良好的工作性能和力学性能。

12、上述方案中，所述增粘剂与减水剂的质量比为1:(2～4)。

13、上述方案中，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，其固含量不低于12％，减水率不低于25％。

14、上述方案中，所述增粘剂可选用黄原胶、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或几种，其粘度为8～10万。

15、上述方案中，所述外加剂与固化剂的质量比为1:(28～39)。

16、上述方案中，所述磷石膏的主要化学组成为cao和so3，主要成分为caso4·2h2o，密度为2.05～2.45g/cm3，ph值为1.5～4.5，caso4·2h2o质量分数不小于75％，水溶性p2o5质量分数不大于0.80％，水溶性f-质量分数不大于0.50％。其中磷石膏在使用前需过4.75mm标准筛，并在制备磷石膏基流态固化土前测定此部分磷石膏的含水率，磷石膏的附着水含量不超过20％。

17、本发明还提供了一种大掺量磷石膏基流态固化土的制备方法，包括以下步骤：

18、s1、原料预处理：将原状磷石膏过4.75mm标准筛，并在使用前测定此部分磷石膏的测定其含水率；

19、s2、制备固化剂和复合外加剂：将工业固废、水泥和激发剂按比例混合均匀，制得固化剂；按比例称量减水剂和增粘剂，并将其均匀溶于水中，制得复合外加剂；

20、s3、制备大掺量磷石膏基流态固化土拌合物：将称取的固化剂和磷石膏混合于搅拌锅中，然后将配置好的复合外加剂倒入搅拌锅中，搅拌均匀(3～5min)，得大掺量磷石膏基流态固化土拌合物；

21、s4、浇筑、养护：将所得流态固化土混合料进行浇注、成型、养护，即得大掺量磷石膏基流态固化土试件。

22、上述方案中，经过4.75mm标准筛的原状磷石膏的粒径级配需保证在表1所示的范围内。

23、表1 原状磷石膏的级配要求

24、 粒径(mm) d＜0.08mm 0.08mm≤d＜2mm 2mm≤d＜4.75mm 筛分百分比(％) 20～35 30～45 20～35

25、上述方案中，外加水需要扣除原状磷石膏的附着水，附着水质量根据磷石膏的含水率所得。

26、固化后的磷石膏基流态固化土产品可运用到肥槽回填等工程之中。

27、根据上述方案制备的大掺量磷石膏基流态固化土，其拌和物流动度为180～210mm，极限剪切应力为45～65pa，初凝时间不小于1h，终凝时间不大于24h，28d抗压强度为1.7～14.5mpa。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

29、1)本发明所述大掺量磷石膏基流态固化土采用磷石膏完全取代常规土，可实现磷石膏的高掺量(高达80％)资源化利用；且本发明采用的磷石膏无需借助额外的预处理工艺(仅需简单的筛分步骤)，极具有实际工程应用价值；所得固化土兼具良好的工作性能和力学性能；

30、2)本发明所述固化剂包括少量水泥与大量工业固废(矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉等固废掺量可达80％以上)，首先对作为土料的磷石膏采用简单的筛分预处理工艺优化其级配，使其能够满足流态土快硬早强的施工要求，同时促使所得产品更具大流态的工程特性；进一步结合利用工业固废、水泥以及少量激发剂组成的固化剂，利用其与作为土料的磷石膏共同发生物理作用和化学反应、激发效应；同时结合减水剂与增粘剂组成的复合外加剂，对流态固化土的流动性能、凝结时间以及极限剪切应力等工作性能的调节和优化；本发明充分结合磷石膏预处理(简单筛分)、固化剂和外加剂等调控作用，所得流态固化土流动性可控、无泌水、施工速度快、固化强度高、匀质性好、成本低、适用范围广；

31、3)本发明所得磷石膏基流态固化土在满足相关施工、工程性能指标要求的前提下，可实现多种固体废弃物高效资源化利用，可实现对可溶磷、可溶氟以及重金属等离子的高效固化，具有显著的经济和环境效益。