CN110510907A - 一种环保型粘土固化剂及其制备方法和使用方法 - Google Patents

一种环保型粘土固化剂及其制备方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环保型粘土固化剂及其制备方法和使用方法，粘土固化剂包括以下质量组份的原料：植物油10~50份，不饱脂肪酸钾盐10~30份，扩散剂5~20份，金属阳离子硫酸盐或盐酸盐0.01~0.5份，共聚丙烯酸钠10~50份，pH值缓冲液1~20份。本发明提供的固化剂渗透性、扩散性、稳定性和环保性好，应用于粘土强化时，所得固化土既可满足路基底层施工要求，也可满足路基防水层施工要求，可大大节省工程建设成本，提高施工质量，加快施工进度。

Description

一种环保型粘土固化剂及其制备方法和使用方法
技术领域
本发明属于固化剂技术领域，具体涉及一种环保型粘土固化剂及其制备方法和使用方法。
背景技术
粘土易吸水膨胀，发生糊化，其强度迅速下降。在道路建设中，由于粘土的水稳定性差，铺设的路基在浸水后强度严重不足，导致路面塌陷或出现明显的沉降现象，工程质量得不到保证。遇到这种情况，往往需要使用砂、石、水泥等硬质材料对其进行加固甚至直接改用混凝土来进行代替。随着各类工程建设量的增加，施工所需的砂、石、水泥越来越多，而这既加重了施工的成本，也加重了对自然环境的负担，不利于可持续发展。
土壤固化剂根据其化学组成分为有机类土壤固化剂、无机类土壤固化剂、离子类土壤固化剂和生物酶类土壤固化剂。土壤固化剂固化土壤的本质是通过与土壤颗粒间发生一系列物理化学反应，改善土壤颗粒之间的接触面，强化土壤颗粒间的连接结构。不同种类的土壤固化剂的差别主要是化学成分的不同，使得强化土壤颗粒的反应各不相同。传统土壤固化剂渗透性和扩散性差，应用该类固化剂后，固化粘土的疏水性和抗水性不理想，造成粘土吸水后强度降低。此外，传统土壤固化剂的储存稳定性差，易发生分相变质，且某些成分难生化降解，环保性差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种环保型粘土固化剂及其制备方法和使用方法，解决传统固化剂储存稳定性、渗透性、扩散性和环保性差的问题。
本发明提供了如下的技术方案：
一种环保型粘土固化剂，包括以下质量组份的原料：
优选的，所述植物油包括碘值为130以上的非食用性干性油，所述植物油包括桐油、梓油、亚麻仁油中的一种或多种。
优选的，所述不饱和脂肪酸钾盐的有机分子链上含有一个或多个不饱和碳-碳双键，包括不饱和有机直链羧酸钾盐，所述不饱和脂肪酸钾盐包括油酸钾、亚油酸钾、蓖麻油酸钾中的一种或几种。
优选的，所述扩散剂包括非离子表面活性剂和两性离子表面活性剂组成的复合型渗透剂；非离子表面活性剂包括辛基酚聚氧乙烯醚-10(OP-10)、失水山梨醇单油酸酯(司班-80)、聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯(土温-81)中的一种或多种；两性离子表面活性剂包括烷基二甲基磺乙基甜菜碱和烷基二甲基磺丙基甜菜碱中的一种。
优选的，所述金属阳离子硫酸盐或盐酸盐包括Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、AlCl3、FeCl3中的一种或多种。加入少量硫酸盐或盐酸盐，其所含的Al3+、Fe3+可有效中和粘土吸附负电荷，降低粘土粘粒间的静电排斥力，可提高粘土碾压的密实度，有效提高固化粘土的强度。
优选的，所述共聚丙烯酸钠为丙烯酸与丁二烯按摩尔比3：7共聚后，与NaOH中和所得齐聚物，相对分子质量为5000～10000，水溶性、扩散性和稳定性较好，易生化降解，且丁二烯单元上未反应的双键可参与植物油及不饱和脂肪酸盐分子上双键的聚合反应，形成分子相对质量更高的高分子网络结构，提高固化粘土强度。另外，共聚丙烯酸钠分子链上丙烯酸钠单元约占30％，羧酸根阴离子与粘土中的Ca2+、Mg2+等结合，共聚丙烯酸钠分子链具有类似钢筋于混凝土中作用，强化粘土；而丁二烯单元可以提高粘土疏水性，有效防止粘土吸水膨胀甚至糊化。
优选的，pH值缓冲液包括由磷酸氢二钠和磷酸二氢钠配制而成的水溶液，其质量浓度为10％，其pH＝6.5～7.5。对于含腐殖质较多的粘土，为了避免酸性对不饱和脂肪酸钾盐扩散性的负面影响，选用磷酸盐pH值缓冲体系，一方面可以保持粘土pH值稳定，另一方面磷酸盐与水泥作用，可以减缓水泥水化作用，提高固化粘土的强度。
一种环保型粘土固化剂的制备方法，包括以下步骤：
将pH缓冲液和共聚丙烯酸钠按质量组分混合并搅拌获得组分A；
将扩散剂、不饱和脂肪酸钾盐和植物油按质量组分混合，加热并搅拌均匀，然后滴加金属阳离子硫酸盐或盐酸盐溶液，搅拌获得组分B；
将组分A滴加至组分B中，保持恒温，搅拌均匀即可获得粘土固化剂。
优选的，所述组分B的制备温度以及组分A和组分B混合的温度均为50±5℃，温度过低则混合不均匀，过高固化剂中有机组分分子链上的不饱和双键易发生热聚合反应，导致固化剂失效；所述金属阳离子硫酸盐或盐酸盐溶液的质量浓度为20％。
一种环保型粘土固化剂的使用方法，应用于粘土固化，包括以下步骤：
将生石灰与粘土拌合，自然条件下堆放熟化3～5天，得熟土；
将水泥、粘土固化剂与过网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为10～20％，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5～2.0g/cm3；
压实成型后养护6天，即可得高强度、疏水型的固化土。
优选的，熟土所过网筛为2.5目。过筛孔径过大，大粒径粘土内部由于固化剂扩散不充分，易造成固化土的强度和疏水性差；过筛孔径过小，粘土利用率下降，成本提高。
优选的，粘土固化的温度条件不低于10℃，所述粘土的细粘粒(粒径小于0.01mm)成分高于30％。
优选的，所述粘土、生石灰、水泥和粘土固化剂的质量组分如下：
优选的，所述水泥为非早强型P.C42.5、P.C52.5硅酸盐水泥中的一种或两种，防止因水泥过早出现凝胶而缩短铺筑安全操作时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的粘土固化剂，所用植物油和不饱和脂肪酸钾盐，分子链由一个以上不饱和双键组成脂肪酸衍生物，分子结构中不饱和双键具有较高的活性，在粘土Al3+等作用下发生共聚反应，形成柔性网络结构的高分子材料，在提高固化粘土疏水性的同时，起到增强和增韧效果，提高固化粘土的抗压强度。
(2)本发明提供的粘土固化剂，所使用的植物油及交联产物具有优良的生物可降解性；不饱和脂肪酸钾盐的水溶性及扩散性好，具有良好的可降解性，其中钾元素作为粘土营养元素有益补充，可有效防止不饱和脂肪酸钠盐对粘土的盐碱化，环保性强。
(3)本发明提供的粘土固化剂，所使用的共聚丙烯酸钠，水溶性和扩散性较好，储存稳定性好，同时可生化降解。
(4)使用本发明提供的粘土固化剂，固化后的粘土具有良好的疏水性、透气性，即极性水分子进不到固化粘土内部，但O2、N2、CO2等非极性分子可以自由进出；添加的1～10％水泥和生石灰，呈现强碱性，但在空气中CO2的作用下，变成中性碳酸钙、硅酸钙等成分，而固化剂的添加量仅为粘土的0.1％～0.01％，且能够生物降解，对粘土功能基本无影响，粘土如需要复用，可通过堆置、晾晒及自然界微生物降解即可基本恢复粘土原种植等功能。
(5)使用本发明提供的粘土固化剂，具有较好的耐盐性和酸度缓冲能力，不仅适用于高粘土、高腐殖质河道淤泥，还适用于高盐碱粘土的固化，也可用于盐碱、沙地等土地保水治理；固化后的粘土强度高，强度可达到2MPa以上，完全满足各类路面对路基强度的要求。
(6)本发明提供的粘土固化剂的使用方法，施工工期短，压实后只需要养护6天即可铺装道路或场地的面层；另外，建设施工工艺简单，操作方便，现场完成粘土熟化后，控制水份含量，在现场小型集成拌合站完成水泥和固化剂的拌合，也可现场就地拌合、铺装，按通用的施工要求，碾压完毕即可。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
材料准备
桐油：河南固始县安山桐油厂生产，99％；
亚麻仁油：江西吉安海瑞天然植物有限公司生产，工业级；
梓油：武汉能仁医药化工有限公司生产，99％；
油酸钾：湖北鑫润德化工有限公司生产，99％；
亚油酸钾：湖南金锦乐化学有限公司生产，99％；
蓖麻油酸钾：青岛瑞诺化工有限公司生产，90％；
P-10、土温-81、司班80：江苏海安石油化工厂，工业级；
十二烷基二甲基磺乙基甜菜碱、十八烷基二甲基磺乙基甜菜碱、十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十八烷基二甲基磺丙基甜菜碱：南京栖霞山印染助剂厂，工业级；
硫酸铝、氯化铝、氯化铁：国药集团，化学纯；
生石灰：苏州常昆钙业有限公司生产，粉状，工业级；
水泥A：硅酸盐非早强型P.C42.5，海螺水泥公司；
水泥B：硅酸盐非早强型P.C52.5，海螺水泥公司；
粘土A：连云港盛宏石化拟建厂房施工现场弃土样品，粘土细粘粒(粒径小于0.01mm)成分为42％；
粘土B：杭州市富阳区某村拟固化道路现场取土样品，粘土细粘粒(粒径小于0.01mm)成分为57％；
共聚丙烯酸钠：自制，30％，丙烯酸与丁二烯按摩尔比3：7共聚后，与NaOH中和所得齐聚物，相对分子质量为5000～10000；
pH值缓冲液：由磷酸二氢钠与磷酸氢二钠配制的10％水溶液。
实施例1
一种环保型粘土固化剂，包括以下质量组份的原料：桐油和亚麻仁油按5：1混合而成的植物油10份，油酸钾10份，OP-10、土温-81和十二烷基二甲基磺乙基甜菜碱按1：1：0.1混合而成的扩散剂5份，20％wt硫酸铝溶液2.5份，共聚丙烯酸钠10份，pH＝6.5的pH值缓冲液20份。
上述环保型粘土固化剂的制备方法，包括以下步骤：
将pH缓冲液和共聚丙烯酸钠按质量组分混合并搅拌获得组分A；
将扩散剂、不饱和脂肪酸钾盐和植物油按质量组分混合，加热至50±5℃并搅拌均匀，然后滴加20％wt的金属阳离子硫酸盐或盐酸盐溶液，搅拌获得组分B；
将组分A滴加至组分B中，保持50±5℃恒温，搅拌均匀即可获得粘土固化剂。
上述环保型粘土固化剂在粘土固化中的使用方法，包括以下步骤：
将30份生石灰与1000份粘土A拌合，自然条件下堆放熟化3天，得熟土；
将30份水泥A、0.1份粘土固化剂与过2.5目网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为15％，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5～2.0g/cm3，制成Φ-50mm×50mm圆柱形粘土试件；
压实成型后养护6天，保持温度条件不低于10℃，即可得高强度、疏水型的固化土。
对实施例1所制备的固化粘土试件按GBT 30693-2014测定试件接触角，按GB T12626.8-1990测定试件吸水率，对实施例1所制备的固化粘土试件浸水24小时后按JTJ051-93标准进行无侧限压缩强度测试，测试结果见表1。
实施例2
一种环保型粘土固化剂，包括以下质量组份的原料：桐油和亚麻仁油按5：1混合而成的植物油50份，亚油酸钾和蓖麻油酸钾按1：1混合而成的不饱脂肪酸钾盐30份，土温-81、十八烷基二甲基磺乙基甜菜碱按8：2混合而成的扩散剂20份，20％wt氯化铝和氯化铁溶液(Al与Fe的摩尔比为1：1)0.05份，共聚丙烯酸钠50份，pH＝7.5的pH值缓冲液1份。
上述环保型粘土固化剂的制备方法同实施例1。
上述环保型粘土固化剂在粘土固化中的使用方法，包括以下步骤：
将60份生石灰与2000份粘土A拌合，自然条件下堆放熟化5天，得熟土；
将100份水泥A、0.8份粘土固化剂与过2.5目网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为10％，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5～2.0g/cm3，制成Φ-50mm×50mm圆柱形粘土试件；
压实成型后养护6天，保持温度条件不低于10℃，即可得高强度、疏水型的固化土。
对实施例2所制备的固化粘土试件进行接触角、吸水率和无侧限压缩强度测试，方法与实施例1相同，测试结果见表1。
实施例3
一种环保型粘土固化剂，包括以下质量组份的原料：桐油和和梓油按1：1混合而成的植物油30份，亚油酸钾和蓖麻油酸钾按1：1混合而成的不饱脂肪酸钾盐20份，OP-10、土温-81、司班80、十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱按1：1：1：0.1混合而成的扩散剂15份，20％wt硫酸铝和硫酸铁溶液(Al与Fe的摩尔比为1：1)1.0份，共聚丙烯酸钠30份，pH＝7.0的pH值缓冲液10份。
上述环保型粘土固化剂的制备方法同实施例1。
上述环保型粘土固化剂在粘土固化中的使用方法，包括以下步骤：
将50份生石灰与1500份粘土A拌合，自然条件下堆放熟化4天，得熟土；
将60份水泥A、0.3份粘土固化剂与过2.5目网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为20％，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5～2.0g/cm3，制成Φ-50mm×50mm圆柱形粘土试件；
压实成型后养护6天，保持温度条件不低于10℃，即可得高强度、疏水型的固化土。
对实施例3所制备的固化粘土试件进行接触角、吸水率和无侧限压缩强度测试，方法与实施例1相同，测试结果见表1。
实施例4
一种环保型粘土固化剂，包括以下质量组份的原料：桐油30份，亚油酸钾和蓖麻油酸钾按1：1混合而成的不饱脂肪酸钾盐15份，OP-10、土温-81、十八烷基二甲基磺丙基甜菜碱按1：1：0.2混合而成的扩散剂15份，20％wt氯化铁溶液1.5份，共聚丙烯酸钠30份，pH＝7.0的pH值缓冲液15份。
上述环保型粘土固化剂的制备方法同实施例1。
上述环保型粘土固化剂在粘土固化中的使用方法，包括以下步骤：
将40份生石灰与1500份粘土B拌合，自然条件下堆放熟化4天，得熟土；
将50份水泥A、0.6份粘土固化剂与过2.5目网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为17％，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5～2.0g/cm3，制成Φ-50mm×50mm圆柱形粘土试件；
压实成型后养护6天，保持温度条件不低于10℃，即可得高强度、疏水型的固化土。
对实施例4所制备的固化粘土试件进行接触角、吸水率和无侧限压缩强度测试，方法与实施例1相同，测试结果见表1。
实施例5
一种环保型粘土固化剂，包括以下质量组份的原料：梓油50份，蓖麻油酸钾25份，OP-10、土温-81、十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱按1：1：0.2混合而成的扩散剂20份，20％wt氯化铝溶液0.1份，共聚丙烯酸钠40份，pH＝7.0的pH值缓冲液5份。
上述环保型粘土固化剂的制备方法同实施例1。
上述环保型粘土固化剂在粘土固化中的使用方法，包括以下步骤：
将40份生石灰与1500份粘土B拌合，自然条件下堆放熟化4天，得熟土；
将60份水泥B、0.8份粘土固化剂与过2.5目网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为14％，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5～2.0g/cm3，制成Φ-50mm×50mm圆柱形粘土试件；
压实成型后养护6天，保持温度条件不低于10℃，即可得高强度、疏水型的固化土。
对实施例5所制备的固化粘土试件进行接触角、吸水率和无侧限压缩强度测试，方法与实施例1相同，测试结果见表1。
实施例6
一种环保型粘土固化剂，包括以下质量组份的原料：桐油和和梓油按1：1混合而成的植物油50份，油酸钾：亚油酸钾：蓖麻油酸钾按1：1：1混合而成的不饱脂肪酸钾盐30份，OP-10、十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱按8：2混合而成的扩散剂15份，20％wt硫酸铝溶液0.5份，共聚丙烯酸钠50份，pH＝7.0的pH值缓冲液10份。
上述环保型粘土固化剂的制备方法同实施例1。
上述环保型粘土固化剂在粘土固化中的使用方法，包括以下步骤：
将30份生石灰与1500份粘土A拌合，自然条件下堆放熟化3天，得熟土；
将45份水泥B、0.6份粘土固化剂与过2.5目网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为16％，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5～2.0g/cm3，制成Φ-50mm×50mm圆柱形粘土试件；
压实成型后养护6天，保持温度条件不低于10℃，即可得高强度、疏水型的固化土。
对实施例6所制备的固化粘土试件进行接触角、吸水率和无侧限压缩强度测试，方法与实施例1相同，测试结果见表1。
实施例7
一种环保型粘土固化剂，包括以下质量组份的原料：梓油30份，亚油酸钾20份，OP-10、土温-81、土温-81与十八烷基二甲基磺乙基甜菜碱按8：2混合而成的扩散剂15份，20％wt硫酸铁溶液1.5份，共聚丙烯酸钠30份，pH＝7.5的pH值缓冲液15份。
上述环保型粘土固化剂的制备方法同实施例1。
上述环保型粘土固化剂在粘土固化中的使用方法，包括以下步骤：
将60份生石灰与2000份粘土B拌合，自然条件下堆放熟化5天，得熟土；
将100份水泥B、1.0份粘土固化剂与过2.5目网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为15％，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5～2.0g/cm3，制成Φ-50mm×50mm圆柱形粘土试件；
压实成型后养护6天，保持温度条件不低于10℃，即可得高强度、疏水型的固化土。
对实施例7所制备的固化粘土试件进行接触角、吸水率和无侧限压缩强度测试，方法与实施例1相同，测试结果见表1：
表1：Φ-50mm×50mm圆柱形固化粘土试件性能指标
注：固化粘土试件吸水率在1～4％符合要求；路基层的无侧限压缩强度达到1.5Mpa满足施工要求；防水层的无侧限压缩强度达到2.0Mpa满足施工要求。
由表1可知，实施例1-7获得的固化粘土试件的无侧限压缩强度均大于2.0Mpa，可同时满足路基强化层和防水层的施工要求；接触角均大于53°，有良好的疏水性；吸水率均在1～4％范围内，符合要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种环保型粘土固化剂，其特征在于，包括以下质量组份的原料：
植物油 10~50份；
不饱脂肪酸钾盐 10~30 份；
扩散剂 5~20份；
金属阳离子硫酸盐或盐酸盐 0.01~0.5份；
共聚丙烯酸钠 10~50份；
pH值缓冲液 1~20份。
2.根据权利要求1所述的环保型粘土固化剂，其特征在于，所述植物油包括碘值为130以上的非食用性干性油，所述植物油包括桐油、梓油、亚麻仁油中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的环保型粘土固化剂，其特征在于，所述不饱和脂肪酸钾盐包括不饱和有机直链羧酸钾盐，所述不饱和脂肪酸钾盐包括油酸钾、亚油酸钾、蓖麻油酸钾中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的环保型粘土固化剂，其特征在于，所述扩散剂包括非离子表面活性剂和两性离子表面活性剂组成的复合型渗透剂。
5.根据权利要求1所述的环保型粘土固化剂，其特征在于，所述金属阳离子硫酸盐或盐酸盐包括Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3、AlCl3、FeCl3中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的环保型粘土固化剂，其特征在于，所述共聚丙烯酸钠为丙烯酸与丁二烯按摩尔比3：7共聚后，与NaOH中和所得齐聚物，相对分子质量为5000~10000。
7.一种环保型粘土固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将pH缓冲液和共聚丙烯酸钠按质量组分混合并搅拌获得组分A；
将扩散剂、不饱和脂肪酸钾盐和植物油按质量组分混合，加热并搅拌均匀，然后滴加金属阳离子硫酸盐或盐酸盐溶液，搅拌获得组分B；
将组分A滴加至组分B中，保持恒温，搅拌均匀即可获得粘土固化剂。
8.根据权利要求7所述的环保型粘土固化剂的制备方法，其特征在于，所述组分B的制备温度以及组分A滴加至组分B时的温度均为50±5℃；所述金属阳离子硫酸盐或盐酸盐溶液的质量浓度为20%。
9.一种环保型粘土固化剂的使用方法，其特征在于，应用于粘土固化，包括以下步骤：
将生石灰与粘土拌合，自然条件下堆放熟化3~5天，得熟土；
将水泥、粘土固化剂与过网筛的熟土搅拌混匀，控制拌合后混合料含水量为10~20%，摊铺碾压成型，控制其压实密度在1.5~2.0g/cm3；
压实成型后养护6天，即可得高强度、疏水型的固化土。
10.根据权利要求9所述的环保型粘土固化剂的使用方法，其特征在于，所述粘土、生石灰、水泥和粘土固化剂的质量组分如下：
粘土 1000~2000份；
生石灰 10～60份；
水泥 30～100份；
粘土固化剂 0.1～1.0份。
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