專利名稱：一種可噴射、泵送建筑材料－土壤凝固劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及可噴射、泵送的建筑材料-土壤凝固劑具體地講，該土壤凝固劑組合物能夠保持低粘性以延長時間，以便將該組合物用噴射、泵送到包括難以到達的地質或人工的場所中。
背景技術：
土壤固化技術，是世界公路建設史上一個具有劃時代意義的革命。傳統的筑路方式是在施工中使用大量外來路料，通過“物理—力學”的施工工藝，達到各項工程力學指標的方式。土壤固化技術是憑借獨特的化學固化劑攪拌到筑路土壤中，通過“化學—物理”的施工工藝，改變土壤的物理力學性質，從而筑成具有高強度、高穩定性、高承載力的公路路面的一種先進的技術。
防止物料失去穩定性，以至于產生滲漏。還要努力使欲處理的物料與粘合劑結合以形成固體大塊或廢棄物結構用于埋葬或作建筑產品。例如，Frey等人的美國專利4432666中披露，采用粘合劑和去他的防水粘合劑處理廢棄物被認為對環境有破壞作用。然而，在很多情況下粘合劑不穩定，比如，在包裝鹵化物時。
除了上述提到的方法中的缺點外，市售上述方法中的原料(特別是氧化物)的結構都不利形成可流動的混合物，結果，發熱的反映變得不可控制。導致形成稠漿液。使最終產品缺乏均質性。而且，所得陶瓷的快速凝固時間不能夠保證足夠的工作時間。
現有技術配方以適應在不同沉積情況下多種廢棄物料的穩固，能夠提供廢棄物液體，其具有延長的、也使用的稠度或粘度以目前采用噴射設備。該方法還提供選擇和制備配方組分的協定，以設計需要不同粘度情況下的配方。

發明內容
本發明不僅提供一種包括土壤凝固劑材料的配方，該配方是一種把廢棄物當作可噴射、泵送凝固劑中的一種主體成分的方法。其特點是采用添加劑減緩凝結劑組分之間的反應。優點是延長了可操作性的時間和使用迄今為止不能用的廢棄物。
還有，提供了一種把普通市售的氧化物轉化成可噴射的土壤凝固劑中的一種組分，其特征是般燒氧化物，然后把鍛燒的氧化物與涂劑混合。優點是減小了鍛燒的氧化物與其他凝結劑組分的反應速率，從而延長了凝結劑在凝固之前的可操作時間。
簡要地說，本發明提供噴射、泵送的土壤凝固劑，該土壤凝固劑由市場可以買到。


由以下圖示的發明實施例的詳細描述可最好地理解本發明連同上述及其它目的和優點。
圖1是生產與本發明特征一致的可噴射的凝固廢棄物的方法示意圖。
圖2是本發明的可噴射的凝固廢棄物的X·光衍射分析結果。
圖3A和3B分別是與本發明中特征一致的CBPC配方中合適的和不合適的氧化物組分的顯微鏡照片。
圖4A和4B分別是用在發明的可噴射的CBPC配方中的合適的和不合適的氧化物組分的X-光衍射分析結果。
圖5是確定與本發明特征一致的合適的氧化物的判斷數。
圖6是與本發明特征一致的各種氧化物的溶解度曲線圖。
具體實施例方式
一種把土壤凝固劑加入可噴射、泵送的混合物的方法，這樣的混合物依次可固定在包括難以到達的場所。同樣，這種混合物廣泛被利用及能就地筑路，還與廢棄物結合而封裝廢棄物，特別是廢棄物在不可到達或危險區的情況下，如污染的核電廠的石棺，或廢棄物泄漏場所。這種方法雖延遲了磷酸鹽陶瓷的凝結作用，也減小了磷酸鹽陶瓷漿液或磷酸鹽陶瓷/廢棄物漿液的整體粘度，但足以讓漿液能被噴射或其他方式運輸到最終地點。最后，這種方法制備了一種堅硬的、難以滲透的CBPC結構，這種CBPC結構的耐久力可與混凝土抗衡，并且，不必另外加熱。
關于這種可噴射、泵送的土壤凝固劑材料。從而減慢凝結反應速度，延遲凝結和凝固足夠讓起反應的土壤凝固劑材料液體能被噴射或其他方式運輸到最終靜置地點。一旦沉積下來，土壤凝固劑材料液體可凝固或成為它的密實的最終結構。盡管采用了外加劑減慢反應速度，最終產品已被證明比采用波特蘭水泥生產的產品要堅硬。一般的壓力超過每平方英寸4,000磅。
可噴射、泵送的土壤凝固劑材料的制作如圖1中數字10所示。簡要地說，氧化物粉末12于第一混合工序17中以不同比例與磷酸鹽粉/溶液14及預分級的廢棄物料16混合。
廢棄物料的粒度小于200微米是合適的。可以采用多種磷酸鹽溶液，該溶液包括含陽離子部分的磷酸鹽，陽離子部分選自鉀、鈉、鈣、鋯、鐵、鎂-銨以及其組合。合適的磷酸鹽溶液的濃度是所產生的漿液在與下面列舉的組分結合時，能提供一種液體，該液體的厘泊值能促使分散容易。這種磷酸鹽的濃度可為水與KH2PO4的重量比約0.66。
氧化物粉末、磷酸鹽溶液和廢棄物的混合產生了第一種混合物或漿液18。選擇性地，在與磷酸鹽溶液和廢棄物料混合之前，氧化物粉末要進行工序11的預處理。氧化物預處理工序詳述如下。
合適的氧化物∶磷酸鹽∶廢棄物重量比范圍為1∶3.4∶1.45到1∶3.4∶6.6。當MgO被用作氧化物，KH2PO4用作磷酸鹽的和灰份用作廢棄物料時，特別合適的MgO∶KH2PO4∶灰份的重量比為1∶3.4∶1.45。
在一個示范性程序中，漿液18與含不同覆蓋劑和吸水劑的添加劑結合成為第二種混合物21。但是，添加劑可以在混合工藝中的不同位置加入，比如，包括但不僅限于檸檬酸或硼酸的覆蓋劑，能夠在氧化物與磷酸鹽溶液和廢棄物料的混合之前，直接加入氧化物粉末12中。然后，吸水劑，如木素磺酸鹽，能夠在上述三種組分完全混合在一起之后加入。
在添加劑混合好之后，水22加入到配好的混合物中，當前含水的液體進入第二種混合步驟23，產生一種同質的、活性液體25，一般的混合時間約為20到60分鐘。
水在反應過程24開始時加入。在反應過程24中，當前活性物料25可以在最終的凝結出現之前被噴射成薄漿或其他方式的操作26。混合物25的凝結、穩固或凝固28不會在上述的加水步驟22之后的兩小時內出現。
本發明方法的一個顯著的特征是，在反應、噴射、運輸和土壤凝固劑液體的最終凝固中不需要外加熱。
盡管添加劑作用在于使反應液體流態化，所得的最終凝固廢棄物結構表現出良好的性質。比如，如圖2所示，這種方法提供的一種主要含呈晶態結構的磷酸鎂鉀的廢棄物結構，圖中尖峰代表晶態結構。
氧化物制備的詳細情況多種氧化物都適合作為本發明中的粉末，氧化鈣、氧化鈉、氧化鋯、氧化鐵、氧化鎂及其組合都是適宜的啟動粉末。
發明人發現氧化物的預處理11通常能提高最終的陶瓷粘合劑-廢棄物混合物的流動性。然而，市售的預處理氧化物，在提高流動性時不能達到其預期值。更適合的，此處披露的已發明鍛燒方法可生產一種具有最佳性能(如高強度和低粘度)的粘合劑。采用本發明的氧化物預處理方法11得到的產品，具有凝固速率約為兩小時、甚至在凝結過程中也為低放熱(如產生低的熱量)，及結構極為均質的特點。
為了制備合適的土壤凝固劑，氧化物組分應該具有下面的特性1.平均的氧化物顆粒的粒度應該在8-10微米，每個顆粒應該為密實的、晶態，且不含有無定形覆蓋。
2.所采用的氧化物顆粒，在混合過程中土壤凝固劑混合物不應產生大量熱量。同樣，所選擇的氧化物顆粒不會使漿液發稠。
3.最終產品應該是均質陶瓷，而且，不應該是在漿液中迅速形成沉淀。極限壓力至少為3,500磅每平方英寸。產品斷開的或結合的孔隙度占形成的或凝固的整塊體積應約少于10％。
為此，在現場由最終用戶或其他人采用的、氧化物預處理方法的功效。
如圖5中的判斷樹所示，若成為用于廢棄物的可流動土壤凝固劑中的一種合適的組分，氧化物必須滿足以下三條標準A)表面積粉末表面積應該在0.3-0.55m2/g，另外本發明人發現，顆粒團聚而導致的表面積減小會依次抑制氧化物與其他反應物之間的反應，表面積比上述范圍大時將加快反應速度，使漿液過熱，某些情況下會使漿液沸騰。工業用合適的氧化物的表面積約為4m2/g。
B)形態結構在高倍顯微鏡下(如，1500X)，氧化物表面應該為平面，并且有條痕表明為晶態結構。圖3A和3B分別描述了合適的和不合適樣品的形態結構。
除了對氧化物視覺、顯微鏡檢查外，X-光衍射分析也能判斷氧化物中的有效的晶態結構。例如，合適的氧化物(圖4A)顯示出尖峰，表明是晶態結構，而不合適的氧化物(圖4B)顯示出寬峰，表明存在無定形物質。無定形物質反應快，并且在漿液中產生不必要的過量的熱量。
C)溶解性氧化物在磷酸溶液中的溶解性也可判斷是合適的和不合適的氧化物，一般地，氧化物的溶解度越小，越宜制備可流動土壤凝固劑，這樣的物質將會凝結成難以滲透的塊。低溶解度的氧化物能使反應后存在更多的MgO顆粒，因此，在反應溶液中存在更多的晶核，這些晶核可以幫助形成單獨的硬的中心點，并增加最終的廢棄物結構的整體強度。
圖6展示了兩種合適的氧化物(虛線)和兩種不合適的氧化物(實線)的曲線。可見，使一種酸-氧化物溶液的pH值達到8所需要的重量，合適的氧化物要比不合適的氧化物多20％。合適的氧化物中的初始雜質含量不影響其溶解度。例如，圖5中的更多可溶解的氧化物(如合適的氧化物)有不同含量的鈣污染物，其中一種氧化物(分析品位)含鈣重量比為0.05％，另一種合適的氧化物(技術品位)含鈣重量比為0.45％。
待選的氧化物的溶解度試驗進行如下，由去離子水配成H3PO4濃度為5％的30ml溶液，通過磁力攪拌器或其他方式保持攪拌狀態，加入1克的MgO，使配好的混合物到平衡，記錄pH值。再加入MgO，每次1克，直至平衡。這樣一直持續到pH值達到8。
本發明人發現一種制備符合上述A-C標準的氧化物的方法是通過一種煅燒方法。如果使用市售MgO，這種氧化物必須如前面提到的那樣，首先粒度在8-10微米之間，氧化物中鈣含量不超過0.5％重量。
一旦確定適宜的鈣含量和顆粒粒度，氧化物裝入爐子中，爐溫保持1,300℃。氧化物可進入″預熱″爐，或者在爐子逐漸升溫的過程中裝入。氧化物的均熱或加熱時間依據氧化物原料(和雜質)性質而有差異。高純(分析品位)氧化物均熱時間約為一個小時，而技術級純度的氧化物加熱時間約需要三個小時。
加熱后，樣品在爐子中冷卻，結果冷卻后的氧化物通常為成團的大塊，這樣的大塊必須重新研磨到8-10微米。
添加劑詳述如前所述，本發明的一個突出特征是使用添加劑阻止反應，因此而擴大反應液23的使用性。添加劑包含兩種組分覆蓋劑和吸水劑，或叫除水劑。如前所述，合適的覆蓋劑是選自硼酸、檸檬酸及其組合。添加劑中覆蓋組分有覆蓋作用而使氧化物顆粒免于完全暴露，或與其他反應物接觸。
合適的吸水劑來自含木素磷酸鹽的聚合有機化合物類。木素磷酸鹽化合物的作用是避免水與磷酸鹽很快反應，實質上，這些木纖維素類化合物能夠吸收任何水分以防止磷酸鹽很快水合作用。堿性的木素磷酸鹽化合物是優選的吸水劑，特別選自木素磺酸鹽、木素磷酸鹽和其他羥基有機化合物及其組合。一組合適的木素磺酸鹽化合物有木素磺酸鈉、木素磺酸鈣、木素磺酸鉀及其組合。一種示范性的木素磺酸鹽化合物是Daratard 17TM，加入到最后的反應液中的添加劑的重量百分比可以不同，0.5％-3.5％比較合適。通常，添加劑與第一種混合物組合，添加劑∶氧化物∶磷酸鹽重量比例是在1.83∶10.3∶35到2.1∶10.3∶34。
本發明人發現，有硼酸存在時木素磺化鹽化合物的脫水效果增強，其中硼酸的重量比與用在木素磺酸鹽中的重量比類似。
添加劑可以在反應過程24的反應之前任何時間或開始時加入，得到的示范性結果，如圖1指示的那樣，即在加水22前加入。
在一實施例中，最終可噴射的產品中每種組分的具體比例如下堿性氧化物(12重量％)，磷酸鹽(4重量％)，飄塵(17重量％)，硼酸(1重量％)，木素磺酸鹽(1重量％)和水(29重量％)。本實施例的漿液具有與牛奶相同的稠度，因而容易泵送或形成薄漿，兩到三小時之后，漿液轉變成硬質密集CBPC結構。如圖2所示，對最后的結構進行X-光衍射分析，除了含水的磷酸鎂鉀外，還有殘余的氧化鎂存在。
因為在粘度小于1,500厘泊時噴射和注射的應用效果可以得到改善，添加劑中的覆蓋劑在0.5-3重量％(添加劑中含覆蓋劑和吸水劑)的配方是合適的。
幾種不同類型的基料能與可噴射、泵送的土壤凝固劑單獨地或者共同結合，形成CBPC結構。這些廢棄物包括但不限于粘土、土壤、紅泥、及其組合。對物科進行分級、研磨或其他預處理可以是必要的。合適的廢棄物料的粒度范圍在10-200微米之間。
從下面的表10中可以看出，因為添加劑的濃度不同漿液的稠度亦不同。表1表明了添加劑相對整個漿液的重量濃度在0.5％-3.5％時漿液的粘度厘泊值(cp)。
表10不同添加劑濃度時CBPC棄物液體的枯度

所得的漿液/如前述，或者作為可噴射、泵送的液體中已經含有的顆粒處理，或用作穩固其他廢棄物料的密封劑。例如，配入灰分的漿液能夠注射到污染土壤中使土壤穩固。盡管本發明由所詳述的實施例描述，但其并非對所附權利要求限定的發明范圍形成限制。
權利要求
1.一種可噴射、泵送建筑材料-土壤凝固劑，含有無機氧化物、磷酸鹽和聚合有機材料是堿性木素磺酸鹽，選自木素磺酸鈉、木素磺酸鈣、木素磺酸鉀及其組合。
2.如權利要求1中所述的聚合有機物，在組合物中占的重量百分比約在1％到3％之間。
3.如權利要求1中所述聚合有機材料與硼酸以約為0.6∶1.25-1∶1之間的重量比例組合。
4.如權利要求1中所述.土壤凝固劑中含有在15-20重量％的廢棄物料。
5.如權利要求1中所述土壤凝固劑，其中在開始混合超過1小時后，土壤凝固劑粘度約在850-15,000厘泊之間。無須加熱。其中無機氧化物的表面積在0.3m2/g-0.55m2/g之間。
6.如權利要求1中所述一種可噴射、泵送的基料廢棄物配方，按重量比，含有7-14％堿性氧化物、25-40％磷酸鹽、15-50％灰份、1-4％硼酸、0.5-2％木素磺酸鹽和15-25％水。
7.如權利要求1中所述一種可噴射、泵送的基料廢棄物配方，按重量計，含有10％的堿性氧化物、35％磷酸鹽、15％飄塵、1.2％硼酸、0.61％木素磺酸鹽和23％水。
8.如權利要求1中所述一種制各可噴射、泵送的基料廢棄物的方法，包括，用H2PO作溶劑來確定的表面積和形態標準來選擇無機氧化物；同時，將所選擇的氧化物與磷酸鹽溶液及廢棄物混合形成第一種混合物；再與木素磺酸鹽化合物是與硼酸以在1∶1-2∶1之間的重量比例組合混合。在第二種混合物中加入水，形成一種活性混合物；將活性混合物均質化；并且將活性混合物凝固。
9.如權利要求1中所述要求均勻化活性混合物的粘度在200厘泊到1000厘泊之間。
全文摘要
關于這種可噴射、泵送土壤凝固劑材料。從而減慢凝結反應速度，延遲凝結和凝固足夠讓起反應的土壤凝固劑材料液體能被噴射或其他方式運輸到最終靜置地點。一旦沉積下來，土壤凝固劑材料液體可凝固或成為它的密實的最終結構。盡管采用了外加劑減慢反應速度，最終產品已被證明比采用波特蘭水泥生產的產品要堅硬。
文檔編號C04B22/16GK101074153SQ20061008047
公開日2007年11月21日 申請日期2006年5月17日 優先權日2006年5月17日
發明者李智 申請人:李智, 任偉立, 于雷