CN102504827A

CN102504827A - 一种复合功能的固土剂及其使用方法

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Publication number: CN102504827A
Application number: CN2011103072436A
Authority: CN
Inventors: 张岩; 吴超
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: CN102504827B

Abstract

本发明公开了一种复合功能的固土剂及其使用方法，固土剂用于防止土壤、沙丘等发生风蚀、水蚀和污染环境。选取阴离子型聚丙烯酰胺、硅酸钠和硫酸铝作为固土剂的组分，并根据L₉(3⁴)正交设计，各试剂浓度选取3个水平。运用无侧限抗压强度试验、间接抗拉强度试验、浸水试验对形成的标准试件进行了测试，得到了固土剂的最佳配方。同时由试验结果得出，喷施研制的新型固土剂能够达到很好的固化作用和取得良好的综合经济效益。该固土剂是一种理想的环保产品，具有巨大的生态环保效益。

Description

一种复合功能的固土剂及其使用方法

技术领域

本发明属于环境保护领域，特别是涉及城市正在修建的道路、矿山路面、尾矿库、荒地、沙丘的稳定土等领域，具体涉及一种复合功能的固土剂及其使用方法。

背景技术

处于裸露状态的土壤、沙丘等场所，每逢干燥刮风季节，表面粉尘在风力推动下极易发生扬尘。不仅造成空气、清洁地面和水环境污染，影响农作物生长，而且还会威胁到人体的健康。面对日益严峻的粉尘污染问题，因此开发一种固土剂，将其施用于土壤、沙丘等的表面，使其形成相对稳定的状态，将会解决这一问题。

目前，除了经常使用的固土剂，如石灰、水泥以及各种工业废渣等，一些科技工作者也已经研制了许多新型的固土剂，如ISS-2500、LE-3001、LPC-600等。但现有针对化学固土剂的研究还比较薄弱，已有的各种固土剂存在不同的问题，如性能单一、工艺复杂、成本高、污染环境及应用推广度不够等问题。因此，研究开发适用范围更广、性能更稳定、价格更低廉的土壤固土剂具有明显的经济及社会效益。

发明内容

本发明的目的在于开发一种固土效果好、固化周期长、成本低廉及污染小的新型土壤固土剂及其使用方法，其运用科学合理的剂量改善和提高土的物理力学性质及工程性质(如抗压、抗剪、抗冲刷和抗渗能力)，使土壤成为稳固持久的固化土。

一种复合功能的固土剂配方为以下4种之一：

1)质量浓度为0.05％-0.2％的阴离子型聚丙烯酰胺水溶液；

2)阴离子型聚丙烯酰胺与硅酸钠的混合溶液，阴离子型聚丙烯酰胺质量浓度为0.05％-0.2％，硅酸钠质量浓度不高于10％；

3)阴离子型聚丙烯酰胺溶液与硫酸铝的混合溶液，阴离子型聚丙烯酰胺质量浓度为0.05％-0.2％，硫酸铝质量浓度不高于0.2％；配制时，先将硫酸铝溶解，再加入阴离子型聚丙烯酰胺混合溶解；

4)阴离子型聚丙烯酰胺溶液、硅酸钠与硫酸铝的混合溶液，阴离子型聚丙烯酰胺的质量浓度为0.05％-0.2％，硅酸钠的质量浓度不高于10％，硫酸铝质量浓度不高于0.2％；配制时，先将硫酸铝溶解，再在其中加入阴离子型聚丙烯酰胺，最后加入硅酸钠混合溶解；

所述的固土剂的使用时，直接喷施于土壤中。在喷施前，各组分按各自配比混合溶解于水中制成固土剂，其中固土剂的掺量为土样总质量的25％。

本发明各组分作用如下：

(1)成膜剂、粘结剂--聚丙烯酰胺(PAM)：具有高粘性及交联性，能降低土壤的表面能，削弱土壤的亲水性，且高分子凝胶体可将土颗粒包围起来，从而形成了一个高强度的空间网状结构。

(2)保湿剂、粘结剂--硅酸钠：溶于水形成粘稠溶液，是一种无机粘合剂，可作为土壤固化剂加固土壤。

(3)固化剂--硫酸铝：溶液中含有Al³⁺、Al(OH)₃、AlO₂ ^-等离子，当加入到土中会与土壤中的离子发生反应，生成氢氧化铝、偏铝酸盐等难溶化合物，从而稳定了土壤。

在实验过程中发现：应先加入硫酸铝，再加入阴离子型聚丙烯酰胺，最后加入硅酸钠，这样可消除形成胶体之间的静电斥力，使颗粒通过架桥作用和网捕作用迅速长大。

在选择使用试剂及其配方时，必须综合考虑实际现场效果和经济成本，选出有效固土的最优配比。

本发明的优点和有益效果如下：

(1)本发明固土剂安全、环保，它不仅能固结土壤，抑制扬尘，而且能够使得土壤保持长时间的湿润状态。固土剂的各成分均是环境友好型材料，对人体健康和生态环境均无伤害。

(2)本发明固土剂制备工艺简单，无需任何复杂设备，且配方科学合理。利用L9(34)正交试验，得到固土剂的最佳配比为：0.1％聚丙烯酰胺+5％硅酸钠+0.2％硫酸铝，避免了盲目加大试剂用量而带来的成本浪费。

(3)本发明制成的固土剂具有较好的稳定性，其固化效果明显高于洒水，且工作量小。该固土剂的保湿、粘合和固结三种作用，弥补了其它固土剂的不足，且适用范围非常广泛，可用于城市道路，建筑场地，矿山道路、尾矿库，沙漠等。

附图说明

图1为强度试验原理图。

(a)无侧限抗压强度试验 (b)间接抗拉强度试验

具体实施方式

以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1

1.土料与试剂的选择

土样取于长沙地区典型的原始土坡，将采回的普通土样捏碎置于瓷盘并均匀摊开，然后置于烘箱中风干，之后剔除土中的杂质进行土壤的研磨，并使研磨后的土样通过20目标准筛，最后将筛后的土料放入密闭的容器内，并置于阴凉处保存。

试剂的筛选本着吸水、保水、凝结等几大功能的原则，同时充分考虑到以下几点：1)稳固性能好，性能稳定，易分散成稳定的网络体系，且周期长；2)胶结好，渗透性强，粘度相当；3)用量少，快速持久，经济合理；4)无污染或污染小，易生物降解；5)配方科学合理，制备工艺简单，施用方便。最终选择聚丙烯酰胺、硫酸铝、硅酸钠三种基料作为新型土壤固土剂的组成成分。

2.实验仪器和方法

(1)仪器。实验使用的主要仪器有：强度路测仪、模具、电子分析天平、烘箱、标准筛、瓷盘、玻璃培养皿、量筒、烧杯、玻璃棒、药匙、秒表等。

(2)各配比固土剂溶液的制备。根据L₉(3⁴)正交设计，各试剂浓度选取3个水平，如表1。按照表1中的各成分的浓度水平混合溶解，配得所需的固土剂溶液。

表1正交试验设计因素水平表

(3)试验步骤。1)制取标准试件。取110g土料，固土剂的掺量为土样总量的25％，对照组试件按最佳含水量拌和，然后将配好的土料分三次压入试模中，捣实均匀，将试件脱模即得Φ50×50mm圆柱形试件，保证每个试件大小、质量基本等同，否则重新来过。2)试件养护。将形成的试件在自然条件下养护，龄期为14天。3)试件测试。将在自然条件下养护14天后的试件置于路面强度测力仪的升降台上，调节升降旋钮和速度控制旋杆，使试件的形变保持1mm/min的恒定速率增加。

(4)根据L₉(3⁴)正交试验，以无侧限抗压强度，如图1(a)、间接抗拉强度，如图1(b)和水稳定性三个指标作为稳定土稳固性的考核指标来确定三种试剂的最佳配比。

1)根据我国《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)，无侧限抗压强度R_c按下式计算：

R_c＝P/A

式中：P——试件破坏时的最大压力(N)；

A——试件的截面积，A＝πd²/4，d为试件的直径(mm)。

2)间接抗拉强度R_i按下式计算：

R_i＝2P/(πdL)

式中：P——试件破坏时的最大压力(N)；

L——试件的长度(mm)；d为试件的直径(mm)。

3)将试件浸泡于水中(保持试样不被破坏且体积恒定)，10min后取出并擦干试件表面的水分，然后测其无侧限抗压强度并用水稳定系数K_r来表征土体的水稳定性，计算如下式：

K_r＝R_浸水/R_标准

式中：K_r——水稳定系数；R_标准--标准状态下的抗压强度，MPa；

R_浸水——浸水状态下的抗压强度，MPa。

3.实验结果及分析

通过正交试验结果可知：1)加纯水的对照组试件其抗压强度、抗拉强度及水稳定性低于添加固土剂的试样，如表2；2)在土壤中加入聚丙烯酰胺、硅酸钠及硫酸铝三种试剂，可明显提高土体的结构强度，相对于在土壤中添加单一或两种试剂的稳固效果较好；3)土体强度不是随掺量的增加而增大，避免了盲目加大试剂用量而带来的成本浪费。

表2固土剂的正交试验结果

将正交试验结果进行极差分析得到：1)无侧限抗压强度试验得到最优配方方案为0.1％聚丙烯酰胺+5％硅酸钠+0.2％硫酸铝；重要顺序为硅酸钠＞硫酸铝＞聚丙烯酰胺。2)水稳定试验得到最优配方方案为0.1％聚丙烯酰胺+0％硅酸钠+0.2％硫酸铝；重要顺序为硫酸铝＞聚丙烯酰胺＞硅酸钠。3)间接抗拉强度试验得到最优配方方案为0.2％聚丙烯酰胺+5％硅酸钠+0.2％硫酸铝；重要顺序为硅酸钠＞硫酸铝＞聚丙烯酰胺。4)综合考虑实际效果及经济成本最终选得最佳配比为0.1％聚丙烯酰胺+5％硅酸钠+0.2％硫酸铝。

4.经济效益分析

实际工程的基本费用主要由原料费、设备费、人工费三部分组成，其中设备费及人工费相差不多，成本差异主要体现在材料费用上，因此针对材料费用进行了比较。假设每次喷施量为1×10⁵kg，水的价格按照1×10^-2元/kg来计算，在最优配合比的基础上，固土剂的价格按照各成分市场价格来计算，具体结果见表3。

表3施用材料费用表

虽然喷洒固土剂的费用较喷水的花费高，但从提高土体稳固性方面，喷施固土剂的效果明显高于喷施水的效果。因此在可以接受的费用范围内，可以选择该种新型的固土剂。该种固土剂对生态的破坏很小，是一种理想的环保产品，具有巨大的生态环保效益。

Claims

1.一种复合功能的固土剂，其特征在于：所述的固土剂配方为以下4种之一：

1)质量浓度为0.05％-0.2％的阴离子型聚丙烯酰胺水溶液；

3)阴离子型聚丙烯酰胺溶液与硫酸铝的混合溶液，阴离子型聚丙烯酰胺质量浓度为0.05％-0.2％，硫酸铝质量浓度不高于0.2％；

4)阴离子型聚丙烯酰胺溶液、硅酸钠与硫酸铝的混合溶液，阴离子型聚丙烯酰胺的质量浓度为0.05％-0.2％，硅酸钠的质量浓度不高于10％，硫酸铝质量浓度不高于0.2％。

2.权利要求1所述的固土剂的使用方法，其特征在于：喷施于土壤中。

3.权利要求1所述的固土剂的使用方法，其特征在于：在喷施前，各组分按各自配比混合溶解于水中制成固土剂，其中固土剂的掺量为土样总质量的25％。