CN109400036B

CN109400036B - 一种聚合物地基土固结剂

Info

Publication number: CN109400036B
Application number: CN201811392438.3A
Authority: CN
Inventors: 黄明; 薛道锐
Original assignee: Shanghai Municipal Engineering Design Insitute Group Co Ltd
Current assignee: Shanghai Municipal Engineering Design Insitute Group Co Ltd
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: CN109400036A

Abstract

本发明公开了一种聚合物地基土固结剂，所述聚合物地基土固结剂中各原料重量份配比如下：水泥40~76，钢渣10~25，改性三异丙醇胺溶液10~25，甲基丙烯酸和N‑异丙基丙烯酰胺的混合物3~10；减水剂为钢渣重量的0~3‰；消泡剂为改性三异丙醇胺重量的0~3%。本发明的聚合物地基土固结剂能固化含水率在10~70%之间的淤泥、淤泥质粉土、软土和渣土等，尤其可对有机物含量在30%以下的土壤，扩展了可固结土壤的适用范围，显著增强固化产物的抗压回弹模量和无侧限抗压强度，无需碎石的加入仍可保证固结之后的土体可为上部的工程建设提供更大的地基承载力。

Description

一种聚合物地基土固结剂

技术领域

发明属于道路、机场、建筑工程的地基处理领域，具体是一种聚合物地基土固结剂及其制备方法，扩展了可固结土壤的适用范围，能够在保证该材料其他主要路用性能技术指标不降低的条件下，显著增强固化产物的抗压回弹模量和无侧限抗压强度，无需碎石的加入较为显著提高地基承载力和减少路床的土体后期的干缩温缩开裂。

背景技术

随着城市发展的需求，城市周边的建设越来越多，在进行道路、机场和建筑工程前需进行地基的处理甚至土体的置换，为了更经济、更快速、更环保的实施本项目，充分利用区域内的现有土壤，包括含水率在10～70％之间的淤泥、淤泥质粉土、软土和渣土等，或是有机物含量在30％以下的土壤进行地基土的改造。目前常用水泥、二灰等水硬性材料对这些土体进行固结，或是添加一些激发性材料对这些水硬性材料进行改性，大部分为无机物激发材料，这通常对土体内的有机物含量有严格要求，通常在10％以下方可顺利固结；另外现行的固结方法通过添加碎石的措施提高土体强度，由于环保部门对山石的开采愈发严格，碎石价格成倍增加，因此这种方法不够环保和经济。

相反，中国目前搁置钢渣的量达到了180×10⁷吨，并且现在还在以每年几百万吨的速度增长。我国对钢渣的利用率却只有30％左右，且主要用作回填材料，如何较好地利用残余钢渣是一个亟待解决的难题。将钢渣作为固结土的骨料使用，是提高钢渣利用率的一个有效途径。由于钢渣中含有硅酸二钙、硅酸三钙以及铁铝酸盐等活性矿物质，具有水硬胶凝性，钢渣的加入可以增强水泥的水反应活性，而且钢渣具有一定的级配和粒径，可以在固结中替代或者部分替代碎石，同时，钢渣价格优廉，在土壤固结中选用钢渣，不仅可提升固结土的力学性能，而且将具有很大的市场优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚合物地基土固结剂，添加钢渣替代碎石提高固结地基土的力学性能，且适用于有机物含量在30％以下的土壤，扩展了可固结土壤的适用范围。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种聚合物地基土固结剂，其特征在于所述聚合物地基土固结剂中各原料重量份配比如下：

其中改性三异丙醇胺溶液的各原料重量百分比配比如下所示：

三异丙醇胺 35～45％

双甲基丙烯酸乙二醇酯 12～20％

有机溶剂 37～50％。

进一步地，所述甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物中，甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的重量配比为1:2～3。

进一步地，所述聚合物地基土固结剂还包含

减水剂钢渣重量的0～3‰；

消泡剂改性三异丙醇胺重量的0～3％。

进一步地，上述三异丙醇胺，其分子结构式为：

上述双甲基丙烯酸乙二醇酯，其分子结构式为：

上述甲基丙烯酸，其分子结构式为：

上述N-异丙基丙烯酰胺，其分子结构式为：

进一步地，所述水泥为普通水泥、硅酸盐水泥、矿渣水泥或复合水泥的所有强度等级；不能选用火山灰水泥和粉煤灰水泥。

进一步地，所述钢渣为炼钢后排除的废渣，包括平炉或转炉钢渣。

进一步地，其中有机溶剂纯度在60％以上，有机溶剂为苯乙烯、三乙醇胺和酒精。

进一步地，所述聚合物地基土固结剂用于固结地基土，当地基土土料中有机物含量≥15％，改性三异丙醇胺溶液中双甲基丙烯酸乙二醇酯应为16～20％，甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物中两者比例应采用为1：3，改性三异丙醇胺溶液应取15～25，甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物应取5～10。

本发明的制备方法获得的地基土固结剂，将土壤固结后的固化产物具有较大的毛体积密度，力学、耐久性能优于采用水泥或二灰固结的产物。聚合物和钢渣的掺入改善了水泥固结土的干缩性能，且后期强度稳定发展，且随着龄期增长，其增长率也明显优于普通固结土。

具体实施方式

下面根据本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述。下面的实施例和对比例将会进一步阐明本发明，但是应该说明的是，实例和对比例并非限制本发明的保护范围。

本发明的制备方法为：

1、制备改性三异丙醇胺溶液，改性三异丙醇胺溶液的各原料重量百分比配比如下所示：

三异丙醇胺 35～45％

双甲基丙烯酸乙二醇酯 12～20％

有机溶剂 37～50％

进一步的，其中有机溶剂为苯乙烯、三乙醇胺和酒精。

制备改性的三异丙醇胺溶液的步骤为a、加热均化器反应釜至50～70℃，将35～45％重量比例的三异丙醇胺和纯度在60％以上的有机溶液慢加入其中待其升温；b、将12～20％重量比例的双甲基丙烯酸乙二醇酯缓缓加入三异丙醇胺的均化器反应釜中，搅拌5～20min，制备成改性的三异丙醇胺溶液。

2、制备甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物：

将甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺按1：2～3的比例在其他反应釜中常温混合，待完全混溶之后备用。

3、制备聚合物地基土固结剂的各原料重量份配比如下所示：

4、按下面的步骤制备聚合物地基土固结剂：a、将40～76重量份水泥，10～25重量份钢渣，占钢渣重量的0～3‰的减水剂，占三异丙醇胺重量的0～3％的消泡剂，按先固体材料后液体材料的顺序置于含有三异丙醇胺溶液的均化器反应釜内；b、将甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺按1：2～3的比例在其他反应釜中常温混合，待完全混溶之后备用；c、加入3～10重量份的甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物，在均化器反应釜中拌和均匀，制备完成聚合物地基土固结剂。

上述三异丙醇胺，其分子结构式为：

上述双甲基丙烯酸乙二醇酯，其分子结构式为：

上述甲基丙烯酸，其分子结构式为：

上述N-异丙基丙烯酰胺，其分子结构式为：

所述钢渣为炼钢后排除的废渣，包括但不限于平炉和转炉钢渣。钢渣与相同粒径的砂和碎石按同等重量替换，细骨料是通过将钢渣粗骨料粉碎获得。

所述减水剂为普通水泥混凝土采用的水剂或粉剂，若采用水剂，应使其有效成分达到上述重量份配比要求。钢渣密度较其他骨料大，加入减弱固结土的流动性，为保证成品地基固结土具有好的施工特性，需要依据钢渣的量加入减水剂。

所述消泡剂与所用聚合物匹配使用，其有效用量应与改性的三异丙醇胺溶液的有效成分相对应。由于三异丙醇胺与甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物在混溶反应中，过程中会带来较大的表面张力，产生泡沫，为快速稳定下来降低最终的固结剂成品内部空气率，需要依据三异丙醇胺的有效用量加入消泡剂。

减水剂和消泡剂为现有技术，采用一般水泥减水剂和消泡剂即可，在此不再赘述。

其中双甲基丙烯酸乙二醇酯和N-异丙基丙烯酰胺具有长时间消纳有机物的功能。在应用本发明时，应先进行土壤试料(下称土料)的有机物含量测定。当土料中有机物含量≥15％，改性的三异丙醇胺溶液中双甲基丙烯酸乙二醇酯应为16～20％，甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物中两者比例应采用为1：3，改性的三异丙醇胺溶液应取15～25，甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物应取5～10。

以下为本发明的具体实施例和对比例。其中，实施例1，2，3为不同的聚合物固结剂配方，分别反应接近配方中的中值和极端取值的情况。固结地基土配合比所用土料1#，土料1#塑限为27.4％，最佳含水率为11％，最大干密度为1.791g/cm³，有机物含量为9％。对比例1和2分别选取了常规的固结剂425#水泥和石灰粉煤灰的二灰混合物。实施例4是专门针对高有机物含量的土料。通过以上实施例与对比例，对本发明进行详细的阐述和性能对比。

实施例1

按表1所示比例制备本发明的聚合物地基土固结剂：

表1固结剂配合比A

其后按表2进行固结地基土配合比设计。

表2固结地基土配合比1#

序号	材料名称	单位	配合比
				1	水	kg	21
2	土料1#	m<sup>3</sup>	0.9
				3	本发明的聚合物地基土固结剂	kg	1.2

实施例2

按表3所示比例制备本发明的聚合物地基土固结剂：

表3固结剂配合比B

其后按表2内容进行固结地基土的配合比设计。

实施例3

按表3所示比例制备本发明的聚合物地基土固结剂：

表4固结剂配合比C

其后按表2内容进行固结地基土的配合比设计。

实施例4

按表5所示比例即固结剂配合比A制备本发明的聚合物地基土固结剂，选取土料2#进行固结。土料2#塑限为31.4％，最佳含水率为17％，最大干密度为1.742g/cm³，有机物含量为28.9％，相比土料1#，土料2#具备更高的有机物含量。其后按表6进行固结地基土的配合比设计，与表2相比，表6的配合比中仅替换了土料类别。

按表5所示比例制备本发明的聚合物地基土固结剂：

表5固结剂配合比C

表6固结地基土配合比2#

序号	材料名称	单位	配合比
				1	水	kg	21
2	土料2#	m<sup>3</sup>	0.9
				3	本发明的聚合物地基土固结剂	kg	1.2

对比例1

选用普通水泥(标号P.O.425)作为固结剂，按表7进行固结地基土配合比设计。

表7固结地基土配合比3#

序号	材料名称	单位	配合比
				1	水	kg	20
2	土料1#	m<sup>3</sup>	0.9
				3	425#水泥	kg	1.8

对比例2

选用二灰(石灰粉煤灰的混合物，商品二灰混合物)作为固结剂，按表8进行固结地基土配合比设计。

表8固结地基土配合比4#

序号	材料名称	单位	配合比
				1	水	kg<sup>3</sup>	18
2	土料1#	m<sup>3</sup>	0.9
				3	二灰	kg	2.2

将实施例1～4和对比例1～2五种试件进行7天、28天和90天土样的回弹模量试验和无侧限抗压强度试验。选用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51～2009)的顶面法进行回弹模量试验；侧限抗压强度试验：对于混合料按照设计的配合比及试验所得的最佳含水率，用静压法成型10cm*10cm的圆柱形试块。首先进行7天无侧限抗压强度试验。对成型好的试件进行标准养护6d，浸水养护24h，测试各试件的无侧限抗压强度，进行28天和90天无侧限抗压强度试验。对成型好的试件进行标准养护27d和89d，浸水养护24h，测试各试件的无侧限抗压强度。所有对比试验数据如表9所示。

表9实施例1～3和对比例1～2的回弹模量试验结果对比

参见上表中的数据，与采用水泥固化和二灰固化相比，选用了本发明的聚合物地基土固结土壤在28d抗压强度和无侧限抗压强度上有了明显的增加。值得注意的是90d的回弹模量和无侧限抗压模量的强度，四个实施例的检测结果上升幅度更为明显；相反对比例中的试验数据出现了一定程度的下降。说明采用了本发明的固结剂所制备的固结土在很长的一段时间会保持力学性能的持续增长。另外，由于本发明中添加的双甲基丙烯酸乙二醇酯和N-异丙基丙烯酰胺能够在很长的时间内消纳有机物，因此本发明适用于有机物含量在30％以下的土壤，扩展了可固结土壤的适用范围。本发明显著增强固化产物的抗压回弹模量和7d、28d和90d无侧限抗压强度，无需添加碎石仍可保证固结之后的土体可为上部的工程建设提供更大的地基承载力，且相比普通固结材料，具有更长的力学性能增长时间。

Claims

1.一种聚合物地基土固结剂，其特征在于所述聚合物地基土固结剂中各原料重量份配比如下：

水泥 40~76

钢渣 10~25

改性三异丙醇胺溶液 10~25

甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物 3~10；

三异丙醇胺 35~45%

双甲基丙烯酸乙二醇酯 12~20%

有机溶剂 37~50%；

所述甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物中，甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的重量配比为1:2~3；

所述聚合物地基土固结剂用于固结地基土，当地基土土料中有机物含量≥15%，改性三异丙醇胺溶液中双甲基丙烯酸乙二醇酯应为16~20%，甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物中两者比例应采用为1：3，改性三异丙醇胺溶液应取15~25，甲基丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的混合物应取5~10。

2.如权利要求1所述的一种聚合物地基土固结剂，其特征在于所述聚合物地基土固结剂还包含

减水剂钢渣重量的0~3‰；

消泡剂改性三异丙醇胺重量的0~3%。

3.如权利要求1所述的一种聚合物地基土固结剂，其特征在于所述水泥为普通水泥、硅酸盐水泥、矿渣水泥或复合水泥的所有强度等级。

4.如权利要求1所述的一种聚合物地基土固结剂，其特征在于所述钢渣为炼钢后排除的废渣，包括平炉或转炉钢渣。

5.如权利要求1所述的一种聚合物地基土固结剂，其特征在于有机溶剂纯度在60%以上，有机溶剂为苯乙烯、三乙醇胺或酒精。