CN109796989B

CN109796989B - 一种砂土边坡固化材料及其制备方法和使用方法

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Publication number: CN109796989B
Application number: CN201910264424.1A
Authority: CN
Inventors: 袁进科; 裴向军; 徐岗; 陈杰; 叶长文; 温继伟; 陈礼仪; 霍宇翔; 王胜; 李之军
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2039-04-03
Also published as: CN109796989A

Abstract

本发明公开了一种砂土边坡固化材料及其制备方法和使用方法，属于边坡固化材料技术领域。本发明以纳米二氧化硅溶液、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇和硅酸钾为原料制备固化材料，制备工艺和施工工艺简单方便，不需额外添加外加剂及辅助设备。采用本发明的固化材料加固砂土边坡，增强了砂土边坡坡面的抗冲蚀能力，提高了砂土边坡在水流冲刷作用下的稳定性。此外，植物生长素的加入为植被发育起到了积极有效的作用，又适用于植被生长的新型固化材料。

Description

一种砂土边坡固化材料及其制备方法和使用方法

技术领域

本发明涉及边坡固化材料技术领域，具体涉及一种砂土边坡固化材料及其制备方法和使用方法。

背景技术

土壤的生态环境问题包括水土流失、污染、沙化、生物多样性减少等，其中最主要的是水土流失问题。我国是世界上水土流失最严重的国家之一，全国水土流失面积达356万km2，占国土面积的37％。如果不对这些生态脆弱区的砂土边坡进行治理，尤其是对于边坡坡面的砂土体物质进行防护，那么造成的水土流失对于生态环境的危害和土地资源的损失将是巨大的。

对于砂土边坡加固的传统技术主要有框格梁、喷护、三维网、护面墙等工程防护技术，通过在边坡上形成支护骨架，减缓了坡面水流速度，这些防护技术的目的是防止边坡在水流冲刷作用下整体失稳，并且工程应用较为广泛。但在工程实践中，对于坡面自愈能力差的砂土边坡，出现不少因坡面防护材料裸露，在水流冲刷作用下导致防护措施发生局部垮塌或破坏的现象。传统防护技术对于边坡的防治往往只考虑到整个坡体是否稳定而忽视了坡面的抗水流冲蚀能力，同时传统工程材料与砂土质坡面的刚性结合在长期裸露情况下会引起结构脱落。

发明内容

本发明的目的是提供一种砂土边坡固化材料及其制备方法和使用方法，以解决现有边坡防护技术抗冲刷、抗侵蚀能力差且防护结构易脱落、稳定性差的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种砂土边坡固化材料，包括：按重量份计，浓度为10wt％～35wt％的纳米二氧化硅溶液10～40份、羟丙基甲基纤维素5～10份、聚乙烯醇20～30份和硅酸钾10～20份。

本发明以纳米二氧硅、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇和硅酸钾制备砂土边坡固化材料黏结性好，结合能力强，还具有优良的抗冲刷和抗侵蚀能力，能够与砂土稳固结合，稳定性好。

本发明选择纳米二氧化硅作为主体颗粒材料，其无毒无害，颗粒粒径均匀，由于表面存在大量羟基，其表面活性很高且易于团聚，十分利于聚集形成的凝胶体，且形成的胶凝体比表面积大、吸附性高且渗透性好。纳米硅的分子式为SiO₂-nH₂O，颗粒晶核是二氧化硅的多聚体，但是由于二氧化硅纳米粒子本身体积极小，所包含的原子数很少、质量很小，其团聚后的胶凝体还不足以满足边坡加固。因此，本发明添加羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇，通过与纳米二氧化硅反应生成可扩展的立体网状结构从而加固砂土颗粒。本发明选择的羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇具有长链结构，有利于立体网络结构的生成，且羟丙基甲基纤维素含有大量的羟基和氢键，其中羟基基团沿着纤维素分子链均匀分布，羟基上的氧原子与硅原子结合形成[-Si-O-Si-]n结构体，形成过程中产生的化学能使得羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇中的氢键被破坏，被破坏的氢键和纳米硅材料中游离出来的氢键形成新的共价氢键，破坏氢键效应越强，形成新的共价氢键的能力越快，从而[-Si-O-Si-]n结构体和共价氢键相互搭接形成新的长链结构，以此构件形成三维立体的网络结构，提高材料内部的胶凝能力以及与砂土的结合能力，进而表现出优良的抗冲刷和抗侵蚀能力。此外，由于破坏氢键的过程中也阻碍了一部分[-Si-O-Si-]n结构体的形成，因此加入硅酸钾，其分子式为K₂O·nSiO₂，能够补充损失的硅离子和氧离子，弥补[-Si-O-Si-]n结构体。

本发明通过加入羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇和硅酸钾对纳米二氧化硅材料进行改性，微观结构上形成具有黏结性的三维立体网状层，外观上表现为一种凝胶体，这种凝胶体具有良好的黏结性，起到固结和充填的作用，可以对砂土中的颗粒进行胶结和包裹。

此外，在添加纳米二氧化硅材料时，本发明以溶液的形式加入使之具有一定的黏结能力，同时本发明将纳米二氧化硅溶液的浓度现在10wt％～35wt％的范围内，以获得黏结能力和流动性俱佳的品质，从而避免因浓度过低而导致黏结性能较差以及浓度过高而流动性较差的问题。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述纳米二氧化硅溶液的浓度为15wt％～25wt％。优选地，纳米二氧化硅溶液的浓度为20wt％

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述砂土边坡固化材料包括：按重量份计，纳米二氧化硅溶液15～35份、羟丙基甲基纤维素6～9份、聚乙烯醇22～28份和硅酸钾12～18份。

优选地，所述砂土边坡固化材料包括：按重量份计，所述纳米二氧化硅溶液15～35份、羟丙基甲基纤维素7～8份、聚乙烯醇24～26份和硅酸钾14～16份。

更优选地，所述砂土边坡固化材料包括：按重量份计，所述纳米二氧化硅溶液40份、羟丙基甲基纤维素5份、聚乙烯醇20份和硅酸钾20份。

更优选地，所述砂土边坡固化材料包括：按重量份计，所述纳米二氧化硅溶液40份、羟丙基甲基纤维素10份、聚乙烯醇20份和硅酸钾15份。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述纳米二氧化硅溶液中的纳米二氧化硅的平均粒径为70nm～90nm；

羟丙基甲基纤维素的羟丙氧基含量为8wt％～12wt％，甲氧基含量为20wt％～30wt％；

聚乙烯醇的粘度为15mPa·s～17mPa·s，平均聚合度为1450～1650。

本发明现对纳米二氧化硅、羟丙基甲基纤维素以及聚乙烯醇进行上述限定，其表现出更加优良的水解性能，易于反应，反应活性高。羟丙氧基含量为8wt％～12wt％、甲氧基含量为20wt％～30wt％的羟丙基甲基纤维素保水性好，水化反应迅速，羟基和氧基含量高，化学离子易充分结合。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述砂土边坡固化材料还包括：按重量份计的抗分散剂1～5份。优选地，抗分散剂为2-5份，更有选为5份。

本本发明通过添加抗分散剂进一步提高固化材料的絮凝能力，增加颗粒的胶结性能。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述抗分散剂为聚丙烯酰胺。在制备过程中，抗分散剂聚丙烯酰胺以溶液的形式加入，其浓度为8wt％-12wt％，在这个浓度范围内的聚丙烯酰胺溶液其能够在满足流动性的前提下具有较高的粘度，具有优良的絮凝能力。

本发明选择聚丙烯酰胺作为抗分散剂，其是低聚合度、非离子型、遇水即溶、胶结性好的高分子聚合物，对有水浸润和冲蚀下会立即散落的水敏性地层具有良好的絮凝效果，可以增强颗粒间的胶结性能，加入后可以提高改性纳米硅固化液的抗水冲刷和溶蚀能力。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述砂土边坡固化材料还包括：按重量份计的植物生长素3～10份。优选地，植物生长素为5-10份，更有选为10份。

本发明在固化材料中加入植物生长素，有利于植物在边坡上生长，通过植被避免边坡水土流失，更加绿色环保。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述植物生长素为磷酸钙或磷酸钾。

本发明选择磷酸钙作为植物生长素，能够植物生长提供所需的磷和钙元素。

上述的砂土边坡固化材料的制备方法，包括：将纳米二氧化硅溶液、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇和硅酸钾混合，得到砂土边坡固化材料。

在混合时，羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇和硅酸钾均以溶液的形式加入，以便于原料充分混合，利于反应进行。在具体制备过程中，羟丙基甲基纤维素溶液、聚乙烯醇溶液和硅酸钾溶液的浓度按照常规方法配制即可。本发明对其溶液的浓度也不做特别限制。

上述的砂土边坡固化材料的使用方法，包括：将砂土边坡固化材料按照占砂土总质量10wt％～30wt％的加量加入至砂土中混合搅拌后静置，然后铺设在砂土边坡表面，铺设厚度为5cm～10cm。

本发明具有以下有益效果：

本发明的砂土边坡固化材料抗水流冲刷、侵蚀能力强，具有良好的粘结性，能够有效的改善了砂土的遇水崩散的问题，加固效果好。采用本发明的固化材料加固砂土边坡，增强了砂土边坡坡面的抗冲蚀能力，提高了砂土边坡在水流冲刷作用下的稳定性。此外，植物生长素的加入为植被发育起到了积极有效的作用，又适用于植被生长的新型固化材料。本发明的固化材料制备方法和使用方法都十分简便，不需额外添加外加剂及辅助设备。

附图说明

图1为砂土的粒径分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明下列实施例采用以下原料用于制备砂土边坡固化材料。

纳米二氧化硅的参数见表1。

表1

羟丙基甲基纤维素，羟丙氧基含量为10.5％，甲氧基含量为25.8％，PH＝7.5。

聚乙烯醇粘度16mPa·s，平均聚合度1650，挥发分≤7％，灰分≤1％，PH＝7。

硅酸钾的密度为1.4g/cm³，模数为3.0，波美度为35°Be'。

抗分散剂为聚丙烯酰胺，阴离子型，分子量800万，固含量≥90％，水不溶物≤0.2％，溶解时间≤45min。

植物生长素为磷酸钙。

实施例1：

本实施例的砂土边坡固化材料，包括：按重量份计，浓度为10wt％的纳米二氧化硅溶液40份、羟丙基甲基纤维素5份、聚乙烯醇20份和硅酸钾10份。

实施例2：

本实施例的砂土边坡固化材料，包括：按重量份计，浓度为35wt％的纳米二氧化硅溶液10份、羟丙基甲基纤维素10份、聚乙烯醇30份和硅酸钾20份。

实施例3：

本实施例的砂土边坡固化材料，包括：按重量份计，浓度为20wt％的纳米二氧化硅溶液30份、羟丙基甲基纤维素8份、聚乙烯醇25份和硅酸钾15份。

实施例4：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为15wt％的纳米二氧化硅溶液15份、羟丙基甲基纤维素6份、聚乙烯醇22份、硅酸钾12份和抗分散剂1份。

实施例5：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为25wt％的纳米二氧化硅溶液35份、羟丙基甲基纤维素9份、聚乙烯醇28份、硅酸钾18份和抗分散剂5份。

实施例6：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为28wt％的纳米二氧化硅溶液30份、羟丙基甲基纤维素8份、聚乙烯醇25份、硅酸钾15份和抗分散剂4份。

实施例7：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为22wt％的纳米二氧化硅溶液35份、羟丙基甲基纤维素6份、聚乙烯醇28份、硅酸钾18份和植物生长素10份。

实施例8：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为20wt％的纳米二氧化硅溶液40份、羟丙基甲基纤维素10份、聚乙烯醇30份和硅酸钾18份和植物生长素3份。

实施例9：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为18wt％的纳米二氧化硅溶液30份、羟丙基甲基纤维素8份、聚乙烯醇25份和硅酸钾15份和植物生长素8份。

实施例10：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为20wt％的纳米二氧化硅溶液30份、羟丙基甲基纤维素5份、聚乙烯醇30份和硅酸钾20份、抗分散剂5份和植物生长素10份。

实施例11：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为20wt％的纳米二氧化硅溶液30份、羟丙基甲基纤维素10份、聚乙烯醇27份和硅酸钾20份、抗分散剂5份和植物生长素10份。

实施例12：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为20wt％的纳米二氧化硅溶液40份、羟丙基甲基纤维素5份、聚乙烯醇20份和硅酸钾20份、抗分散剂5份和植物生长素10份。

实施例13：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为20wt％的纳米二氧化硅溶液40份、羟丙基甲基纤维素10份、聚乙烯醇20份和硅酸钾15份、抗分散剂5份和植物生长素10份。

实施例14：

本实施例的砂土边坡固化材料包括：按重量份计，浓度为20wt％的纳米二氧化硅溶液40份、羟丙基甲基纤维素5份、聚乙烯醇30份和硅酸钾10份、抗分散剂5份和植物生长素10份。

实施例15：

将上述实施例1-3的砂土边坡固化材料按照以下过程进行制备：

将纳米二氧化硅溶液、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇份和硅酸钾混合，得到砂土边坡固化材料。

实施例16：

将上述实施例4-6的砂土边坡固化材料按照以下过程进行制备：

将纳米二氧化硅溶液、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇份和硅酸钾混合，然后加入抗分散剂混合，得到砂土边坡固化材料。

实施例17：

将上述实施例7-9的砂土边坡固化材料按照以下过程进行制备：

将纳米二氧化硅溶液、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇份和硅酸钾混合，然后加入植物生长素混合，得到砂土边坡固化材料。

实施例18：

将上述实施例10-14的砂土边坡固化材料按照以下过程进行制备：

将纳米二氧化硅溶液、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇份和硅酸钾混合，然后加入抗分散剂混合后再加入植物生长素混合搅拌，得到砂土边坡固化材料。

实施例19：

将上述实施例1-14的砂土边坡加固材料按照以下方法进行使用(或施工)：

首先将固化材料按照占砂土总质量的20％加入到砂土体中并拌和均匀，然后将拌和好的砂土体静置45min，让各组分物质充分扩散均匀并发生初步反应，最后将拌和好的砂土体采用人工夯筑的办法铺设到砂土边坡表面。铺设的厚度为10cm，每隔3m留置施工缝。

需要说明的是，在施工时，固化材料的加量可以根据实际情况进行调整，一般保持在10-30％的范围内；静置时间也可根据边坡情况适当调整，例如可缩短至30min或延长至60min；铺设厚度也是如此，例如5cm或8cm等。对于这些参数，本发明不做特别限定。

试验例：

本试验按照《土木试验规程》对试验砂土样进行力学性质参数测定，将砂土风干后，剔除大于2mm和小于0.075mm的颗粒，得到砂土的粒径分布如图1，其中颗粒粒径在0.1mm～1.0mm之间的含量为80％。干密度为1.65g/cm³，液限为25.7％，塑限为16.3％。

按照实施例1-14的配方进行制样。

在制样过程中先将试样模具内表面套上薄膜，以防止固化后的砂土体与模具粘连而影响取样。再称取定量的砂土以及按照砂土质量百分数确定固化材料的掺量，砂土边坡固化材料在砂土样中的掺加比例为20wt％，最后将固化材料与砂土样拌合。每一组试样制备结束后最好编号记录，并静置24h进行自然养护，试验结果为一组三个试块的平均值。并且与未拌和的原状砂土体进行对比，以分析固化材料的加固效果。

表2湿化崩解性试验结果

从表2可以看出，经过本发明实施例的砂土边坡固化材料加固后的砂土体在7天后基本不崩解，在水中的抗水崩解性能明显提高，固化材料使得砂土体的抗水蚀能力明显增强。加固后的砂土体能表现出完全的抗水侵蚀作用，并且在水的作用下，掺加了纳米硅固化材料的砂土体颗粒仍然具有良好的粘结性，从而有效的改善了砂土的遇水崩散性能。

对比实施例1-3与实施例4-6的实验结果，实施例4-6的崩解率有所下降，这是由于增加了抗分散剂的原因，说明抗分散剂有利于提高固化材料的粘结性能，从而提高加固后砂土体的抗冲刷能力和抗侵蚀能力。同样地，实施例7-9相较于实施例1-3而言，崩解率也有所下降，但下降得不如实施例4-6明显，说明在提高粘结性能方面，抗分散剂效果更加突出，而植物生长素主要作为后期植物生长所需。实施例10-14由于同时增加了抗分散剂和植物生长素，其崩解率下降明显，其中实施例12和实施例13的试样效果最好，分析原因是由于纳米二氧化硅、羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇在整个固化材料中占的比重较高，因而体现出优异的抗冲刷和抗侵蚀性能。

表3抗剪强度试验结果

从表3可以看出，纳米二氧化硅、羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇的加量仍然是影响其性能的主要因素，随着纳米硅材料和羟丙基甲基纤维素掺量的增大，拌和固化材料的砂土体抗剪强度都具有较大的增长，其中内摩擦角最大值相比未掺加固化材料的纯砂土体增大了40％。同时砂土体在改性纳米硅固化材料的作用下，颗粒之间呈团聚状态，改变了原有的松散结构。

表4无侧限抗压强度试验结果

对象	无侧限抗压强度/MPa
		原状砂土	0
实施例1	0.25
		实施例2	0.28
实施例3	0.31
		实施例4	0.49
实施例5	0.52
		实施例6	0.55
实施例7	0.44
		实施例8	0.45
实施例9	0.48
		实施例10	0.58
实施例11	0.66
		实施例12	0.88
实施例13	0.72
		实施例14	0.81

从表4可以看出，在未掺加固化材料的情况下，无法制成合适的砂土柱体，试样没有强度。纳米二氧化硅、羟丙基甲基纤维素和聚乙烯醇的加量仍然是影响其性能的主要因素，随着纳米硅材料和羟丙基甲基纤维素掺量的增大，很大程度的提高了土体密实程度，改善了力学性能，拌和固化材料的砂土体抗压强度都具有较大的增长。

综上所述本发明的砂土边坡固化材料加入砂土体时已经拌合均匀，施工工艺简便，不需额外添加外加剂及辅助设备。采用固化材料加固砂土边坡，增强了砂土边坡坡面的抗冲蚀能力，提高了砂土边坡在水流冲刷作用下的稳定性，并且植物生长素的加入为植被发育起到了积极有效的作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种砂土边坡固化材料，其特征在于，包括：按重量份计，浓度为10wt％～35wt％的纳米二氧化硅溶液10～40份、羟丙基甲基纤维素5～10份、聚乙烯醇20～30份和硅酸钾10～20份。

2.根据权利要求1所述的砂土边坡固化材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅溶液的浓度为15wt％～25wt％。

3.根据权利要求1或2所述的砂土边坡固化材料，其特征在于，所述砂土边坡固化材料包括：按重量份计，所述纳米二氧化硅溶液15～35份、羟丙基甲基纤维素6～9份、聚乙烯醇22～28份和硅酸钾12～18份。

4.根据权利要求1所述的砂土边坡固化材料，其特征在于，

所述纳米二氧化硅溶液中的纳米二氧化硅的平均粒径为70nm～90nm；

所述羟丙基甲基纤维素的羟丙氧基含量为8wt％～12wt％，甲氧基含量为20wt％～30wt％；

所述聚乙烯醇的粘度为15mPa·s～17mPa·s，平均聚合度为1450～1650。

5.根据权利要求1所述的砂土边坡固化材料，其特征在于，所述砂土边坡固化材料还包括：按重量份计的抗分散剂1～5份。

6.根据权利要求5所述的砂土边坡固化材料，其特征在于，所述抗分散剂为聚丙烯酰胺。

7.根据权利要求1或5所述的砂土边坡固化材料，其特征在于，所述砂土边坡固化材料还包括：按重量份计的植物生长素3～10份。

8.根据权利要求7所述的砂土边坡固化材料，其特征在于，所述植物生长素为磷酸钙或磷酸钾。

9.权利要求1至4任一项所述的砂土边坡固化材料的制备方法，其特征在于，包括：将纳米二氧化硅溶液、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇和硅酸钾混合，得到砂土边坡固化材料。

10.权利要求1至8任一项所述的砂土边坡固化材料的使用方法，其特征在于，包括：将所述砂土边坡固化材料按照占砂土总质量10wt％～30wt％的加量加入至砂土中混合搅拌后静置，然后铺设在砂土边坡表面，铺设厚度为5cm～10cm。