CN107011917B - 一种聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂包括：(a)可潮气固化聚硅氧烷‑白炭黑超疏水材料悬浮液；以及(b)磁性离子液体。本发明还涉及一种使用上述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂来改良膨胀土的方法。本发明的有益效果在于：(1)通过结合聚硅氧烷超疏水材料的物理拒水作用以及聚合物网络包裹作用等与磁性离子液体对膨胀土的化学离子交换改良作用，实现永久且显著地降低膨胀土的膨胀率，提高膨胀土的抗剪切强度；以及(2)制备和施工方法简单，所用原料环保。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域。具体来说，本发明涉及一种聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，以及使用聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂来改良膨胀土的方法。
背景技术
膨胀土是一种具有较多裂隙和较大胀缩性质的地质体。膨胀土粘土成分主要由强亲水性矿物蒙脱土与伊利石组成，它们吸水时膨胀，失水时收缩，使得膨胀土发生反复变形。膨胀土的这些性质对工程建筑物等有严重的破坏作用，因此需要改良膨胀土来降低膨胀土的膨胀性。
目前，改良膨胀土的方法主要可分为物理改良方法和化学改良方法。物理改良方法之一是在膨胀土表面涂覆超疏水涂料，使得大气中的水分不能进入膨胀土。但现有超疏水涂料耐候性较差。化学改良方法之一是使用聚合物来改良膨胀土，但聚合物只通过包裹、机械啮合等物理作用来提高粘土颗粒之间的连接作用，因此降低膨胀土膨胀性以及增加膨胀土强度的作用有限。另一种化学改良方法包括通过化学试剂与膨胀土之间发生离子交换来永久改变膨胀土的晶层结构。但其不足之处在于见效时间慢，且所使用的化学试剂或多或少会带来环境污染的问题，因此用量受到限制。
为此，本领域仍然需要开发一种耐候性好、效率高且可在室温下快速固化的环保膨胀土改良剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂主要包括可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液和磁性离子液体。可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液在催化剂和交联剂的作用下可于室温下快速固化，同时形成超疏水表面和聚合物网络，通过拒水作用以及聚合物网络对膨胀土颗粒的包裹和机械啮合等作用来降低膨胀土的膨胀性、增加膨胀土的抗剪强度，以及提高超疏水表面的耐候性。磁性离子液体则可与膨胀土发生离子交换，永久改变膨胀土的晶层结构，进一步降低膨胀土的膨胀性、增加膨胀土的抗剪强度。
本发明的目的还在于提供一种使用聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂来改良膨胀土的方法。
为了实现上述目的，本发明提供下述技术方案。
在第一方面中，本发明提供一种聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂可包括：(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液；以及(b)磁性离子液体；其中，(b)磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
在式(I)中，n＝6-15，X为Cl或Br；以及其中所述(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液通过下述方法来制备：在25-40℃下，将聚硅氧烷溶解于无水乙醇中，混合均匀之后加入白炭黑，超声分散得到第一有机溶液；以及将催化剂和交联剂依次加入第一有机溶液，搅拌30-50分钟，得到所述(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液。
在第一方面的一种实施方式中，所述聚硅氧烷可包括含氢聚二甲基硅氧烷和/或端羟基聚二甲基硅氧烷。
在第一方面的另一种实施方式中，所述交联剂可包括乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三叔丁基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一种或多种。
在第一方面的另一种实施方式中，所述催化剂可包括二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二醋酸二丁基锡和二烷基锡马来酸酯中的一种或多种。
在第二方面中，本发明提供一种使用如第一方面所述的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂来改良膨胀土的方法，所述方法可包括下述步骤(1)将(b)磁性离子液体溶解于(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料，得到聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂；以及(2)将在步骤(1)中获得的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂喷洒在待改良的膨胀土表面。
在第二方面的一种实施方式中，重复步骤(2)，使得最终在每平方膨胀土上喷洒1-2千克除了无水乙醇以外的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂。
在第二方面的另一种实施方式中，所述催化剂占所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂总体积的0.25％-1％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)通过结合可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料物理拒水作用以及聚合物网络包裹作用等与磁性离子液体对膨胀土的化学离子交换改良作用，实现永久且显著地降低膨胀土的膨胀率，提高膨胀土的抗剪切强度；以及(2)制备和施工方法简单，所用原料环保，适用于工业化生产。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚和完整的描述。
本发明的目的在于提供一种聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂主要包括可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液和磁性离子液体。可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液在催化剂和交联剂的作用下可于室温下快速固化，例如10-30分钟内固化。超疏水材料悬浮液的固化同时形成超疏水表面和聚合物网络，通过拒水作用以及聚合物网络对膨胀土颗粒的包裹和机械啮合等作用来降低膨胀土的膨胀性、增加膨胀土的抗剪强度，以及提高超疏水表面的耐候性。磁性离子液体可溶于可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液，且可与膨胀土发生离子交换，永久改变膨胀土的晶层结构，进一步降低膨胀土的膨胀性、增加膨胀土的抗剪强度。
本发明的目的还在于提供一种使用聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂来改良膨胀土的方法。
在第一方面中，本发明提供一种聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂可包括：(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液；以及(b)磁性离子液体；其中，(b)磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
在式(I)中，n＝6-15，优选地n＝11-15，X为Cl或Br；以及其中所述(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液通过下述方法来制备：在25-40℃下，将聚硅氧烷溶解于无水乙醇中，混合均匀之后加入白炭黑，超声分散得到第一有机溶液；以及将催化剂和交联剂依次加入第一有机溶液，搅拌30-50分钟，得到所述(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液。可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液的制备方法可参考中国发明专利申请201611235332.3所述。
在第一方面的一种实施方式中，所述聚硅氧烷可包括含氢聚二甲基硅氧烷和/或端羟基聚二甲基硅氧烷。
在第一方面的另一种实施方式中，所述交联剂可包括乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三叔丁基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一种或多种。
在第一方面的另一种实施方式中，所述催化剂可包括二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二醋酸二丁基锡和二烷基锡马来酸酯中的一种或多种。
在第二方面中，本发明提供一种使用如第一方面所述的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂来改良膨胀土的方法，所述方法可包括下述步骤(1)将(b)磁性离子液体溶解于(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料，得到聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂；以及(2)将在步骤(1)中获得的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂喷洒在待改良的膨胀土表面。
在第二方面的一种实施方式中，重复步骤(2)，使得最终在每平方膨胀土上喷洒1-2千克除了无水乙醇以外的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂。
在第二方面的另一种实施方式中，所述催化剂占所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂总体积的0.25％-1％。当聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂中的催化剂含量过低时，聚硅氧烷不能完全固化。同样地，当聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂中的催化剂含量过高时，聚硅氧烷固化速度过快，导致将磁性离子液体包覆在固化形成的聚合物网络之中。在这种情况下，磁性离子液体与膨胀土之间的离子交换作用受到抑制，相应地降低磁性离子液体进一步增加膨胀土剪切强度的效果。
实施例
材料
本文所述的实施例中使用的原料组分都可通过商业途径购买。
可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液通过下述方法来制备：在25-40℃下，将聚硅氧烷溶解于无水乙醇中，混合均匀之后加入白炭黑，超声分散得到第一有机溶液；以及将分别将所需量的催化剂和交联剂依次加入第一有机溶液，搅拌30-50分钟，得到所述(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液。控制白炭黑以及交联剂的用量，使它们的质量皆为所用聚硅氧烷质量的5％。此外，控制催化剂的用量，使得以体积计，催化剂分别占最终聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂总体积的0.25％，1％和2.5％。
磁性离子液体1,3-二甲基咪唑四氯化铁盐，1-十一基-3-甲基咪唑四氯化铁盐以及1-己基3-甲基咪唑四溴化铁盐分别根据中国发明专利申请201410461633.2的实施例1、实施例4和实施例5所述来制备。
测试方法
膨胀土的自由膨胀率的测定
膨胀土自由膨胀率的测定如中国发明专利申请201010175564.0所述。概括来说，从江苏淮安市获取膨胀土试样，在105-110℃下烘干，再用5％的NaCl溶液使膨胀土充分膨胀。测得原状膨胀土试样的自由膨胀率为52.6％。改良膨胀土在完全固化之后的自由膨胀率也通过相似的方法进行测定，但对样品预处理过程稍作修改。即，首先使改良之后的膨胀土试样在去离子水中静置约2小时，然后除去上清夜以及浮起的白炭黑，只留下沉降的膨胀土作为测试自由膨胀率的样品。然后再于105-110℃下烘干沉降的膨胀土，并用5％的NaCl溶液使膨胀土充分膨胀。
抗剪强度测量
根据室内直剪试验确定原状膨胀土在25、50、75和100kPa垂直压力下的剪切应力，然后通过分析数据得到原状膨胀土的抗剪强度指标c(粘聚力)＝188.8，且Φ(内摩擦角)＝33.9。对于改良后的膨胀土，也进行类似测试来确定其抗剪强度指标。
实施例1-5
根据下文表1所示的配方，将磁性离子液体溶解于可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液，得到本发明的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂。然后，将聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂喷洒到原状膨胀土来改良膨胀土。具体施工工艺和各项指标测试结果如表2所示。
表1.以体积表示的实施例1-5的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂的配方
表2.用实施例1-5的改良剂来改良膨胀土的条件及改良后膨胀土的性能指标
| 实施例编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 喷洒总量(kg/m<sup>2</sup>) | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 自由膨胀率/％ | 37 | 32 | 28.5 | 29.6 | 29.8 |
| 抗剪切强度(c) | 198.3 | 201.6 | 213.7 | 217.9 | 215.8 |
| 抗剪切强度(Φ) | 36.5 | 38.3 | 42.6 | 43.3 | 41.6 |
从表2的结果可知，经过本发明的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂改良之后，膨胀土的自由膨胀率可降低到施工所要求的40％以下。此外，通过同时控制(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液中催化剂的含量以及磁性离子液体烷基链的长度，可在显著降低膨胀土自由膨胀率的同时，显著提高膨胀土的抗剪切强度。
上述的对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明披露的内容，在不脱离本发明范围和精神的情况下做出的改进和修改都本发明的范围之内。
Claims (6)
1.一种聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂包括：
(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液；以及
(b)磁性离子液体；
其中，(b)磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
在式(I)中，n＝6-15，X为Cl或Br；以及
其中所述(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液通过下述方法来制备：在25-40℃下，将聚硅氧烷溶解于无水乙醇中，混合均匀之后加入白炭黑，超声分散得到第一有机溶液；以及将催化剂和交联剂依次加入第一有机溶液，搅拌30-50分钟，得到所述(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料悬浮液。
2.如权利要求1所述的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，其特征在于，所述聚硅氧烷包括含氢聚二甲基硅氧烷和/或端羟基聚二甲基硅氧烷。
3.如权利要求1所述的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，其特征在于，所述交联剂包括乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三叔丁基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂，其特征在于，所述催化剂包括二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、二醋酸二丁基锡和二烷基锡马来酸酯中的一种或多种。
5.一种使用如权利要求1所述的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂来改良膨胀土的方法，所述方法包括下述步骤(1)将(b)磁性离子液体溶解于(a)可潮气固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料，得到聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂；以及(2)将在步骤(1)中获得的聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂喷洒在待改良的膨胀土表面。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，以体积为基准计，所述催化剂占所述聚硅氧烷超疏水膨胀土改良剂总体积的0.25％-1％。
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