CN107090298B - 一种含碳超疏水膨胀土改良剂及其使用方法 - Google Patents

一种含碳超疏水膨胀土改良剂及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含碳超疏水膨胀土改良剂，所述含碳超疏水膨胀土改良剂包括：a)超疏水碳材料；b)磁性离子液体；以及c)环保型淀粉基粘合剂。本发明提供上文所述含碳超疏水膨胀土改良剂的使用方法。本发明的有益效果在于：(1)通过结合超疏水碳材料的物理拒水作用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；以及(2)制备和施工方法简单，所用原料成本低廉且环保，适用于大规模生产。

Description

一种含碳超疏水膨胀土改良剂及其使用方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域。具体来说，本发明涉及一种含碳超疏水膨胀土改良剂，以及使用含碳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。但现有的超疏水涂料成本高昂，耐候性差，且包括污染环境的氟元素等。化学改良方法之一是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兼有物理改良方法和化学改良方法的优点且弥补它们各自不足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成本低廉的环保含碳超疏水膨胀土改良剂。所述含碳超疏水膨胀土改良剂主要包括超疏水碳材料、磁性离子液体以及环保型淀粉基粘合剂。所述超疏水碳材料可通过糖溶液与含硼固体酸的水热合成法来大量制备，其用于在膨胀土表面形成超疏水表面，使得大气中的水分等不能进入超疏水表面下方的膨胀土。磁性离子液体则与膨胀土发生离子交换，永久改变膨胀土的晶层结构，提高膨胀土的抗剪切强度。环保型淀粉基粘合剂用于增强超疏水碳材料与膨胀土之间的相容性，且同时增加膨胀土的抗剪切强度。通过物理改良方法和化学改良方法的联合作用，以及审慎地选择各种原料，本发明的含碳超疏水膨胀土改良剂可恒久有效地降低膨胀土的自由膨胀率，提高膨胀土的抗剪切强度，且不对环境造成污染。
本发明的目的还在于提供一种含碳超疏水膨胀土改良剂的使用方法。
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，本发明提供一种含碳超疏水膨胀土改良剂，所述含碳超疏水膨胀土改良剂可包括：a)超疏水碳材料；b)磁性离子液体；以及c)环保型淀粉基粘合剂；其中，b)磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
Figure BDA0001310209940000021
在式(I)中，n＝11-15，X为Cl或Br。
在第一方面的一种实施方式中，所述超疏水碳材料可通过糖溶液与含硼固体酸的水热合成法来制备，其中所述糖溶液包括葡萄糖溶液、蔗糖溶液、淀粉溶液或它们的组合，且其中所述含硼固体酸包括硼酸。
在第一方面的另一种实施方式中，所述环保型淀粉基粘合剂可通过氧化淀粉、改性蛋白、聚乙烯醇和柠檬酸的反应来制备，其中以所得环保型淀粉基粘合剂的总重量为基准计，所述环保型淀粉基粘合剂包括小于或等于10％的聚乙烯醇。
在第一方面的另一种实施方式中，所述淀粉可包括蜡质玉米淀粉、红薯淀粉、大米淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、土豆淀粉或它们的任意组合。
在第一方面的另一种实施方式中，相对于100重量份的a)超疏水碳材料，所述含碳超疏水膨胀土改良剂包括小于或等于50重量份的b)磁性离子液体以及小于或等于5重量份的c)环保型淀粉基粘合剂。
在本发明的第二方面中，本发明提供一种利用如第一方面所述的含碳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(1)根据所需比例混合a)超疏水碳材料、b)磁性离子液体和c)环保型淀粉基粘合剂，得到含碳超疏水膨胀土改良剂浆料；以及(2)将在步骤(1)中获得的含碳超疏水膨胀土改良剂浆料涂覆在待改良的膨胀土表面，并使其固化2-7天。
在第二方面的一种实施方式中，在步骤(2)中，含碳超疏水膨胀土改良剂浆料可在待改良膨胀土表面形成30厘米-60厘米的表面改良层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)通过结合超疏水碳材料的物理拒水作用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；以及(2)制备和施工方法简单，所用原料成本低廉且环保，适用于大规模生产。
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成本低廉的环保含碳超疏水膨胀土改良剂。所述含碳超疏水膨胀土改良剂主要包括超疏水碳材料、磁性离子液体以及环保型淀粉基粘合剂。所述超疏水碳材料可通过糖溶液例如葡萄糖溶液与含硼固体酸如硼酸的水热合成法来大量制备，其用于在膨胀土表面形成超疏水表面，使得大气中的水分等不能进入该超疏水表面下方的膨胀土。磁性离子液体则与膨胀土发生离子交换，永久改变膨胀土的晶层结构，提高膨胀土的抗剪切强度。环保型淀粉基粘合剂用于增强超疏水碳材料与膨胀土之间的相容性，且同时增加膨胀土的抗剪切强度。
本发明的目的还在于提供一种含碳超疏水膨胀土改良剂的制备方法和使用方法。
在第一方面中，本发明提供一种含碳超疏水膨胀土改良剂，所述含碳超疏水膨胀土改良剂可包括：a)超疏水碳材料；b)磁性离子液体；以及c)环保型淀粉基粘合剂；其中，b)磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
Figure BDA0001310209940000031
在式(I)中，n＝11-15，X为Cl或Br。
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。
在第一方面的一种实施方式中，所述超疏水碳材料可通过糖溶液与含硼固体酸的水热合成法来制备，其中所述糖溶液包括葡萄糖溶液、蔗糖溶液、淀粉溶液或它们的组合，且其中所述含硼固体酸包括硼酸。
所述超疏水碳材料可根据中国发明专利申请201410724543.8所述来制备。具体步骤可包括混合糖溶液和含硼固体酸来制备碳前驱体；在140-200℃的温度下进行水热反应；在1000℃的高温下处理所得水热反应产物；以及超声分离、洗涤干燥高温处理后的水热反应产物，即得到超疏水碳材料。
在第一方面的另一种实施方式中，所述环保型淀粉基粘合剂可通过氧化淀粉、改性蛋白、聚乙烯醇和柠檬酸的反应来制备，其中以所得环保型淀粉基粘合剂的总重量为基准计，所述环保型淀粉基粘合剂包括小于或等于10％的聚乙烯醇。
在第一方面的另一种实施方式中，所述淀粉可包括蜡质玉米淀粉、红薯淀粉、大米淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、土豆淀粉或它们的任意组合。
所述环保型淀粉基粘合剂可通过中国发明专利申请201110254327.8所述来制备。具体步骤可包括以高碘酸钠为氧化剂来制备氧化淀粉；通过NaOH将pH调节到8-12来改性蛋白粉以制备改性蛋白；根据所需比例混合氧化淀粉、改性蛋白和聚乙烯醇溶液，以得到粘合剂初液；以及加入助剂，混合均匀后即得到环保型淀粉基粘合剂。
应指出聚乙烯醇是亲水性的，但聚乙烯醇在环保型淀粉基粘合剂的制备过程中作为交联剂，聚乙烯醇分子中的羟基与氧化淀粉和改性蛋白反应，由此显著降低聚乙烯醇的亲水性。尽管如此，仍应严格控制聚乙烯醇在最终含碳超疏水膨胀土改良剂中的含量。在一种实施方式中，以所得环保型淀粉基粘合剂的总重量为基准计，所述环保型淀粉基粘合剂包括小于或等于10％(例如8％、6％)的聚乙烯醇。
在一种实施方式中，所述助剂是柠檬酸。在一种实施方式中，以所得环保型淀粉基粘合剂的总重量为基准计，所述环保型淀粉基粘合剂包括小于或等于0.5％的柠檬酸。在另一种实施方式中，所述环保型淀粉基粘合剂包括小于或等于0.05％的柠檬酸。柠檬酸与其它物质螯合之后，亲水性显著降低，且通过严格控制柠檬酸的含量，可有利于提供本发明的含碳超疏水膨胀土改良剂。
在第一方面的另一种实施方式中，相对于100重量份的a)超疏水碳材料，所述含碳超疏水膨胀土改良剂包括小于或等于50重量份的b)磁性离子液体以及小于或等于5重量份的c)环保型淀粉基粘合剂。
在本发明的第二方面中，本发明提供一种利用如第一方面所述的含碳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(1)根据所需比例混合a)超疏水碳材料、b)磁性离子液体和c)环保型淀粉基粘合剂，得到含碳超疏水膨胀土改良剂浆料；以及(2)将在步骤(1)中获得的含碳超疏水膨胀土改良剂浆料涂覆在待改良的膨胀土表面，并使其固化2-7天。
在第一方面的另一种实施方式中，含碳超疏水膨胀土改良剂浆料可在待改良膨胀土表面形成30厘米-60厘米的表面改良层。
虽然不限于理论，但据信在固化过程中，在重力和粘度的双重控制下，磁性离子液体和环保型淀粉基粘合剂缓慢地向下渗透。磁性离子液体与原状膨胀土发生离子交换反应来永久改变其化学结构，从而降低其膨胀性以及提高抗剪切强度。环保型粘合剂则在渗透过程中把超疏水碳材料颗粒和/或膨胀土颗粒粘合在一起，提高它们之间的界面相容性，且进一步提高改良后膨胀土的抗剪切强度。
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。
超疏水碳材料根据中国发明专利申请201410724543.8实施例1所述来制备。
磁性离子液体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4和实施例5所述来制备。
环保型淀粉基粘合剂在中国发明专利申请201110254327.8实施例6所述基础上略作修改来制备。具体来说，改变聚乙烯醇用量使其以重量计分别占所得环保型淀粉基粘合剂的6％，8％，10％，和12％。此外，仅将柠檬酸用作助剂，使其以重量计占所得环保型淀粉基粘合剂的0.5％。
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51.9％。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超疏水碳材料，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)＝188.9，且Φ(内摩擦角)＝33.5。对于改良后的膨胀土，先刮去改良膨胀土最表面的超疏水碳材料涂层，然后再进行类似测试来确定其抗剪强度指标。
接触角测量
利用刮刀涂布法，将通过混合超疏水碳材料、磁性离子液体和环保型淀粉基粘合剂得到的粘稠浆料涂覆在载玻片上，在室温下于大气环境中干燥7天以后，通过接触角测量仪测定所得涂层表面对水的接触角。
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含碳超疏水膨胀土改良剂浆料。然后，将所得含碳超疏水膨胀土改良剂浆料涂覆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
Figure BDA0001310209940000061
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
Figure BDA0001310209940000062
Figure BDA0001310209940000071
从表2的实验结果可知，经过本发明的含碳超疏水膨胀土改良剂改良之后，原状膨胀土的自由膨胀率下降，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明显提升。当磁性离子液体含有11个碳原子烷基链且环保型淀粉基粘合剂中聚乙烯醇含量控制在10％以下时，可同时提高改良之后膨胀土的抗剪强度，并保留超疏水碳材料的超疏水性质。
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 (3)

1.一种含碳超疏水膨胀土改良剂，所述含碳超疏水膨胀土改良剂包括：
a）超疏水碳材料；
b）磁性离子液体；以及
c）环保型淀粉基粘合剂；
其中，b）磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
Figure 311062DEST_PATH_IMAGE001
式（I）
在式（I）中，n=11-15，X为Cl或Br；
其中，所述超疏水碳材料根据中国发明专利申请201410724543.8所述来制备；
所述环保型淀粉基粘合剂根据中国发明专利申请201110254327.8所述来制备；
相对于100重量份的a）超疏水碳材料，所述含碳超疏水膨胀土改良剂包括小于或等于50重量份的b）磁性离子液体以及小于或等于5重量份的c）环保型淀粉基粘合剂。
2.一种使用如权利要求1所述的含碳超疏水膨胀土改良剂来改良膨胀土的方法，所述方法包括（1）根据所需比例混合a）超疏水碳材料、b）磁性离子液体和c）环保型淀粉基粘合剂，得到含碳超疏水膨胀土改良剂浆料；以及（2）将在步骤（1）中获得的含碳超疏水膨胀土改良剂浆料涂覆在待改良的膨胀土表面，并使其固化2-7天。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，含碳超疏水膨胀土改良剂浆料在待改良膨胀土表面形成30厘米-60厘米的表面改良层。
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