CN107189784B - 一种废旧陶瓷膨胀土改良剂及其使用方法 - Google Patents

一种废旧陶瓷膨胀土改良剂及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种废旧陶瓷膨胀土改良剂，所述废旧陶瓷膨胀土改良剂包括：(a)废旧陶瓷；(b)硅酸钠；以及(c)磁性离子液体。本发明还涉及一种使用上述废旧陶瓷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)通过废旧陶瓷的填充作用、硅酸钠的粘结作用以及磁性离子液体与膨胀土之间的离子交换作用，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，所用原料来自回收材料。

Description

一种废旧陶瓷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，本发明涉及一种废旧陶瓷膨胀土改良剂，以及使用废旧陶瓷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。
工业废旧陶瓷主要成分包括氧化铝和氧化硅。在现有报道中，可将废旧陶瓷用于制备陶瓷密封圈和耐磨材料等。但据发明人所知，尚未有报道将废旧陶瓷用于改良膨胀土。
为此，本领域仍然需要开发一种基于废旧陶瓷的膨胀土改良剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种废旧陶瓷膨胀土改良剂。所述废旧陶瓷膨胀土改良剂可包括废旧陶瓷、硅酸钠和磁性离子液体。废旧陶瓷可填充膨胀土晶层之间的空隙，且废旧陶瓷中的某些组分甚至能与膨胀土发生离子交换，由此降低膨胀土的膨胀率、提高膨胀土的抗剪切强度。硅酸钠可在吸水后形成凝胶来粘结膨胀土颗粒和废旧陶瓷颗粒。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，由此进一步降低膨胀土的膨胀率、提高膨胀土的抗剪切强度。
本发明的目的还在于提供一种使用废旧陶瓷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，本发明提供一种废旧陶瓷膨胀土改良剂，所述废旧陶瓷膨胀 土改良剂可包括：
(a)废旧陶瓷；
(b)硅酸钠；以及
(c)磁性离子液体，
其中，(c)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，以重量为基准计，所述(a)废旧陶瓷可含有以下组分：Al2O3 50-70％；SiO2 20-30％，MgO 5-10％，Fe2O3 1-2％，ZnO 1-2％，Na2O 1-2％；以及K2O 1-2％。
在第一方面的另一种实施方式中，所述废旧陶瓷可包括粒度为80目-100目的废旧陶瓷粉末。
在第一方面的另一种实施方式中，硅酸钠的模数是1.5-2.5。
在第一方面的另一种实施方式中，在结构式(I)中，n＝6。
在第二方面中，本发明提供一种使用如第一方面所述的废旧陶瓷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)按照所需比例混合(a)废旧陶瓷；(b)硅酸钠；以及(c)磁性离子液体，得到废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料；
(2)按照废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料重量：待改良膨胀土干土重量＝1:8-1:6的比例，将废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料与待改良膨胀土混合均匀；
(3)根据《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)中的重型击实试验确定最佳含水率；以及
(4)按照比步骤(3)中确定的最佳含水率更大1％-2％的比例，向步骤(2)中混合均匀的废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料与待改良膨胀土添加水，搅拌均匀之后得到废旧陶瓷膨胀土改良剂改良的膨胀土。
在第二方面的一种实施方式中，还包括(5)将步骤(4)得到的废旧陶瓷膨胀土改良剂来改良的膨胀土在施工面上铺设20-50厘米的表面改良层，且自然条件 下保持2-3天。
在第二方面的另一种实施方式中，在步骤(1)中，(a)废旧陶瓷；(b)硅酸钠；以及(c)磁性离子液体的重量比可为：90％-95％：0.25％-2％：3.75％-9.75％。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)通过废旧陶瓷的填充作用、硅酸钠的粘结作用以及磁性离子液体与膨胀土之间的离子交换作用，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，所用原料来自回收材料。
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废旧陶瓷膨胀土改良剂。所述废旧陶瓷膨胀土改良剂可包括废旧陶瓷、硅酸钠和磁性离子液体。废旧陶瓷经常规研磨粉碎之后，粒度可小至80-100目，因此可填充膨胀土晶层之间的空隙。此外，废旧陶瓷中的某些组分如氧化硅、氧化钾等在存在本发明所述的磁性离子液体时甚至能与膨胀土发生离子交换，由此降低膨胀土的膨胀率、提高膨胀土的抗剪切强度。
硅酸钠可在吸水后形成凝胶来粘结膨胀土颗粒和废旧陶瓷颗粒。通过调节硅酸钠的模数，硅酸钠可在室温下溶于水中，并吸收膨胀土中的水形成凝胶，由此固定膨胀土颗粒和废旧陶瓷颗粒。因为硅酸钠的存在，在施工中，可添加比最佳含水率更高1％-2％的水。
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，由此进一步降低膨胀土的膨胀率、提高膨胀土的抗剪切强度。本发明的磁性离子液体包括烷基链，烷基链的长度影响废旧陶瓷膨胀土改良剂的最终改良效果。烷基链不能太短，否则对膨胀土抗剪切强度的增加有限。同时，烷基链也不能太长，否则潜在地固定在硅酸钠形成的凝胶中，难以有效地与膨胀土颗粒发生离子交换。
本发明的目的还在于提供一种使用废旧陶瓷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，本发明提供一种废旧陶瓷膨胀土改良剂，所述废旧陶瓷膨胀土改良剂可包括：
(a)废旧陶瓷；
(b)硅酸钠；以及
(c)磁性离子液体，
其中，(c)磁性离子液体的结构如下述结构式(I)所示：
Figure DEST_PATH_GDA0001339488510000041
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，以重量为基准计，所述(a)废旧陶瓷可含有以下组分：Al2O3 50-70％；SiO2 20-30％，MgO 5-10％，Fe2O3 1-2％，ZnO 1-2％，Na2O 1-2％；以及K2O 1-2％。
在第一方面的另一种实施方式中，所述废旧陶瓷可包括粒度为80目-100目的废旧陶瓷粉末。
在第一方面的另一种实施方式中，硅酸钠的模数是1.5-2.5。
在第一方面的另一种实施方式中，在结构式(I)中，n＝6。
在第二方面中，本发明提供一种使用如第一方面所述的废旧陶瓷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)按照所需比例混合(a)废旧陶瓷；(b)硅酸钠；以及(c)磁性离子液体，得到废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料；
(2)按照废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料重量：待改良膨胀土干土重量＝1:8-1:6的比例，将废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料与待改良膨胀土混合均匀；
(3)根据《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)中的重型击实试验确定最佳含水率；以及
(4)按照比步骤(3)中确定的最佳含水率更大1％-2％的比例，向步骤(2)中混合均匀的废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料与待改良膨胀土添加水，搅拌均匀之后得到废旧陶瓷膨胀土改良剂改良的膨胀土。
在第二方面的一种实施方式中，还包括(5)将步骤(4)得到的废旧陶瓷膨胀土改良剂来改良的膨胀土在施工面上铺设20-50厘米的表面改良层，且自然条件下保持2-3天。
在第二方面的另一种实施方式中，在步骤(1)中，(a)废旧陶瓷；(b)硅酸 钠；以及(c)磁性离子液体的重量比可为：90％-95％：0.25％-2％：3.75％-9.75％。
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。
废旧陶瓷为80-100目的废旧陶瓷粉末，且其组分为Al2O3 50-70％；SiO2 20-30％，MgO 5-10％，Fe2O3 1-2％，ZnO 1-2％，Na2O 1-2％；以及K2O 1-2％。
所用硅酸钠的模数是2.2-2.5。
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。
击实试验
击实实验根据《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)来进行。测得原状膨胀土的最佳含水量为16.8％。
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)＝189.8，且Φ(内摩擦角)＝34.5。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
按照下文表1所示的配方比例混合(a)废旧陶瓷；(b)硅酸钠；以及各种(c)磁性离子液体，得到废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料。然后，按照废旧陶瓷膨胀土改良 剂浆料重量：待改良膨胀土干土重量＝1:6的比例，将废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料与待改良膨胀土混合均匀。接下来，根据《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)中的重型击实试验确定最佳含水率；以及按照比在上述步骤中确定的最佳含水率更大1％的比例，向混合均匀的废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料与待改良膨胀土添加水，搅拌均匀之后得到废旧陶瓷膨胀土改良剂改良的膨胀土。在施工面上形成50厘米的由废旧陶瓷膨胀土改良剂改良的膨胀土形成的表面改良层，自然条件下固化2天之后进行剪切强度测试。具体施工工艺和各项指标测试结果如表2所示。
表1.以重量分数表示的实施例1-5的废旧陶瓷膨胀土改良剂的配方
Figure DEST_PATH_GDA0001339488510000061
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
表面改良层/厘米 50 50 50 50 50
自由膨胀率/％ 36.5 32 30.5 26.6 27.8
抗剪切强度(c) 197.3 199.6 203.7 218.9 215.8
抗剪切强度(Φ) 36.5 37.3 38.6 42.3 40.9
从表2的结果可知，经过本发明的废旧陶瓷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，通过同时控制硅酸钠的模数、含量以及磁性离子液体烷基链中碳原子的数目，可显著降低膨胀土自由膨胀率，以及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 (8)

1.一种废旧陶瓷膨胀土改良剂，所述废旧陶瓷膨胀土改良剂包括：
(a)废旧陶瓷；
(b)硅酸钠；以及
(c)磁性离子液体，
其中，(c)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所述的废旧陶瓷膨胀土改良剂，其特征在于，以重量为基准计，所述(a)废旧陶瓷含有以下组分：Al2O3 50-70％；SiO2 20-30％，MgO 5-10％，Fe2O3 1-2％，ZnO 1-2％，Na2O 1-2％；以及K2O 1-2％。
3.如权利要求1所述的废旧陶瓷膨胀土改良剂，其特征在于，所述废旧陶瓷包括粒度为80目-100目的废旧陶瓷粉末。
4.如权利要求1所述的废旧陶瓷膨胀土改良剂，其特征在于，硅酸钠的模数是1.5-2.5。
5.如权利要求1所述的废旧陶瓷膨胀土改良剂，其特征在于，在结构式(I)中，n＝6。
6.一种使用如权利要求1所述的废旧陶瓷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)按照所需比例混合(a)废旧陶瓷；(b)硅酸钠；以及(c)磁性离子液 体，得到废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料；
(2)按照废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料重量：待改良膨胀土干土重量＝1:8-1:6的比例，将废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料与待改良膨胀土混合均匀；
(3)根据《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)中的重型击实试验确定最佳含水率；以及
(4)按照比步骤(3)中确定的最佳含水率更大1％-2％的比例，向步骤(2)中混合均匀的废旧陶瓷膨胀土改良剂浆料与待改良膨胀土添加水，搅拌均匀之后得到废旧陶瓷膨胀土改良剂改良的膨胀土。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括(5)将步骤(4)得到的废旧陶瓷膨胀土改良剂来改良的膨胀土在施工面上铺设20-50厘米的表面改良层，且自然条件下保持2-3天。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，(a)废旧陶瓷；(b)硅酸钠；以及(c)磁性离子液体的重量比为：90％-95％：0.25％-2％：3.75％-9.75％。
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