本发明属于软土固化，更具体地说，涉及一种软土固化剂及其应用方法。
背景技术：
1、我国有大面积软土，具有含水量高、压缩性大、抗剪强度低、固结系数小等特点，在外荷载作用下，需要经过较长时间压缩固结才能稳定，同时会产生较大沉降及不均匀变形，因此在进行基础设施建设前须先加固以提高其承载力。将固化剂与软土拌和使之硬化成具有足够强度的固化土，是应用最为广泛的软土加固技术。
2、目前使用的固化剂主要是水泥，但水泥固化软土的效果较低，成本较高，同时水泥生产环境负荷很大，因此开发新型固化剂就成必然。同时，我国固体废弃物年产生量已超过10亿吨，累计堆存量超过67亿吨，占地达65412万平方米，严重阻碍了可持续发展，迫切需要开发高附加值、资源化利用废渣的技术。目前虽有不少利用工业废渣制备软土固化剂的相关研究，但鲜见大面积应用或产业化的报道。究其原因，绝大多数固化剂是以较盲目的试配方式获得，其固化性能不高且适用面窄。利用工业废渣可以制备软土固化剂，而且能够制备出比水泥性能更好的固化剂。如果这项技术可以推广应用，则可资源化高附加值利用工业废渣约2亿吨/年。研究开发部分材料为工业废渣的固化剂不仅可以降低固化剂的成本，在很多工况下还可以取得比单纯用水泥更好的技术效果。此外，利用工业废渣对于环境保护、节约废渣堆砌用地都具有积极的意义。
3、经检索，中国专利申请号为200810019417.7的申请案公开了一种软土固化剂，该软土固化剂由主剂、辅剂组成，其中主剂由水泥、砂、石灰、粉煤灰、矿渣、石膏、纳米硅基氧化物等成分组成；辅剂由三乙醇胺、木质素磺酸钙、氯化钠、氯化镁、氯化钙、氯化铁、明钒或水玻璃、聚丙烯酰胺、硫酸钙、硫酸钠、氢氧化钠等成分组成。该申请案的固化剂实现了粉煤灰、矿渣等工业固废的资源化利用，可在水泥搅拌桩、注浆、旋喷桩、浅层垫层加固、路基加固、夯实等施工中使用，但其对石灰的添加量仍相对较高。
技术实现思路
1、1.要解决的问题
2、本发明的目的在于提供一种软土固化剂及其应用方法，从而既可增大对工业固废的资源化利用，同时还可减少水泥用量，并有效保证软土固化剂的固化效果。
3、2.技术方案
4、为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
5、本发明提供了一种软土固化剂，由如下重量比值的组分组成：m(脱硫石膏)：m(钢渣微粉)：m(矿渣粉)：m(水泥熟料)：m(聚丙烯纤维)：m(镁氧化物纳米材料)：m(纳米硅)＝(10～12)：(40～43)：(39～41)：(4.5～5)：(0.3～0.5)：(0.3～0.33)：(0.3～0.33)。
6、针对现有软土固化剂存在的水泥掺量较多，从而导致生产成本高，以及机械性能、抗裂性能相对较差的问题，本申请主要以脱硫石膏、钢渣微粉、矿渣粉和水泥熟料为原料，辅以添加一定的聚丙烯纤维、镁氧化物纳米材料和纳米硅，从而一方面可以有效减少水泥的掺量，实现固废资源的回收利用，有利于减少固废排放，实现节能环保；同时还能够有效提高固化土的机械性能和抗裂性能，因而保证固化剂的固化效果。
7、其中，聚丙烯纤维在土体的摩擦力以及凝聚力相互作用下，可以在土体中形成空间网状结构，从而约束了土颗粒的位移和变形，能够改善软土的水稳性；并且由于纤维承担了部分土体变形时的拉应力，因而能够提高软土的无侧限抗压强度和抗裂性。镁氧化物纳米颗粒及纳米硅一方面可以与软土中的黏土矿物发生交换反应，降低软土的黏性和塑性指数，从而增加软土的强度和稳定性；另一方面，由于其粒径比软土颗粒小得多，可以填充软土颗粒间的空隙，增加软土的密实度，同时其还可以与软土颗粒表面吸附，从而形成较为牢固的连接。镁氧化物纳米颗粒和纳米硅可以与钙离子反应生成更稳定的水硬镁石和硅酸盐等固化凝胶体系，这些固化凝胶体系还有助于进一步提高固化土的耐久性，使其更能抵抗环境侵蚀和氧化。
8、本发明通过对各组分的质量配比进行优化设计，从而可以有效保证固化土的机械性能及抗裂性能。更进一步的，所述固化剂由如下重量比值的组分组成：m(脱硫石膏)：m(钢渣微粉)：m(矿渣粉)：m(水泥熟料)：m(聚丙烯纤维)：m(镁氧化物纳米材料)：m(纳米硅)＝12：43：40：4.75：0.33：0.33：0.33。
9、更进一步的，所述聚丙烯纤维的长度为6-10mm，镁氧化物纳米材料的尺寸粒径在20-100纳米之间，纳米硅的尺寸粒径在1-100纳米之间。通过对各组分的质量配比以及聚丙烯纤维、镁氧化物纳米材料及纳米硅的尺寸进行优化设计，从而可以有效保证固化土的抗裂性能、无线侧抗压强度及稳定性之间达到良好的匹配。更进一步的，所述纳米硅的尺寸粒径在20-50纳米之间的质量占比为60-70％，尺寸粒径在50-100纳米之间的质量占比为25-35％。
10、更进一步的，所述钢渣微粉的粒径为450-580m2/kg，所述矿渣粉的粒径为500-600m2/kg。
11、更进一步的，所述纳米硅预先进行改性处理，将氢氧化钠溶液逐渐加入纳米硅悬浮液中，经搅拌使纳米硅表面与氢氧化钠充分反应，然后经离心过滤和干燥，即得到氢氧化钠包覆改性纳米硅。
12、氢氧化钠和硅会发生硅氢化反应，生成氢氧化硅(sio2·nh2o)和硅酸盐(na2sio3)，生成的产物中硅酸盐易溶于水，而氢氧化硅可溶性差，易于在固体表面沉积，形成围绕核心的壳体，因此改性纳米硅内层为单质硅，中间为氢氧化硅层，最外层为氢氧化钠涂层。
13、通过在纳米硅表面引入氢氧化钠涂层，纳米硅与氢氧化钠发生反应，从而能够显著改变纳米硅的表面性质，增加其亲水性和粘附性，改善其分散性。同时，氢氧化钠涂层的存在会进一步促进纳米硅与水之间的水化反应，加快其硬化过程，从而增加软土固化剂的强度和硬度。引入氢氧化钠涂层还会提高纳米硅与土壤颗粒之间的粘结力，从而改善土体的抗剪强度。
14、更进一步的，所述氢氧化钠溶液的浓度为1-1.5mol/l，氢氧化钠与纳米硅的反应时间为10-15min。氢氧化钠溶液的浓度以及反应时间会影响纳米硅与氢氧化钠的反应程度，本申请通过严格控制氢氧化钠溶液的浓度以及反应时间，从而既可以使纳米硅的表面发生反应，形成一层氢氧化硅，同时又防止其反应过多，保证外层氢氧化钠涂层的作用。
15、更进一步的，纳米硅表面包覆层的厚度为5-10nm。
16、本发明还提供了上述软土固化剂的应用方法，将固化剂加入到待固化软土中拌合均匀，固化剂的掺入量为软土质量的8％-20％。
17、综上所述，本申请可以有效实现脱硫石膏、钢渣微粉、矿渣粉等冶金固废的资源化回收利用，减少水泥的掺量，同时辅以聚丙烯纤维、镁氧化物纳米颗粒和纳米硅的共同添加，从而可以有效提高固化剂的机械性能，保证其无侧限抗压强度，并提高其韧性和密实度，降低固化土的开裂倾向。
1.一种软土固化剂，其特征在于，由如下重量比值的组分组成：m(脱硫石膏)：m(钢渣微粉)：m(矿渣粉)：m(水泥熟料)：m(聚丙烯纤维)：m(镁氧化物纳米材料)：m(纳米硅)＝(10～12)：(40～43)：(39～41)：(4.5～5)：(0.3～0.5)：(0.3～0.33)：(0.3～0.33)。
2.根据权利要求1所述的软土固化剂，其特征在于，由如下重量比值的组分组成：m(脱硫石膏)：m(钢渣微粉)：m(矿渣粉)：m(水泥熟料)：m(聚丙烯纤维)：m(镁氧化物纳米材料)：m(纳米硅)＝12：43：40：4.75：0.33：0.33：0.33。
3.根据权利要求1所述的软土固化剂，其特征在于，所述聚丙烯纤维的长度为6-10mm，镁氧化物纳米材料的尺寸粒径在20-100纳米之间，纳米硅的尺寸粒径在1-100纳米之间。
4.根据权利要求3所述的软土固化剂，其特征在于，所述纳米硅的尺寸粒径在20-50纳米之间的质量占比为60-70％，尺寸粒径在50-100纳米之间的质量占比为25-35％。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的软土固化剂，其特征在于，所述钢渣微粉的粒径为450-580m2/kg，所述矿渣粉的粒径为500-600m2/kg。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的软土固化剂，其特征在于，所述纳米硅预先进行改性处理，将氢氧化钠溶液逐渐加入纳米硅悬浮液中，经搅拌使纳米硅表面与氢氧化钠充分反应，然后经离心过滤和干燥，即得到氢氧化钠包覆改性纳米硅。
7.根据权利要求6所述的软土固化剂，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为1-1.5mol/l，氢氧化钠与纳米硅的反应时间为10-15min。
8.根据权利要求7所述的软土固化剂，其特征在于，纳米硅表面包覆层的厚度为5-10nm。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的软土固化剂的应用方法，其特征在于，将固化剂加入到待固化软土中拌合均匀，固化剂的掺入量为软土质量的8％-20％。