一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料及其制备与应用的制作方法

本发明涉及土木工程材料，具体涉及一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料及其制备与应用。

背景技术：

1、软土桩基工程，特别是对于软土加固后无侧限抗压强度大于1.0mpa的要求，即大致对应120-180 kpa的复合地基承载力特征值，这类软土处理常见于市政一般道路、小型构筑物等工程中。我国沿海、沿江地区广泛分布着高含水率、低强度的软弱土层，无法直接满足高速公路、机场跑道、港口码头等基础设施的严苛承载力要求。传统加固方法主要依赖于深层搅拌、置换填筑等工艺，其核心在于通过胶凝材料与软土的物理化学反应，快速形成具有一定强度的软土桩，以提升地基承载性能。

2、目前，软土桩中普遍使用的胶凝材料仍以普通硅酸盐水泥为主。然而，水泥生产属于典型的高能耗、高碳排放过程，每生产1吨水泥约排放0.8吨co2，与当前国家推行的“双碳”战略目标相悖。因此，开发能够替代水泥、兼具优异力学性能与绿色低碳特性的新型胶凝材料，已成为行业可持续发展的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明的目的一，在于提供一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料，本发明的绿色低碳胶凝材料适用于软土固化，且资源化利用率高，对环境友好。

2、本发明解决其技术问题所采取的方案是：一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料，包含以下重量份数的原料：粉煤灰10份-30份、矿渣50份-70份、钢渣10份-15份、脱硫石膏5份-10份、复合型外加剂5份-15份，助磨剂0.005份-0.02份；

3、所述复合型外加剂为木质素磺酸钠、硫酸钠、三乙醇胺、三异丙醇胺、高效分散剂、糖蜜和硝酸铝的物质混合物，其中，木质素磺酸钠、硫酸钠、三乙醇胺、三异丙醇胺、高效分散剂、糖蜜和硝酸铝的质量比为（5-10）:（5-10）:（2-10）:（2-10）:（2-10）:（2-10）:（3-10）。

4、进一步的，所述助磨剂包括碱性激发剂、硫酸盐早强剂和减水剂，所述减水剂为聚羧酸粉末减水剂。

5、进一步的，所述碱性激发剂为氧化钙和碳酸钠的混合物。

6、进一步的，所述氧化钙和碳酸钠质量比为9:1。

7、进一步的，脱硫石膏为半水石膏，所述半水石膏由生石膏置于150℃干燥箱中恒温干燥至恒重后制得。

8、进一步的，所述复合型外加剂为粉末状，且其粉末比表面积大于400 m2/kg。

9、进一步的，碱性激发剂、硫酸盐早强剂和减水剂的重量份数之比为（85-95）份:（3.0-4.5）份:（0.3-0.5）份。

10、进一步的，所述矿渣为符合 gb/t 18046-2017 标准的s95 级粒化高炉矿渣粉。

11、进一步的，所述粉煤灰为符合gb/t 1596-2017 标准的i级或ii级粉煤灰。

12、进一步的，所述钢渣为经磁选除铁处理后符合gb/t 20491-2017标准的二级以上的钢渣粉。

13、本申请的目的二，在于提供上述绿色低碳胶凝材料的制备方法，包括以下制备步骤：

14、步骤一，制备复合型外加剂：

15、s1.往反应釜中加入水，水温为40-50℃，启动搅拌，同时缓慢加入木质素磺酸钠，持续搅拌至完全溶解，形成棕褐色溶液；

16、s2.保持搅拌与控制温度，再往反应釜中缓慢加入硫酸钠粉末，搅拌至清澈无颗粒状态；

17、s3.将s2步骤获得的反应体系降温至35℃以下，在搅拌状态下，依次缓慢加入三乙醇胺、三异丙醇胺、高效分散剂和糖蜜，确保每种物料混合均匀后再加下一种；

18、s4.另外准备容器，往容器中加入30℃以下的冷水，再往冷水中加入硝酸铝至其完全溶解，在搅拌状态下，将硝酸铝溶液缓慢滴加至s3步骤获得的反应体系中；

19、s5.用少量水清洗容器，清洗液倒入反应釜内，并补充水至复合型外加剂所需总质量，搅拌均匀后获得混合液；

20、s6.将混合液转移至高速剪切均质机内，以1500-2000 rpm的转速均质处理15-20分钟，直至体系呈现均一、稳定、无可见分层或沉淀的状态，随后自然冷却至室温，冷却后获得复合型外加剂；

21、步骤二，制备助磨剂：

22、准备碱性激发剂、硫酸盐早强剂和减水剂，将碱性激发剂、硫酸盐早强剂和减水剂倒入干粉混合机中并混合均匀，制得助磨剂；

23、步骤三，制备绿色低碳胶凝材料：

24、称取粉煤灰、矿渣、钢渣和、脱硫石膏以及步骤一制得的复合型外加剂、步骤二制得的助磨剂，随后将上述材料全部置于球磨设备中，球磨均匀，制得绿色低碳胶凝材料。

25、进一步的，经球磨获得的绿色低碳胶凝材料的比表面积为500-700m²/kg。

26、本申请的目的三，在于提供绿色低碳胶凝材料在固化软土中的应用，包含以下步骤：

27、将绿色低碳胶凝材料与水进行混合，制备成浆液，随后将浆液与软土置于搅拌机中搅拌均匀；其中，绿色低碳胶凝材料使用的质量为软土质量的10%-20%。

28、进一步的，所述浆液中水和绿色低碳胶凝材料的质量比为0.5-0.7。

29、本申请的绿色低碳胶凝材料可固化的软土包括但不限于种植土、粉粘土和淤泥质黏土。

30、本申请中，木质素磺酸钠和高效分散剂作为固废材料颗粒表面的活性剂，降低其表面能，防止细小的颗粒再次黏结团聚，从而易于磨细和磨均匀；醇胺类物质主要提供碱性环境，促进矿渣、钢渣等固废中玻璃体网络结构的解聚，加速早期水化反应；糖蜜可以调节因醇胺和碱激发可能导致的“速凝”现象；硝酸铝，主要提供铝源，掺入固废的硅酸盐网络，能加剧其晶格畸变，使其更易断裂和水化；二是为后续水化产物（如钙矾石）的形成提供了额外的铝源，有利于水化产物结构的稳定。

31、综上所述，本发明的有益效果为：

32、1、本申请的绿色低碳胶凝材料与软土混合硬化后，其制得的固化土在28d的无侧限抗压强度均大于1.0mpa，具有优良加固效果。

33、2、本申请制备的绿色低碳胶凝材料具有绿色低碳性，以粉煤灰、矿渣、钢渣及脱硫石膏等工业固废为主要原料，工业固体废弃物总掺量高达85%以上，实现了高资源化利用，大幅降低了水泥基胶凝材料生产的能耗与碳排放，环保效益突出。

34、3、绿色低碳胶凝材料的原料成本低，且制备工艺简单，适于工业化生产，可为软土桩基工程提供一种性能优异、成本可控、完全绿色的水泥替代方案，同时解决了环境保护压力。

35、上述说明仅是本发明的技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

1.一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料，其特征在于：包含以下重量份数的原料：粉煤灰10份-30份、矿渣50份-70份、钢渣10份-15份、脱硫石膏5份-10份、复合型外加剂5份-15份，助磨剂0.005份-0.02份；

2.根据权利要求1所述的一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料，其特征在于，助磨剂包括碱性激发剂、硫酸盐早强剂和减水剂，所述减水剂为聚羧酸粉末减水剂。

3.根据权利要求1所述的一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料，其特征在于，所述碱性激发剂为氧化钙和碳酸钠的混合物。

4.根据权利要求3所述的一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料，其特征在于，所述氧化钙和碳酸钠质量比为9:1。

5.根据权利要求1所述的一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料，其特征在于，所述复合型外加剂为粉末状，且其粉末表面积大于400 m2/kg。

6.根据权利要求1所述的一种用于固化软土的绿色低碳胶凝材料，其特征在于，所述碱性激发剂、硫酸盐早强剂和减水剂的重量份数之比为（85-95）份:（3.0-4.5）份:（0.3-0.5）份。

7.如权利要求1-6任一项所述的绿色低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，经球磨获得的绿色低碳胶凝材料的比表面积为500-700m²/kg。

9.如权利要求1-6任一项所述的绿色低碳胶凝材料在固化软土中的应用，其特征在于，包含以下步骤：

10.根据权利要求9的应用，其特征在于，所述浆液中水和绿色低碳胶凝材料的质量比为0.5-0.7。