一种地聚合物固化废弃泥浆及其制备方法和应用

1.本发明涉及固体废弃物处理技术领域，尤其涉及一种地聚合物固化废弃泥浆及其制备方法和应用。


背景技术：

2.钻孔灌注桩对地质条件的要求不高，且能满足高层大跨结构对于基础承载力的要求，因此成为了工程上最常用的桩基形式。在钻孔灌注桩施工时，需制备大量的泥浆，而这些泥浆在使用过程中，工程性质会逐渐变差，无法满足工程需要。大量囤积的废弃泥浆无法得到合理的处理，不仅会给生态环境带来严重的破坏，而且也会造成严重的资源浪费。
3.废弃泥浆的处理方法主要有自然沉淀法和化学固化法。自然沉淀法是在施工现场开挖大量的泥浆池，将废弃泥浆自然沉淀风干后，就地填埋。该方法不仅会占用大量的土地，还会因泥浆池满之后无法继续存储新产生的废弃泥浆，导致工程项目被迫停工，增加工程成本。同时这种处理方法也没有资源化利用废弃泥浆，造成了资源浪费。化学固化法是将废弃泥浆脱水处理后掺入固化剂，提升脱水后泥浆的性质，将其再次用于工程建设当中，是目前将废弃泥浆资源化利用程度最高的一种方法。但是该方法大多是采用水泥、石灰等传统固化材料为主材料，再辅掺一些可以改良固化土性质的添加剂。大量使用传统固化材料对废弃泥浆进行固化，不仅会产生较高的成本，而且在生产传统固化材料时也容易对环境造成污染。
4.地聚合物是以富硅铝酸盐工业固体废料为前驱体，在碱激发剂作用下，经过解聚、单体重建以及缩聚过程后形成的三维网状无机胶凝材料，被认为是水泥、石灰等传统固化材料的理想替代品。此外，地聚合物在制备过程中可比水泥减少60～80％的co2排放和60％的能耗。如果将传统固化材料替换成地聚合物，不仅能够减少固化材料的生产成本，还能缓解工业废料堆积所造成的生态破坏的问题。
5.半刚性基层是我国道路基层的主要类型，在修建半刚性基层的过程中，需要大量开采沿线地区的砂、石等建筑材料，这不仅导致了沿线地区的地貌破坏，也使得沿线的砂、石资源越发匮乏。同时，环境保护越来越受到重视，开采砂、石资源的规定更加严格，导致砂石料的开采成本和难度也随之增长。因此，将地聚合物固化废弃泥浆用于道路底基层的修建，具有良好的应用前景。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术的不足提供一种地聚合物固化废弃泥浆及其制备方法和应用。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
8.本发明提供了一种地聚合物固化废弃泥浆，包含如下制备原料：前驱体、废弃泥浆、碱激发剂和水；
9.所述前驱体为粉煤灰和矿渣粉，碱激发剂为水玻璃；
10.废弃泥浆的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的92～94％；
11.碱激发剂的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的3～5％。
12.作为优选，所述矿渣粉在前驱体中的质量掺量为68～72％。
13.作为优选，所述废弃泥浆为经过脱水处理的废弃泥浆，废弃泥浆的粒径≤2mm。
14.作为优选，所述粉煤灰的比表面积为415～425m2/kg，烧失量为2.48～2.56％；
15.所述矿渣粉的比表面积为425～432m2/kg，烧失量为0.52～0.56％。
16.作为优选，所述碱激发剂的模数为1.1～1.5，固含量为32.6～34.5％。
17.作为优选，所述地聚合物固化废弃泥浆的含水率为12.4～12.8％，干密度为1.865～1.984g/cm3。
18.本发明还提供了所述的地聚合物固化废弃泥浆的制备方法，包含如下步骤：
19.1)将废弃泥浆和前驱体进行干拌，干拌物和水进行混合，得到混合料；
20.2)将混合料进行闷料处理和碱激发剂混合，得到地聚合物固化废弃泥浆。
21.作为优选，步骤1)所述干拌的时间为0.5～1.5min；所述混合的时间为1.5～2.5min。
22.作为优选，步骤2)所述闷料处理的时间为16～18h；所述混合的时间为1.8～2.2min。
23.本发明还提供了所述的地聚合物固化废弃泥浆在路基建筑材料中的应用。
24.本发明的有益效果包括以下几点：
25.1)本发明的地聚合物固化废弃泥浆的力学强度满足一级公路重交通底基层的标准，且耐久性能也满足土壤固化剂规范要求，微观结构较为密实，可满足一级公路重交通底基层的使用要求。
26.2)本发明采用地聚合物代替传统固化材料固化废弃泥浆的方法环保、成本低，具有良好的应用前景。
附图说明
27.图1为本发明粉煤灰的粒径级配；
28.图2为本发明矿渣粉的粒径级配；
29.图3为本发明原始废弃泥浆的粒径级配；
30.图4为本发明废弃泥浆的粒径级配；
31.图5为不同养护龄期下，前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与无侧限抗压强度关系图；
32.图6为实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆的养护龄期与无侧限抗压强度关系图；
33.图7为不同养护龄期下，前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与劈裂抗拉强度关系图；
34.图8为实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆的养护龄期与劈裂抗拉强度关系图；
35.图9为不同养护龄期下，前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与抗弯拉强度关系图；
36.图10为实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆的养护龄期与抗弯拉强度
关系图；
37.图11为不同养护龄期下，前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与弹性模量关系图；
38.图12为实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆的养护龄期与弹性模量关系图；
39.图13为前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与抗压回弹模量关系图；
40.图14为前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与水稳定性系数关系图；
41.图15为干湿循环试验后实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆的无侧限抗压强度变化图；
42.图16为前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与干湿循环系数关系图；
43.图17为前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与断裂韧度关系图；
44.图18为前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与断裂能关系图；
45.图19为原始废弃泥浆和28d龄期下k6、k10的xrd图，其中，(a)为原始废弃泥浆的xrd图，(b)为28d龄期下k6的xrd图，(c)为28d龄期下k10的xrd图；
46.图20为原始废弃泥浆和28d龄期下k6、k10的sem图，其中，(a)为原始废弃泥浆的sem图，(b)为28d龄期下k6的sem图，(c)为28d龄期下k10的sem图。
具体实施方式
47.本发明提供了一种地聚合物固化废弃泥浆，包含如下制备原料：前驱体、废弃泥浆、碱激发剂和水；
48.所述前驱体为粉煤灰和矿渣粉，碱激发剂为水玻璃；
49.废弃泥浆的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的92～94％；
50.碱激发剂的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的3～5％。
51.本发明中，废弃泥浆的质量优选为前驱体和废弃泥浆总质量的92.5～93.5％，进一步优选为93％。
52.本发明中，碱激发剂的质量优选为前驱体和废弃泥浆总质量的3.5～4.5％，进一步优选为4％。
53.本发明中，所述矿渣粉在前驱体中的质量掺量优选为68～72％，进一步优选为69～71％，更优选为70％。
54.本发明中，原料中添加的水的质量＝地聚合物固化废弃泥浆中水的质量-水玻璃中水的质量。
55.本发明中，所述废弃泥浆优选为经过脱水处理的废弃泥浆；废弃泥浆的粒径优选为≤2mm，进一步优选为≤1.5mm，更优选为≤1mm。
56.本发明中，所述脱水处理的方法优选为晒干或将废弃泥浆静置沉淀后，对沉淀得到的泥浆进行干燥；所述干燥的温度优选为100～110℃，进一步优选为104～106℃，更优选为105℃，干燥的时间优选为12～14h，进一步优选为12.5～13.5h，更优选为13h。
57.本发明中，所述粉煤灰的比表面积优选为415～425m2/kg，进一步优选为418～422m2/kg，更优选为420m2/kg；烧失量优选为2.48～2.56％，进一步优选为2.5～2.54％，更优选为2.52％；
58.所述矿渣粉的比表面积优选为425～432m2/kg，进一步优选为427～430m2/kg，更优
选为428m2/kg；烧失量优选为0.52～0.56％，进一步优选为0.53～0.55％，更优选为0.54％。
59.本发明中，所述碱激发剂的模数优选为1.1～1.5，进一步优选为1.2～1.4，更优选为1.3；固含量优选为32.6～34.5％，进一步优选为33～34％，更优选为33.5％。
60.本发明中，所述地聚合物固化废弃泥浆的含水率优选为12.4～12.8％，进一步优选为12.5～12.6％；干密度优选为1.865～1.984g/cm3，进一步优选为1.893～1.942g/cm3。
61.本发明还提供了所述的地聚合物固化废弃泥浆的制备方法，包含如下步骤：
62.1)将废弃泥浆和前驱体进行干拌，干拌物和水进行混合，得到混合料；
63.2)将混合料进行闷料处理后和碱激发剂混合，得到地聚合物固化废弃泥浆。
64.本发明中，步骤1)所述干拌的时间优选为0.5～1.5min，进一步优选为0.8～1.2min，更优选为1.0min；所述混合的时间优选为1.5～2.5min，进一步优选为1.8～2.2min，更优选为2.0min。
65.本发明中，步骤2)所述闷料处理的时间优选为16～18h，进一步优选为16.5～17.5h，更优选为17h；所述混合的时间优选为1.8～2.2min，进一步优选为1.9～2.1min，更优选为2.0min。
66.本发明还提供了所述的地聚合物固化废弃泥浆在路基建筑材料中的应用。
67.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
68.实施例和对比例中，粉煤灰为巩义市元亨净水材料厂生产的ⅰ级粉煤灰；矿渣粉为焦作市松发建材有限公司生产的s95级矿渣粉；废弃泥浆取自2021年5月份南阳至镇平快速通道(镇平境)改建工程中的钻孔灌注桩废弃泥浆。
69.实施例1
70.地聚合物固化废弃泥浆中，废弃泥浆的质量掺量为93％，前驱体的质量掺量为7％(矿渣粉在前驱体中的质量掺量为70％，粉煤灰在前驱体中的质量掺量为30％)，水玻璃的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的4％，水的质量＝地聚合物固化废弃泥浆中水的质量-水玻璃中水的质量。
71.废弃泥浆为经过脱水处理的废弃泥浆，废弃泥浆的粒径≤2mm；原始废弃泥浆的含水量为78.06％，自由膨胀率为18％，塑限为19.7％，液限为29.2％，塑性指数为9.5％，ph值为8.4，相对密度为1.23g/cm3；废弃泥浆中的成分及含量为：sio253.37％、cao 17.74％、al2o314.32％、fe2o35.35％、mgo4.17％、k2o 2.7％、na2o 1.04％、tio20.77％、p2o50.18％、so30.14％、其他0.22％；脱水处理的方法为：将原始废弃泥浆静置沉淀后，将沉淀得到的泥浆在105℃的烘箱中干燥13h。
72.粉煤灰的比表面积为420m2/kg，烧失量为2.52％，颜色为深灰色；粉煤灰中的成分及含量为：sio254.82％、al2o334.07％、fe2o33.7％、cao 2.26％、k2o 1.44％、tio21.33％、so30.74％、mgo 0.63％、na2o 0.46％、p2o50.23％、其他0.32％。
73.矿渣粉的比表面积为428m2/kg，烧失量为0.54％，颜色为白色；矿渣粉中的成分及含量为：sio238.65％、al2o316.78％、fe2o31.07％、cao 29.59％、k2o 0.79％、tio20.9％、so32.51％、mgo 8.27％、na2o 0.92％、p2o50.06％、其他0.46％。
74.水玻璃的模数为1.3(原始模数为3.2)，比重为1.41g/cm3，固含量为34.2％，sio2含
量为25.9％，na2o含量为8.3％。
75.将废弃泥浆和前驱体干拌1min，干拌物和水混合2min，得到混合料；将混合料倒入塑料袋封口，闷料处理17h后和水玻璃混合2min，得到地聚合物固化废弃泥浆。
76.地聚合物固化废弃泥浆的含水率为12.6％，干密度为1.963g/cm3。
77.对比例1
78.将矿渣粉在前驱体中的质量掺量修改为60％，其他条件同实施例1，得到地聚合物固化废弃泥浆。
79.对比例2
80.将矿渣粉在前驱体中的质量掺量修改为80％，其他条件同实施例1，得到地聚合物固化废弃泥浆。
81.对比例3
82.将矿渣粉在前驱体中的质量掺量修改为90％，其他条件同实施例1，得到地聚合物固化废弃泥浆。
83.对比例4
84.将矿渣粉在前驱体中的质量掺量修改为100％，其他条件同实施例1，得到地聚合物固化废弃泥浆。
85.对试样进行基本力学性能测试，包括无侧限抗压强度测试、劈裂抗拉强度测试、抗弯拉强度测试、弹性模量测试、抗压回弹模量测试。
86.一、无侧限抗压强度测试参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》jtg e51-2009中t0805的试验方法，采用
×
50mm的圆柱体试件，压实度设定为98％，单个圆柱体试件中各物质的加入量按照式1～式5计算。
87.m0＝v
×
ρ
max
×
(1+w
opt
)
×
γ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
88.mn＝m0
×
αnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式2
89.mf＝m
0-mnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3
90.mb＝m0
×
αbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式4
91.mw＝m0×wopt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式5
92.其中，m0为单个圆柱体试件的标准质量，v为试件的体积/cm3，w
opt
为地聚合物固化废弃泥浆的含水率/％，ρ
max
为地聚合物固化废弃泥浆的干密度/g
·
cm3，γ为压实度/％，mn为废弃泥浆的质量/g，mf为前驱体的质量/g，mb为水玻璃的质量/g，αn为废弃泥浆的质量掺量/％，αb为水玻璃的质量掺量/％，mw为地聚合物固化废弃泥浆中水的质量/g。
93.备料完成后，在圆柱体钢模内壁和上下垫块处各涂上一层机油(机油的型号为15w-30)，再分别将实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆分两层装入模具中，每层用细铁棒插捣25下，将钢模配套的上下垫块分别外露2cm，最后放在量程为300kn的waw-300b型微机控制电液伺服万能试验机的升降台上，按照1mm/min的加载速率加压，直到上下垫块完全压入圆柱体钢模后停止加压，稳压2min，然后将压制完毕的钢模放到电动脱模器(电动脱模器的型号为tld141)上脱模并取出试件。脱模后的试件用塑料袋密封，随后放入温度为20℃、相对湿度为97％rh的养护箱中进行养护，养护龄期分别为7d、14d、28d，实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆分别制作6个平行试件，共计制备90个试件，同一组配合比的平行试件，在试验获得数据后采用3倍均方差法剔除异常值，同组试件试验的变
异系数不超过6％，若超过规定变异系数则补做试件，抗压强度取同组试件试验后的平均值。试件在养护箱中养护到规定养护龄期的前一天，将试件取出放入水盆中，水面高于试件25mm，水温控制在20℃，浸泡一天取出浸泡后试件，用干抹布吸干试件表面水分，采用量程为50kn的wdw-50微控电子万能试验机，精度为0.1n，试验加载速率控制为1mm/min，加压至试件破坏，记录试件破坏时的最大压力，试件的无侧限抗压强度按照式6～式7计算。
[0094][0095][0096]
其中，re为试件的无侧限抗压强度/mpa，p为试件破坏时的最大压力/n，a为试件的截面积/mm2，d为试件直径/mm。
[0097]
本发明中涉及的k7、k6、k8、k9和k10分别表示为实施例1、对比例1～4所制得的试件，k6～k10的无侧限抗压强度结果如表1～3所示。
[0098]
表1k6～k10的7d无侧限抗压强度结果
[0099]
试件编号k6k7k8k9k10抗压强度/mpa1.922.232.392.683.24标准差/mpa0.0700.1070.0780.1500.121变异系数/％3.64.83.35.63.7
[0100]
表2k6～k10的14d无侧限抗压强度结果
[0101]
试件编号k6k7k8k9k10抗压强度/mpa2.112.612.913.243.75标准差/mpa0.1160.1300.1020.1380.121变异系数/％5.55.03.54.33.2
[0102]
表3k6～k10的28d无侧限抗压强度结果
[0103]
试件编号k6k7k8k9k10抗压强度/mpa2.242.813.243.474.05标准差/mpa0.1060.1300.1130.1530.177变异系数/％4.74.63.54.34.4
[0104]
由表1可知：矿渣粉在前驱体中的质量掺量为70％时，地聚合物固化废弃泥浆的7d无侧限抗压强度可达到2.23mpa，已满足《公路沥青路面设计规范》(jtg d50-2006)中一级公路重交通底基层的强度设计标准。
[0105]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与无侧限抗压强度关系图如图5所示，由图5可知：地聚合物固化废弃泥浆各个龄期的无侧限抗压强度随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大而增大。前驱体中矿渣粉的质量掺量从60％上升至100％时，地聚合物固化废弃泥浆的7d、14d和28d无侧限抗压强度分别提升了68.8％、77.7％和80.8％，产生这种现象是因为粉煤灰玻璃体中[sio4]
4-的聚合度相较于矿渣粉要高很多，玻璃体中[sio4]
4-的聚合度越高，稳定性越好，就越难被激活。矿渣粉玻璃体中[sio4]
4-的聚合度较粉煤灰更低，更容易被激活，在碱激发作用下地聚合反应也更加剧烈，这使得前驱体中矿渣粉质量掺量较大的工况，
在地聚合反应中产生的凝胶物质更多，从而使地聚合物固化废弃泥浆内部结构更为密实，强度更高；另一方面，矿渣粉化学组成成分中cao的含量相比粉煤灰高很多，cao的引入能够促进凝胶物质的生成，如[sio4]
4-、ca
2+
和h2o反应生成的c-(a)-s-h(水合铝硅酸钙)凝胶，使得地聚合物固化废弃泥浆产生更高的力学性能。
[0106]
由表1～3可知：以7d龄期的无侧限抗压强度为基准，地聚合物固化废弃泥浆14d龄期的无侧限抗压强度增长幅度为9.9～21.8％，28d龄期的无侧限抗压强度增长幅度为16.7～35.6％；以14d龄期的无侧限抗压强度为基准，地聚合物固化废弃泥浆28d龄期的无侧限抗压强度增长幅度为6.2～11.3％。养护14d时，地聚合物固化废弃泥浆的无侧限抗压强度已达到最大龄期强度的88.7～93.8％，可以看出地聚合物固化废弃泥浆的无侧限抗压强度主要在养护的前14d生成。
[0107]
养护龄期与无侧限抗压强度关系图如图6所示，由图6可知：地聚合物固化废弃泥浆抗压强度在7～14d养护期间增幅较大，在14～28d的养护期间增幅较小，产生这种现象主要是由于k6～k10的前驱体中矿渣粉的质量掺量均在50％以上，矿渣粉活性较高，在碱激发作用下会迅速发生地聚合反应，在早期快速提升地聚合物固化废弃泥浆的无侧限抗压强度，因此在养护的前14d，地聚合物固化废弃泥浆的无侧限抗压强度增幅较大。而在养护14d后，前驱体中大部分矿渣粉已完成地聚合反应，剩下未反应的矿渣粉量很少，从而导致地聚合物固化废弃泥浆内部地聚合反应减弱，最终表现为14d～28d养护期间地聚合物固化废弃泥浆的无侧限抗压强度增幅放缓。
[0108]
二、劈裂抗拉强度测试参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》jtg e51-2009中t0806的试验方法，对k6～k10进行不同龄期的劈裂抗拉强度试验，试验所用试件与无侧限抗压强度试验一致，采用
×
50mm的圆柱体试件，试件的养护龄期分别为7d、14d和28d，实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆分别制作6个平行试件，共计制备90个试件。达到设定养护龄期的前一天，将试件浸水养护一天，浸水养护完毕后，将试件表面上残余的水分擦干，用游标卡尺测量试件泡水后的垂直高度。试验使用wdw-50微控电子万能试验机，量程为50kn，精度为0.1n，加载速率设置为1mm/min，将试件横放在压力机升降台上，加压至试件破坏，记录试件破坏时的最大压力，试件的劈裂抗拉强度按照式8进行计算。在试验获得数据后采用3倍均方差法剔除异常值，同组试件试验的变异系数不超过6％，若超过规定变异系数则补做试件，劈裂抗拉强度取同组试件试验后的平均值。
[0109][0110]
其中，ri为劈裂抗拉强度/mpa，p为破坏压力/n，d为试件直径/mm，h为试件垂直高度/mm。k6～k10的劈裂抗拉强度结果如表4～6所示。
[0111]
表4k6～k10的7d劈裂抗拉强度结果
[0112]
试件编号k6k7k8k9k10劈裂抗拉强度/mpa0.130.130.140.160.17标准差/mpa0.0050.0040.0050.0070.009变异系数/％3.83.13.64.45.3
[0113]
表5k6～k10的14d劈裂抗拉强度结果
[0114]
试件编号k6k7k8k9k10劈裂抗拉强度/mpa0.150.170.180.20.22标准差/mpa0.0070.0050.0080.0080.011变异系数/％4.72.94.44.05.0
[0115]
表6k6～k10的28d劈裂抗拉强度结果
[0116]
试件编号k6k7k8k9k10劈裂抗拉强度/mpa0.160.200.220.230.25标准差/mpa0.0070.0090.0120.0110.011变异系数/％4.44.55.54.84.4
[0117]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与劈裂抗拉强度关系图如图7所示，由图7可知：地聚合物固化废弃泥浆各个龄期的劈裂抗拉强度随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大而增大。前驱体中矿渣粉的质量掺量从60％上升至100％时，地聚合物固化废弃泥浆的7d、14d和28d劈裂抗拉强度分别提升了30.8％、46.7％和56.3％，这说明前驱体中矿渣粉质量掺量的提升可以增强固化泥浆的劈裂抗拉强度。随着前驱体中矿渣粉质量掺量的提升，地聚合物固化废弃泥浆劈裂抗拉强度的变化和无侧限抗压强度的变化趋势一致，都是随着前驱体中矿渣粉质量掺量的提升而增强。这是由于地聚合物固化剂在发生地聚合反应后，其产生的胶凝物质会将土颗粒黏聚在一起，增强了地聚合物固化废弃泥浆对横向力的抵御能力。矿渣粉的活性较粉煤灰强，在碱激发作用下地聚合反应也更为剧烈，因此随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大，地聚合物固化废弃泥浆劈裂抗拉强度呈现增长趋势。
[0118]
由表4～6可知：以7d龄期的劈裂抗拉强度为基准，地聚合物固化废弃泥浆14d龄期的劈裂抗拉强度增长幅度为15.4％～30.8％，28d龄期的劈裂抗拉强度增长幅度为23.1％～57.1％；以14d龄期的劈裂抗拉强度为基准，地聚合物固化废弃泥浆28d龄期的劈裂抗拉强度增长幅度为6.7％～22.2％。养护14d时，地聚合物固化废弃泥浆的劈裂抗拉强度已达到最大龄期强度的77.8％～93.3％，可以看出地聚合物固化废弃泥浆的劈裂抗拉强度主要在养护的前14d生成。
[0119]
养护龄期与劈裂抗拉强度关系图如图8所示，由图8可知：地聚合物固化废弃泥浆劈裂抗拉强度在7～14d养护期间增幅较大，在14～28d的养护期间增幅较小。其变化趋势与无侧限抗压强度的变化趋势一致，产生这种趋势的原因也基本一致。
[0120]
三、抗弯拉强度测试参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》jtg e51-2009中t 0851抗弯拉试验要求，采用50mm
×
50mm
×
200mm的梁体试件，试件所需的各物质的加入量的计算方法与圆柱体试件一致，压实度为98％，按照jtg e51-2009规程t 0844中的静压法制作梁体试件。梁式模具配制上下两个垫块，梁式试件的压制方法也与圆柱体试件一致，将机油涂抹在梁式模具内壁和上下垫块表面，地聚合物固化废弃泥浆分两层装填，每层用细铁棒插捣25下，在量程为300kn的压力机上压制，上下垫块外露2cm，用1mm/min的加载速率加压，直至上下垫块完全压入梁式模具中停止加压，稳压2min。稳压完毕后用扳手拆卸模具取出试块，用塑料袋密封好后，放入温度为20℃、相对湿度为97％rh的养护箱中进行养护，养护龄期分别为7d、14d、28d，实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆分别制作6个平行试件，共计90个试件。与圆柱体试件一致，达到养护龄期的前一天，将梁式试件从塑料袋中取出，在标准养护室中泡水一天，水面高出试件25mm，水温控制在20℃。
[0121]
抗弯拉强度试验同样使用wdw-50微控电子万能试验机，量程为50kn，精度为0.1n。泡水完毕后，擦干试件表面水分，用记号笔在试件上标记好三分点的位置，放置试件时，确保弯拉试验使用的上下压块位于试件的三分点处。放置好试块后，开始加压，加载速率设置为1mm/min，直至试件断裂，记录破坏时最大压力，抗弯拉强度按照式9计算。在试验获得数据后采用3倍均方差法剔除异常值，同组试件试验的变异系数不超过6％，若超过规定变异系数则补做试件，抗弯拉强度取同组试件试验后的平均值。
[0122][0123]
其中，rs为抗弯拉强度/mpa，p为破坏压力/n，l为跨距/mm，b为试件宽度/mm，h为试件高度/mm。k6～k10的抗弯拉强度结果如表7～9所示。
[0124]
表7k6～k10的7d抗弯拉强度结果
[0125]
试件编号k6k7k8k9k10弯拉强度/mpa0.340.350.390.450.48标准差/mpa0.0090.0180.0170.0140.024变异系数/％2.65.14.43.15.0
[0126]
表8k6～k10的14d抗弯拉强度结果
[0127]
试件编号k6k7k8k9k10弯拉强度/mpa0.390.430.480.550.62标准差/mpa0.0160.0110.0260.0230.035变异系数/％4.12.65.44.25.6
[0128]
表9k6～k10的28d抗弯拉强度结果
[0129]
试件编号k6k7k8k9k10弯拉强度/mpa0.440.490.520.640.70标准差/mpa0.0220.0250.0210.0380.034变异系数/％5.05.14.05.94.9
[0130]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与抗弯拉强度关系图如图9所示，由图9可知：地聚合物固化废弃泥浆各个龄期的抗弯拉强度随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大而增大。前驱体中矿渣粉的质量掺量从60％上升至100％时，地聚合物固化废弃泥浆的7d、14d和28d抗弯拉强度分别提升了41.2％、59.0％和59.1％，这说明前驱体中矿渣粉质量掺量的提升也可以增强地聚合物固化废弃泥浆的抗弯拉强度。地聚合物固化废弃泥浆抗弯拉强度的变化趋势与无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度变化趋势相同，产生这种趋势的原因也基本一致。
[0131]
由表7～9可知：以7d龄期的抗弯拉强度为基准，地聚合物固化废弃泥浆14d龄期的抗弯拉强度增长幅度为14.7％～29.2％，28d龄期的抗弯拉强度增长幅度为29.4％～45.8％；以14d龄期的抗弯拉强度为基准，地聚合物固化废弃泥浆28d龄期的抗弯拉强度增长幅度为8.3％～16.4％。养护14d时，地聚合物固化废弃泥浆的抗弯拉强度已达到最大龄期强度的83.6％～91.7％，可以看出地聚合物固化废弃泥浆的抗弯拉强度主要在养护的前14d生成。
[0132]
养护龄期与抗弯拉强度关系图如图10所示，由图10可知：地聚合物固化废弃泥浆抗弯拉强度在7～14d养护期间增幅较大，在14～28d的养护期间增幅较小。其变化趋势与无侧限抗压、劈裂抗拉强度的变化趋势相同，产生这种趋势的原因也基本一致。
[0133]
四、弹性模量测试是在进行无侧限抗压强度试验时，通过wdw-50微控电子万能试验机内置的力值传感器和位移传感器来获取试件在加载过程中的荷载力值和变形值，试验机加载速率保持在1mm/min，设置荷载力达到25n时，即上压板接触试件开始施加压力时，试验机开始记录试件变形值。按此方法，记录在抗压强度试验中全部试块的数据，共计90组数据。将采集到的数据绘制应力应变图，根据试件的应力应变图计算弹性模量，弹性模量的计算公式如式10所示。
[0134][0135]
其中，e为弹性模量/mpa，fr为最大荷载/n，d为试件直径/mm，ε3为0.3fr时试件的纵向压应变，ε3＝δl/l，δl为试件纵向变形/mm，l为试件纵向标距/mm。k6～k10的弹性模量结果如表10所示，表11为土弹性模量参考值。
[0136]
表10k6～k10的弹性模量试验结果
[0137][0138]
表11土弹性模量参考值
[0139][0140]
由表10～11可知：地聚合物固化废弃泥浆的弹性模量要显著高于一般土类。k8～k10三个龄期的弹性模量均已达到紧密沙卵石类的弹性模量范围；在龄期为7d时，k6和k7的弹性模量已达到紧沙的弹性模量范围。
[0141]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与弹性模量关系图、养护龄期与弹性模量的关系图分别如图11、图12所示，由图11可知：地聚合物固化废弃泥浆的弹性模量随着矿渣粉在前驱体中质量掺量的增大而增大，前驱体中矿渣粉的质量掺量从60％上升至100％时，地聚合物固化废弃泥浆的7d、14d和28d弹性模量分别提升了86.3％、74.2％和65.3％；由图12可知：地聚合物固化废弃泥浆的弹性模量在7～14d养护期间增幅较大，在14～28d的养护期间增幅较小。前驱体中矿渣粉占比和养护龄期对地聚合物固化废弃泥浆弹性模量的影响规律与无侧限抗压强度的变化趋势相同，产生这种趋势的原因也基本一致。
[0142]
五、抗压回弹模量测试参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》jtg e51-2009中t 0808的顶面法对k6～k10进行抗压回弹模量试验，根据试验规程要求，选用尺寸为
×
100mm的圆柱体试件，制作方法同样采用静压法，养护龄期为28d，实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆分别制作6个平行试件，共制备30个试件。试验开始前，设定5个荷载等级，5个荷载等级分别取各配合比地聚合物固化废弃泥浆28d无侧限抗压强度的12％、24％、36％、48％、60％。在到达设定养护龄期的前一天，将试块泡水一天，对于上下端面极不平整的试块，应在泡水前用水泥净浆将上下两个端面抹平，抹平后放置8h，等水泥净浆固结后再泡水。试件泡水完毕后，将试块表面水分用干抹布吸干，在试件顶面撒上粒径为0.25mm的细沙，并采用手压的方法，使用直径大于试件顶面的钢板在试件顶面旋转加压，使细沙能够填充试件顶面不平整处。
[0143]
试验采用的加压设备为waw-300b型微机控制电液伺服万能试验机，量程为300kn，试件顶面整平完毕后，将试件和钢板放在试验机升降台中央，按照规范要求安装好两块千分表。试验的加载速率设置为1mm/min，试验前对试件进行两次预压，每次预压荷载为试件设定最大荷载的一半，即第5级荷载值的一半，目的是将试件顶部与加载顶板紧密接触。预压完毕后进行正式试验，首先施加第1级荷载，达到预设荷载值后，稳压1min，记录两块千分表读数，然后卸载，卸载0.5min后，再次记录卸载后千分表的读数，按此流程直到完成第5级荷载的加卸载试验。将试验中记录的数据绘制成单位压力和回弹变形关系曲线图，结合式11进行抗压回弹模量的计算。在试验获得数据后采用3倍均方差法剔除异常值，同组试件试验的变异系数不超过15％，若超过规定变异系数则补做试件，抗压回弹模量取同组试件试验后的平均值。
[0144][0145]
其中，ec为抗压回弹模量/mpa，p为单位压力/mpa，h为试件高度/mm，l为试件回弹变形/mm。k6～k10的抗压回弹模量结果如表12所示。
[0146]
表12k6～k10的抗压回弹模量结果
[0147]
试件编号k6k7k8k9k10回弹模量/mpa743856102111201313标准差/mpa41.364.358.474.792.6变异系数/％5.67.55.76.77.1
[0148]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与抗压回弹模量关系图如图13所示，由图13可知：地聚合物固化废弃泥浆的抗压回弹模量随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大而增大。前驱体中矿渣粉的质量掺量从60％上升至100％时，地聚合物固化废弃泥浆的抗压回弹模量提升了76.72％。抗压回弹模量表现的是材料在弹性阶段内抵御竖向变形的能力。在相同荷载下，抗压回弹模量值越大，则表示材料变形越小。在碱激发作用下，矿渣粉发生的地聚合反应较快，粉煤灰发生的地聚合反应相对较缓慢，相同龄期内矿渣粉占比大的地聚合物固化废弃泥浆混合料，在地聚合反应中生成凝胶物质的数量更多，能更大程度的黏聚地聚合物固化废弃泥浆内的土颗粒，使其内部结构更加密实稳固，从而提升其刚度。
[0149]
对试样进行耐久性能测试，包括水稳定性测试、干湿循环测试。
[0150]
一、水稳定性测试参照《土壤固化外加剂》(cj/t 486—2015)进行试验，采用尺寸为
×
50mm的圆柱体试件，制作方法与无侧限抗压强度试验一致，实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆分别制作12个平行试件，共60个试件。将同一个配比的12个平行件，分成两组，每组6个平行试件。按照jtg e51-2009规范的养护方法将第一组平行试件养护6d后取出，再泡水1d，共养护7d；第二组平行试件在养护室中直接养护7d，不泡水。养护完毕后，在试验机上测试所有试件的无侧限抗压强度，水稳定系数按照式12计算。
[0151][0152]
其中，γw为水稳定系数/％，rw为7d最后一天泡水养护试件的无侧限抗压强度/mpa，r0为7d恒温恒湿养护试件的无侧限抗压强度/mpa。k6～k10的水稳定性试验结果如表13所示。
[0153]
表13k6～k10的水稳定性试验结果
[0154]
试件编号k6k7k8k9k107d最后一天泡水养护强度/mpa1.922.232.392.683.247d恒温恒湿养护强度/mpa1.992.342.562.923.63水稳定系数/％96.495.393.291.789.2
[0155]
规范《土壤固化剂应用技术标准》(cjj/t286—2018)中规定固化土水稳定性系数应≥80％，由表13中的试验结果可以看出：k6～k10的水稳定性系数均满足规范要求。
[0156]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与水稳定性系数关系图如图14所示，由图14可知：随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大，地聚合物固化废弃泥浆的水稳定性系数呈现逐渐下降的趋势，即随着前驱体中粉煤灰占比的增大，水稳定性系数提升。但前驱体中粉煤灰-矿渣粉的质量比变化时，地聚合物固化废弃泥浆水稳定性系数的变动幅度并不大，最大值与最小值仅相差7.2％，相较于前驱体中粉煤灰-矿渣粉质量比对于基本力学性能的影响，其对于水稳定性的影响较小。产生这种现象是由于矿渣粉活性较高，随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增多，地聚合反应生成的水化硅酸钙凝胶增多使得地聚合物固化废弃泥浆内的化学收缩相对增大，且随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大，地聚合反应更为剧烈，会迅速释放大量的热，在地聚合物固化废弃泥浆内形成热应力，从而使其内部产生微裂缝。在试块浸泡过程中，水会通过这些微裂缝浸入，土体内较离散的土颗粒随之少量流失，从而使地聚合物固化废弃泥浆整体强度降低。另一方面，粉煤灰活性较矿渣粉弱，前期反应较慢，在试块泡水时，部分粉煤灰未完全反应，其本身含有活性炭，吸水性较强，可以吸收部分浸入土体内的水分，维持土体内部结构稳定，且未反应的粉煤灰一定程度上填补了土体结构内的微裂缝，减缓了土体整体强度的流失。
[0157]
二、干湿循环测试中，所用试件的制备方法与无侧限抗压强度试验一致，试件尺寸为
×
50mm，养护龄期设定为28d，实施例1和对比例1～4的地聚合物固化废弃泥浆分别制作6个平行试件，共制作30个试件。在到达设定养护龄期的前一天，在养护室中泡水24h，水面高于试件顶面2.5cm，水温控制在20℃。28d养护完毕后，将饱水试件放入烘箱中烘24h，烘箱温度设定为50℃，试件烘完后再在养护室中泡水24h，此为一个干湿循环，反复进行5次干湿循环后，进行抗压强度测试，干湿循环系数按照式13计算。
[0158][0159]
其中，d为干湿循环系数/％，r
干湿
为5次干湿循环后的抗压强度/mpa，r
标养
为28天标准养护后的抗压强度/mpa。k6～k10的干湿循环结果如表14所示。
[0160]
表14k6～k10的干湿循环结果
[0161]
试件编号k6k7k8k9k105次干湿循环后强度/mpa1.782.212.542.693.0928d标准养护后强度/mpa2.242.813.243.474.05干湿循环系数/％79.678.878.377.576.2
[0162]
干湿循环试验后k6～k10的无侧限抗压强度变化图如图15所示，由图15可知：k6～k10在经过5次干湿循环后，各配合比地聚合物固化废弃泥浆的无侧限抗压强度均有一定程度的下降，且前驱体中矿渣粉质量掺量越大，地聚合物固化废弃泥浆的无侧限抗压强度下降幅度越大。经过5次干湿循环后，k6～k10的无侧限抗压强度分别下降了20.5％、21.4％、21.6％、22.5％、23.7％。
[0163]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与干湿循环系数关系图如图16所示，由图16可知：随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大，地聚合物固化废弃泥浆的干湿循环系数逐渐降低，即随着前驱体中粉煤灰占比的提升，干湿循环系数随之提升，变化趋势与水稳定性相似，且变化幅度不大。前驱体中矿渣粉的质量掺量从60％上升到了100％时，地聚合物固化废弃泥浆的干湿循环系数从79.6％下降到了76.2％，仅下降了3.4％。说明前驱体中粉煤灰-矿渣粉的质量比的变化会影响地聚合物固化废弃泥浆的干湿循环系数，但相较于前驱体中粉煤灰-矿渣粉质量比对于基本力学性能的影响，其对于干湿循环特性的影响较小。
[0164]
对试样进行断裂性能测试，采用数字图像相关(dic)技术和三点弯曲梁试验同步进行的试验方法。采用的加载设备为waw-1000微机控制万能试验机；使用尺寸为5mm
×
10mm
×
60mm的不锈钢钢条当作加载垫块；荷载传感装置采用蚌埠恒远传感器科技有限公司的hymh-018型微型膜盒承重传感器，量程为2kn，精度为0.00001n；试件的跨中挠度测量装置选用ywc-5型位移传感器，量程为50mm，灵敏度为0.5mv/mm；试件裂缝张开位移测量装置选用量程为10mm，精度为0.5级的夹式引伸计；试件应变测量使用120-10aa型应变片测量；数据采集装置选用dh3818y型静态应变测试仪，采集频率为5hz。k6～k10的断裂参数结果如表15所示。
[0165]
表15k6～k10的断裂参数结果
[0166][0167]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与断裂韧度关系图如图17所示，由图17可知：前驱体中矿渣粉质量掺量最小的k6起裂断裂韧度为0.077mpa
·m1/2
，失稳断裂韧度为0.096mpa
·m1/2
，随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增长，地聚合物固化废弃泥浆的断裂韧度也呈现出逐步增大的趋势。当前驱体中矿渣粉的质量掺量分别提升至70％、80％、90％、100％时，相应试件的起裂断裂韧度与k6相比，增幅分别为11.7％、16.9％、35.1％、49.4％；失稳断裂韧度增幅分别为11.5％、12.5％、15.6％、28.1％。
[0168]
前驱体中粉煤灰和矿渣粉的质量比与断裂能关系图如图18所示，由图18可知：地聚合物固化废弃泥浆的断裂能整体变化趋势和断裂韧度相似，同样是随着前驱体中矿渣粉质量掺量的增大而增大。前驱体中矿渣粉质量掺量最小的k6断裂能为18.7n/m，当前驱体中矿渣粉的质量掺量分别提升至70％、80％、90％、100％时，相应试件的断裂能与k6相比，增幅分别为116.6％、141.7％、292.0％、369.5％。
[0169]
对试样进行微观结构试验，采用日本理学电机株式会社生产的smartlab智能x射线衍射仪对原始废弃泥浆和地聚合物固化废弃泥浆进行物相分析，地聚合物固化废弃泥浆选用7d、28d龄期下的k6和k10。扫描电镜放大200倍时，原始废弃泥浆和28d龄期下k6、k10的xrd图如图19所示，其中，(a)为原始废弃泥浆的xrd图，(b)为28d龄期下k6的xrd图，(c)为28d龄期下k10的xrd图。由图19的(a)～(c)可知：原始废弃泥浆内部结构松散，观测面附着大量的细小土颗粒，地聚合物固化废弃泥浆内部土颗粒黏聚程度显著提升，结构更为密实，且k10的密实程度显著高于k6。说明地聚合物固化剂可以显著提升废弃泥浆试件内部结构的密实度，且地聚合物前驱体中矿渣粉的质量掺量越大，对密实度的提升效果越明显。
[0170]
扫描电镜下放大10000倍时，原始废弃泥浆和28d龄期下地聚合物固化废弃泥浆k6、k10的sem图如图20所示，其中，(a)为原始废弃泥浆的sem图，(b)为28d龄期下k6的sem图，(c)为28d龄期下k10的sem图。由图20的(a)～(c)可知：原始废弃泥浆的土颗粒排列组合形式为絮凝结构，是典型的软黏土的土颗粒排列组合形式之一。土颗粒呈菱片状，土颗粒间存在大量孔隙，土体之间连结较少，总体上呈现出较为分散的状态。在遭遇水侵蚀或外力作用下，其内部土颗粒之间易发生分离，稳定性和强度不高；地聚合物固化废弃泥浆中出现了条形和网状胶凝体结构，前驱体中矿渣粉质量掺量大的k10，其内部结构较k6更为密实，且凝胶物质主要为c-s-h和c-a-s-h凝胶。而前驱体中粉煤灰质量掺量较大的k6，其在地聚合反应中还伴随生成了n-a-s-h胶凝体。n-a-s-h胶凝体内部结构稳定，不能和矿渣粉的水化
产物进行二次反应，这导致k6内部土颗粒间的粘结程度相较于k10更低。
[0171]
结合地聚合物固化废弃泥浆的基本力学性能、耐久性能、断裂性能和微观结构研究结果，当水玻璃的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的4％、废弃泥浆的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的93％、矿渣粉在前驱体中的质量掺量为70％时，地聚合物固化废弃泥浆的力学强度满足一级公路重交通底基层的标准，且耐久性能也满足土壤固化剂规范要求，微观结构较为密实，可满足一级公路重交通底基层的使用要求，即地聚合物固化废弃泥浆可作为一种新型绿色低碳材料来替代部分传统道路底基层填筑材料。
[0172]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种地聚合物固化废弃泥浆，其特征在于，包含如下制备原料：前驱体、废弃泥浆、碱激发剂和水；所述前驱体为粉煤灰和矿渣粉，碱激发剂为水玻璃；废弃泥浆的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的92～94％；碱激发剂的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的3～5％。2.根据权利要求1所述的地聚合物固化废弃泥浆，其特征在于，所述矿渣粉在前驱体中的质量掺量为68～72％。3.根据权利要求1或2所述的地聚合物固化废弃泥浆，其特征在于，所述废弃泥浆为经过脱水处理的废弃泥浆，废弃泥浆的粒径≤2mm。4.根据权利要求3所述的地聚合物固化废弃泥浆，其特征在于，所述粉煤灰的比表面积为415～425m2/kg，烧失量为2.48～2.56％；所述矿渣粉的比表面积为425～432m2/kg，烧失量为0.52～0.56％。5.根据权利要求4所述的地聚合物固化废弃泥浆，其特征在于，所述碱激发剂的模数为1.1～1.5，固含量为32.6～34.5％。6.根据权利要求1或5所述的地聚合物固化废弃泥浆，其特征在于，所述地聚合物固化废弃泥浆的含水率为12.4～12.8％，干密度为1.865～1.984g/cm3。7.权利要求1～6任意一项所述的地聚合物固化废弃泥浆的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：1)将废弃泥浆和前驱体进行干拌，干拌物和水进行混合，得到混合料；2)将混合料进行闷料处理后和碱激发剂混合，得到地聚合物固化废弃泥浆。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述干拌的时间为0.5～1.5min；所述混合的时间为1.5～2.5min。9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述闷料处理的时间为16～18h；所述混合的时间为1.8～2.2min。10.权利要求1～6任意一项所述的地聚合物固化废弃泥浆在路基建筑材料中的应用。

技术总结
本发明属于固体废弃物处理技术领域。本发明提供了一种地聚合物固化废弃泥浆，由前驱体、废弃泥浆、碱激发剂和水制备而成；所述前驱体为粉煤灰和矿渣粉，碱激发剂为水玻璃；废弃泥浆的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的92～94％；碱激发剂的质量为前驱体和废弃泥浆总质量的3～5％。本发明还提供了所述的地聚合物固化废弃泥浆的制备方法和应用。本发明制得的地聚合物固化废弃泥浆的力学强度满足一级公路重交通底基层的标准，且耐久性能也满足土壤固化剂规范要求，微观结构较为密实，可满足一级公路重交通底基层的使用要求；而且制备过程环保，成本低，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。


技术研发人员：张鹏 高真 吴靖江 郭进军 毋存粮 郭振辉 洪建 尹贺军 张永 王晨阳
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20