一种含钛石膏的泥浆护壁材料及其制备方法

摘要

本发明提供一种含钛石膏的泥浆护壁材料，该护壁材料包括如下重量百分数的原料组成：工业废渣钛石膏70%~85%、复合磷石膏0~10%、磷渣粉3%~9%、硫铁矿烧渣粉5%~11%、电石渣2%~5%、改性材料1~3%。其制备方法是以工业废渣钛石膏为基础原料，添加复合磷石膏、磷渣、硫铁矿烧渣粉、电石渣后搅拌15~30min，使之混合均匀后在再加入改性材料搅拌10~15min，配制而成。本发明技术方案的优点包括（1）含钛石膏的泥浆护壁材料与传统膨润土类相比泥浆护壁材料，性能更好、适用范围广、操作方便、制备工艺简单；（2）原料主要为废弃物、均不需要进行高温处理、成本小耗能低、对环境无二次污染，（3）大大提高了钛石膏的综合利用率。

权利要求

1.一种含钛石膏的泥浆护壁材料，其特征在于，该护壁材料由如下重量百分数的原料组成：工业废渣钛石膏70% 85%、复合磷石膏0 10%、磷渣粉3% 9%、硫铁矿烧渣粉5% 11%、电~ ~ ~ ~石渣2% 5%、改性材料1 3%；

~ ~

所述的工业废渣钛石膏为原状钛石膏在45℃以下烘干48小时，破碎后在球磨机粉磨5~

10分钟，比表面积大于700m2/kg；

所述的复合磷石膏为原状磷石膏，在45℃以下烘干48小时，破碎后在球磨机粉磨5 10~分钟，比表面积大于700m2/kg；

所述的电石渣为原状电石渣，在105℃以下烘干24小时，破碎后在球磨机粉磨3 5分钟，~比表面积大于700m2/kg；

所述的磷渣粉为电炉法生产黄磷排放的废渣经烘干磨细而成，硫铁矿烧渣粉为硫铁矿生产硫酸过程中排出的废渣经烘干磨细而成，磷渣粉和硫铁矿烧渣粉比表面积为800-900 2

m/kg；

所述的改性材料为木钠、木钙、硫酸钠、草酸钾、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素、重晶石细粉中的两种或多种复合而成。

2.根据权利要求1所述的含钛石膏的泥浆护壁材料，其特征在于，该护壁材料按重量百分数计，工业废渣钛石膏80%、复合磷石膏8%，磷渣粉3%、硫铁矿烧渣粉5%、电石渣2%、改性材料2%。

3.权利要求1或2所述的含钛石膏的泥浆护壁材料的制备方法，其特征在于，以工业废渣钛石膏为基础原料，添加复合磷石膏、磷渣粉、硫铁矿烧渣粉、电石渣后搅拌15 30min，使~之混合均匀后再加入改性材料搅拌10 15min，配制成含钛石膏的泥浆护壁材料粉料，含钛~石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照0.7 1.1：1比例倒入立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，~ ~制得护壁泥浆。

说明书

一种含钛石膏的泥浆护壁材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明专利涉及一种护壁材料，具体为一种含钛石膏的泥浆护壁材料。

背景技术

[0002] 目前，在桥梁基础工程中，钻孔灌注桩基础已占据了重要地位。随着钻孔桩向大直径、高深度的发展，泥浆护壁材料已成为钻孔桩成孔技术的主要研究课题之一。泥浆护壁材料除形成泥皮保护孔壁外，还具有增加孔内液体密度、清除钻头土体、冷却钻头和提高钻进速度等作用。泥浆护壁材料目前主要有水基泥浆（WBM）、油基泥浆（OBM）和合成基泥浆（SMB）这三大类。水基泥浆是目前钻孔桩施工最常用的护壁材料。是一种以膨润土为主、添加不同化学处理剂的护壁材料，膨润土质量的优劣对泥浆性能和成本影响很大。目前主要有钙膨润土和钠膨润土2种。国外一般使用钠膨润土，并制定了世界通用标准—API（美国石油学会）标准和OCMA（欧洲石油材料商协会）标准。

[0003] 国外泥浆护壁材料公司针对不同地质情况、不同施工方式开发了品种繁多的膨润土类护壁材料，典型护壁材料产品有美国的土层稳定剂FZ-Mud、失水调节剂Quik-Trol、以及增加絮凝度及排屑能力的No-SagTM剂；美国CETCO优质膨润土类水井修复类剂；美国PDS超级泥浆；德国的Bentonil HDG剂，它们能够去除、调节钻井液残留物以及地层颗粒以优化钻井性能，稳定孔壁，维护孔内清洁，并且增强排渣能力，为砂层和强漏失地层降低了施工成本。我国1985年研制成功钙土钠化技术，人工钠土达到API标准并获API证书，很快推广到全国，钠膨润土的使用在我国的工程施工中占主体地位。国内外泥浆护壁材料都需要大量使用膨润土这种工业原料成本高，膨润土作为一种重要的工业原料，储量尤其是高品位的极为有限。

[0004] 钛石膏即是硫酸法生产钛白粉时为治理废酸或酸性废水而产生的以二水硫酸钙为主要成分的黄色或红色废渣。目前国内钛白粉生产企业约80余家，90％以上采用硫酸法生产工艺进行生产。每生产1t钛白粉就产生5～6t石膏渣，我国每年约产生1000万t的钛石膏，“十二五”末期，我国钛石膏产生量已达2000万吨/年。钛石膏的排放不仅占用大量土地，又污染环境。由于受到雨水的冲洗，堆砌场上的钛石膏会发生流失。同时，钛石膏经过雨水的冲刷和浸泡，可溶性有害物质溶于水中，经水在环境中的流动和循环，会严重污染地表水以及地下水；另一方面，钛石膏堆积经日晒风吹后，少部分会以粉末状飘散于大气中，以及沉降到可能接触到的外物表面，既污染环境又威胁健康。钛白膏是目前利用率最低的工业副产石膏。因此,若能找到钛石膏高效利用的途径,不仅可以解决固体废弃物综合利用、环境改善的问题,还能替代施工泥浆主要原料—膨润土，应用前景广泛。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于利用钛石膏自身特点，采用磷石膏、磷渣粉、硫铁矿烧渣粉、电石渣、改性材料等对钛石膏进行改性处理，制备出了一种新型含钛石膏的泥浆护壁材料，原料为工业废弃物、成本低廉、制备的泥浆性能优良、适用范围广，可以大量消耗大量废弃的、污染大的钛石膏及其他工业废弃物，同时，也能缓解膨润土资源紧张的问题。

[0006] 本发明是这样实现上述目的的：

[0007] 一种含钛石膏的泥浆护壁材料，该护壁材料包括如下重量百分数的原料组成：工业废渣钛石膏70% 85%、复合磷石膏0 10%、磷渣粉3% 9%、硫铁矿烧渣粉5% 11%、电石渣2%~ ~ ~ ~ ~5%、改性材料1 3%。
~

[0008] 进一步优选为该护壁材料按重量百分数计，工业废渣钛石膏80%、复合磷石膏8%，磷渣粉3%、硫铁矿烧渣粉5%、电石渣2%、改性材料2%。

[0009] 所述的工业废渣钛石膏为原状钛石膏在45℃以下烘干48小时，破碎后在球磨机粉磨5 10分钟，比表面积大于700m2/kg。~

[0010] 所述的复合磷石膏为原状磷石膏，在45℃以下烘干48小时，破碎后在球磨机粉磨510分钟，比表面积大于700m2/kg。
~

[0011] 所述的电石渣为原状电石渣，在100±5℃以下烘干24小时，破碎后在球磨机粉磨35分钟，比表面积大于700m2/kg。
~

[0012] 所述的磷渣粉为电炉法生产黄磷排放的废渣经烘干磨细而成，硫铁矿烧渣粉为硫铁矿生产硫酸过程中排出的废渣经烘干磨细而成，磷渣粉和硫铁矿烧渣粉比表面积为800-2
900 m/kg。

[0013] 所述的改性材料为木钠、木钙、硫酸钠、草酸钾、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚丙烯酰、重晶石细粉中的两种或多种复合而成。

[0014] 本发明还提供一种含钛石膏的泥浆护壁材料的制备方法，具体是将含钛石膏的泥浆护壁材料制备方法为：以工业废渣钛石膏为基础原料，添加复合磷石膏、磷渣、硫铁矿烧渣粉、电石渣后搅拌15 30min，使之混合均匀后在再加入改性材料搅拌10 15min，配制而~ ~成。

[0015] 该过程中还包括水，其中所述的含钛石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照0.7 1.1:~
1比例倒入立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得护壁泥浆。
~

[0016] 钛石膏主要成分为 CaSO4·2H2O，但一般含有5%~15% Fe(OH)3和Al(OH)3等杂质。原状钛石膏在45℃以下烘干48小时，破碎后在球磨机粉磨5 10分钟，比表面积大于700m2/~
kg，在含钛石膏的泥浆护壁材料占70% 85%，其余材料分别为0 10%磷石膏，5% 10%磷渣粉、~ ~ ~
2% 5%电石渣和1 3%改性材料。将上述原料按比例称量后混合均匀即为泥浆护壁材料，将其~ ~
和水按照0.7 1.1:1比例倒入立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得施工泥浆。
~ ~

[0017] 钛石膏本身含有的Fe(OH)3和Al(OH)3等杂质是其具有很强粘稠度性能主要原因，但仅有此，无法制备出符合要求的泥浆护壁材料。电石渣主要成分为Ca(OH)2。磷渣和硫铁矿烧渣粉是含有硅铝基活性物质的废弃物，它和钛石膏中CaSO4·2H2O一起被电石渣激发发生化学反应。改性材料中主要含有增强泥浆粘度、加速泥浆护壁材料中发生化学反应的成分。采用磷渣粉、硫铁矿烧渣粉、电石渣和改性材料对钛石膏活性激发，可以很快生成具有网状结构和吸水性能的水化产物，和原状磷石膏中残留的浮选药剂、电石渣残留的絮凝剂等，和钛石膏本身含有的Fe(OH)3和Al(OH)3等杂质一起通过吸附和交联等形成复杂的胶结结构，从而大大增强泥浆的粘度，原状磷石膏中残留的磷尾矿细粉可以改善泥浆的含砂率，故可以提高泥浆的综合性能和品质。

[0018] 本发明的优点：（1）含钛石膏的泥浆护壁材料与传统膨润土类相比泥浆护壁材料，性能更好、适用范围广、操作方便、制备工艺简单；（2）原料主要为废弃物、均不需要进行高温处理、成本小耗能低、对环境无二次污染，（3）大大提高了钛石膏的综合利用率。

具体实施方式

[0019] 实施例1：

[0020] 配比：钛石膏：磷石膏：磷渣粉：硫铁矿烧渣粉：电石渣：改性材料=80%：8%：3%：5%：2%：2%，其中百分比均为质量百分比，以材料总质量为基准，材料总质量=钛石膏质量+磷石膏质量+磷渣粉质量+硫铁矿烧渣粉质量+电石渣质量+改性材料，钛石膏实测比表面积为
741.0 m2/kg。

[0021] 将含钛石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照0.95:1比例，采用边加料边搅拌方式加入到立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得施工泥浆。测得施工泥浆相对密度1.38，粘度~24Pa°s，含砂率5%，胶体率98%，失水率12ml/min，泥皮厚度1mm/30min,静切力4.2Pa,pH值为
9.5，满足公路桥涵施工技术规范中地质情况为易坍地层、采用正循环钻孔方式的施工用泥浆要求。

[0022] 实施例2：

[0023] 配比：钛石膏：磷石膏：磷渣粉：硫铁矿烧渣粉：电石渣：改性材料=70%：10%：4%：11%：4%：1%，其中百分比均为质量百分比，以材料总质量为基准，材料总质量=钛石膏质量+磷石膏质量+磷渣粉质量+硫铁矿烧渣粉质量+电石渣质量+改性材料，钛石膏实测比表面积为775.6 m2/kg。

[0024] 将含钛石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照0.8:1比例，采用边加料边搅拌方式加入到立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得施工泥浆。测得施工泥浆相对密度1.12，粘度~18Pa°s，含砂率6%，胶体率97%，失水率21ml/min，泥皮厚度1mm/30min,静切力1.14Pa,pH值为8.5，满足公路桥涵施工技术规范中地质情况为一般地层、采用正循环钻孔方式的施工用泥浆要求。

[0025] 实施例3：

[0026] 配比：钛石膏：磷石膏：磷渣粉：硫铁矿烧渣粉：电石渣：改性材料=73%：0%：9%：11%：4%：3%，其中百分比均为质量百分比，以材料总质量为基准，材料总质量=钛石膏质量+磷石膏质量+磷渣粉质量+硫铁矿烧渣粉质量+电石渣质量+改性材料，钛石膏实测比表面积为
763.1 m2/kg。

[0027] 将含钛石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照0.7:1比例，采用边加料边搅拌方式加入到立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得施工泥浆。测得施工泥浆相对密度1.04，粘度~17Pa°s，含砂率2%，胶体率98%，失水率16ml/min，泥皮厚度2mm/30min,静切力2.0Pa,pH值为
10，满足公路桥涵施工技术规范中地质情况为一般地层、采用反循环钻孔方式的施工用泥浆要求。

[0028] 实施例4：

[0029] 配比：钛石膏：磷石膏：磷渣粉：硫铁矿烧渣粉：电石渣：改性材料=75%：0%：7%：12%：5%：1%，其中百分比均为质量百分比，以材料总质量为基准，材料总质量=钛石膏质量+磷石膏质量+磷渣粉质量+硫铁矿烧渣粉质量+电石渣质量+改性材料，钛石膏实测比表面积为
785.2 m2/kg。

[0030] 将含钛石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照1.1:1比例，采用边加料边搅拌方式加入到立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得施工泥浆。测得施工泥浆相对密度1.14，粘度~33Pa°s，含砂率2%，胶体率97%，失水率17ml/min，泥皮厚度2mm/30min,静切力1.8Pa,pH值为
10，满足公路桥涵施工技术规范中地质情况为卵石土、采用反循环钻孔方式的施工用泥浆要求。

[0031] 实施例5：

[0032] 配比：钛石膏：磷石膏：磷渣粉：硫铁矿烧渣粉：电石渣：改性材料=85%：0%：4%：5%：3%：3%，其中百分比均为质量百分比，以材料总质量为基准，材料总质量=钛石膏质量+磷石膏质量+磷渣粉质量+硫铁矿烧渣粉质量+电石渣质量+改性材料，钛石膏实测比表面积为
792.7 m2/kg。

[0033] 将含钛石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照0.85:1比例，采用边加料边搅拌方式加入到立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得施工泥浆。测得施工泥浆相对密度1.08，粘度~25Pa°s，含砂率1%，胶体率96%，失水率16ml/min，泥皮厚度1mm/30min,静切力1.7Pa,pH值为
9，满足公路桥涵施工技术规范中地质情况为易坍地层、采用反循环钻孔方式的施工用泥浆要求。

[0034] 实施例6：

[0035] 配比：钛石膏：磷石膏：磷渣粉：硫铁矿烧渣粉：电石渣：改性材料=77%：1%：5%：10%：5%：2%，其中百分比均为质量百分比，以材料总质量为基准，材料总质量=钛石膏质量+磷石膏质量+磷渣粉质量+硫铁矿烧渣粉质量+电石渣质量+改性材料，钛石膏实测比表面积为
743.3 m2/kg。

[0036] 将含钛石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照0.75:1比例，采用边加料边搅拌方式加入到立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得施工泥浆。测得施工泥浆相对密度1.14，粘度~22Pa°s，含砂率2%，胶体率97%，失水率15ml/min，泥皮厚度2mm/30min,静切力1.7Pa,pH值为
11，满足公路桥涵施工技术规范中地质情况为一般地层、采用推钻冲抓钻孔方式的施工用泥浆要求。

[0037] 实施例7：

[0038] 配比：钛石膏：磷石膏：磷渣粉：硫铁矿烧渣粉：电石渣：改性材料=80%：3%：3%：7%：4%：3%，其中百分比均为质量百分比，以材料总质量为基准，材料总质量=钛石膏质量+磷石膏质量+磷渣粉质量+硫铁矿烧渣粉质量+电石渣质量+改性材料，钛石膏实测比表面积为
784.8m2/kg。

[0039] 将含钛石膏的泥浆护壁材料粉料和水按照1:1比例，采用边加料边搅拌方式加入到立式搅拌机中，快速搅拌5 10min，制得施工泥浆。测得施工泥浆相对密度1.38，粘度~27Pa°s，含砂率2%，胶体率98%，失水率17ml/min，泥皮厚度2mm/30min,静切力4.3Pa,pH值为
10，满足公路桥涵施工技术规范中地质情况为一般地层、采用推钻冲抓钻孔方式的施工用泥浆要求。