CN107090294A - 一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂及其制备和使用方法 - Google Patents

一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂及其制备和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂，所述环氧树脂膨胀土改良剂通过下述原料组分来制备：a)环氧树脂；b)磁性离子液体；以及c)巯基化合物。所述环氧树脂膨胀土改良剂还可包括遇水生热型发热剂。本发明还提供上述环氧树脂膨胀改良剂的制备方法和使用方法。本发明的有益效果在于(1)通过环氧树脂的原位固化以及磁性离子液体固化剂与膨胀土的离子交换，来永久且显著地降低膨胀土的膨胀率；以及(2)制备和施工方法简单，适用于工业化生产。

Description

一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂及其制备和使用方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域。具体来说，本发明涉及一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂，室温固化环氧树脂膨胀土改良剂的制备方法，以及室温固化环氧树脂膨胀土改良剂的使用方法。
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。化学改良方法能永久改变膨胀土的晶层结构，因此从建筑施工的长期稳定性和安全性而言可能比物理改良方法略胜一筹。化学改良方法之一使用聚合物来改良膨胀土，但其尚存在以下问题：1)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；2)聚合物是疏水性的且在聚合过程中不吸收水分，膨胀土颗粒表面存在的吸附水膜会削弱聚合物网络对膨胀土颗粒之间连接的加强作用；以及3)聚合物难以在室温条件下快速固化。
为此，本领域仍然需要开发一种高效、可在室温条件下快速固化的聚合物膨胀土改良剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂，其主要包括环氧树脂、可与膨胀土进行离子交换的磁性离子液体固化剂、巯基化合物固化促进剂以及遇水生热型发热剂。本发明的环氧树脂膨胀土改良剂通过环氧树脂的原位固化来形成粘结膨胀土颗粒的环氧树脂网络，且磁性离子液体固化剂可与膨胀土进行离子交换来进一步降低膨胀土的膨胀性。此外，本发明的环氧树脂膨胀土改良剂还可包括遇水生热型发热剂。遇水生热型发热剂在反应之前由环氧树脂膨胀土改良剂中的有机相液体如巯基化合物等包覆，随着有机相液体的消耗，遇水生热型发热剂接触膨胀土表面的吸附水膜，迅速消耗水膜并放热，这同时加速环氧树脂的固化以及促进环氧树脂网络与膨胀土颗粒的相互作用。
本发明的目的还在于提供室温固化环氧树脂膨胀土改良剂的制备方法和使用方法。
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，本发明提供一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂，所述环氧树脂膨胀土改良剂可通过下述原料组分来制备：a)环氧树脂；b)磁性离子液体；以及c)巯基化合物；其中，磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
在式(I)中，n＝1-15，X为Cl或Br。
在第一方面的一种实施方式中，所述的环氧树脂膨胀土改良剂还可包括遇水生热型发热剂。
在第一方面的另一种实施方式中，所述环氧树脂膨胀土改良剂还可包括消泡剂、流平剂、防沉剂、粘度调节剂和稀释剂中的一种或多种。
在第一方面的另一种实施方式中，所述环氧树脂可包括缩水甘油酯类环氧树脂，所述甘油酯类环氧树脂包括下述中的一种或多种：四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，邻苯二甲酸二缩水甘油酯，间苯二甲酸二缩水甘油酯或六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯。
在第一方面的另一种实施方式中，所述巯基化合物可包括下述中的一种或多种：聚硫醇、液态聚硫橡胶或硫醇的巯基化合物。
在第二方面中，本发明提供一种制备如权利要求1所述的环氧树脂膨胀土改良剂的方法，所述方法可包括下述步骤：(1)合成磁性离子液体；以及(2)混合环氧树脂、磁性离子液体以及巯基化合物。
在第二方面的一种实施方式中，步骤(2)还可包括混合遇水生热型发热剂、消泡剂、流平剂、防沉剂、粘度调节剂和稀释剂中的一种或多种。
在第三方面中，本发明提供一种使用如权利要求1所述的环氧树脂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：A.混合环氧树脂、磁性离子液体和巯基化合物，得到液体环氧树脂膨胀土改良剂；以及B.将所述液体环氧树脂膨胀土改良剂喷洒到待改良的膨胀土。
在第三方面的一种实施方式中，所述方法还可包括将步骤B重复3-4次，使得所喷洒的环氧树脂膨胀土改良剂的总量为1-1.5千克改良剂/平方米膨胀土。
在第三方面的另一种实施方式中，所述步骤A还可包括混合遇水发热型发热剂，所述遇水发热型发热剂包括生石灰。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)通过环氧树脂的原位固化以及磁性离子液体固化剂与膨胀土的离子交换，来永久且显著地降低膨胀土的膨胀率；以及(2)制备和施工方法简单，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室温固化环氧树脂膨胀土改良剂，其主要包括缩水甘油酯类环氧树脂、可与膨胀土进行离子交换的磁性离子液体固化剂、巯基化合物固化促进剂以及遇水生热型发热剂。本发明的环氧树脂膨胀土改良剂改良膨胀土的原理如下:通过环氧树脂的原位固化来形成粘结膨胀土颗粒的环氧树脂网络，且磁性离子液体固化剂的咪唑基阳离子可与膨胀土的钠阳离子进行离子交换，从而进一步降低膨胀土的膨胀性。此外，本发明的环氧树脂膨胀土改良剂还可包括遇水生热型发热剂。遇水生热型发热剂在反应之前由环氧树脂膨胀土改良剂中的有机相液体如巯基化合物等包覆，随着有机相液体的消耗，遇水生热型发热剂接触膨胀土表面的吸附水膜，迅速消耗水膜并放热，这同时加速环氧树脂的固化以及促进环氧树脂网络与膨胀土颗粒的相互作用。
在第一方面中，本发明提供一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂，所述环氧树脂膨胀土改良剂可通过下述原料组分来制备：a)环氧树脂；b)磁性离子液体；以及c)巯基化合物；其中，磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
在式(I)中，n＝1-15，优选地，n＝6-15，特别优选地，n＝6或11，X为Cl或Br。
在本发明中，磁性离子液体既用作环氧树脂的固化剂，又与膨胀土进行离子交换，从而永久改变膨胀土的晶层结构。在一种实施方式中，磁性离子液体的量相对于环氧树脂固化所需的量而言是过量的。
在第一方面的一种实施方式中，所述的环氧树脂膨胀土改良剂还可包括遇水生热型发热剂。在一种实施方式中，这种遇水生热型发热剂是生石灰。在配制本发明的环氧树脂膨胀土改良剂时，可通过原料组分里的有机相液体如聚硫醇包裹生石灰形成乳液。在将环氧树脂膨胀土喷洒到膨胀土颗粒以后，随着固化反应的进行，有机相液体消耗，生石灰接触膨胀土颗粒表面的吸附水膜，生成熟石灰并放热。放出的热量促进环氧树脂的固化，且消耗了膨胀土颗粒表面的吸附水膜，促进环氧树脂网络对膨胀土颗粒的包覆以及机械啮合。对于发热剂的含量，不能过低，否则不足以消耗膨胀土颗粒表面的吸附水膜。同时也不能过高，否则造成局部过热，会使形成的环氧树脂网络不均匀。且当使用生石灰作为发热剂时，容易对环境造成污染，因此必须严格控制发热剂的用量。
在第一方面的另一种实施方式中，所述环氧树脂膨胀土改良剂还可包括消泡剂、流平剂、防沉剂、粘度调节剂和稀释剂中的一种或多种。
在第一方面的另一种实施方式中，所述环氧树脂可包括缩水甘油酯类环氧树脂，所述甘油酯类环氧树脂包括下述中的一种或多种：四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，邻苯二甲酸二缩水甘油酯，间苯二甲酸二缩水甘油酯或六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯。相比于双酚A类环氧树脂，缩水甘油酯类环氧树脂更加环保。
在第一方面的另一种实施方式中，所述巯基化合物可包括下述中的一种或多种：聚硫醇、液态聚硫橡胶或硫醇的巯基化合物。巯基化合物可降低环氧树脂固化的温度，与磁性离子液体组合后，可令人惊讶地得到在室温条件下快速固化的环氧树脂，例如在12小时之内固化。在环氧组合物中引入发热剂之后，甚至能使本发明的环氧树脂膨胀土改良剂在8小时之内固化。
以100重量份的环氧树脂为基准计，本发明的环氧树脂膨胀土改良剂可包括20-60重量份、优选的30-60重量份的磁性离子液体，20-50重量份、优选的35-50重量份的巯基化合物，以及0-10重量份、优选的0-5重量份的发热剂。在不影响本发明的环氧树脂膨胀土改良剂的基本作用的情况下，可根据实际工况添加所需量的消泡剂、流平剂、防沉剂、粘度调节剂、稀释剂等常见的添加剂。
在第二方面中，本发明提供一种制备如权利要求1所述的环氧树脂膨胀土改良剂的方法，所述方法可包括下述步骤：(1)合成磁性离子液体；以及(2)混合环氧树脂、磁性离子液体以及巯基化合物。
磁性离子液体的合成方法如中国发明专利申请201410461633.2所述。具体步骤如下：(1)将1-氢咪唑与含碘的烷基化合物溶解在溶剂中，然后加入氢氧化钾反应，得到第一混合液；(2)将第一混合液与碘甲烷反应，得到第二产物；以及(3)将第二产物与六水三氯化铁或者六水溴化铁反应，得到磁性离子液体。
在第二方面的一种实施方式中，步骤(2)还可包括混合遇水生热型发热剂、消泡剂、流平剂、防沉剂、粘度调节剂和稀释剂中的一种或多种。
在第三方面中，本发明提供一种使用如权利要求1所述的环氧树脂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：A.混合环氧树脂、磁性离子液体和巯基化合物，得到液体环氧树脂膨胀土改良剂；以及B.将所述液体环氧树脂膨胀土改良剂喷洒到待改良的膨胀土。
在第三方面的一种实施方式中，所述方法还可包括将步骤B重复3-4次，使得所喷洒的环氧树脂膨胀土改良剂的总量为1-1.5千克改良剂/平方米膨胀土。
在第三方面的另一种实施方式中，所述步骤A还可包括混合遇水发热型发热剂，所述遇水发热型发热剂包括生石灰。如果添加了其它添加剂，也可在步骤A中进行混合。
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。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，碾细后全部过0.55筛，在105-110℃下烘干至恒定重量，再在量筒中用5％的NaCl溶液使膨胀土充分膨胀，通过膨胀前后的土面高度来计算自由膨胀率。测得原状膨胀土试样的自由膨胀率为52％。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。
击实试验
击实实验根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)来进行。测得原状膨胀土的最佳含水量为16.5％。
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)＝188.5，且Φ(内摩擦角)＝33.8。对改良后的膨胀土进行类似测试来确定其抗剪强度指标。
完全固化时间测量
每隔1小时测量改良膨胀土在25kPa垂直压力下的剪切应力，当连续两个时间点所测剪切应力差异小于0.5MPa时，则认为环氧树脂完全固化，并将后一时间点确定为完全固化时间。
实施例1-5
根据下文表1所示的配方，通过充分搅拌各原料组分来制备液体环氧树脂膨胀土改良剂。然后，将所得液体环氧树脂膨胀土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.以重量份表示的实施例1-5的环氧树脂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/m2) 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2
自由膨胀率/％ 29 27 20 25 21
最佳含水率/％ 17.5 17.8 18.2 17.6 18.1
抗剪切强度(c) 198.3 238.6 259.8 240.9 258.8
抗剪切强度(Φ) 41.5 45.3 55.3 46.8 54.9
完全固化时间/小时 8 12 7.5 11.5 7.0
从表2的实验结果可知，经过本发明的环氧树脂膨胀土改良剂改良之后，原状膨胀土的自由膨胀率显著下降，达到施工所要求的40％以下。此外，改良后膨胀土的抗剪切强度指标都显著提升。当磁性离子液体含有6个和11个碳原子烷基链时，对抗剪切强度的提高尤其显著。这可能是由于与短链烷基相比，长链烷基赋予改良后膨胀土更优异的韧性。另外，从表2的实验结果可知，在室温条件下，本发明的环氧树脂膨胀土改良剂可在约12小时之内完全固化。当改良剂中包括适当量的发热剂时，甚至可将完全固化时间缩短到8小时左右。这与现有技术中的24小时甚至几天的固化时间相比缩短了一半多，为后道施工工序节省了宝贵的时间。
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 (10)

1.一种室温固化环氧树脂膨胀土改良剂，所述环氧树脂膨胀土改良剂通过下述原料组分来制备：
a)环氧树脂；
b)磁性离子液体；以及
c)巯基化合物；
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＝1-15，X为Cl或Br。
2.如权利要求1所述的环氧树脂膨胀土改良剂，其特征在于，还包括遇水生热型发热剂。
3.如权利要求1或2所述的环氧树脂膨胀土改良剂，其特征在于，还包括消泡剂、流平剂、防沉剂、粘度调节剂和稀释剂中的一种或多种。
4.如权利要求1或2所述的环氧树脂膨胀土改良剂，其特征在于，所述环氧树脂包括缩水甘油酯类环氧树脂，所述甘油酯类环氧树脂包括下述中的一种或多种：四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯，邻苯二甲酸二缩水甘油酯，间苯二甲酸二缩水甘油酯或六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯。
5.如权利要求1或2所述的环氧树脂膨胀土改良剂，其特征在于，所述巯基化合物包括下述中的一种或多种：聚硫醇、液态聚硫橡胶或硫醇的巯基化合物。
6.一种制备如权利要求1所述的环氧树脂膨胀土改良剂的方法，所述方法包括下述步骤：
(1)合成磁性离子液体；以及
(2)混合环氧树脂、磁性离子液体以及巯基化合物。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)还包括混合遇水生热型发热剂、消泡剂、流平剂、防沉剂、粘度调节剂和稀释剂中的一种或多种。
8.一种使用如权利要求1所述的环氧树脂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：
A.混合环氧树脂、磁性离子液体和巯基化合物，得到液体环氧树脂膨胀土改良剂；以及
B.将所述液体环氧树脂膨胀土改良剂喷洒到待改良的膨胀土。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将步骤B重复3-4次，使得所喷洒的环氧树脂膨胀土改良剂的总量为1-1.5千克改良剂/平方米膨胀土。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步骤A还包括混合遇水发热型发热剂，所述遇水发热型发热剂包括生石灰。
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