CN109294595A - 一种飞灰基土壤固化剂及其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞灰基土壤固化剂，由以下重量份的原料制成：飞灰60‑70份，树脂10‑15份，水15‑25份，电荷调节剂2‑5份，表面活性剂1‑1.5份，树脂固化剂1‑1.5份。本发明还公开了该土壤固化剂的制备与应用。本发明利用飞灰无机成分和金属离子，结合水性环氧树脂，得到了一种新型无机‑有机复合的土壤固化剂，固化土体压实度高，在各组分的协同作用下，具有高的无侧限抗压强度和抗回弹模量，同时具备优异的水稳定性，浸水吸水率低，抗冲刷能力强。此外，该飞灰基土壤固化剂实现了对飞灰固体废弃物的高价值再利用，一方面解决了飞灰的处理，另一方面降低了土壤固化剂的成本。

Description

一种飞灰基土壤固化剂及其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及固化剂技术领域，尤其涉及一种飞灰基土壤固化剂及其制备方法及应用。

背景技术

我国道路建设发展迅速，对路基路面结构的使用性能提出了更高的要求，并对工程建设的环保性提出了额外的要求。传统工程建设的地基材料一般采用天然砂石料、砂砾料等，然而这类资源的过度开采，造成了日益严重的生态破坏。近年来，通过固化土壤替代砂石的方法成为路基建设的新趋势，由于土壤来源广泛，其合理利用，一方面降低了工程造价，另一方面减少了对自然资源的破坏。因此，土壤固化技术受到愈来愈多的关注。

然而，我国疆土辽阔，土壤类型繁多且差异巨大，有黄土、粉土、沙土、软土、冻土、淤泥等土质。目前，我国使用的土壤固化剂以水泥、石灰、粉煤灰等传统无机固化剂为主，该类材料对使用土壤基本物理力学性能要求高，固化土壤强度较低，易产生较大形变而形成裂缝。而高效土壤固化剂多为国外引进的液体土壤稳定剂，如美国路邦EN-1电离土壤稳定剂，美国PALMA土壤固化酶，贝赛尔高分子聚合物乳液，美国ISS等，价格昂贵。因此，研究开发并市场化国产的土壤固化剂是当务之急。

固化土壤性质取决于颗粒间的结构粘结力，如何粘结土壤，促进土壤固化剂中的分散，增加粘结效率，是土壤固化剂开发的核心问题。土壤中富含矿物、游离离子、水和气，土壤颗粒表面带有电荷，内含结合水和自由水，这些对于土壤的塑性、收缩性和水敏感性都有直接关系。此外，土壤颗粒细小，比表面积大，表面能大，与溶液相互作用后易出现一系列界面现象，如双电层、离子交换、粘粒的聚沉与稳定。不难得出，带电性质、结合水形式、颗粒大小等因素对土体的分散，吸附，可塑，絮凝，膨胀，收缩和渗透等一系列性质有很大影响。目前，市售土壤固化剂种类虽多，但普遍存在以下问题：（1）抗压强度达不到行业标准；（2）价格昂贵；（3）耐水性不好，高性价比的高效土壤固化剂仍是稀缺产品，需求日趋明显。

近年来，垃圾焚烧逐步成为垃圾处理的主流趋势。垃圾焚烧过程中会产生大量飞灰（焚烧垃圾量的3%～15%），其富含SiO₂，CaO，Fe₂O₃和Al₂O₃，并富集了大量的金属离子，包括重金属（飞灰量的0.5%～3.0%，以Pb、Cd等居多）。飞灰在无害化处置后，一般进行填埋处理。从飞灰成分角度看，其与水泥、玻璃等多种成分相似，国外已将飞灰应用于水泥制造、路基填料、土壤改良剂和吸附剂等多个领域。因此，进一步研究开发飞灰的应用价值，实现其再利用，对于可持续发展具有积极的意义。

发明内容

本发明提供一种飞灰基土壤固化剂及其制备方法及应用，利用飞灰中富含的无机成分，发挥其粘结作用，通过富集的金属离子结合电荷调节剂，实现对土壤表层电荷的调控，减少结合水膜厚度，增加粒间吸引，促使土粒聚集凝结，提升压实密度；通过引入有机树脂组分，弥补土壤微缝和孔隙，能够进一步提高土体强度和抗渗透能力；添加的表面活性剂能够调节土壤固化剂溶液的表面张力，使固化剂能够快速分散于土壤界面和孔隙，加速固化过程和改善固化均匀性。本发明所制土壤固化剂具有适用范围广、固化效果好的优点，同时解决了飞灰固废处理和再利用的问题。

一种飞灰基土壤固化剂，由以下重量份的原料制成：飞灰，60-70份；树脂，10-15份；水，15-25份；电荷调节剂，2-5份；表面活性剂，1-1.5份；树脂固化剂，1-1.5份。

该技术方案通过无机和有机成分的协同作用以及配方的优化，使得该配方的土壤固化剂适用于黄土、红土、沙土、淤泥等多种土质，固化后土壤的无侧限抗压强度，抗压回弹模量和遇水稳定性得到显著提高，施工时间和养护要求大大减少，工程造价大大降低。

优选的，一种飞灰基土壤固化剂，由以下重量份的原料制成：飞灰，60-70份；水性环氧，10-15份；水，15-25份；无机盐，2-5份；磺酸盐，1-1.5份；胺类化合物，1-1.5份。

一种飞灰基土壤固化剂的制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一、在恒温条件下，向搅拌装置中加入飞灰和水，搅拌均匀后，加入树脂，进行搅拌分散，制得固化剂预料；

步骤二、在恒温条件下，在上述固化剂预料中先加入电荷调节剂和表面活性剂进行溶液电荷和表面张力调节，混合均匀后加入树脂固化剂，搅拌一定时间；

步骤三、降温冷却，制得土壤固化剂。

所述的飞灰为垃圾焚烧后的固体废弃物。

所述的树脂为低分子量的液体环氧树脂，低分子量的液体环氧树脂乳液和高分子量的固体环氧树脂乳液中的一种或几种，优选的，所述的低分子量环氧树脂环氧当量为170-190 g/eg，固体环氧树脂为E-20；

所述的电荷调节剂为无机盐，优选的，所述的无机盐为氯化锂、溴化锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化钠、溴化钠、硝酸钠、硫酸钠、氯化钾、溴化钾、硝酸钾、硫酸钾和氯化镁中的一种或几种；

所述的表面活性剂为磺酸盐，优选的，所述的磺酸盐为直链烷基苯磺酸钠、木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、十八烷基硫酸钠、硬脂酸钠中的一种或几种；

所述的树脂固化剂为胺类化合物，优选的，所述的胺类化合物为腰果酚醛胺，聚酰胺和聚醚胺中的一种或几种；

优选的，步骤一、步骤二中温度条件为30-60℃，搅拌速率为100-500rpm，搅拌时间为0.5-2h；

飞灰基土壤固化剂的添加量为土壤质量的5%-20%。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

利用飞灰和水性环氧树脂，获得无机-有机协同作用的高效土壤固化剂。飞灰主要成分为SiO₂、CaO、Fe₂O₃和Al₂O₃，且含有一定量金属离子，非常适合制备无机土壤固化剂，起到粘结作用，内含的金属离子能够调节土壤颗粒的表面电荷；电荷调节剂的引入能够进一步调节土壤颗粒表面电荷，使双电层厚度变小，结合水膜变薄，降低土粒间的排斥力，提升了土料的压实密度；水性环氧树脂和固化剂组分的添加，能够显著提升土壤自身活性，使土壤颗粒发生自粘结，高分子链的位阻屏蔽效应，弥补了传统无机固化剂固化土抗渗性不足的问题，提升固化土的水稳定性；表面活性剂的掺杂降低了土壤固化剂的表面张力，使其在土壤表面和缝隙的迅速分散和润湿，加快了固化过程，改善了固化均匀性。本发明的无机-有机复合土壤固化剂，无侧限抗压强度、抗回弹模量高，不同压实度下，收缩膨胀率小，同时具备优异的水稳定性，吸水率和冲刷质量损失率优势明显。

具体实施方式

实施例1

将65份飞灰和20份水加入至恒温搅拌器中，在50℃和200rpm条件下，搅拌混合；随后加入10份环氧当量为190 g/eg的液态环氧树脂乳液，继续分散；进一步地，加入3份硝酸钠和1份十八烷基硫酸钠，溶解混合；最后加入1份腰果酚醛胺并搅拌1h。搅拌结束后，冷却室室温，获得飞灰基复合土壤固化剂G1。

实施例2

将65份飞灰和15份水加入至恒温搅拌器中，在45℃和300 rpm条件下，搅拌混合；随后加入15份环氧当量为190 g/eg的液态环氧树脂，继续分散；进一步地，加入2份硫酸钠、1份氯化镁和1份木质素磺酸钠，溶解混合；最后加入1份聚酰胺并搅拌1h。搅拌结束后，冷却室室温，获得飞灰基复合土壤固化剂G2。

实施例3

将60份飞灰和25份水加入至恒温搅拌器中，在60℃和400rpm条件下，搅拌混合；随后加入10份E-20基固态环氧树脂乳液，继续分散；进一步地，加入1份溴化钠、1份硫酸钾、1份氯化镁和1份十八烷基硫酸钠，溶解混合；最后加入1份硬脂酸钠并搅拌2h。搅拌结束后，冷却室室温，获得飞灰基复合土壤固化剂G3。

实施例4

将60份飞灰和20份水加入至恒温搅拌器中，在40℃和500rpm条件下，搅拌混合；随后加入15份环氧当量为185 g/eg的液态环氧树脂乳液，继续分散；进一步地，加入1份硫酸钠、1份硫酸钾和1.5份木质素磺酸钙，溶解混合；最后加入1.5份硬脂酸钠并搅拌1.5 h。搅拌结束后，冷却室室温，获得飞灰基复合土壤固化剂G4。

实施例5

将65份飞灰和15份水加入至恒温搅拌器中，在55℃和300rpm条件下，搅拌混合；随后加入15份环氧当量为170 g/eg的液态环氧树脂，继续分散；进一步地，加入2份溴化钾、1份硫酸钾和1份十八烷基硫酸钠，溶解混合；最后加入1份硬脂酸钠并搅拌1 h。搅拌结束后，冷却室室温，获得飞灰基复合土壤固化剂G5。

实施例6

将60份飞灰和25份水加入至恒温搅拌器中，在60℃和200rpm条件下，搅拌混合；随后加入10份E20基的固态环氧树脂乳液，继续分散；进一步地，加入2份硫酸钠、1份硝酸钾和1份十八烷基硫酸钠，溶解混合；最后加入1份木质素磺酸钠并搅拌2h。搅拌结束后，冷却室室温，获得飞灰基复合土壤固化剂G6。

为验证本发明土壤固化剂的固化效果，针对红土和淤泥土壤进行固化处理，并对固化土壤的整体性能进行评价，表1为两种土壤的基本物理力学性能指标。

表1 土壤的基本物理力学性能指标

土壤	含水率(%)	塑限(%)	液限(%)	粘聚力(kPa)	內摩擦角(°)
						红土	28	18	36	46	23
淤泥	43.2	25.6	41.7	4.8	3.8

测试例1

采用实施例1-6的土壤固化剂对红土进行固化，固化剂添加量为土壤质量的10%，表2为固化土壤的抗压无侧限抗压强度和抗回弹模量结果。

表2 固化土壤的无侧限抗压强度和抗回弹模量

土壤固化剂	最大干密度(g/cm3)	7d无侧限抗压强度(MPa)	抗回弹模量(MPa)
				G1	2.072	2.73	587.2
G2	2.012	2.84	572.8
				G3	1.986	3.02	598.4
G4	1.972	2.43	532.1
				G5	2.056	2.67	564.6
G6	1.993	2.52	544.7

从表2可以看出，采用本发明固化剂处理的土壤具有更高的抗压强度和回弹模量，满足道路填料的应用技术规范要求，且处于较好水平。

测试例2

采用实施例1-6的土壤固化剂对淤泥进行固化，固化剂添加量为土壤质量的15%，表3为不同压实度下固化土壤的加州承载比（CBR）和膨胀率。

表3不同压实度下固化土壤的加州承载比（CBR）和膨胀率

从表3可以看出，本发明土壤固化剂固化后土壤的加州承载比均满足《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）对路床最小强度CBR值大于8%的规定，满足道路填料的应用技术规范。

测试例3

采用实施例1-6的土壤固化剂对红土进行固化，固化剂添加量为土壤质量的10%，表4为固化土壤的浸水吸水率和抗冲刷质量损失率。

表4为固化土壤的浸水吸水率和抗冲刷质量损失率。

土壤固化剂	28d浸水吸水率(%)	冲刷质量损失率
			G1	1.65	3.42
G2	1.58	3.22
			G3	1.45	2.98
G4	1.63	3.63
			G5	1.53	3.12
G6	1.61	3.01

从表4可以看出，本发明土壤固化剂固化后土壤的浸水吸水率均低于2%，冲刷质量损失率处于2.5-4%之间，具有优异的遇水稳定性。

对比例1

采用实施例1、2和3的土壤固化剂对淤泥进行固化，固化剂添加量为土壤质量的12%，普通硅酸盐水泥土壤固化剂固化效果作为对比，表5为固化土壤的无侧限抗压强度和抗回弹模量对比。

表5为固化土壤的的无侧限抗压强度和抗回弹模量对比

土壤固化剂	7d无侧限抗压强度(MPa)	抗回弹模量(MPa)
			G1	2.73	554.2
G2	2.84	562.8
			G3	3.02	572.4
G4	2.43	512.1
			G5	2.67	532.6
G6	2.52	522.7
			普通硅酸盐水泥	1.32	268.5

从表5可以看出，本发明土壤固化剂固化后土壤的无侧限抗压强度和抗回弹模量显著由于硅酸盐基土壤固化剂。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞灰基土壤固化剂，其特征在于，由以下重量份的原料制成：飞灰，60-70份；树脂，10-15份；水，15-25份；电荷调节剂，2-5份；表面活性剂，1-1.5份；树脂固化剂，1-1.5份。

2.根据权利要求1所述的一种飞灰基土壤固化剂，其特征在于，所述飞灰为生活垃圾焚烧固体废弃物，所述树脂为水性环氧树脂，所述电荷调节剂为无机盐，所述表面活性剂为磺酸盐，所述树脂固化剂为胺类化合物。

3.E-20环氧胶黏剂。

4.根据权利要求2所述的一种飞灰基土壤固化剂，其特征在于，所述的胺类化合物为腰果酚醛胺，聚酰胺和聚醚胺中的一种或几种。

5.根据权利要求2所述的一种飞灰基土壤固化剂，其特征在于，所述的无机盐为氯化锂、溴化锂、硝酸锂、硫酸锂、氯化钠、溴化钠、硝酸钠、硫酸钠、氯化钾、溴化钾、硝酸钾、硫酸钾和氯化镁中的一种或几种。

6.根据权利要求2所述的一种飞灰基土壤固化剂，其特征在于，所述的磺酸盐，为直链烷基苯磺酸钠、木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、十八烷基硫酸钠、硬脂酸钠中的一种或几种。

7.制备权利要求1所述的飞灰基土壤固化剂的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、在恒温条件下，向搅拌装置中加入飞灰和水，搅拌均匀后，加入树脂，进行搅拌分散，制得固化剂预料；

步骤二、在恒温条件下，在上述固化剂预料中先加入电荷调节剂和表面活性剂进行溶液电荷和表面张力调节，混合均匀后加入树脂固化剂，搅拌一定时间；

步骤三、降温冷却，制得土壤固化剂。

8.根据权利要求7所述的飞灰基土壤固化剂的制备方法，其特征在于，上述步骤一、步骤二中，恒温温度为30-60℃，搅拌速率为100-500rpm，搅拌时间为0.5-2h。

9.如权利要求1所述的飞灰基土壤固化剂在粉土、软土和淤泥固化处理中的应用。

10.根据权利要求9所述的飞灰基土壤固化剂的应用，其特征在于，土壤固化剂的添加量为土壤质量的5%-20%。