一种改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料及制备方法

1.本发明涉及一种改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料及制备方法，属于道路工程领域。


背景技术：

2.地质聚合物是近年迅速发展的一类新型无机非金属胶凝材料，主要以低钙的活性硅铝质原材经过碱激发而形成的凝胶材料，具有凝结硬化快、早期强度高、耐高温、耐酸碱盐腐蚀、渗透率低、耐久性优良等优点。目前地质聚合物无机凝胶材料已形成较为完善的生产体系，并且有着巨大的应用前景，主要是作为混凝土代替水泥应用于建筑材料中，比如中国专利申请cn115321891a公开的一种地质聚合物混凝土。
3.然而在众多的地质聚合物研究成果中，应用了原材料都包括有矿渣、粉煤灰、纤维，但是针对地聚物作为土壤固化剂改良淤泥软土性能的研究目前还没看到相关研究报告。
4.显然，地质聚合物土壤固化剂是以自然土体为固结对象在常温下能将土壤颗粒表面凝结并与颗粒中的铝硅酸盐矿物发生化学反应生成凝胶物质，与传统的石灰土和水泥土相比其具有更高的强度和水稳定性从而可以被应用于水利、交通、环境、港口、机场等基础设施的建设。但是由于天然土体自身活性差、塑性收缩大，将地质聚合物作为淤泥软土固化材料时仍存在脆性破坏、裂缝等情况，如何提高固化土的强度、同时防止发生收缩裂缝己经成为固化土研究应用中急需解决的主要问题之一。


技术实现要素：

5.本发明提供一种改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料及制备方法，能够解决现有地聚物固化淤泥软土脆性破坏、变形稳定性差的问题。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其作为土壤固化剂对淤泥软土性能进行改良，当淤泥软土的质量份数为480-600份时，包括按照重量计的以下组分及质量份数：矿渣120-150份，粉煤灰200-240份，聚丙烯腈纤维2-10份，碱性激发剂120-140份，水150-170份；
8.作为本发明的进一步优选，前述选用的矿渣为粒化高炉矿渣，其比表面积范围为350-450m2/kg；
9.矿渣的主要组成包括sio2及cao，其中，sio2的质量分数占比为15-20％，cao的质量分数占比为45-50％；
10.作为本发明的进一步优选，前述选用的粉煤灰比表面积范围为500-1000m2/kg；
11.粉煤灰的主要组成包括sio2及al2o3，其中，sio2的质量分数占比为50-65％，al2o3的质量分数占比为15-35％；
12.作为本发明的进一步优选，所述聚丙烯腈纤维的长度范围为12-20mm；
13.作为本发明的进一步优选，所述碱性激发剂选用氢氧化钠与水玻璃的组合物；
14.作为本发明的进一步优选，所述淤泥软土的塑性指数范围为20-25；
15.获取所述改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料的制备方法，具体包括以下步骤：
16.步骤s1：将选取的矿渣、粉煤灰进行混合，得到干混料；
17.步骤s2：将聚丙烯腈纤维匀速倒入碱激发剂中，搅拌均匀，直至聚丙烯腈纤维均匀悬浮于碱激发剂内形成纤维分散碱激发剂溶液；
18.步骤s3：将干混料与纤维分散碱激发剂溶液混合搅拌均匀，形成浆状土壤固化剂；
19.步骤s4：将浆状土壤固化剂加入淤泥软土中，启动搅拌机匀速搅拌混合样；
20.步骤s5：将搅拌均匀的混合样分成三层，依次装入模具中，每添加一层均充分振捣压实直至混合样内的空气排出；
21.作为本发明的进一步优选，步骤s2中，聚丙烯腈纤维匀速倒入碱激发剂时，设定搅拌速率为30-40r/min，搅拌时间为3-5min；
22.作为本发明的进一步优选，步骤s4中，浆状土壤固化剂加入淤泥软土时搅拌机搅拌5min；
23.作为本发明的进一步优选，步骤s5中，在进行装模工序时，设定环境温度为20-30℃。
24.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
25.1、本发明提供的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，以矿渣粉与粉煤灰作为主要原料制备，能够实现矿渣与粉煤灰的高附加值应用效果；
26.2、本发明提供的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，在矿渣与粉煤灰中掺入纤维形成矿渣-粉煤灰-纤维地聚物，通过质量份数的把控，提高了淤泥软土的强度，同时有效提高固化淤泥软土的抗裂性能，使其具有较佳的力学性能；
27.3、本发明提供的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料的制备方法，先对矿渣与粉煤灰进行预处理制备干混料，再掺入激发剂以及水等其他组分，能够使个组分分散均匀，便于储存运输，且制备方法工艺简单，条件可控，对设备要求低；
28.4、本发明提供的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，采用的原料成本低、来源广，具有经济效益，同时原料无毒无污染，兼具环境效益，适合大范围推广。
附图说明
29.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
30.图1是本发明提供的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料的制备方法流程图。
具体实施方式
31.如背景技术阐述的，目前地质聚合物中，以矿渣、粉煤灰以及纤维作为原材料的产品较多，但是将其作为改良淤泥软土性能的土壤固化剂还是比较少见的，究其原因，无法做到各个组分之间的质量份数平衡，以及在制备其时需注意相关配比程序，导致无法对淤泥软土性能进行实质性的改变。
40r/min，搅拌时间为3-5min，直至聚丙烯腈纤维均匀悬浮于碱激发剂内形成纤维分散碱激发剂溶液；
40.步骤s3：将干混料与纤维分散碱激发剂溶液混合搅拌均匀，形成浆状土壤固化剂；
41.步骤s4：将浆状土壤固化剂加入淤泥软土中，启动搅拌机匀速搅拌混合样，搅拌机搅拌时间为5min；
42.步骤s5：设定环境温度为20-30℃，将搅拌均匀的混合样分成三层，依次装入模具中，每添加一层均充分振捣压实直至混合样内的空气排出。
43.为了对本技术做进一步的阐述，本技术还提供了以下的实施例，以验证其优越性。以下实施例中，矿渣为粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨，达到相当细度且符合相当活性指数的粉体，其比表面积为350-450m2/kg；矿渣的主要组成及所占质量百分比包括：sio215-20％，cao45-50％；所述粉煤灰的比表面积为500-1000m2/kg，其主要组成及所占质量百分比包括：sio250-65％，al2o315-35％。聚丙烯腈纤维长度为12mm。采用的碱性激发剂是向模数为3.3，固含量ω＝36.35％，密度ρ＝1.40g/ml的市售工业级水玻璃中加入氢氧化钠制得模数为1.2的水玻璃溶液。
44.实施例1
45.一种良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其制备方法包括如下步骤：
46.原料称取：按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：矿渣120份，粉煤灰200份，聚丙烯腈纤维2份，碱性激发剂140份，水170份，淤泥软土500份。
47.步骤s1：先将矿渣120份，粉煤灰200份混合，搅拌均匀备用；
48.步骤s2：将聚丙烯腈纤维2份缓慢倒入自制的碱激发剂中，并搅拌速率为40r/min，搅拌时间为3min搅拌均匀使其悬浮于碱激发剂内形成均匀的纤维分散碱激发剂溶液；
49.步骤s3：将所述干混料与激发剂加水拌合；
50.步骤s4：把所配制的固化剂，搅拌成浆状后加入淤泥试样中，用小型电动搅拌机匀速搅拌5min混合样，使其充分拌匀；
51.步骤s5：将搅拌好的材料分3层装入模具中，各层均充分振捣压实，以排出空气，形成纤维-地聚物固化材料。
52.实施例2
53.一种良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其制备方法包括如下步骤：
54.原料称取：按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：矿渣120份，粉煤灰200份，聚丙烯腈纤维4份，碱性激发剂140份，水170份，淤泥软土500份。
55.步骤s1：先将矿渣120份，粉煤灰200份混合，搅拌均匀备用；
56.步骤s2：将聚丙烯腈纤维4份缓慢倒入自制的碱激发剂中，并搅拌速率为40r/min，搅拌时间为3min搅拌均匀使其悬浮于碱激发剂内形成均匀的纤维分散碱激发剂溶液；
57.步骤s3：将所述干混料与激发剂加水拌合；
58.步骤s4：把所配制的固化剂，搅拌成浆状后加入淤泥试样中，用小型电动搅拌机匀速搅拌5min混合样，使其充分拌匀；
59.步骤s5：将搅拌好的材料分3层装入模具中，各层均充分振捣压实，以排出空气，形成纤维-地聚物固化材料。
60.实施例3
61.一种良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其制备方法包括如下步骤：
62.原料称取：按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：矿渣120份，粉煤灰200份，聚丙烯腈纤维6份，碱性激发剂140份，水170份，淤泥软土500份。
63.步骤s1：先将矿渣120份，粉煤灰200份混合，搅拌均匀备用；
64.步骤s2：将聚丙烯腈纤维6份缓慢倒入自制的碱激发剂中，并搅拌速率为40r/min，搅拌时间为3min搅拌均匀使其悬浮于碱激发剂内形成均匀的纤维分散碱激发剂溶液；
65.步骤s3：将所述干混料与激发剂加水拌合；
66.步骤s4：把所配制的固化剂，搅拌成浆状后加入淤泥试样中，用小型电动搅拌机匀速搅拌5min混合样，使其充分拌匀；
67.步骤s5：将搅拌好的材料分3层装入模具中，各层均充分振捣压实，以排出空气，形成纤维-地聚物固化材料。
68.实施例4
69.一种良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其制备方法包括如下步骤：
70.原料称取：按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：矿渣120份，粉煤灰200份，聚丙烯腈纤维8份，碱性激发剂140份，水170份，淤泥软土500份。
71.步骤s1：先将矿渣120份，粉煤灰200份混合，搅拌均匀备用；
72.步骤s2：将聚丙烯腈纤维2份缓慢倒入自制的碱激发剂中，并搅拌速率为40r/min，搅拌时间为3min搅拌均匀使其悬浮于碱激发剂内形成均匀的纤维分散碱激发剂溶液；
73.步骤s3：将所述干混料与激发剂加水拌合；
74.步骤s4：把所配制的固化剂，搅拌成浆状后加入淤泥试样中，用小型电动搅拌机匀速搅拌5min混合样，使其充分拌匀；
75.步骤s5：将搅拌好的材料分3层装入模具中，各层均充分振捣压实，以排出空气，形成纤维-地聚物固化材料。
76.对照组：
77.原料称取：按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：矿渣120份，粉煤灰200份，碱性激发剂140份，水170份，淤泥软土500份。
78.步骤s1：先将矿渣120份，粉煤灰200份混合，搅拌均匀备用；
79.步骤s2：将所述干混料与激发剂加水拌合；
80.步骤s3：把所配制的固化剂，搅拌成浆状后加入淤泥试样中，用小型电动搅拌机匀速搅拌5min混合样，使其充分拌匀；
81.步骤s4：将搅拌好的材料分3层装入模具中，各层均充分振捣压实，以排出空气，形成纤维-地聚物固化材料。
82.对于以上四个实施例，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(jtg e51-2009)成型养护后，通过检测试件，得到以下试验数据：
[0083][0084]
从上述试验数据可知，掺加聚丙烯腈纤维能够显著改良淤泥软土的无侧限抗压强度、变形模量、破坏应变，破坏模式从脆性破坏转变为韧性破坏。纤维存在临界掺量，当纤维小于临界掺量时发挥积极作用，超过时则会产生反作用，分析其原因是一方面纤维在固化土中为水化产物提供生长场所，使得更多的水化物能够附着于表面，从而增加水化物的生成面积，促进矿物的生长；另一方面，纤维表面的水化物具有较高的强度和胶结度，这使得纤维骨架与土体基质可以紧密结合，在纤维-基质团粒、纤维-水化物界面之间形成很高的摩擦力，当土体遭受破坏时，便可以充分发挥摩擦效应以抵抗外力作用，从而提高整体强度。当纤维掺量过高大于纤维临界掺量时，加入的纤维会出现团簇现象，不能均匀分布，导致固化土整体性能受到影响降低。在本发明试验中综合确定最佳纤维掺量为0.4％。
[0085]
综上可知，本技术提供的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其过程是对矿渣与粉煤灰等工业固废进行回收处理，并将其作为制备地聚物的原材料，在碱性激发剂的作用下提升活性硅铝组分溶出量，制备出具有优异力学性能和稳定性能的地质聚合物材料；并且在地质聚合物中加入合适掺量的聚丙烯腈纤维改良淤泥固化土的基本力学性能，增强地聚物改良淤泥固化土的韧性。
[0086]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0087]
本技术中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
[0088]
本技术中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
[0089]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其特征在于：其作为土壤固化剂对淤泥软土性能进行改良，当淤泥软土的质量份数为480-600份时，包括按照重量计的以下组分及质量份数：矿渣120-150份，粉煤灰200-240份，聚丙烯腈纤维2-10份，碱性激发剂120-140份，水150-170份。2.根据权利要求1所述的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其特征在于：前述选用的矿渣为粒化高炉矿渣，其比表面积范围为350-450m2/kg；矿渣的主要组成包括sio2及cao，其中，sio2的质量分数占比为15-20％，cao的质量分数占比为45-50％。3.根据权利要求2所述的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其特征在于：前述选用的粉煤灰比表面积范围为500-1000m2/kg；粉煤灰的主要组成包括sio2及al2o3，其中，sio2的质量分数占比为50-65％，al2o3的质量分数占比为15-35％。4.根据权利要求3所述的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其特征在于：所述聚丙烯腈纤维的长度范围为12-20mm。5.根据权利要求4所述的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其特征在于：所述碱性激发剂选用氢氧化钠与水玻璃的组合物。6.根据权利要求5所述的改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料，其特征在于：所述淤泥软土的塑性指数范围为20-25。7.获取权利要求6所述改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤s1：将选取的矿渣、粉煤灰进行混合，得到干混料；步骤s2：将聚丙烯腈纤维匀速倒入碱激发剂中，搅拌均匀，直至聚丙烯腈纤维均匀悬浮于碱激发剂内形成纤维分散碱激发剂溶液；步骤s3：将干混料与纤维分散碱激发剂溶液混合搅拌均匀，形成浆状土壤固化剂；步骤s4：将浆状土壤固化剂加入淤泥软土中，启动搅拌机匀速搅拌混合样；步骤s5：将搅拌均匀的混合样分成三层，依次装入模具中，每添加一层均充分振捣压实直至混合样内的空气排出。8.根据权利要求7所述改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，聚丙烯腈纤维匀速倒入碱激发剂时，设定搅拌速率为30-40r/min，搅拌时间为3-5min。9.根据权利要求8所述改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料的制备方法，其特征在于：步骤s4中，浆状土壤固化剂加入淤泥软土时搅拌机搅拌5min。10.根据权利要求9所述改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料的制备方法，其特征在于：步骤s5中，在进行装模工序时，设定环境温度为20-30℃。

技术总结
本发明涉及一种改良淤泥软土性能的韧性地聚物固化材料及制备方法，其作为土壤固化剂对淤泥软土性能进行改良，当淤泥软土的质量份数为480-600份时，包括按照重量计的以下组分及质量份数：矿渣120-150份，粉煤灰200-240份，聚丙烯腈纤维2-10份，碱性激发剂120-140份，水150-170份；本发明以矿渣和粉煤灰为主要原料，在激发条件下，促进生成N-A-S-H凝胶相、C-S-H凝胶相或S-A-H凝胶相，增强其地聚物的力学性能，同时加入合适掺量的聚丙烯腈纤维可增强地聚物改良淤泥固化土的韧性，相较于硅酸盐水泥，具有价廉易得，制备工艺简单，成本低，无毒无污染的特点。无污染的特点。无污染的特点。


技术研发人员：徐光霁 赵亚鹏 马涛 陈思宇 范剑伟 崔培德 王健华
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/19