CN110484268A - 一种土壤固化剂及其制备方法 - Google Patents

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马永江
朱月侠
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Abstract

本发明涉及一种土壤固化剂及其制备方法。土壤固化剂包括以下重量份的组分：磺酸盐24‑36份、水100份、酸类试剂21‑35份、阴离子表面活性剂1‑5份、催化剂1‑5份、硫酸铝12‑22份、早强剂3‑5份、非离子表面活性剂0.8‑1份。本发明所述土壤固化剂是一种含有多种无机、有机材料合成的用于固化各类土壤、改善土壤工程技术性能的新型工程材料。具有配方合理，固化土壤效果好等优点，使用范围更广阔、产品质量优良、成本低、较国内外同类产品更有竞争力等优点。

Description

一种土壤固化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于精细化工技术领域，尤其涉及一种环保土壤固化剂及其制备方法。
背景技术
土壤作为一种溶胶体，胶粒与胶粒之间存在一定距离，存在强度差、水稳定性差和冻稳定性差等缺陷，目前，现有的土壤固化剂由于配方不合理，使用过程中，固化土壤效果不是很理想。然而对于土壤的处理的需求是很迫切的。以赤泥为例，赤泥是用碱从铝土矿中提取氧化铝后的固体残渣，是氧化铝生产过程中对环境造成污染的主要因素之一。赤泥主要组分是二氧化硅、氧化钙、三氧化二铁、氧化铝、氧化钠、氧化钛等，此外还有微量其他有色金属等。由于铝土矿成分和生产工艺的不同，赤泥中成分变化很大。我国铝矿以一水硬铝石为主，采用烧结及联合法工艺生产，赤泥中氧化铝残存量不高，氧化硅和氧化钙较高。大量的赤泥矿渣堆积占据大片土地，流经尾矿堆放场所的地表水，也通过与尾矿相互作用，溶解某些有害组分并携带转移，造成大范围污染。这些已成为制约企业可持续发展的主要因素。
发明内容
鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供一种土壤固化剂及其制备方法，配方合理，固化土壤效果好等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种土壤固化剂，包括以下重量份的组分：磺酸盐24-36份、水100份、酸类试剂21-35份、阴离子表面活性剂1-5份、催化剂1-5份、硫酸铝12-22份、早强剂3-5份、非离子表面活性剂0.8-1份。
本发明的有益效果是：本发明属于精细化工技术领域，本发明提供的土壤固化剂是针对赤泥和尾矿等矿渣处理的固化产品，包括多种无机、有机材料合成的一种浓缩的复合型酸类化合物，可以用于固化各类尾矿、土壤，改善土壤工程技术性能的新型工程材料，它包含了表面活性剂、土壤活性剂(酸类试剂，例如：浓硫酸、浓盐酸等)、催化剂等混合制备而成的酸性复合溶液，该土壤固化剂使用范围更广阔，更具有针对性，尤其适应于各种黏性土壤、砂性土壤，根据不同土壤性质定制适合不同等级公路的配比要求，该产品质量优良，成本低，较国内外同类产品更有竞争力。
本发明提供的土壤固化剂，可以广泛应用在尾矿处理领域，不仅可以提高路基强度、水稳定性、冻稳定性等，还可以从根本上降低尾矿、传统筑路材料对环境的的污染与资源浪费，降低公路的工程造价，及后期维护费用。
本发明中磺酸盐在压实的土体中能够提高土体耐水浸能力；催化剂可以加速路基路面材料压实后的固化，阴离子表面活性剂可以在酸性条件下大幅度降低土壤颗粒吸附水的表面张力，使其分离成更为细小的土壤颗粒，使多余的水分子排出或蒸发，从而减少了路基路面混合材料压实后土壤颗粒的间隙，提高密实度，从而提高了强度。酸类试剂可与胶结材料配合使用，可以使土壤颗粒电离出钙镁离子，该离子与胶结材料反应，形成致密的网状板结体，具有催化和耐水作用；非离子表面活性剂与土壤固化剂中的其他组分的离子溶液配合使用可以使土壤双电层释放更多的自由水，在外部压力的作用下更易压实，同时憎水基进一步阻挡外部水源的侵入，更具憎水作用；硫酸铝与土壤胶体中的钠钾离子替换，改善土壤的吸湿性，尤其适合于沿海地区土壤；早强剂一方面提高土壤固化剂的稳定性，另一方面在与土壤颗粒、胶结材料作用时提高早期强度，快速达到道路早期抢修的强度要求。
本发明各组分的比例合适，有利于激发土壤活性，使土壤、胶结材料、固化剂三者在合适的介质环境下充分反应，在物理作用下形成致密结构，例如：当酸性试剂组分用量过多时，容易影响土壤与胶体材料作用的介质环境，不利于强度的形成，当酸性试剂组分用量过少时，不容易激发土壤活性从而使反应不完全。
本发明的环保土壤固化剂便于路基路面施工，各项技术指标均达到国家规定的标准，可以减少传统筑路材料如石灰、水泥的用量，提高路基路面地耐水浸能力和抗冻融性能，提高了路基路面整体强度，大幅度降低工程造价，延长公路的使用年限，降低公路的养护费用，本发明还可以用于水利堤坝建设和市政设施建设。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述磺酸盐选自木质素磺酸钠、木质素磺酸钙中的一种或两种组合。
采用上述方案的有益效果是：采用木质素磺酸钙和/或木质素磺酸钠可以进一步提高提高土体耐水浸能力。
进一步，所述酸类试剂选自浓硫酸、浓盐酸中的一种或两种的组合。
采用上述方案的有益效果是：采用浓硫酸和/或浓盐酸，有利于提供良好的介质环境，激发土壤胶体的活性，电离出钙镁离子，从而与固化剂的其他组分、胶结材料等充分反应，形成致密的网状板结体，具有催化和耐水作用。
进一步，所述阴离子表面活性剂为石油磺酸盐。
采用上述方案的有益效果是：使土壤双电层释放更多的自由水，在外部压力的作用下更易压实，同时憎水基进一步阻挡外部水源的侵入，更具憎水作用。
进一步，所述催化剂为乙二胺。
采用上述方案的有益效果是：与金属离子反应，提高产品的防冻效果。
进一步，所述早强剂为硫酸钙。
采用上述方案的有益效果是：提高早期强度，尤其适宜初冬的低温条件下使用。
进一步，所述中性表面活性剂为聚乙二醇PEG-200。
采用上述方案的有益效果是：稳定固化剂产品。
本发明还提供上述土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将磺酸盐用水溶解，得到第一溶液；
(2)在步骤(1)得到的第一溶液中加入酸类试剂，加热(80℃左右条件下)，加入阴离子表面活性剂和催化剂，搅拌，冷却，得到第二溶液；
(3)在步骤(2)得到的第二溶液中加入硫酸铝和早强剂，混合后加入非离子表面活性剂，混合，制得土壤固化剂。
本发明还提供上述土壤固化剂的使用方法，包括以下步骤：将胶结材料、土壤固化剂和待固化土壤混合。
进一步，所述胶结材料选自水泥、石灰、粉煤灰或其他矿粉中的一种或几种。
进一步，胶结材料的重量为待固化土壤总重量的4％～8％，土壤固化剂的重量为待固化土壤和胶结材料总重量的0.01％～0.03％。
采用上述方案的有益效果是：根据土壤性质采用合适比例的胶结材料、土壤固化剂可以充分调动各材料的活性，使其充分反应，达到最佳的应用效果。
具体地，在实际应用中需要根据待固化土壤的最大干密度来确定胶结材料和土壤固化剂的用量，例如：以标准土样为例，通过击实试验得出土壤的最大干密度为2.02g/cm3；假设取该土样1000cm3,土样的重量为1000cm3×2.02g/cm3＝2020g；胶结材料的重量为该土壤总重量的4％～8％，那么胶结材料的用量为2.02×1000×(4％～8％)＝80.8～161.6g；待固化土壤和胶结材料总重量为(2020+80.8)～(2020+161.6)＝2100.8～2181.6g；土壤固化剂的重量为待固化土壤和胶结材料总重量的0.01％～0.03％，即(2100.8～2181.6g)×(0.01％～0.03％)＝0.210～0.654g。
具体实施方式
以下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。
各实施例中采用的石油磺酸盐购自东营润科石油科技有限公司。
实施例1
1、溶解：在反应釜中加入木质素磺酸钙30kg，并加入100kg水，开启反应釜至充分溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓盐酸35kg，保持釜内温度在80℃，加入石油磺酸盐5kg和催化剂乙二胺5kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝18kg、早强剂硫酸钙5kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 1kg，继续搅拌90分钟后停釜。
实施例2
1、溶解：在反应釜中加木质素磺酸钙25kg，并加入100kg水，开启反应釜至其完全溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓硫酸18kg，浓盐酸10kg，保持釜内温度在80℃，加入阴离子表面活性剂石油磺酸盐5kg和催化剂乙二胺5kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝15kg、早强剂硫酸钙5kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 1kg，继续搅拌90分钟后停釜。
实施例3
1、溶解：在反应釜中加入木质素磺酸钙25kg，并加入100kg水，开启反应釜至其完全溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓硫酸21kg，保持釜内温度在80℃，加入阴离子表面活性剂石油磺酸盐5kg和催化剂乙二胺5kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝15kg、早强剂硫酸钙5kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 1kg，继续搅拌90分钟后停釜。
实施例4
1、溶解：在反应釜中加入木质素磺酸钙24kg，并加入100kg水，开启反应釜至其完全溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓硫酸12.6kg，浓盐酸16.5kg，保持釜内温度在80℃，加入阴离子表面活性剂石油磺酸盐5kg和催化剂乙二胺5kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝12kg、早强剂硫酸钙4kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 1kg，继续搅拌90分钟后停釜。
实施例5
1、溶解：在反应釜中加入木质素磺酸钙13kg，木质素磺酸钠13kg，并加入100kg水，开启反应釜至其完全溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓硫酸12.6kg，浓盐酸16.5kg，保持釜内温度在80℃左右，加入阴离子表面活性剂石油磺酸盐4kg和催化剂乙二胺4kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝12kg、早强剂硫酸钙4kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 1kg，继续搅拌90分钟后停釜。
实施例6
1、溶解：在反应釜中加入木质素磺酸钠13kg，木质素磺酸钙13kg，并加入100kg水，开启反应釜至其完全溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓硫酸15kg，浓盐酸18kg，保持釜内温度在80℃，加入阴离子表面活性剂石油磺酸盐4kg和催化剂乙二胺4kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝18kg、早强剂硫酸钙3kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 0.8kg，继续搅拌90分钟后停釜。
实施例7
1、溶解：在反应釜中加入木质素磺酸钠13kg，木质素磺酸钙13kg，并加入100kg水，开启反应釜至其完全溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓硫酸22kg，保持釜内温度在80℃，加入阴离子表面活性剂石油磺酸盐4kg和催化剂乙二胺4kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝18kg、早强剂硫酸钙3kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 1kg，继续搅拌90分钟后停釜。
实施例8
1、溶解：在反应釜中加入木质素磺酸钠13kg，木质素磺酸钙13kg，并加入100kg水，开启反应釜至其完全溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓盐酸22kg，保持釜内温度在80℃，加入阴离子表面活性剂石油磺酸盐3kg和催化剂乙二胺3kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝20kg、早强剂硫酸钙5kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 1kg，继续搅拌90分钟后停釜。
实施例9
1、溶解：在反应釜中加入木质素磺酸钠13kg，木质素磺酸钙13kg，并加入100kg水，开启反应釜至其完全溶解；
2、在不断搅拌中，慢速加入浓盐酸12kg，浓硫酸12kg，保持釜内温度在80℃，加入阴离子表面活性剂石油磺酸盐3kg和催化剂3kg，继续搅拌90分钟后开冷却水至常温；
3、依次加入硫酸铝22kg、早强剂3kg，待搅拌均匀后加入非离子表面活性剂聚乙二醇PEG-200 1kg，继续搅拌90分钟后停釜。
该环保土壤固化剂的使用方法，路面基层用土占路面基层用土与胶结材料质量总和的92-96％、胶结材料占路面基层用土与胶结材料质量总和的4-8％，土壤固化剂的添加量为路面基层用土与胶结材料质量总和的万分之一至万分之三。具体的将胶结材料以及上述技术方案中所制得的环保土壤固化剂稀释后加入到待固化土壤中，搅拌均匀；胶结材料为水泥、石灰、粉煤灰或其他矿粉中的一种或几种。经混合后用压路机碾压成型，可广泛应用于路面基层和底基层，也可以制作免烧砖，应用于建筑领域。
对比例1：
在实施例1的基础上不使用浓盐酸，其他均与实施例1相同。
对比例2：
在实施例1的基础上降低浓盐酸的用量至5kg,其他均与实施例1相同。
对比例3：
在实施例1的基础上不使用早强剂，其他均与实施例1相同。
将实施例1-9以及各对比例制得的土壤固化剂，采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009方法进行抗压强度、水稳定性、抗冻融性等指标检测。该实验采用通州地区含砂性粘土和普通硅酸盐水泥42.5，通州地区含砂性粘土和普通硅酸盐水泥42.5的质量比为96:4，土壤固化剂用量为通州地区含砂性粘土和普通硅酸盐水泥42.5质量和的0.015％，抗压强度为7天无侧限抗压强度，耐水性为7天饱水吸水情况，抗冻融性为循环冻融5次强度比值，检测结果如表1所示。
表1检测结果
抗压强度(mpa) 吸水性(％) 抗冻融性
实施例1 1.88 3.7 0.63
实施例2 1.85 3.6 0.61
实施例3 1.91 3.5 0.61
实施例4 1.86 3.2 0.62
实施例5 1.91 3.0 0.63
实施例6 1.79 3.5 0.60
实施例7 1.88 3.6 0.65
实施例8 1.94 3.1 0.65
实施例9 1.96 3.2 0.61
对比例1 1.52 3.9 0.55
对比例2 1.30 4.5 0.57
对比例3 1.43 4.2 0.54
通过以上各实施例以及各对比例的实验效果数据可以看出，采用本发明配方的土壤固化剂同时兼具强度高、水稳定性好和冻稳定性好等优点。
在实验过程中，将木质素磺酸钙调整为36千克、水为100千克、浓盐酸为35千克、石油磺酸盐为1千克、乙二胺为1千克、硫酸铝为22千克、硫酸钙为3千克、聚乙二醇PEG-200为0.9千克。其他均与实施例1相同，经检测也能得到与上述一致的结论。
本发明中使用的土壤固化剂，还可以用于赤泥的处理，具有处理效果好，显著降低总铬及六价铬等污染物含量等优点。例如：将实施例1中的土壤固化剂、山东茌平赤泥、水泥、熟石灰混合，用作路面基层和底基层材料。土壤固化剂的用量为水泥、熟石灰、赤泥质量和的0.02％；水泥、熟石灰、赤泥的质量比为5:5:90；外加水用量为总质量(即除去水以外的总干质量)的27％，根据现场土质确定，不可过湿或过干。混合、摊铺、碾压、养生等形成板结体。混合后至碾压间隔时间不超过6小时。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009和《公路土工试验规程》JTG E40-2007实验方法进行路面基层材料重型击实试验和无侧限抗压强度测试，该配合比的最大干密度为1.56g/cm3，最佳含水率为27.6％，制作直径50mm、高度50mm试件，压实度控制为98％，标准养生7天无侧限抗压强度为1.85MPa，完全满足公路的路用标准。在赤泥的污染物检测中，总铬及六价铬为主要污染物。在通过使用土壤固化剂固化后，总铬和六价铬的溶出大大降低，满足国家规定标准。赤泥做成稳定土固结体经过环保部环境监测中心检测六价铬析出量为0.157mg/L，完全符合《污水综合排放标准》对含六价铬的工业废水最高容许排放浓度0.5mg/L的要求。
将实施例2制备的土壤固化剂与山东茌平赤泥、水泥、熟石灰混合，用作路面基层和底基层材料。土壤固化剂的用量为水泥、熟石灰、赤泥的质量和的0.02％；水泥、熟石灰、赤泥的质量比为4:4:92；外加水用量为总质量(即除去水以外的总干质量)的27％，根据现场土质确定，不可过湿或过干。混合、摊铺、碾压、养生等形成板结体。混合后至碾压间隔时间不超过6小时。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009和《公路土工试验规程》JTG E40-2007实验方法进行路面基层材料重型击实试验和无侧限抗压强度测试，该配合比的最大干密度为1.52g/cm3，最佳含水率为30.0％，制作直径50mm、高度50mm试件，压实度控制为98％，标准养生7天无侧限抗压强度为1.68MPa，完全满足公路的路用标准。
同时在赤泥的污染物检测中，总铬及六价铬为主要污染物。在通过使用固化剂固化后，总铬和六价铬的溶出大大降低，处理前赤泥中总铬含量1.51mg/L，六价铬含量1.135mg/L,处理后的固结土试中总铬含量为0.61mg/L，六价铬含量0.157mg/L。满足国家规定标准。
土壤固化剂的用量调整为水泥、熟石灰、赤泥的质量和的0.015％；水泥、熟石灰、赤泥的质量比调整为3:4:93。外加水用量为总质量(即除去水以外的总干质量)的27％，根据现场土质确定，不可过湿或过干。参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTGE51-2009和《公路土工试验规程》JTG E40-2007实验方法进行路面基层材料重型击实试验和无侧限抗压强度测试，该配合比的最大干密度为1.52g/cm3，最佳含水率为30.0％，制作直径50mm、高度50mm试件，压实度控制为98％，标准养生7天无侧限抗压强度为1.48MPa，完全满足公路的路用标准。同时在赤泥的污染物检测中，总铬及六价铬为主要污染物。在通过使用固化剂固化后，总铬和六价铬的溶出大大降低，处理前赤泥中总铬含量1.51mg/L，六价铬含量1.135mg/L,处理后的固结土试中总铬含量为0.61mg/L，六价铬含量0.157mg/L。满足国家规定标准。
土壤固化剂的用量调整为水泥、熟石灰、赤泥的质量和的0.01％；水泥、熟石灰、赤泥的质量比的2:2:96。外加水用量为总质量的27％，根据现场土质确定，不可过湿或过干。实验结果为：参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009和《公路土工试验规程》JTG E40-2007实验方法进行路面基层材料重型击实试验和无侧限抗压强度测试，该配合比的最大干密度为1.52g/cm3，最佳含水率为30.0％，制作直径50mm、高度50mm试件，压实度控制为98％，标准养生7天无侧限抗压强度为1.4MPa，完全满足公路的路用标准。同时在赤泥的污染物检测中，总铬及六价铬为主要污染物。在通过使用固化剂固化后，总铬和六价铬的溶出大大降低，处理前赤泥中总铬含量1.51mg/L，六价铬含量1.135mg/L,处理后的固结土试中总铬含量为0.61mg/L，六价铬含量0.157mg/L。满足国家规定标准。
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 (10)

1.一种土壤固化剂，其特征在于，包括以下重量份的组分：磺酸盐24-36份、水100份、酸类试剂21-35份、阴离子表面活性剂1-5份、催化剂1-5份、硫酸铝12-22份、早强剂3-5份、非离子表面活性剂0.8-1份。
2.根据权利要求1所述土壤固化剂，其特征在于，所述磺酸盐选自木质素磺酸钠、木质素磺酸钙中的一种或两种的组合。
3.根据权利要求1所述一种土壤固化剂，其特征在于，所述酸类试剂选自浓硫酸、浓盐酸中的一种或两种的组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述土壤固化剂，其特征在于，所述阴离子表面活性剂为石油磺酸盐。
5.根据权利要求1-3任一项所述土壤固化剂，其特征在于，所述催化剂为乙二胺。
6.根据权利要求1-3任一项所述土壤固化剂，其特征在于，所述早强剂为硫酸钙。
7.根据权利要求1-3任一项所述土壤固化剂，其特征在于，所述非离子表面活性剂为聚乙二醇PEG-200。
8.权利要求1-7任一项所述土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将磺酸盐用水溶解，得到第一溶液；
(2)在步骤(1)得到的第一溶液中加入酸类试剂，加热，加入阴离子表面活性剂和催化剂，搅拌，冷却，得到第二溶液；
(3)在步骤(2)得到的第二溶液中加入硫酸铝和早强剂，混合后加入非离子表面活性剂，混合，制得土壤固化剂。
9.权利要求1-7任一项所述土壤固化剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：将胶结材料、土壤固化剂和待固化土壤混合。
10.根据权利要求9所述土壤固化剂的使用方法，其特征在于，所述胶结材料选自水泥、石灰、粉煤灰或其他矿粉中的一种或其中几种的组合。
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