一种基于铜矿渣的土壤固化剂及其制备与使用方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种基于铜矿渣的土壤固化剂及其制备与使用方法。

背景技术

铜矿渣是冶炼金属铜过程中产生的工业副产物，每生产1t铜大约产生2.2t吨铜矿渣。2018年，我国精炼铜产量约为903万t，而由此产生的铜矿渣达2000万t。铜矿渣的堆存，不仅占用了大量的土地，其含有的重金属成分对水源、土壤也会造成严重污染。因此如何治理并实现铜矿渣的资源化再利用，对炼铜地区经济、资源、环境的持续发展具有重要意义。

土壤固化剂(soil stabilizer)是一种通过物理及化学作用改变土壤颗粒之间的接触面，强化土壤颗粒间的连接结构，以改善土壤力学性能、体积稳定性及耐久性的材料。采用土壤固化剂处理后的土壤，可用于基础填充、边坡防护和渠道衬砌防渗等工程。传统的土壤固化剂以水泥、石灰为主要原料，与表面活化剂、碱性物质等激发剂混合而成。但工程实践表明，以水泥或石灰为主的固化剂易开裂，并且对于粘土含量较低、含水率较高的土壤，固化效果并不理想。另外，水泥生产工艺能耗高，成本高，并排放大量CO

中国专利CN02104284.5公开了一种土壤固化剂，包括电石渣(25-90)份、粒化高炉矿渣(10-75)份、化学激发剂(0.1-5)份，将电石渣、粒化高炉矿渣、化学激发剂分别磨粉至勃氏比表面积(300-900)m

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种以铜矿渣为主要原材料制备的土壤固化剂。本发明的土壤固化剂具有成本低、固化速度快、固化效果良好等特点，并充分利用铜矿渣，为解决铜矿渣的堆存问题提出了新措施，产生良好的环境及经济效益。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于铜矿渣的土壤固化剂，包括溶液与干混料，其中所述的溶液包括水玻璃、减水剂、减缩剂以及水，所述的干混料包括铜矿渣粉、磷石膏、陶瓷废模石膏、西藏地区火山岩粉、电石渣以及铝泥，并且以上组分的重量份含量为：

更进一步地，上述组分的优选重量份含量为：

进一步地，所述的铜矿渣粉为将出炉温度1000℃-1300℃的铜矿渣依次经过水淬急冷、机械研磨后得到的铜矿渣粉；经过水淬急冷处理的铜矿渣中含有大量玻璃体结构，其活性远高于在空气中慢冷的铜矿渣，另外，机械研磨也可提高铜矿渣粉的活性。

所述的铜矿渣粉的平均粒径为(5-20)μm，FeO质量含量不高于50％，SiO

铜矿渣是冶炼金属铜过程中产生的固体废弃物。原状铜矿石中含有大量的铜和铁的硫化物，为将铜与铁分离，需加入二氧化硅助溶剂和石灰或一些铝制材料作稳定剂，因此铜矿渣中主要的化学成分为FeO和SiO

进一步地，所述的磷石膏为将磷石膏在(40-60)℃下干燥得到的非煅烧磷石膏；

所述的非煅烧磷石膏的粒径范围在(40-200)μm，平均粒径优选为(55-65)μm，CaSO

进一步地，所述的陶瓷废模石膏选用比表面积不小于250m

进一步地，所述的西藏地区火山岩粉中，SiO

进一步地，所述的电石渣的CaO含量不低于50％，平均粒径为(40-45)μm。

进一步地，所述的铝泥的Na

进一步地，所述的水玻璃的模数为2.2，并且包括以下组分及重量份含量：SiO

进一步地，所述的减水剂包括含固量40％的聚羧酸减水剂。

进一步地，所述的减缩剂为含固量30％的聚氧乙烯类减缩剂，优选为巴斯夫L-SRA型减缩剂。

一种基于铜矿渣的土壤固化剂的制备方法，包括：将水玻璃、减水剂、减缩剂及水搅拌混合均匀，即得到所述的溶液；将铜矿渣粉、磷石膏、陶瓷废模石膏、西藏地区火山岩粉、电石渣以及铝泥混合并干拌3min，即得到所述的干混料。

一种基于铜矿渣的土壤固化剂的使用方法，包括：将干混料与土干拌5min，再加入溶液搅拌10min，即得到固化土；其中土壤固化剂的掺加量为土质量的10％-30％。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明提供一种以铜矿渣为主要原材料制备的土壤固化剂及其制备与使用方法，相较于粒化高炉矿渣等钙硅质材料(CN02104284.5)，本发明中的铜矿渣具有完全不同的化学组成与微观结构；

铜矿渣属于铁硅质材料，化学成分以FeO和SiO

2)本发明以水玻璃和铝泥作为碱性激发剂，二者共同提供碱性环境，以激发铜矿渣粉和西藏地区火山岩粉的火山灰活性。铜矿渣粉和西藏地区火山岩粉主要为体系提供硅铝质组分，磷石膏、陶瓷废模石膏和电石渣主要为体系提供硅钙质组分，另外，电石渣可进一步增强碱性，磷石膏和陶瓷废模石膏还可提供SO

此外，水玻璃和铝泥还可以额外地补充硅酸根离子和铝酸根离子，生产更多地水化产物，提高固化土的性能；

3)本发明中的固化剂生成的水化产物一部分相互交错搭接形成骨架，一部分与土颗粒作用生成络合物，最终形成空间稳定的网状结构，将土颗粒有效地粘结起来，封闭各土团之间的孔隙，形成坚固的联结。同时，固化剂在水中析出Ca

4)本发明所用的聚羧酸系减水剂可增加固化剂与土拌合后的拌合物的流动性，方便施工；同时可以降低水的用量，以降低孔隙率并提高固化土的强度。而本发明所采用的减缩剂则可有效减少固化土的收缩与开裂；

5)除铜矿渣外，本发明还实现了磷石膏、陶瓷废模石膏、电石渣和铝泥等工业副产物的有效回收利用，减少对环境的污染，并资源化利用西藏地区火山岩粉，该火山岩粉呈层片状、多微孔的结构，有助于提高固化土的工作性能和保水性能，降低成本，相比传统土壤固化剂中的水泥或石灰等材料，具有更好的经济和环境效益；

6)本发明所制备的土壤固化剂还具有强度高、水稳定性好、抗冻性好等特点，可有效避免水泥、石灰等固化剂耐久性差、易开裂、对含水率较大的土质固化效果差等问题，同时本发明所用土壤固化剂与土具有较好的适应性，所得固化土易于压实，便于施工，因此具有更广泛的实用性，在公路的基层及底基层、建筑地基的处理等领域具有较好的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

一种基于铜矿渣的土壤固化剂，包括溶液与干混料，其中溶液包括水玻璃、减水剂、减缩剂以及水，干混料包括铜矿渣粉、磷石膏、陶瓷废模石膏、西藏地区火山岩粉、电石渣以及铝泥，并且以上组分的重量份含量为：

其中，铜矿渣粉的制备方法为：将出炉温度1000℃-1300℃的铜矿渣淬急冷后，机械研磨至平均粒径为(5-20)μm，即得到铜矿渣粉，并且该铜矿渣粉中FeO质量含量不高于50％，SiO

非煅烧磷石膏由磷石膏在(40-60)℃下干燥至恒重得到，并且该非煅烧磷石膏的粒径范围在(40-200)μm，平均粒径为(55-65)μm，CaSO

陶瓷废模石膏选用比表面积不小于250m

西藏地区火山岩粉中，SiO

电石渣的CaO含量不低于50％，平均粒径为(40-45)μm。

铝泥的Na

水玻璃的模数为2.2，并且包括以下组分及重量份含量：SiO

上述土壤固化剂的制备方法包括：将水玻璃、减水剂、减缩剂及水搅拌混合均匀，得到溶液；将铜矿渣粉、磷石膏、陶瓷废模石膏、西藏地区火山岩粉、电石渣以及铝泥混合并干拌3min，得到干混料。

上述土壤固化剂的使用方法，包括将干混料与土干拌5min，再加入溶液搅拌10min，得到固化土；其中土壤固化剂的掺杂量为土质量的10％-30％。

本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

一种基于铜矿渣的土壤固化剂，其制备方法为：依照表1中各组分配比，将水玻璃、聚羧酸系减水剂、减缩剂及水搅拌混合均匀，得到溶液，将铜矿渣粉、非煅烧磷石膏、陶瓷废模石膏、西藏地区火山岩粉、电石渣以及铝泥混合并干拌3min，得到干混料。

所采用的铜矿渣粉的平均粒径为15μm，FeO质量含量为28％，SiO

表1实施例的试验配合比(质量比)

将上述干混料与土干拌5min，再加入溶液搅拌10min，得到固化土；土壤固化剂在各掺量情况下，土壤的性能测试结果如表2所示。

表2实施例的性能测试结果

本发明制备得到的土壤固化剂可以用于各等级道路的基层及底基层的修筑；场地平整及固化：如停车场、堆货场、物流园和运动场等；也可用于矿坑填充、水利工程中的堤坝填筑固化等。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。