PAGEPAGE1-提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑CSTM編制說明及試驗報告攀鋼集團研究院有限公司2021年10月

《提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑》標準編制說明1工作簡況1.1任務來源及主要參加單位根據中國材料與試驗團體標準委員會（以下簡稱：CSTM標準委員會）[2021]085號《提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑》的立項公告，由攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司牽頭制訂工作，標準項目歸口管理委員會為CSTM標準委員會釩鈦綜合利用領域委員會（以下簡稱：CSTM/FC20領域委員會），標準計劃編號為CSTMLX200000659-2021。1.2主要工作過程該標準由攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司、同濟大學負責，攀西釩鈦檢驗檢測院、攀鋼集團工程技術有限公司、成都先進金屬材料產業技術研究院股份有限公司參加制定，整個標準制定工作的簡要過程如下：起草(草案、調研)階段：2019年01月~2020年04月，標準起草負責單位攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司和同濟大學，系統進行了提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的試驗研究，重點進行了提鈦尾渣的性能研究、配合比優化研究、產品標準研究等試驗。標準起草參與單位攀鋼集團工程技術有限公司開展了提鈦尾渣基土體固化劑在公路水穩層上的工程應用，考察了工程應用過程中的產品性能。標準起草參與單位攀西釩鈦檢驗檢測院開展了提鈦尾渣基土體固化劑在公路水穩層上的工程應用過程中的部分指標檢測。2020年05月~08月，標準起草負責單位攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司和同濟大學，調研了土體固化劑產品的生產應用現狀及發展趨勢等，調研了公路水穩層用土體固化劑相關的產品標準以及指標檢測方法。2020年9月攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司著手標準制訂的建議與立項申請工作,明確了相關責任人和參加單位、參加人員，并重點進行了制訂任務實施計劃、項目進度安排和實驗室試驗總結以及工程應用試驗總結等工作。2021年05月接到標準制定的立項通知，立即全面啟動和落實標準制訂實施計劃。攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司和同濟大學牽頭負責主要起草工作，經過標準負責起草單位和參與單位各方面技術人員對國內外相關方面技術材料搜集、實驗室試驗總結和工程應用總結、標準編制工作組全體人員多次會議討論分析，反復修改等程序，形成《提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑》標準草案初稿，并提交標準征求意見稿及其編制說明等相關附件，報標委會秘書處。征求意見階段:2021年10月，將標準征求意見稿和編制說明發送到CSTM標準委員會釩鈦綜合利用領域委員會審核發布后面向社會廣泛征求意見。審查階段:2021年10月-XX月，通過對這些反饋意見進行分類、歸納、整理和逐條討論分析，確認采納或不采納的處理意見及處理依據，工作組采納XX條，不采納XX條，并進而對標準征求意見稿進行了補充、修改。2021年XX月完成標準送審稿，提交CSTM/FC20釩鈦綜合利用領域委員會秘書處。CSTM標準委員會釩鈦綜合利用領域委員會于XXXX年XX月XX日一XX日在XX省XX市召開《提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑》標準審查會，到會XX分委員會委員XX名和專家XX名，對該標準進行了審查，獲得一致通過，并認為該標準水平達到XX水平。報批階段:工作組按照會議審查意見對標準送審稿作了進一步的修改、整理和完善，在2021年XX月形成標準報批稿、編制說明及其他相關文件，報釩鈦綜合利用領域委員會秘書處審查及CSTM標準委員會審批。2標準制訂依據、原則及國內外概況2.1制訂標準的依據依據中華人民共和國國家標準GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準的結構和編寫規則》、GB/T20001.10-2014《標準編寫規則第10部分：產品標準》進行中國材料與試驗團體標準《提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑》的制訂編寫，并且聽取了國內有關產品的科研院所、生產企業、管理部門和檢測機構等專家的意見。2.2制訂標準的原則參考國內外現行標準，充分考慮了產品的生產、應用、性能指標以及相關指標的檢測方法，本著最大化實現固廢的資源化利用原則，同時充分考慮了滿足國家法律法規、安全衛生以及環保法規的要求。3國內外標準概況土體固化劑是一種由多種無機或有機材料合成的用以固化各類土壤的新型節能環保工程材料。對于需加固的土壤，根據土壤的物理和化學性質，只需摻入一定量的固化劑，經拌勻、壓實處理，即可達到需要的性能指標。具有技術指標優良、工程造價低、施工方便、縮短工期，具有獨特的土壤固化效果和廣泛的實用性，在工程建設當中得到廣泛應用。土體固化劑主要應用于公路工程、鐵路工程、橋梁工程、礦山回填、護坡處理以及市政工程等工程建設領域的地基土壤加固和基坑圍護工程土壤加固處理等方面，應用半徑可達300公里以上。據統計，我國2016年土體固化劑用量達1億噸，應用到各種建筑工程中，在四川、黑龍江、河南、上海、浙江、江蘇、天津等地得到廣泛應用，效果顯著。國外已有數十年使用土體固化劑的歷史，涉及建筑基礎、公路建設、井下作業、垃圾填埋、防塵固沙等多種領域，處理對象涵蓋砂土、農業淤泥、工業淤泥、礦井填充、生活垃圾等多種土壤加固處理。由于比傳統的水泥、石灰等土壤膠結材料具有更好的性能和經濟、環境效益，利用各種固體廢棄物來研發土體固化劑正逐漸成為新熱點，同時也是可以規模化使用工業固廢的有效途徑之一。關于土體固化劑的現行標準主要包括：土壤固化劑（CJ/T3073-1998），GS土體硬化劑應用技術規程（DG/TJ08-2082-2017），土壤固化劑應用技術標準（CJJ/T286-2018），土壤固化劑應用技術規程（DBJ/T13-323-2019）。提鈦尾渣為含鈦高爐渣提鈦后產生的尾渣，提鈦尾渣產生量大、粒度細、含較高氯離子，直接堆存具有一定的環保隱患。同時，含鈦高爐渣經過特有的提鈦工序，使提鈦尾渣具有較好的潛在膠凝活性（活性指數可達S105級，S115級礦渣微粉標準），在建材領域具有較好的利用潛力。提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑是實現尾渣規模化利用的重要途徑之一，該技術已完成實驗室研究，并開展了工程應用，其中公路水穩層已實現提鈦尾渣工程用量＞2000噸。經過試驗研究以及工程應用研究，已形成提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的相關結果，現行標準中未見適用于以提鈦尾渣為主要原料的土體固化劑產品相關的標準，為推動提鈦尾渣的規模化資源化利用，解決高爐渣提鈦產業化的環保瓶頸，有必要制定該產品的標準。同時，提鈦尾渣具備良好的膠凝活性，而攀西地區活性材料稀缺，提鈦尾渣將是攀西地區活性材料的有力補充，該產品的推廣應用急需制定相應的標準，該標準的制定將填補攀西地區活性材料市場的極大空缺。4標準制訂試驗報告完整試驗報告見附錄A。本標準采用提鈦尾渣-水泥體系，水泥摻量不超過20%，提鈦尾渣摻量大于50%，同時可以外摻粉煤灰、脫硫石膏、脫硫灰、硫酸鈉廢渣等冶金企業自產固廢，研發出幾種系列以提鈦尾渣為主要原料的公路水穩層用土體固化劑。研究了提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑優化配合比對攀西地區土壤的固化效果以及該系列優化配合比對路面基層用碎石的固化效果。研究表明，該系列優化配合比能使得土壤具有較高的無側限抗壓強度，滿足相應國家標準要求；該系列優化配合比也能很好的固化碎石，使得獲得的水穩層處理具有較高的無側限抗壓強度，滿足相應國家標準要求。研究結果為提鈦尾渣基土體固化劑用于公路水穩層及其用作公路基層處理奠定了技術基礎。該技術已在攀枝花地區開展了工程應用試驗，提鈦尾渣工程用量＞2000噸，應用效果良好。5意見匯總標準起草小組于2021年3月將征求意見稿發往業內同行單位，發送征求意見稿的單位數為：XX家，其中有XX家單位在規定時間給出XX條明確的意見，其余XX家未在規定時間給出回復。同時，征求意見稿另發送中國材料與試驗團體標準委員會釩鈦綜合利用領域委員會全體委員。從意見收集情況來看，本標準主要技術內容無重大分歧意見，這些意見主要集中在文本格式方面，對本標準的技術方案無異議，意見處理匯總表附后。6與國內其它法律、法規的關系本標準制定的目的是使新標準更符合現在標準規范要求，科學性更強。制定本標準時依據并引用了國內相關現行有效的標準，也不違背國內其它團體、行業或國家標準、法律、法規及強制性標準的有關規定。7標準屬性本標準屬于中國材料與試驗團體標準。8貫徹要求及建議本標準歸口單位為CSTM/FC20釩鈦綜合利用領域委員會，經過有關審定后，由中國材料與試驗團體委員會（CSTM標委會）發布實施。貫徹本團體標準,除標準中規定的技術內容之外,無其他要求和措施。中國材料與試驗團體標準征求意見匯總表項目歸屬委員會名稱及代碼：釩鈦綜合利用領域委員會/FC20標準項目名稱：提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑建議整理人聯系方式：序號文檔中的位置原文內容修改為建議提出單位（人）工作組意見附錄A標準制訂試驗報告提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑技術研究1試驗材料（1）水泥：海螺PO42.5普通硅酸鹽水泥；（2）脫硫石膏：燒結煙氣石灰石-石膏法脫硫副產石膏；（3）提鈦尾渣：攀鋼高爐渣提鈦產生的尾渣；表1提鈦尾渣的化學成分FNa2OMgOAl2O3SiO2SO3Cl0.429%0.38%6.61%10.7%23.1%2.09%4.02%K2OCaOTiO2Cr2O3MnOFe2O3Sum0.48%29.3%6.24%0.026%0.53%1.27%85.28%圖1提鈦尾渣XRD圖譜（4）硫酸鈉廢渣：攀鋼副產硫酸鈉廢渣，成分以硫酸鈉為主；（5）脫硫灰：燒結煙氣干法脫硫得到的脫硫灰，礦物組成以亞硫酸鈣為主；（6）粉煤灰：II級粉煤灰，攀枝花地區某電廠產生；（7）標準砂：符合國家標準規定的ISO標準砂。（8）土壤：公路水穩層常用土壤。表2土壤的化學組分MaterialMgOAl2O3SiO2CaOFe2O3SO3ClTiO2Soil2.4315.1866.264.655.570.210.020.96圖2土壤的XRD圖譜2試驗方法參照DG/TJ08-2082-2017《GS土體硬化劑應用技術規程》中的流動度測試方法對不同配合比的土體固化劑進行流動度測試。參照GB/T1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》中的凝結時間測試方法對不同配合比的土體固化劑進行凝結時間測試。參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》中的成型、養護、測試方法對不同配合比的土體固化劑進行膠砂強度測試（按照土體固化劑450g：ISO標準砂1350g：水225g的比例配制膠砂）。參照GB/T29756-2013《干混砂漿物理性能試驗方法》制備成型干燥收縮性能測試用試件，并測試其干燥收縮率。將不同配比土體固化劑加入土壤，比例為干燥土壤的20%，按照JTGE51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》測試含水率和無側限抗壓強度等。3提鈦尾渣基土體固化劑的性能研究選取了公路水穩層常用土壤，破碎至5mm以下，測試得到其含水率18.2%。土體固化劑中水泥與提鈦尾渣比例固定為20：80，脫硫灰（DSR）和脫硫石膏（Gym）作為外摻激發劑分別按0、5%、10%的比例摻入（分別將DSR和Gym作為激發劑外摻，其中不摻加的命名為CT，摻加5%和10%DSR的命名為CTD5、CTD10，摻加5%和10%Gym的命名為CTG5、CTG10），水灰比固定為0.5（質量比）。3.1流動度提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的流動度如圖3所示。可以看出，提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的初始流動度均保持在較高的水平，且60min流動度也較高，流動度經時損失較小。但配合比不同，流動性也有所差異，總體而言，隨著脫硫灰和脫硫石膏摻量增大，流動性略有降低；二者摻量相同情況下，摻入脫硫石膏的土體固化劑的初始流動度和60min流動度均低于摻入脫硫灰的土體固化劑，且其經時流動度損失更大一些。分析表明，這些配合比的土體固化劑均具有良好的流動性。圖3提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的流動度3.2凝結時間不同配合比的提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的凝結時間如圖4所示。可以看出，未摻脫硫石膏或脫硫灰的土體固化劑（CT）凝結時間非常長。加入脫硫石膏和脫硫灰后，提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的凝結時間則明顯縮短，且脫硫石膏或脫硫灰摻量越大，凝結時間也越短。相比較而言，摻入脫硫石膏的提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的凝結時間較短。圖4提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的凝結時間3.3抗壓強度不同配合比的提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的抗壓強度如圖5所示。可以看出，未摻脫硫石膏和脫硫灰的土體固化劑（CT）強度最低。隨著養護齡期從7d延長至28d，土體固化劑抗壓強度均有明顯增長。土體固化劑CT從28.3MPa增長至36.7MPa，而摻加10%脫硫石膏的土體固化劑CTG10則從32.0MPa增長至52.1MPa。相比較而言，無論養護齡期是7d還是28d，摻入脫硫灰的土體固化劑的抗壓強度都要低于摻入脫硫石膏的土體固化劑。這表明，相比于脫硫灰，脫硫石膏能使得提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的抗壓強度更高。圖5提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的抗壓強度3.4固化土的含水率利用土體固化劑固化處理后的固化土含水率大小決定了固化土再利用的周期長短，一般情況而言，固化土含水率越低，再利用周期越短。因此，探討提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑對土壤含水率的影響具有必要性。提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑對土壤處理后得到的固化土含水率如圖6所示。可以看出，提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑配合比不同，固化土的含水率有所不同，但總體而言變化不大，保持在16-18%之間；且隨著齡期延長，固化土含水率也變化較小。這說明，提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑配合比變化和養護齡期變化對固化土含水率的影響較小。圖6提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑固化土壤后的固化土含水率3.5固化土的無側限抗壓強度針對公路水穩層用不同固化土，基于公路承載力要求不同，其無側限抗壓強度一般要求大于0.5MPa。提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑對土壤處理后得到的固化土無側限抗壓強度如圖7所示。其中，參比組為未摻加任何土體固化劑的空白土壤。可以看出，未摻加土體固化劑的參比組雖然由于壓力能夠成型，但是水養時入水即散，幾乎沒有強度。因此，提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的加入，能極大改善土壤的耐水性和無側限抗壓強度。此外，不同配合比的土體固化劑對土壤無側限抗壓強度的影響也不同。未摻加脫硫石膏或者脫硫灰的土體固化劑無側限抗壓強度最低，加入脫硫石膏或脫硫灰之后，無側限抗壓強度得到提升，且脫硫石膏或脫硫灰的摻量較大時，無側限抗壓強度也在增大。另外，相比較而言，摻入脫硫石膏的提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑固化處理后的固化土無側限抗壓強度明顯優于摻入脫硫灰的固化土，且隨著齡期延長，趨勢越明顯。圖7提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑固化土壤后的固化土無側限抗壓強度分析表明，本項目提出的提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑均具有良好的性能，滿足使用要求。但綜合而言，就公路水穩層使用而言，水泥-提鈦尾渣-脫硫石膏體系更適用，能確保具有良好的流動性、合適的凝結時間、較高的強度、較低含水率。4提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑應用技術研究4.1優化配合比選擇在前面研究基礎上，進一步優化用于公路水穩層的提鈦尾渣基土體固化劑配合比（如表3所示）。基于國家標準規范《公路工程路面基層穩定用水泥》（JT/T994-2015）的相關技術要求及相應的試驗方法，并根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTGE51-2009）測試了含水率和無側限抗壓強度等相關性能。水穩層是水泥穩定碎石層的簡稱，即采用水泥固結級配碎石，通過壓實，養護完成。水泥穩定碎石是以級配碎石作骨料，采用一定數量的膠凝材料和足夠的漿體填充骨料的空隙，按嵌擠原理攤鋪壓實。其壓實度接近于密實度，強度主要靠碎石間的嵌擠鎖結原理，同時有足夠的膠凝材料和漿體來填充骨料的空隙。本項目研究公路水穩層用提鈦尾渣基土體固化劑，一是通過土體固化劑替代水泥，來實現級配碎石層的固化固結，制備出水穩層用材料；二是利用土體固化劑固化土壤得到固化土（穩定土），來替代水穩層用材料，用于公路基層。基于此，利用攀西地區的原狀土壤，篩除19mm以上的顆粒，然后不進行破碎處理、但烘干后，研究土體固化劑與土壤固化后的固化土性能，探討其在公路基層應用可能性。利用31.5mm以下的級配石子（19-31.5mm范圍質量占比25%、9.5-19mm范圍質量占比17%、4.75-9.5mm范圍質量占比38%、4.75mm以下質量占比20%；壓碎值為12%、含泥量0.8%），將土體固化劑與該級配石子混摻，研究得到的水穩層用材料的性能。從而來評價提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的性能是否滿足用于公路路面基層固化處理的使用要求。土體固化劑相對于干土壤和級配石子的摻量分別為15%和20%。表3提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑優化配合比編號水泥提鈦尾渣粉煤灰脫硫石膏脫硫灰硫酸鈉廢渣GS-1206701300GS-2206701003GS-320700505GS-42060010100GS-5157201003GS-62047201003GS-72042251003測試得到提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的物理力學性能如表4和圖8-圖10所示。由表4和圖8-圖10可知，配合比不同，土體固化劑的性能有所區別，所有配合比的土體固化劑初凝時間在270min-425min之間，均大于3h；而終凝時間在390min-540min之間，均不超過10h；所有配合比的土體固化劑安定性均滿足不大于5mm的要求，7d和28d抗折壓強度也均較高，達到32.5強度等級的要求，滿足使用要求。就凝結時間而言，僅摻脫硫石膏的GS-1，其初凝時間和終凝時間相對較長，分別為425min和540min；7d強度發展略慢，但28d強度仍較高。脫硫石膏和硫酸鈉廢渣同摻量情況下，利用部分粉煤灰替代提鈦尾渣（GS-6和GS-7），凝結時間略有變化，7d強度有所提高，但28d強度變化很小。硫酸鈉廢渣高摻量情況下（GS-3和GS-2），會使得土體固化劑的凝結時間有所縮短，而7d和28d強度有所提高。分析表明，所給出的土體固化劑性能均遠超過標準要求，具有良好的物理力學性能。表4提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的性能測試結果編號初凝時間/min終凝時間/min安定性(雷氏夾法)/mm7d抗折強度/MPa7d抗壓強度/MPa28d抗折強度/MPa28d抗壓強度/MPaGS-14255403.24.9GS-23304307.737.3GS-32703903.26.3GS-435556.732.8GS-53504752.55.617.37.033.3GS-63103902.96.323.17.636.5GS-73053902.96.322.87.536.1圖8提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的凝結時間測試結果圖9提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的抗折強度測試結果圖10提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑的抗壓強度測試結果4.2優化配合比對土壤固化效果研究將上述配比土體固化劑加入土壤，比例分別為干燥土壤的15%和20%，按照JTGE51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》測試最佳含水率、最大干密度、7d及28d無側限抗壓強度，測試結果如表5和圖11-圖13所示。表5提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑固化土壤后的固化土性能測試結果摻量編號最佳含水率/%最大干密度/(g/cm3)無側限抗壓強度/MPa摻量編號最佳含水率/%最大干密度/(g/cm3)無側限抗壓強度/MPa7d28d7d28d15%GS-115.21.651.82.720%GS-115.51.672.13.2GS-215.11.652.13.5GS-215.51.672.43.8GS-315.21.652.53.8GS-315.51.672.84.5GS-415.51.641.62.4GS-415.71.661.82.9GS-515.01.641.62.3GS-515.31.651.82.7GS-614.81.631.72.7GS-615.11.652.13.0GS-714.71.631.72.5GS-715.11.642.03.1由表5和圖11-圖13可以看出，無論是15%或者20%摻量，在同摻量情況下，不同土體固化劑固化處理后的固化土的最佳含水率和最大干密度均相差不大。就15%摻量而言，最佳含水率在14.7%至15.5%之間波動，而最大干密度在1.63g/cm3至1.65g/cm3之間波動。同摻量情況下，7d和28d無側限抗壓強度則有所不同，同齡期情況下，7d強度差值最高可達40%以上。但所有配合比的固化土無側限抗壓強度均較高，15%摻量時的7d強度在1.6-2.5MPa之間，20%摻量時的7d強度更是高至在1.8-2.8MPa之間；且齡期延長，無側限抗壓強度明顯增大。這表明，這些優化配合比的土體固化劑對土壤具有較好的固化效果，能實現固化土具有較高的無側限抗壓強度，滿足國家標準《公路路面基層施工技術規范》（JTJ034）關于基層用材料的無側限抗壓強度相關要求。圖11提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑固化土壤后的固化土最佳含水率圖12提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑固化土壤后的固化土最大干密度（a）15%摻量（b）20%摻量圖13提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑固化土壤后固化土無側限抗壓強度4.3優化配合比對路面基層碎石固化效果研究將上述配比土體固化劑加入級配碎石，比例分別為碎石質量的15%和20%，按照JTGE51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》測試最佳含水率、最大干密度、7d及28d無側限抗壓強度，測試結果如表6和圖14-圖16所示。表6提鈦尾渣基公路水穩層用土體固化劑固化碎石后的穩定土性能測試結果摻量編號最佳含水率/%最大干密度/(g/cm3)無側限