CN103555339B - 一种高抗水性土壤固化剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抗水性土壤固化剂，是一种乳液，包括粘结剂、增强剂、分散剂和填料，其中粘结剂采用具有粘合性的高分子共聚物，填料采用纳米级三氧化二铝颗粒。本发明的土壤固化剂具有优良的性能，具有很强的抗弯拉、抗渗、抗冻涨、抗翻浆能力，可有效处理软基，使路面基层具有很好的整体稳定性，柔性与弹性。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤固化剂，尤其涉及一种高抗水性的土壤固化剂，属于建筑化学领域。
背景技术
在建筑、桥梁、道路等施工中，经常需要对土壤进行固化，土壤的固化实质是使用外掺剂对土体进行物理化学处理从而改变土壤的组成和工程性质，达到提高土质强度、改善土质压实性的目的。
目前，在建筑行业常用的土壤固化剂是采用石灰、水泥等对土壤改良，在工程初期这些固化剂具有较好的效果，但在长期土壤固化工程中，人们逐步认识到，单纯采用传统石灰、水泥等土壤固化材料，存在着明显不足，满足不了工程建设发展需要，普遍存在的问题包括：抗压强度不足，导致在施工中只能通过增大固化剂掺入量来弥补强度；耐水性能不够好，在雨水长时间浸泡后无法固结地基土壤。具体表现在石灰可用于浅层的路基，但不能用于高含水量的软土；水泥可用于软土加固，但对土质的适应能力较差，造价较高。
因此，寻求高强度的廉价原料、提高土壤固化剂的抗压强度、耐水性能、降低材料价格、实现废物利用、提高施工的便利程度已成为业内的当务之急。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种土壤固化剂，能使土壤固化、抗压强度高且具有较好的防水防潮性、原料廉价、易于施工，尤其是在抗水性上本发明的固化剂显著优于已有产品。
为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种高抗水性土壤固化剂，是一种乳液，包括粘结剂、增强剂、分散剂和填料，其中粘结剂采用具有粘合性的高分子共聚物，填料采用纳米级三氧化二铝颗粒。
其中，各成分用量可根据工程需要进行调整，优选各组分含量为，以质量百分比计，粘结剂50-55％、增强剂2-5％、分散剂37-46％、填料2-3％。
本发明的土壤固化剂乳液再加入到土壤中后和土壤中次生矿物成分发生化学反应并对土壤颗粒完成离子电化学反应，具体表现在：
土壤固化剂乳液中的高分子共聚物(以醋酸乙烯酯-乙烯共聚物VAE为例，其它共聚物反应同理)和土壤中不溶性矿物、难容性矿物和难容性盐发生化学反应，生成粘粒(粒径＜0.005mm)和胶粒(粒径＜0.002mm)，这种生成物粒径小，表面能大，比表面大，具有一系列胶体化学特性。其中最主要的反应是土壤中的SiO2和Ca(OH)2在土壤固化剂乳液的催化下，生成水化硅酸钙凝胶：CaO-SiO2-H2O胶体，
上述胶体的形成使得土壤土粒间产生有效润滑，起到润滑剂的作用，消除土粒间的摩擦力，使得土壤在碾压时达到更大的密实度。而在碾压完成后，随着土粒间内部的水循环，极易遇到K、Na等离子，使胶体结构被破坏生产CaSiO3这种极难溶解的盐类：
由于胶体可以进入土粒的水化膜，在碾压过程中又极易成为公共水化膜的一部分，所以在往外排水的过程，胶体自身的固态性越来越高，将周围的土粒强有力的胶粘在一起，使土粒形成新的离子间的连接力，使得土粒具有更高的抗弯、拉的能力。因为土粒与土粒之间增加了结合力，同时这种结合力不受到水干扰，使土壤的工程性能得到了极大的提高。同时在化学反应形成胶凝物逐渐固化的过程中会把土粒间的空隙排挤掉，提高了土壤的饱和度/密实度，另一方面能把气、液态孔隙减少，并切断毛细孔。
进一步的，在加入传统的石灰等作为辅料时，土壤固化剂乳液在土壤中的化学成分含SO4 2-、AI2O3加上辅剂中的Ca(OH)2和空气中CO2或者是土壤中原有CaCO3的时候，会出现另一个复杂反应：
这一反应生成了Al2O3·3H2O胶体，其作用与CaO-SiO2-H2O胶体一致，可以在碾压过程中起到润滑剂的作用，而且这种胶体破坏更难，胶体破坏以后生成的Al2O3晶体结构更加稳定。难以被外来因素所改变：
这一反应对土壤固化剂乳液稳定土的后期强度增长产生显著的促进作用。
在下述中，申请人公开了本发明各成分可选用的具体化学材料类型和名称，然而不采用下述特定材料而采用其它通用的符合本发明要求的材料，也涵盖于本发明。
在本发明中，所述粘结剂可选自醋酸乙烯酯-乙烯共聚物VAE、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物SBS、羧基化丙烯腈-丁二烯共聚物、苯乙烯-丙烯酸共聚物、苯乙烯-马来酸酐-丙烯酸共聚物等，优选采用醋酸乙烯酯-乙烯共聚物。
当采用醋酸乙烯酯-乙烯共聚物时，优选的，在醋酸乙烯酯-乙烯共聚物中，醋酸乙烯酯含量占75％。
在本发明中，所用的纳米级三氧化二铝颗粒优选采用粒径为50-100nm的球型三氧化二铝颗粒。
在本发明中，所述增强剂为可水解生成氢氧化铝的含铝化合物，具体的包括但不限于磷酸二氢铝，铝酸钠、碳酸铝、明矾等，优选采用磷酸二氢铝，铝酸钠，在遇到水时水解生成氢氧化铝，进而与粘结剂反应生成有机/无机复合增强组分。
在本发明中，所述分散剂采用稀硝酸或有机酯类分散剂，优选采用醋酸乙烯酯溶液，更优选采用质量浓度1％的醋酸乙烯酯溶液。
本发明的高抗水性土壤固化剂制备方法为将各种成分混合在一起搅拌均匀即可。
本发明的高抗水性土壤固化剂，加入到土壤中具有良好的土壤固化效果。为了更好的改善土壤固化效果，可在素土中加入石灰和/或水泥等组分对素土进行预处理。
申请人进行的实验证实，本发明的土壤固化剂具有优良的耐水和固化性能，施工工艺简单，减少基层施工工程量，缩短施工周期，采用路拌和厂拌施工，整平、碾压完成，铺设沥
青面层后即可通车，提高社会效益。能满足筑路修渠等要求，其性能优异，克服了国内土壤固化剂的性能较差的缺点，便于推广使用。
具体实施方式
实施例1
VAE(醋酸乙烯酯含量75％)50％、磷酸二氢铝5％、1％的醋酸乙烯酯溶液42％、平均粒径60nm的三氧化二铝3％。
实施例2
VAE(醋酸乙烯酯含量70％)53％、磷酸二氢铝3％、1％的醋酸乙烯酯溶液42％、平均粒径80nm的三氧化二铝2％。
实施例3
VAE(醋酸乙烯酯含量75％)55％、铝酸钠2％、1％的醋酸乙烯酯溶液41％、平均粒径100nm的三氧化二铝2％。
实施例4
VAE(醋酸乙烯酯含量80％)50％、铝酸钠2％、1％的醋酸乙烯酯溶液45％、平均粒径75nm的三氧化二铝3％。
实施例5
VAE(醋酸乙烯酯含量75％)53％、铝酸钠2％、磷酸二氢铝2％、1％的醋酸乙烯酯溶液41％、平均粒径100nm的三氧化二铝2％。
上述制备的土壤固化剂，各项理化参数如下：
颜色：乳白，成型后透明；
气味：轻微；
酸碱度：pH4.5-6.0；
挥发率＜1；
蒸气密度＞1(以空气为1作为基准)；
沸点：＞100℃；
凝点：＜0℃；
水溶性：100％；
密度：1.05-1.10(以水为1作为基准)；
含水量：＜57％12；
可燃性：否。
经试验测试，本发明的土壤固化剂可达到如下技术指标：
材料无侧限抗压强度2.5Mpa-4.5Mpa，承载比(CBR值)达250％，相当于石灰稳定颗粒料基层的3-5倍，劈裂抗拉强度大于1.06-1.1Mpa，具有很强的抗弯拉、抗渗、抗冻涨、抗翻浆能力，可有效处理软基，使路面基层具有很好的整体稳定性，柔性与弹性。施工工艺简单，减少基层施工工程量，缩短施工周期，采用路拌和厂拌施工，整平、碾压完成，铺设沥青面层后即可通车。
在上述基础上，申请人对本发明的固化剂理化性能进行了检测，结果如下。实验1：
将本发明实施例1的土壤固化剂用于南京市玄武区珠江路城市一级道路，用于测试使用后道路的技术指标，结果如下表1所示：
表1：应用土壤固化剂后的性能
实验2：
采用消石灰和水泥与本发明实施例3的土壤固化剂做对比试验，其中消石灰用量10％，水泥用量6％，本发明乳液用量0.3L/m3。
| 固化材料 | 用量(％) | 无侧限抗压强度(Mpa) |
| 7d | 28d | 60d | ||
| 消石灰 | 10 | 0.84 | 1.28 | - |
| 水泥 | 6 | 1.63 | 1.56 | - |
| 本发明 | 0.3L/m3 | 3.0 | 3.8 | 4.68 |
实验3：
以3％水泥+5％石灰综合稳定土为基础进行对比试验，首先采用重型击实先对3％水泥+5％石灰综合稳定土进行室内标准击实试验，得出最大干密度为1.81g/cm3，最佳含水量为18.0％。
实验时先将5％剂量的石灰掺入所要进行试验的土中，加水量略低于标准击实得出的最佳含水量1％～2％，然后焖料3天，让土和石灰充分反应，焖料3天后加入剩余的水和剂量为0.3L～0.5L/m3的实施例2的固化剂乳液，本次试验取0.5L/m3，1小时后加入3％剂量的水泥拌和均匀后制备小试件。
作为对比，未掺入路液的试样制备也先将先将5％剂量的石灰掺入所要进行试验的土中，加水量略低于标准击实得出的最佳含水量1％～2％，然后焖料3天，让土和石灰充分反应，焖料3天后加入3％剂量的水泥和剩余的水拌和均匀后制备小试件。
将制备好的两组小试件分别放入标准养护箱进行养护，第5天取出放在室温内一天，第6天浸水，第7天对所制掺入路液和未掺入路液的试件进行无限限抗压强度试验，所得出的强度结果如下：
掺入路液的7d无侧限抗压强度依次为2.7Mpa、3.5Mpa、3.3Mpa、3.5Mpa、3.6Mpa、3.5Mpa。
按3倍均方差法剔除特异值2.7Mpa后，得出平均值：3.5Mpa，标准偏差：S＝0.11，变异系数CV＝3.1％，变异系数亦符合小试件CV≤6％，试验结果有效；
未掺入路液的7d无侧限抗压强度依次为2.2Mpa、2.2Mpa、2.3Mpa、2.3Mpa、2.1Mpa、1.9Mpa。
按3倍均方差法无特异值，得出平均值：2.17Mpa，标准偏差：S＝0.15，变异系数CV＝4.7％，变异系数符合小试件CV≤6％，所以试验结果有效。
由上述可见，即使用于已经采用石灰、水泥等处理后的综合土，本发明的土壤固化剂也能显著提高其抗压强度。
实验4：
采用与实验3类似的方式，调整本发明固化剂(实施例5)的用量，研究本发明的土壤固化剂在不同的土上的作用效果，分别应用于盐湖土、塔河沙、戈壁土，实验结果如下：
表2盐湖土无侧限抗压强度
表3塔河沙无侧限抗压强度
表4戈壁土无侧限抗压强度
从以上试验结果可以看出，各类土的固化剂最优掺量不同，约为0.5L/m3，其中戈壁土(土比重少)为1L/m3，随着固化剂掺量的提高(0.3-0.5-1)，其强度升高，当掺量为1L/m3时，除戈壁土外，强度有所下降；对于同一配合比的试件，其强度随着龄期的延长而增长，具体表现为随着含水率的减少强度逐渐增大；
从上述可以看出，各种土料单掺石灰效果较差，复掺时对试件强度增长影响不明显，且复掺强度大多不如单掺适量水泥效果显著；
相对于石灰和水泥，盐湖土素土单掺固化剂强度即较高，固化剂掺量为0.5L/m3时7天强度(3.280MPa)即达到最大值(4.022MPa)的81％，且达到固化剂同掺量外加5％水泥试件的强度(3.335MPa)的98％，若采用此配合比可不加水泥，节约成本；塔河沙加固试件强度提高主要靠水泥保证，且随着水泥掺量的提高及标号的增大而增长，且水泥、固化剂同掺量下，42.5R组试件强度(4.415MPa)约为32.5组(2.786MPa)的1.6倍，其变化与水泥种类亦有关系；戈壁土除单掺石灰组外，试件强度均较大(均在8MPa以上)，且早期强度即较高，后期稳定增长。
因此，在工程实践中，以7天抗压强度为基准，戈壁土最优配比为戈壁土+5％水泥+0.3L/m3固化剂；盐湖土最优配比为盐湖土+5％石灰+5％水泥+0.5L/m3固化剂；塔河沙最优配比为塔河沙+10％水泥+0.5L/m3固化剂。
综合上述试验结果可以看到，本发明的土壤固化剂由于采用高分子聚合物和纳米微粒技术，其共聚长链接触土壤后会形成持久防水的半柔性固体矩阵结构，使土壤永久固化。高分子聚合物微粒和纳米技术的应用，使得本发明材料具有卓越的性能。一旦应用到集料中，共聚物分子在集料颗粒之间将形成粘结。材料的分子结构特点使得它可以更易渗透集料，从而产生较厚的稳定层。道路养护成型后，材料将变得完全透明，从而使得土壤的色质或自然景观保持不变。
以土壤为原料建造的路基相比传统路基早期强度高，后期增长稳定，抗水性极强。本发明经过严格评估，是目前效果较好的土壤稳定剂、防渗、侵蚀控制和灰尘控制剂。本发明应用非常广泛，可以适用于道路建设、公路路基稳定、大坝防渗、建筑工地防尘降尘、以及机场跑道的施工。
Claims (9)
1.一种高抗水性土壤固化剂，其特征在于是一种乳液，包括粘结剂、增强剂、分散剂和填料，其中粘结剂采用具有粘合性的高分子共聚物，填料采用纳米级三氧化二铝颗粒；各组分含量为，以质量百分比计，粘结剂50-55％、增强剂2-5％、分散剂37-46％、填料2-3％。
2.根据权利要求1所述的高抗水性土壤固化剂，其特征在于所述粘结剂为醋酸乙烯酯-乙烯共聚物。
3.根据权利要求2所述的高抗水性土壤固化剂，其特征在于醋酸乙烯酯-乙烯共聚物中，醋酸乙烯酯含量占75％。
4.根据权利要求1所述的高抗水性土壤固化剂，其特征在于所述填料采用粒径为50-100nm的球型三氧化二铝颗粒。
5.根据权利要求1所述的高抗水性土壤固化剂，其特征在于所述增强剂为可水解生成氢氧化铝的含铝化合物。
6.根据权利要求5所述的高抗水性土壤固化剂，其特征在于所述可水解生成氢氧化铝的含铝化合物选自磷酸二氢铝，铝酸钠。
7.根据权利要求1所述的高抗水性土壤固化剂，其特征在于所述分散剂为质量浓度1％的醋酸乙烯酯溶液。
8.权利要求1的高抗水性土壤固化剂在土壤固化中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，还包括预先在土壤中加入石灰和/或水泥进行预处理的步骤。
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