一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂及其使用方法

1.本发明属于淤泥固化处理技术领域，特别涉及一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂及其使用方法。


背景技术：

2.随着我国经济建设的快速发展以及城市化进程的不断推进，市政、水利、交通等基础设施建设大规模展开。每年城市河道、湖泊及海洋疏浚工程产生了大量的疏浚淤泥，疏浚淤泥通常具有含水率高、压缩性高、强度低、颗粒极细且富含有机质等复杂工程性质，令其难以被直接利用，常作为废弃物进行处置。传统的处理方法有陆地堆填及近海抛弃等，这不仅占用了大量的耕地，而且也会引起一系列的环境污染及社会问题。
3.化学固化技术可以有效改善疏浚淤泥极差的工程特性，进而将其转化成可供工程再利用的土工材料，实现废弃淤泥的资源化利用。传统固化剂如普通硅酸盐水泥和石灰虽具有价格低廉、强度增长快及原材料来源广泛等优点，但其生产和使用不仅会消耗大量的非可再生资源和能源，而且还会排放大量的温室气体和有毒有害气体，对我国“双碳”政策的推进与落实提出了挑战，并且，对于高含水率淤泥的固化，水泥、石灰等传统固化剂由于固化强度低，掺量往往超过20％甚至更多，而高掺入量并没有实现淤泥处理减量化的目标。而现存的新型固化剂多适用于含水率较低的软粘土固化，且多为最优含水率下的压实成型，已具有一定的初始强度，而对于高含水率淤泥的固化处理，往往存在固化强度低、强度增长慢、普适性差及掺量大等弊端，难以实现固化剂减量化与淤泥处理增量化并行的高效性。
4.因此，研发固化强度高、普适性广、掺量小的高效淤泥固化剂，对实现废弃淤泥的高效固化与再生利用具有重要的应用价值，并且对环境保护和资源节约具有重要意义。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，所述纳米改性二元固化剂包括主固化剂、化学激发剂和纳米改性剂；所述主固化剂包括硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣；所述化学激发剂包括无水偏硅酸钠和无水硫酸钠；所述纳米改性剂包括纳米二氧化硅和纳米氧化镁。
6.在第一方面中，所述主固化剂、所述化学激发剂和所述纳米改性剂的质量比为20：2：1。
7.在第一方面中，所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥；所述粒化高炉矿渣为s95级矿渣。
8.在第一方面中，所述42.5级硅酸盐水泥和所述s95级矿渣的质量比为1：1。
9.在第一方面中，所述无水偏硅酸钠与所述无水硫酸钠的质量比为1：9。
10.在第一方面中，所述无水偏硅酸钠中氧化钠的含量为51.30％，二氧化硅的含量为46.56％；所述无水硫酸钠的含量≥99.0％，ph值为5-8。
11.在第一方面中，所述纳米二氧化硅与纳米氧化镁的质量比为1：9。
12.在第一方面中，所述纳米二氧化硅的纯度为99.8％，平均粒径为15nm；所述纳米氧化镁的纯度为98％，平均粒径为20nm。
13.第二方面，本技术提供了一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂的使用方法，所述使用方法包含以下步骤：1)制备淤泥：开挖淤泥，淤泥脱水后，确定淤泥含水率，制备拟固化处理淤泥；2)掺入纳米改性二元固化剂：将纳米改性二元固化剂加入拟固化处理淤泥中，并依次进行低速和高速搅拌，直至获得均匀的固化淤泥混合料；3)混合料回填：将固化淤泥混合料回填施工场地，同时使用振动机械对固化淤泥混合料进行振动密实，排出固化淤泥混合料中的气泡，消除干密度差异的影响；4)养护：保持标准温湿度，养护至达到养护龄期，完成淤泥加固。
14.在第二方面中，所述养护的温度为22℃-28℃，湿度为85％-95％。
15.有益效果：本发明提出了一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，由主固化剂、化学激发剂和纳米改性剂组成，主固化剂由硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣组成，化学激发剂由无水偏硅酸钠和无水硫酸钠组成，纳米改性剂由纳米二氧化硅和纳米氧化镁组成，所需原材料均可经多方渠道购买，原材料来源广泛，经济实用性更好；主固化剂通过采用工业固废粒化高炉矿渣代替50％普通硅酸盐水泥，环保性更好；采用纳米改性剂改性的二元固化剂中所含的纳米颗粒对提高淤泥固化体的强度、降低渗透性以及提高抗液化能力具有积极作用，相较于传统水泥及现存固化剂具有掺量少、固化强度高及对淤泥脱水要求低的优势，且适用于对于不同土性(地域)淤泥、普通河湖淤泥、含有机质淤泥及含盐淤泥，可实现固化剂用量减量化与淤泥处理增量化并行的高效性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例中用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂的基本组成示意图；
18.图2是淤泥含水率相同(70％)、固化剂掺量不同时本发明提供的纳米改性二元固化剂固化淤泥(nds)与普通硅酸盐水泥固化淤泥(cds)在不同养护龄期时的强度对比示意图；
19.图3是固化剂掺量相同(20％)、淤泥含水率不同时本发明提供的纳米改性二元固化剂固化淤泥(nds)与普通硅酸盐水泥固化淤泥(cds)在不同养护龄期时的强度对比示意图；
20.图4是淤泥含水率相同(70％)、盐含量相同(9％)时本发明提供的纳米改性二元固化剂(nbc)与普通硅酸盐水泥(opc)固化淤泥在不同养护龄期时的强度对比示意图；
21.图5是淤泥含水率相同(60％)、有机质含量相同(1.5％)时本发明的纳米改性二元固化剂(nbc)与普通硅酸盐水泥(opc)固化淤泥在不同养护龄期时的强度对比示意图。
具体实施方式
22.下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.同时，在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
24.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
25.实施例1
26.如图1所示，本发明实施例一提供了一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，所述纳米改性二元固化剂包括主固化剂、化学激发剂和纳米改性剂，所述主固化剂、所述化学激发剂和所述纳米改性剂的质量比为20：2：1，参阅图2-5的实验数据可知，在特定条件下，纳米改性二元固化剂固化淤泥的抗压强度范围为500kpa-6500kpa，且当固化剂掺量为20％时，养护90天的抗压强度可达6500kpa；所述主固化剂包括硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣，所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥；所述粒化高炉矿渣可以为s95级矿渣，也可以为32.5级硅酸盐水泥，还可以为52.5级硅酸盐水泥，当硅酸盐水泥的水化胶结强度增加，固化淤泥的强度也随之增大；所述42.5级硅酸盐水泥和所述s95级矿渣的质量比为1：1，既可以保证主固化剂的早期水化强度，同时也可以最大程度降低水泥用量；所述化学激发剂包括无水偏硅酸钠和无水硫酸钠，所述无水偏硅酸钠与所述无水硫酸钠的质量比为1：9，所述无水偏硅酸钠中氧化钠的含量为51.30％，二氧化硅的含量为46.56％，所述无水硫酸钠的含量≥99.0％，ph值为5-8；所述纳米改性剂包括纳米二氧化硅和纳米氧化镁，所述纳米二氧化硅与纳米氧化镁的质量比为1：9，所述纳米二氧化硅的纯度为99.8％，平均粒径为15nm，所述纳米氧化镁的纯度为98％，平均粒径为20nm，此时的纳米改性二元固化剂固化淤泥的强度最高。
27.本发明提出了一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，由主固化剂、化学激发剂和纳米改性剂组成，主固化剂由硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣组成，化学激发剂由无水偏硅酸钠和无水硫酸钠组成，纳米改性剂由纳米二氧化硅和纳米氧化镁组成，所需原材料均可经多方渠道购买，原材料来源广泛，经济适用性更好；主固化剂通过采用工业固废粒化高炉矿渣代替50％普通硅酸盐水泥，环保性更好；采用纳米改性剂改性的二元固化剂中所含的纳米颗粒对提高淤泥固化体的强度、降低渗透性以及提高抗液化能力具有积极作用，相较于传统水泥及现存固化剂具有掺量少、固化强度高及对淤泥脱水要求低的优势，且适用于对于不同土性(地域)淤泥、普通河湖淤泥、含有机质淤泥及含盐淤泥，可实现固化剂用量减量化与淤泥处理增量化并行的高效性。
28.实施例2
29.本发明实施例二提供了一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂的使用方法，所述使用方法包含以下步骤：1)制备淤泥：采用传统方法如抓斗式清淤开挖淤泥，待淤泥短暂自然脱水后，确定淤泥含水率，采用人为脱水或加水的方式制备拟固化处理淤泥；2)掺入纳米改性二元固化剂：将纳米改性二元固化剂加入拟固化处理淤泥中，并依次进行低速和高
速搅拌，直至获得均匀的固化淤泥混合料；3)混合料回填：将固化淤泥混合料回填施工场地，同时使用振动机械对固化淤泥混合料进行振动密实，排出固化淤泥混合料中的气泡，消除干密度差异的影响；4)养护：保持标准温湿度，养护至达到养护龄期，完成淤泥加固；所述养护的温度为22℃-28℃，湿度为85％-95％。
30.如图2-5所示，在任意固化剂掺量、淤泥含水率及养护龄期下，本发明的纳米改性二元固化剂固化后的淤泥强度至少是同等条件下普通硅酸盐水泥固化后淤泥强度的2.5；如图2所示，淤泥含水率相同时，欲使淤泥固化体达到同等强度水平，10％纳米改性二元固化剂至少可代替30％普通硅酸盐水泥，即固化剂掺量降低67％；如图3所示，相同固化剂掺量及养护龄期下，纳米改性二元固化剂固化含水率为90％的淤泥强度高于普通硅酸盐水泥固化含水率为50％的淤泥强度。在淤泥固化处理中，本发明的纳米改性二元固化剂相较于传统水泥及现存固化剂具有掺量少、固化强度高及对淤泥脱水要求低的优势；纳米改性二元固化剂中所含纳米颗粒对提高淤泥固化体的强度、降低渗透性以及提高抗液化能力具有积极作用；欲使淤泥固化体达到同等强度水平，纳米改性二元固化剂掺量远小于普通硅酸盐水泥，可实现固化剂用量减量化与淤泥处理增量化并行的高效性。
31.最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
32.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
33.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，其特征在于：所述纳米改性二元固化剂包括主固化剂、化学激发剂和纳米改性剂；所述主固化剂包括硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣；所述化学激发剂包括无水偏硅酸钠和无水硫酸钠；所述纳米改性剂包括纳米二氧化硅和纳米氧化镁。2.根据权利要求1所述的用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，其特征在于：所述主固化剂、所述化学激发剂和所述纳米改性剂的质量比为20：2：1。3.根据权利要求2所述的用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，其特征在于：所述硅酸盐水泥为42.5级硅酸盐水泥；所述粒化高炉矿渣为s95级矿渣。4.根据权利要求3所述的用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，其特征在于：所述42.5级硅酸盐水泥和所述s95级矿渣的质量比为1：1。5.根据权利要求4所述的用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，其特征在于：所述无水偏硅酸钠与所述无水硫酸钠的质量比为1：9。6.根据权利要求5所述的用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，其特征在于：所述无水偏硅酸钠中氧化钠的含量为51.30％，二氧化硅的含量为46.56％；所述无水硫酸钠的含量≥99.0％，ph值为5-8。7.根据权利要求6所述的用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，其特征在于：所述纳米二氧化硅与纳米氧化镁的质量比为1：9。8.根据权利要求7所述的用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，其特征在于：所述纳米二氧化硅的纯度为99.8％，平均粒径为15nm；所述纳米氧化镁的纯度为98％，平均粒径为20nm。9.一种纳米改性二元固化剂的使用方法，所述纳米改性二元固化剂为权利要求1-8任一项所述的纳米改性二元固化剂，其特征在于，所述使用方法包含以下步骤：1)制备淤泥：开挖淤泥，淤泥脱水后，确定淤泥含水率，制备拟固化处理淤泥；2)掺入纳米改性二元固化剂：将纳米改性二元固化剂加入拟固化处理淤泥中，并依次进行低速和高速搅拌，直至获得均匀的固化淤泥混合料；3)混合料回填：将固化淤泥混合料回填施工场地，同时使用振动机械对固化淤泥混合料进行振动密实，排出固化淤泥混合料中的气泡，消除干密度差异的影响；4)养护：保持标准温湿度，养护至达到养护龄期，完成淤泥加固。10.根据权利要求9所述的用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂的使用方法，其特征在于：所述养护的温度为22℃-28℃，湿度为85％-95％。

技术总结
本发明提供一种用于淤泥固化的纳米改性二元固化剂，所述纳米改性二元固化剂包括主固化剂、化学激发剂和纳米改性剂；所述主固化剂包括硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣；所述化学激发剂包括无水偏硅酸钠和无水硫酸钠；所述纳米改性剂包括纳米二氧化硅和纳米氧化镁。本发明的纳米改性二元固化剂具有掺量少、固化强度高及对淤泥脱水要求低的优势。对淤泥脱水要求低的优势。对淤泥脱水要求低的优势。


技术研发人员：李江山 郎雷 薛强 陈新 王平 陈博文
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：2022.12.16
技术公布日：2023/7/11