CN101597496B - 一种水泥基土壤固化剂及其制备与应用 - Google Patents
一种水泥基土壤固化剂及其制备与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种水泥基土壤固化剂及其制备与应用，制得的土壤固化剂由以下原料及其质量百分比制成：硫酸钠：10％～40％，三聚磷酸钠：2％～6％，碳酰二胺：2％～5％，聚丙烯酰胺：2％～8％，十二烷基硫酸钠乳化剂：1％～5％，三乙醇胺：2％～10％，硅酸钠：10％～60％，氢氧化钠：4％～12％，碳酸钠：2％～15％，氢氧化钾2％～6％，甲基硅酸钠2％～8％，上述原料的百分数之和为100％。可制成粉状和液状两种，该土壤固化剂可以充分激发水泥与土体各种物理、化学和物理化学反应，使水泥土的工程性能大大改善，强度增大，干缩性降低，耐久性增强。可广泛应用于道路基础、堤防加固、渠道防渗、水土保持、边坡防护、桩基处理等工程。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑材料技术领域，特别涉及修建道路基础、堤防加固、渠道防渗、水土保持、边坡防护、桩基处理等工程的土体加固材料，特别是一种水泥基土壤固化剂及其制备以及该水泥基土壤固化剂在各类水泥加固土中的应用。
背景技术
随着世界范围内的生态环境恶化、能源严重短缺的状况加剧，如何在土木工程建筑领域充分利用当地建筑材料，达到减少能源消耗、遏止环境恶化的目的是土木工程师们面临的一个重大课题。目前，加固土体的材料多采用石灰、水泥，其可以增强土体的强度，改善土体的水稳性，提高土体的工程性能。但是，石灰土的强度增加缓慢，而且增长强度有限；水泥土的强度较低，干缩性较大，耐久性较差。土壤固化剂是一种能够在常温下显著改善和提高土壤技术性能的材料，可在一定程度上克服灰土、水泥土的缺点。土壤固化剂生产过程环保节能，加固对象广泛，各种性能优异，施工简单方便，具有明显的性能价格比优势，已经在许多工程实践中得到应用。工程实践表明，土壤固化剂具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种水泥基土壤固化剂及其制备方法，制得的该水泥基土壤固化剂(Based-cement soil stabilizer，“BCS”)能够提高土壤的工程性能，使其满足各类工程对土体的力学、水理和耐久等特性的需求。该固化剂的制备方法是将含有硫酸钠、三聚磷酸钠、碳酰二胺、聚丙烯酰胺、十二烷基硫酸钠乳化剂、三乙醇胺、硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、甲基硅酸钠等化工产品按照一定的比例混匀，使用时溶于水中形成一定浓度的水溶液，然后再均匀喷洒于水泥土中，充分激发水泥和粘土矿物的活性，达到固化土体的目的。
为了达到上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种水泥基土壤固化剂，其特征在于，制得的该土壤固化剂由以下原料及其质量百分数制成：硫酸钠：10％～40％，三聚磷酸钠：2％～6％，碳酰二胺：2％～5％，聚丙烯酰胺：2％～8％，十二烷基硫酸钠乳化剂：1％～5％，三乙醇胺：2％～10％，硅酸钠：10％～60％，氢氧化钠：4％～12％，碳酸钠：2％～15％，氢氧化钾2％～6％，甲基硅酸钠2％～8％，上述原料的百分数之和为100％。
上述水泥基土壤固化剂的制备方法，根据形态不同，可将制备方法分为两种，即粉状和液状。即：
将上述材料按照一定的比例放入搅拌机中进行拌合，搅拌容器须采用非金属材料，拌匀后密封于非金属容器内保存，形成粉状固化剂；
或将上述材料放入非金属容器内，按照一定的浓度掺入水加热至50～60℃进行液化处理，放入非金属容器内密封保存，形成液状固化剂。
本发明制备的水泥基土壤固化剂适用于各类采用水泥加固的土体工程，在土壤固化剂中的激发剂作用下，水泥自身、水泥与土体、土颗粒之间发生物理、化学、物理化学反应，增强土体颗粒之间的粘结力，达到满足工程的性能。本发明可以广泛应用于道路基础、堤防加固、渠道防渗、水土保持、边坡防护、桩基处理等工程，对于降低能源消耗、减少环境污染、构建和谐社会具有重要的意义。
具体实施方式
以下结合本发明的原理以及发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的水泥基土壤固化剂，其质量百分数组成为：硫酸钠：10％～40％，三聚磷酸钠：2％～6％，碳酰二胺：2％～5％，聚丙烯酰胺：2％～8％，十二烷基硫酸钠乳化剂：1％～5％，三乙醇胺：2％～10％，硅酸钠：10％～60％，氢氧化钠：4％～12％，碳酸钠：2％～15％，氢氧化钾2％～6％，甲基硅酸钠2％～8％，上述原料的百分数之和为100％。
本发明的水泥基土壤固化剂可以制成粉状固化剂或液状固化剂：
将上述材料按照一定的比例放入搅拌机中进行拌合，搅拌容器须采用非金属材料，拌匀后密封于非金属容器内保存，形成粉状固化剂；
或将上述材料放入非金属容器内，按照一定的浓度掺入水加热至50～60℃进行液化处理，放入非金属容器内密封保存，形成液状固化剂。
使用方法：
粉状固化剂在使用时将固化剂在现场溶解于水中，搅拌形成均匀的溶液，喷洒于土体中，与水泥、石灰、石膏等材料一起进行拌合，按照施工程序进行操作；
液状固化剂按照一定的浓度稀释喷洒在土体中，与水泥、石灰、石膏等材料一起进行拌合，按照施工程序进行操作。
本发明的水泥基土壤固化剂固土机理在于：土壤固化剂中的组分不仅能够有效激发水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等成分反应，形成水化硅酸钙凝胶、三硫型水化硫铝酸钙等，而且可以激发土体中的活性硅、活性铝参与反应，更重要的是在强碱性条件下，粘土矿物表面的氧化硅、氧化铝在土体溶液中钙离子的参与下发生“解聚-胶结”反应，也形成大量的水化硅酸钙凝胶、三硫型水化硫铝酸钙，同时还伴随着钙离子的离子交换吸附作用、氢氧化钙的碳酸化作用等反应。通过上述的物理反应、化学反应和物理化学反应，增强了土颗粒之间的粘结力，使土体的工程性能得以改善。
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，本发明不限于这些实施例。在试验的基础上，可根据土质的不同在正交试验的基础上进行配方各组分含量调整，形成适合不同土质的土壤固化剂。
实施例1：
土样：选自武功黄土。土样的颗粒机械组成以粉粒(0.075～0.005mm)为主，其含量60.2％，粘粒(＜0.005mm)的含量35.0％，砂粒含量(＞0.075mm)4.8％，属于粉质粘土。
水泥：冀东水泥扶风有限责任公司生产的“盾石牌”P.O.42.5水泥。
石膏：宝鸡岐山新星石膏厂生产的新星牌熟石膏。
石灰：氧化钙、氧化镁含量分别为49.2％、12.0％的生石灰粉。
成型方式：干硬性成型，试件干密度1.723g/cm3，含水率18.2％。
土壤固化剂的组成与制备：无水硫酸钠：20％，三聚磷酸钠：4％，碳酰二胺：3％，聚丙烯酰胺：4％，十二烷基硫酸钠乳化剂：3％，三乙醇胺：6％，硅酸钠：30％，氢氧化钠：10％，碳酸钠：10％，氢氧化钾5％：甲基硅酸钠5％，上述原料均可采用市售化工原料。
将上述材料放入容器为塑料制品的搅拌机中进行拌合，搅拌容器采用非金属材料，拌匀后密封于非金属容器(塑料容器)内密闭保存，形成粉状固化剂。
使用方法：使用时按照质量比为5％的浓度将粉状固化剂溶解于水中，采用搅拌、加热等方式增加溶解速率。
试验方法：采用3组进行，第1组将土、水泥、土壤固化剂按照干质量为100∶12∶0.12混匀，第2组将土、水泥、石灰、石膏、土壤固化剂按照干质量比为100∶10∶1∶1∶0.12混匀，第3组将土、水泥按照干质量比为100∶12混匀。静力压实法制备试件，试件直径×高＝50mm×50mm，试件从试模内脱出，养护至规定龄期的前一天将试件浸泡在水中。将浸水一昼夜的试件从水中取出，采用压力机测定其无侧限抗压强度。
力学强度：第1组固化土7d、28d龄期无侧限强度分别为2.97MPa、4.16MPa，第2组固化土7d、28d龄期无侧限强度分别为2.96MPa、4.84MPa，第3组水泥土7d、28d龄期无侧限强度分别为2.05MPa、3.06MPa。与水泥土比较，第1组、第2组在7d龄期时分别增长了44.8％、44.4％，在28d龄期时分别增长了35.9％、43.8％。
实施例2：
土样：选自定边黄土。土的物理化学性质：颗粒机械组成以砂粒(＞0.075mm)为主，其含量52.0％，粉粒含量(0.075～0.005mm)37.0％，粘粒(＜0.005mm)含量11.0％，属于低液限粉土。
水泥：宁夏西夏水泥有限责任公司生产的“青铜峡”P.O.42.5水泥。
石膏：宝鸡岐山新星石膏厂生产的新星牌熟石膏。
石灰：氧化钙、氧化镁含量分别为49.2％、12.0％的生石灰粉。
成型方式：干硬性成型，试件干密度1.962g/cm3，含水率10.3％。
土壤固化剂的组成与制备：无水硫酸钠：12％，三聚磷酸钠：5％，碳酰二胺：4％，聚丙烯酰胺：6％，十二烷基硫酸钠乳化剂：3％，三乙醇胺：8％，硅酸钠：35％，氢氧化钠：8％，碳酸钠：8％，氢氧化钾：5％，甲基硅酸钠6％，上述原料均可采用市售化工原料。
将上述材料按照一定的浓度掺入水加热至50～60℃，搅拌均匀，放入非金属容器内密封保存，形成液状固化剂。
使用方法：使用时将液状土壤固化剂兑入一定量的水进行稀释，可采用搅拌、加热等方式增加溶解速率。
试验方法：采用2组进行，第1组将土、水泥、土壤固化剂按照干质量为100∶9∶0.054、100∶12∶0.072、100∶15∶0.09混匀，第2组将土、水泥、按照干质量比为100∶9、100∶12、100∶15混匀。静力压实法制备试件，试件直径×高＝50mm×50mm，试件从试模内脱出，养护至规定龄期的前一天将试件浸泡在水中。将浸水一昼夜的试件从水中取出，采用压力机测定其无侧限抗压强度。
力学强度：第1组固化土7d龄期无侧限强度分别为2.08MPa、3.12MPa、3.86MPa，28d龄期无侧限强度分别为3.02MPa、4.64MPa、5.47MPa；第2组固化土7d龄期无侧限强度分别为1.72MPa、2.58MPa、3.20MPa，28d龄期无侧限强度分别为2.31MPa、3.80MPa、4.09MPa。与水泥土相比，固化土的强度增加了20.9％～33.7％。
Claims (6)
1.一种水泥基土壤固化剂，其特征在于，制得的该土壤固化剂由以下原料及其质量百分数制成：硫酸钠：10％～40％，三聚磷酸钠：2％～6％，碳酰二胺：2％～5％，聚丙烯酰胺：2％～8％，十二烷基硫酸钠乳化剂：1％～5％，三乙醇胺：2％～10％，硅酸钠：10％～60％，氢氧化钠：4％～12％，碳酸钠：2％～15％，氢氧化钾2％～6％，甲基硅酸钠2％～8％，上述原料的百分数之和为100％。
2.如权利要求1所述的水泥基土壤固化剂，其特征在于，制得的该土壤固化剂由以下原料及其质量百分数制成：硫酸钠：20％，三聚磷酸钠：4％，碳酰二胺：3％，聚丙烯酰胺：4％，十二烷基硫酸钠乳化剂：3％，三乙醇胺：6％，硅酸钠：30％，氢氧化钠：10％，碳酸钠：10％，氢氧化钾5％：甲基硅酸钠5％。
3.如权利要求1所述的水泥基土壤固化剂，其特征在于，制得的该土壤固化剂由以下原料及其质量百分数制成：硫酸钠：12％，三聚磷酸钠：5％，碳酰二胺：4％，聚丙烯酰胺：6％，十二烷基硫酸钠乳化剂：3％，三乙醇胺：8％，硅酸钠：35％，氢氧化钠：8％，碳酸钠：8％，氢氧化钾：5％，甲基硅酸钠6％。
4.权利要求1或2或3所述的水泥基土壤固化剂的制备方法，其特征在于，将配方量的原料放入搅拌机中进行拌合，搅拌容器须采用非金属材料，拌匀后密封于非金属容器内保存，形成粉状固化剂。
5.权利要求1或2或3所述的水泥基土壤固化剂在各类水泥固化土中的应用。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，将水泥基土壤固化剂在施工现场溶解于水中，搅拌形成均匀的溶液，喷洒于土体中，与水泥、石灰、石膏材料一起进行拌合，按照施工程序进行操作。
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