一種砒砂巖改性材料的制作方法
【專利摘要】一種砒砂巖改性材料，屬于建筑材料領域。該材料包括砒砂巖或砒砂巖原巖、具有火山灰活性或潛在水硬性的成巖摻合料、通用硅酸鹽水泥和水；各組分質量百分比為：具有火山灰活性或潛在水硬性的成巖摻合料：0.5%-60%；砒砂巖或砒砂巖原巖：40%-90%；通用硅酸鹽水泥：0.5%-10%；成巖劑：0.5%-15%；水：5-20%。該砒砂巖改性筑壩材料具有材料強度高、干縮變形小、耐水性強、易于取材制作、施工方式簡便等優點。本發明的改性砒砂巖材料90天抗壓強度可達3MPa-25MPa，浸水軟化系數可達0.7以上。
【專利說明】一種砒砂巖改性材料
【技術領域】
[0001]本發明涉及建筑材料領域，特別涉及一種砒砂巖改性材料。
【背景技術】
[0002]砒砂巖是一種發育不完全，礦物成分主要為石英、鈣蒙脫石及方解石的泥巖、泥沙巖，主要分布在晉陜蒙交界地區。砒砂巖分布地區是黃土高原最集中的碎屑基巖產沙區，每年輸入黃河的粗泥沙約占黃河粗泥沙總量的62%，砒砂巖是黃河中游入黃泥沙的主要源頭，且砒砂巖區水土流失嚴重，地形支離破碎，給當地農業發展和生態環境帶來了災難性的影響。我國每年都投入大量的資金進行黃河河道治理和砒砂巖區的生態修復。目前針對砒砂巖的治理方式主要有生態修復措施和工程措施等，這些措施需要互相結合，相輔相成，工程措施是生態修復措施的基礎和保障。工程措施主要是修筑淤地攔沙壩，攔沙蓄水，淤地造田，為生態修復措施提供水源和肥沃田地。
[0003]淤地壩作為一種攔沙蓄水建筑物，壩體材料應具有較高的強度和抗滲性能等，要保證蓄水時壩體變形較小，壩頂溢流下泄洪水時，壩體穩定，不發生傾覆、潰壩等工況。現有的淤地壩多為直接采用砒砂巖堆積碾壓修筑而成，設計標準低，壩體材料強度低，抗滲性差，砒砂巖遇水易潰散為沙，被水流裹挾帶走。因此，淤地壩在降雨之后往往被洪水沖毀或浸泡后潰壩，給當地人民帶來財產損失。因本地基礎設施和交通條件限制，從外運入材料修筑淤地壩，造價較高，施工難度較大。需要利用當地現有條件，研發一種新的高強度耐水性較好的筑壩材料，具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種新的建筑材料。該砒砂巖改性筑壩材料是指利用添加成巖摻合料或化學物質或稱成巖劑使砒砂巖自身遇水潰散成泥或砂的屬性得到改善，具有材料強度高、抗滲性好、耐水性強、易于制作和應用方式簡便等優點，滿足淤地壩的施工和壩工性能要求。本發明主要為解決黃河中游粗沙多沙區淤地壩因壩體材料耐水性差，壩體材料強度低，降水過后水毀嚴重的狀況。
[0005]一種砒砂巖改性材料,該材料包括砒砂巖或砒砂巖原巖、具有火山灰活性或潛在水硬性的成巖摻合料、通用硅酸鹽水泥和水；各組分質量百分比為:
[0006]具有火山灰活性或潛在水硬性的成巖摻合料:0.5%-60% ；
[0007]砒砂巖或砒砂巖原巖:40%-90% ；
[0008]通用硅酸鹽水泥:0.5%-10% ；
[0009]成巖劑:0.5%-15% ；
[0010]水:5_20%。
[0011 ] 該砒砂巖改性材料還包括粘土，其質量百分比不大于50%。該粘土是指黃土高原地區黃土等，這里特指砒砂巖經完全風化后而在砒砂巖原表層覆蓋的黃土層。砒砂巖是指分布在內蒙古、山西和陜西三省內，顏色為白色、紅色、紫色或灰色及其這些顏色混雜相間的砒砂巖。砒砂巖是一種中生代陸相碎屑沉積類泥巖、砂巖和砂礫巖的俗稱。在水環境或者干濕、冷暖交替作用下極易發生侵蝕和潰散，致使干燥堅硬而遇水如泥、遇風成砂。當地深受其水土流失之危害，視其如‘砒霜’，故稱其為砒砂巖。砒砂巖也成為黃河中下游的基巖產沙區，致使泥沙問題成為黃河治理一大難題。
[0012]其中，具有火山灰活性或潛在水硬性的成巖摻合料是指含有活性氧化硅、活性氧化鎂、活性氧化鋁和活性碳酸鈣的粉煤灰、礦渣、爐渣、沸石粉、石灰粉、石灰石粉、鋼渣、粘土、煤矸石粉的一種或兩種以上混合。
[0013]其中，成巖劑是氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、消石灰、氧化鈣、生石灰、水玻璃、六偏磷酸鈉、硫酸鈉、硫酸鈣、氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、聚乙烯醇、水性聚氨酯乳液、羥基纖維素丁苯乳液、改性橡膠乳液、丙烯酸衍生物中的一種或兩種以上混合。成巖劑是指基于砒砂巖成巖不完備的特點，用以激發砒砂巖本身或成巖摻合料的膠凝活性并能提高砒砂巖原巖技術性質的物質，進而改善砒砂巖的抗潰散性。但不包括單一的水泥或石灰、石膏之類。
[0014]所用的通用硅酸鹽水泥是指32.5、42.5或52.5等級的通用硅酸鹽水泥。
[0015]本發明的原理是對砒砂巖原巖進行礦物改性、層間改性、結構改性和隔斷改性，通常改性方式有:
[0016]I)礦物改性:主要基于砒沙巖成巖機理，其潰散原因之一是其膠結物不足所致。砒沙巖本質上是成巖不完全一種巖石，根據成巖機理或過程添加成巖劑進行改性。
[0017]2)層間改性:引起砒沙巖潰散的礦物主要是蒙脫石，將其層間親水離子進行置換或吸附多余水分，利用 砒砂巖的礦物結構特征進行有針對性的憎水改性。
[0018]3)結構改性:使用成巖摻合料以形成新型耐水礦物，并能將砒砂巖相應組分膠結在一起，即可改善其潰散性也能具備一定強度，以滿足筑壩工程需求。
[0019]4)隔斷改性:通過改變砒砂巖中的吸水通道，隔斷可溶性離子與水的聯系，形成新的‘團簇’進行改性。
[0020]本發明的有益效果是:該砒砂巖改性筑壩材料具有材料強度高、干縮變形小、耐水性強、易于取材制作、施工方式簡便等優點。本發明的改性砒砂巖材料90天抗壓強度可達3MPa-25MPa，浸水軟化系數可達0.7以上。
[0021]①.環保經濟，成本較低，砒砂巖改性材料是以砒砂巖為主要原料，輔以具有火山灰性質和水硬性的工業廢棄物為成巖摻合料，即避免了像化學固化劑對環境的不利影響，也可將工業廢棄物利用起來，減少其對環境的影響，砒砂巖沒有材料成本，工業廢棄物成本相較于水泥或其它壩體材料經濟成本也較為低廉。
[0022]②.取材方便，施工便捷，砒砂巖改性材料，應用于淤地壩修筑時，可直接就地取材，將砒砂巖破碎后，摻入少量的成巖料和激發劑，混合后堆積碾壓即可，取材方便，施工便捷。
[0023]③.應用前景好，經濟效益顯著，淤地壩是治理黃河中游黃土高原水土流失區效率最高的工程措施，根據《黃河流域黃土高原地區水土保持淤地壩規劃》，至2010年，要新建6萬座淤地壩，至2020年，新建淤地壩規模將達到16.3萬座。其中大型骨干壩3萬座，中小型淤地壩13.3萬座，工程建設后，可新增壩地5萬公頃，攔泥400億噸，蓄水170億立方米，可發展灌溉24萬公頃，促進退耕還林還草220萬公頃，年減少入黃泥沙7億噸。砒砂巖改性材料應用于淤地壩工程中，相較于傳統淤地壩，造價大為降低，安全性也大為提高。【具體實施方式】
[0024]將砒砂巖原巖通過機械或人工方式破碎成顆粒，破碎后的砒砂巖原巖顆粒粒徑控制在5mm以下,大于5mm粒徑舭砂巖原巖含量不大于5%。將固體料,舭砂巖、成巖摻合料在攪拌機內拌合均勻，再將成巖劑溶于水中配制溶液，進而將配制好的成巖劑溶液均勻噴灑添加到混合料中，并攪拌至均勻(一般5-10min即可)。然后將材料通過壓制成型或者碾壓成型，自然放置養護；或在密封塑料大棚內(30°C~80°C)養護一天(24h)，然后將試件取出在一般大氣條件O 10°C)下養護至齡期。
[0025]本發明公開了利用具有潛在活性的成巖摻合料，其組成富含活性氧化硅和氧化鋁，在成巖劑激發條件下生成水合硅酸鈣鹽、硅酸鎂鹽、碳鋁酸鹽等水化產物。
[0026]本發明的要點是發明了利用砒砂巖成巖原理，以砒砂巖原巖、成巖摻合料為主要原料，添加成巖劑制備出了抗壓強度高、耐水性好的抗潰散砒砂巖改性材料。
[0027]實施例1
[0028]將散粒狀砒砂巖75%、成巖摻合料(石灰石微細粉)20%、普通硅酸鹽水泥(425等級)
5%混合均勻。填入擊實儀內，重型擊實3次，φ 50X IOOmm環刀取樣(三個試樣為一組)，
標準養護(20±3°C，控制濕度大于90%)，分別測定28天和90天齡期抗壓強度和軟化系數。28天抗壓強度4.0MPa, 90天抗壓強度6.0MPa,軟化系數均大于0.70。
[0029]實施例2
[0030]將散粒狀砒砂巖70%，成巖摻合料(輕燒鎂粉19.5%，超細硅粉10%)，成巖劑(六偏磷酸鈉)0.5%，均勻混合，按實施例一所述成型、養護，分別測定28天和90天齡期抗壓強度和軟化系數。28天抗壓強度3.0MPa`, 90天抗壓強度7.0MPa，軟化系數均大于0.7。
[0031]實施例3
[0032]將砒砂巖60%，成巖摻合料(粉煤灰)20%, 32.5等級的通用硅酸鹽水泥7%，成巖劑(水玻璃3%，硫酸鈉1%)，水9%混合均勻。裝入模具(φ 50*50mm)，壓力成型，成型壓力以
控制試樣密度2.0kg/m3為宜，自然養護28天抗壓強度5.0MPa，軟化系數0.75。
[0033]實施例4
[0034]將砒砂巖72%，礦渣10%，32.5等級的通用硅酸鹽水泥5%，成巖劑(氫氧化鈉1%，水玻璃4%)，水8%混合均勻。裝入模具(Φ 50*50mm)，壓力成型，成型壓力以控制試樣密度
2.0kg/m3為宜，自然養護28天抗壓強度6.0MPa，軟化系數0.80。
[0035]實施例5
[0036]試件選用尺寸為直徑50mm，高度為50mm的圓柱體試件。準確稱量砒砂巖165.8g(含水量6%)，32.5等級的通用硅酸鹽水泥13.3g，水16.3g，水性OED-ABS 土壤固化劑(臺膠，水性聚氨酯類)Ig (固含量3%)，首先將砒砂巖和普通硅酸鹽水泥拌合均勻，然后加入一半水量拌合，記為組分A ;將剩余水量與水性土壤固化劑稀釋，記為組分B ;將組分A、B迅速拌合(拌合時間不大于30s)裝入模具，壓力成型后于空氣中自然養護。28天抗壓強度5.84MPa，軟化系數0.67。
[0037]實施例6[0038]試件選用尺寸為直徑50mm，高度為50mm的圓柱體試件。準確稱量砒砂巖163.6g (含水量6%)，42.5等級的通用硅酸鹽水泥9.0g,生石灰4.3g，水18.5g，成巖劑(聚乙烯醇Hg。預先采用一半水量與生石灰拌合均勻后密封陳化一天，使用時待砒砂巖和普通硅酸鹽水泥拌合均勻后加入，記為組分A ;將剩余水量溶解聚乙烯醇(可適當加熱)形成均一溶液，記為組分B;將組分A、B拌合均勻后裝入模具，壓力成型后于空氣中自然養護。28天抗壓強度6.56MPa，軟化系數0.71。
[0039]實施例7
[0040]試件選用尺寸為直徑50mm,高度為50mm的圓柱體試件。選用的原料為:舭砂巖，88% ;石灰，4% ;氫氧化鈉，1.4% ;水玻璃6.6% ；7jC, 10%。按本專利申請材料中的技術方法，將原料混合拌制均勻，將激發溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均勻。將拌制均勻的材料倒入模具中壓制成型。試件制出后進行高溫(80°C)養護20h，然后放置在一般大氣環境中(20±3°C)繼續養護，測得試件28天齡期抗壓強度為11.6MPa，軟化系數為0.75。
[0041]實施例8
[0042]試件選用尺寸為直徑50mm,高度為50mm的圓柱體試件。選用的原料為:舭砂巖，72% ;粉煤灰，10% ;石灰，3% ;氫氧化鈉，0.8% ;水玻璃5.2% ;7欠，9%。按本專利申請材料中的技術方法，將原料混合拌制均勻，將激發溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均勻。將拌制均勻的材料倒入模具中壓制成型。試件制出后進行高溫(80°C)養護20h，然后放置在一般大氣環境中20°C繼續養護，測得試件90天齡期抗壓強度為20.0MPa，軟化系數為0.8。
[0043]實施例9
[0044]試件選用尺寸為直徑50mm,高度為50mm的圓柱體試件。選用的原料為:舭砂巖，62% ;礦渣，10% ;石灰石粉，3% ;氫氧化鉀，0.8% ;氯化鎂5.2% ;7欠，9%。按本專利申請材料中的技術方法，將原料混合拌制均勻，將激發溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均勻。將拌制均勻的材料倒入模具中壓制成型。一般大氣環境中20°C養護，測得試件90天齡期抗壓強度為25.0MPa,軟化系數為0.82。
[0045]實施例10
[0046]試件選用尺寸為直徑50mm,高度為50mm的圓柱體試件。選用的原料為:舭砂巖，72% ;爐洛，10% ;消石灰，3% ;氫氧化鈣，2.8% ;硫酸鈉3.2% ;/Κ，9%。按本專利申請材料中的技術方法，將原料混合拌制均勻，將激發溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均勻。將拌制均勻的材料倒入模具中壓制成型。一般大氣環境中20°C養護，測得試件90天齡期抗壓強度為24.0MPa,軟化系數為0.78。
[0047]實施例11
[0048]試件選用尺寸為直徑50mm,高度為50mm的圓柱體試件。選用的原料為:舭砂巖，72% ;煤矸石粉，10% ;硫酸鈣，3% ;氫氧化鈣，1.5% ;氯化鎂4.5% ;水，9%。按本專利申請材料中的技術方法，將原料混合拌制均勻，將激發溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均勻。將拌制均勻的材料倒入模具中壓制成型。試件制出后進行高溫(80°C)養護20h，然后放置在一般大氣環境中(20 ±3°C)繼續養護，測得試件90天齡期抗壓強度為29.0MPa，軟化系數為 0.83。 [0049]實施例12
[0050]試件選用尺寸為直徑50mm,高度為50mm的圓柱體試件。選用的原料為:舭砂巖，52% ;爐洛，10% ;沸石粉，20% ;硫酸鈉，3% ;生石灰，2% ;水玻璃氯化鈉4% ;水，9%。按本專利申請材料中的技術方法，將原料混合拌制均勻，將激發溶液按比例配制好，倒入混合料中拌制均勻。將拌制均勻的材料倒入模具中壓制成型。一般大氣環境中20°C養護，測得試件28天齡期抗壓強度為13.0MPa，軟化系數為0.78。
[0051]實施例13
[0052]試件選用尺寸為直徑50mm，高度為50mm的圓柱體試件。準確稱量砒砂巖163.6g (含水量6%)，42.5等級的通用硅酸鹽水泥9.0g,生石灰4.3g，水18.5g，成巖劑(改性橡膠乳液Hg。預先采用一半水量與生石灰拌合均勻后密封陳化一天，使用時待砒砂巖和普通硅酸鹽水泥拌合均勻后加入，記為組分A ;將剩余水量溶解改性橡膠乳液形成均一溶液，記為組分B ;將組分A、B拌合均勻后裝入模具，壓力成型后于空氣中自然養護。28天抗壓強度5.56MPa,軟化系數0.70。
[0053]實施例14
[0054]試件選用尺寸為直徑50mm，高度為50mm的圓柱體試件。準確稱量砒砂巖163.6g (含水量6%)，52.5等級的通用硅酸鹽水泥9.0g,消石灰4.3g，水18.5g，成巖劑(丙烯酸衍生物Hg。預先采用一半水量與生石灰拌合均勻后密封陳化一天，使用時待砒砂巖和普通硅酸鹽水泥拌合均勻后加入，記為組分A ;將剩余水量溶解丙烯酸衍生物形成均一溶液，記為組分B ;將組分A、B拌合均勻后裝入模具，壓力成型后于空氣中自然養護。28天抗壓強度7.35MPa，軟化系數0.73。
[0055]實施例15
[0056]試件選用尺寸為直徑50mm，高度為50mm的圓柱體試件。準確稱量砒砂巖163.6g(含水量6%)，32.5等級的通用硅酸鹽水泥9.0g,氫氧化鈣4.3g，水18.5g，成巖劑(羥基纖維素丁苯乳液)lg。預先采用一半水`量與生石灰拌合均勻后密封陳化一天，使用時待砒砂巖和普通硅酸鹽水泥拌合均勻后加入，記為組分A ;將剩余水量溶解羥基纖維素丁苯乳液形成均一溶液，記為組分B ;將組分A、B拌合均勻后裝入模具，壓力成型后于空氣中自然養護。28天抗壓強度5.39MPa，軟化系數0.72。
【權利要求】
1.一種砒砂巖改性材料，其特征在于，該材料包括砒砂巖或砒砂巖原巖、具有火山灰活性或潛在水硬性的成巖摻合料、通用硅酸鹽水泥和水；各組分質量百分比為:具有火山灰活性或潛在水硬性的成巖摻合料:0.5%-60% ； 舭砂巖或舭砂巖原巖:40%_90% ； 通用硅酸鹽水泥:0.5%-10% ； 成巖劑:0.5%-15% ； 水:5-20%。
2.根據權利要求1所述的一種砒砂巖改性材料，其特征在于，該砒砂巖改性材料還包括粘土，其質量百分比不大于50%。
3.根據權利要求1或2所述的一種砒砂巖改性材料，其特征在于，所述的具有火山灰活性或潛在水硬性的成巖摻合料是指含有活性氧化硅、活性氧化鎂、活性氧化鋁和活性碳酸鈣的粉煤灰、礦渣、爐渣、沸石粉、石灰粉、石灰石粉、鋼渣、粘土、煤矸石粉的一種或兩種以上混合。
4.根據權利要求1或2所述的一種舭砂巖改性材料,其特征在于,所述的成巖劑是氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、消石灰、氧化鈣、生石灰、水玻璃、六偏磷酸鈉、硫酸鈉、硫酸鈣、氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、聚乙烯醇、水性聚氨酯乳液、羥基纖維素丁苯乳液、改性橡膠乳液、丙烯酸衍生物中的一種或兩種以上混合。
5.根據權利要求3 所述的一種舭砂巖改性材料,其特征在于，所述的成巖劑是氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、消石灰、氧化鈣、生石灰、水玻璃、六偏磷酸鈉、硫酸鈉、硫酸鈣、氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、聚乙烯醇、水性聚氨酯乳液、羥基纖維素丁苯乳液、改性橡膠乳液、丙烯酸衍生物中的一種或兩種以上混合。
6.根據權利要求1、2或5所述的一種砒砂巖改性材料，其特征在于，所述的通用硅酸鹽水泥是指32.5、42.5或52.5等級的通用硅酸鹽水泥。
7.根據權利要求3所述的一種砒砂巖改性材料，其特征在于，所述的通用硅酸鹽水泥是指32.5、42.5或52.5等級的通用硅酸鹽水泥。
8.根據權利要求4所述的一種砒砂巖改性材料，其特征在于，所述的通用硅酸鹽水泥是指32.5、42.5或52.5等級的通用硅酸鹽水泥。
【文檔編號】C04B14/04GK103771798SQ201410001641
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】王立久, 楊大令, 張婷婷 申請人:大連理工大學