CN111978963A - 土壤固化组合物及其制备方法和其应用 - Google Patents

土壤固化组合物及其制备方法和其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料学技术领域，具体涉及一种土壤固化组合物及其制备方法和其应用；所述土壤固化组合物包括有机组合物和无机组合物，其中，有机组合物由钛酸酯偶联剂5‑12份、月桂酰两性基二乙酸二钠0.1‑0.5份、十二醇硫酸钠0.1‑0.2份组成，无机组合物由素土75‑80份、硫酸盐5‑10份、无机纤维10‑15份组成；本发明的土壤固化组合物具有高效作用、长效耐用、经济环保的特点。

Description

土壤固化组合物及其制备方法和其应用
技术领域
本发明属于材料学技术领域，具体涉及一种土壤固化组合物及其制备方法和其应用。
背景技术
固化剂能够胶结土壤颗粒，改良土壤的力学性质。向土壤中添加固化剂形成的土壤铺设材料，相较混凝土铺设材料或柏油铺设材料而言，具有更好的使用、环保和经济性能。
传统土壤固化剂以石灰、水泥、工业废渣、激发剂为原料，能够与土壤颗粒相互黏附，使土壤团粒化。然而，传统土壤固化剂仍有如下须解决的问题。首先，当土壤含水量≥40％时，为使土壤的力学强度符合施工要求，须增加土壤固化剂的用量，这样会使施工成本大幅增加。其次，激发剂存在污染土壤及地下水的潜在危险，会增大环境负荷。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种在保证土壤固化效果的前提下，兼具优良经济性能和环保性能的土壤固化组合物。
一种土壤固化组合物，所述土壤固化组合物包括有机组合物和无机组合物，其中，有机组合物：无机组合物的质量比为(3-1)：(1-3)，优选的，有机组合物：无机组合物的质量比为1：1。
本发明的优选技术方案中，所述有机组合物由钛酸酯偶联剂5-12份、月桂酰两性基二乙酸二钠0.1-0.5份、十二醇硫酸钠0.1-0.2份组成，无机组合物由素土75-80份、硫酸盐5-10份、无机纤维10-15份组成。
本发明的优选技术方案中，所述有机组合物由钛酸酯偶联剂8份、月桂酰两性基二乙酸二钠0.1份、十二醇硫酸钠0.1份组成，无机组合物由素土75份、硫酸盐5份、无机纤维12份组成。
本发明优选的技术方案中，所述月桂酰两性基二乙酸二钠的pH值为8.0-10.0。
本发明优选的技术方案中，所述素土的粒度为60-80目。
本发明优选的技术方案中，所述硫酸盐为硫酸钙或硫酸钠。
本发明优选的技术方案中，所述无机纤维为碱性玻璃纤维或硅酸铝纤维，无机纤维的长度为1mm-1.2mm。
本发明技术方案中，以无机纤维与素土为载体，可以平衡土壤的固化强度，其多孔结构能够持久地逐渐吸收土壤中的水分并吸附各类有机物。
其中，无机纤维一方面分散性优异，无抱团现象，可在低速搅拌下分散，混合后形成三维网状结构，能增强系统的支撑力和耐久力，提高系统的稳定性、强度、密实度和均匀度，进而提高土壤的和易性与保水性。另一方面，抗生物稳定性高，耐高温，耐碱腐蚀，拉伸强度和耐磨强度较高，可提高土壤动态抗开裂性。再一方面，单价为6元/kg，质优价廉。
其中，素土一方面可以就地取材，减少了转运成本。另一方面其表面的多孔结构能够均匀吸附钛酸酯偶联剂与硫酸盐，且具有较好的吸水性，能够降低土壤的含水率，同时还能其抗压强度以及侵蚀能力。此外，该混合物还能够吸附道路建设过程中产生的有害物质，减少环境污染。
钛酸酯偶联剂具有两性结构，一方面其分子中的烷氧基可与无机物表面的化学基团反应，烷氧基夺取无机物表面的质子，该质子来源于无机物中的结合水(包括结晶水、化学吸附水和物理吸附水)，而形成牢固的化学键合。另一方面，其分子中的三个长链基团可与有机物分子发生化学交联或物理缠绕，通过1)提高粘接力和/或2)改进浸润性、流变性和其它操作性能和/或3)增强有机相与无机相的边界层等作用，从而把有机物和无机物两种性质不相同的材料牢固结合起来，提高了土壤强度。
月桂酰两性基二乙酸二钠是一种稳定的两性表面活性剂，能够改善土壤界面性能，激活土壤中硫酸盐与钛酸酯偶联剂潜在的活性，使二者发生化学反应，不断生成牢固的针状矿物多晶粘土聚集体，来填满土壤中的孔隙部分，起到类似加筋土的作用，产生较高的强度与水稳定性。
十二醇硫酸钠能够调节凝固时间，降低水化热。
本发明的另一目的在于提供土壤固化组合物的制备方法，所述方法包括下述步骤：
(1)称取所需量的钛酸酯偶联剂、素土、硫酸盐与无机纤维，将其均匀混合；
(2)称取所需量的月桂酰两性基二乙酸二钠，将其溶解于水中，再与步骤(1)所得混合物均匀混合；
(3)称取所需量的十二醇硫酸钠，将其与步骤(2)所得混合物均匀混合；
(4)对步骤(3)所得混合物进行干燥处理，得到土壤固化组合物。
本发明优选的技术方案中，所述的混合过程在搅拌同时进行超声处理。
本发明优选的技术方案中，所述步骤(1)的混合过程包括搅拌处理，搅拌转速为1000-2000转/分钟，搅拌时间为30分钟。
本发明优选的技术方案中，所述月桂酰两性基二乙酸二钠：水的质量比为(1-3)：(3-1)，优选为2：1。
本发明优选的技术方案中，所述步骤(2)的混合过程包括搅拌处理，搅拌转速为3000-4000转/分钟，搅拌时间为30-60分钟。
本发明优选的技术方案中，所述步骤(3)的混合过程包括搅拌处理，搅拌转速为500-1000转/分钟，搅拌时间为30-60分钟。
本发明的优选技术方案中，所述干燥选自真空干燥、减压干燥、常压干燥、喷雾干燥、沸腾干燥的任一种或其组合。
本发明优选的技术方案中，所述步骤(4)的干燥温度为70-90℃，优选为80℃，干燥时间为0.5-2小时，优选为1小时。
本发明的另一目的在于提供土壤固化组合物在制备土壤铺设材料中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种土壤铺设材料，所述土壤铺设材料包括土壤固化组合物和土壤，土壤固化组合物用量为土壤用量的0.01～0.5％，优选为0.02％-0.05％。
本发明优选的技术方案中，所述土壤为黏质土或壤土，土壤含水量为10-12％。
除非另有说明，本发明按照下述方法检测无侧限抗压强度(7d、28d、365d、730d强度)、干湿循环、冻融强度、抗压回弹模量：
1、无侧限抗压强度(7d、28d、365d、730d强度)测定：按照《公路土工试验规程》(JTGE40-2007):T 0148-1993细粒土无侧限抗压强度试验标准进行检测。
2、干湿循环6次后7d无侧限抗压强度的损失率测定：按照《ASTM C 150-2000:Standard Specification for Portland Cement》进行检测。
3、冻融循环残余强度比测定：按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51-2009):T 0858-2009无机结合料稳定材料冻融试验方法进行检测。
4、抗压回弹模量测定：按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009):T 0808-1994无机结合料稳定材料室内抗压回弹模量试验方法进行检测。
除非另有说明，本发明涉及液体与液体之间的百分比时，所述的百分比为体积/体积百分比；本发明涉及液体与固体之间的百分比时，所述百分比为体积/重量百分比；本发明涉及固体与液体之间的百分比时，所述百分比为重量/体积百分比；其余为重量/重量百分比。
与现有技术相比，本发明具有下述有益技术效果：
1、本发明的土壤固化组合物具有高效作用和长效耐用的特点。一能够改变土壤颗粒之间的微观物理力学性质，使得土壤板结成型；二能够不断吸收水分，生成矿物晶体，长效提升土壤强度，作用效果可达5～10年。
2、本发明的土壤固化组合物具有成分环保、原料易得、成本低廉等优点。
3、本发明的制备方法具有操作简便、成本低、适合工业化生产等优点。
具体实施方式
以下参照实施例说明本发明，但本发明不局限于实施例。
实施例1-3土壤固化组合物
实施例1-3的原料配方如表1所示。
表1
Figure BDA0002650947040000061
实施例1-3的制备方法如下：
(1)将无机纤维与素土置于90℃的烘箱中干燥3小时；
(2)将干燥的无机纤维和素土与硅烷偶联剂、硫酸盐相混合，在1000转/分钟下搅拌30分钟；
(3)用半量水溶解月桂酰两性基二乙酸二钠，然后加入步骤(2)所得混合物中，在3000转/分钟下搅拌30分钟；
(4)向步骤(2)所得混合物中加入十二醇硫酸钠，在500-1000转/分钟下搅拌30-60分钟；
(5)将步骤(4)所得混合物置于80℃烘箱中加热2小时，得到土壤固化组合物。
对比例1传统土壤固化组合物
硅酸盐水泥熟料85份、硬石膏15份。
对比例2传统土壤固化组合物
水泥熟料30份、二级粉煤灰40份、矿渣10份、生石灰20份。
试验例1土壤铺装材料
取实施例1制得的土壤固化组合物，按照0.02％的添加量加入土壤中，搅拌均匀，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中静压法(T0843-2009)操作，将土坯压制成10cm*10cm的圆柱形试块，压实度为95％。
试验例2土壤铺装材料
采用试验例1的方法，不同之处在于，土壤固化组合物由实施例2制得。
试验例3土壤铺装材料
采用试验例1的方法，不同之处在于，土壤固化组合物由实施例3制得。
对比试验例1土壤铺装材料
采用试验例1的方法，不同之处在于，土壤中不含任何土壤固化组合物。
对比试验例2土壤铺装材料
采用试验例1的方法，不同之处在于，土壤固化组合物由对比例1制得。
对比试验例3土壤铺装材料
采用试验例1的方法，不同之处在于，土壤固化组合物由对比例2制得。
按照本发明所述的方法检测试验例1-3及对比试验例1-3制得土壤铺装材料的无侧限抗压强度、干湿循环6次后7d无侧限抗压强度衰减率、冻融循环残余强度比和抗压回弹模量，结果见表2。
表2
Figure BDA0002650947040000081
从表2可以看出，本发明的土壤固化组合物能够显著提升土壤的长效抗压强度、干湿与冻融循环条件下的耐受性及抗压回弹模量，相较于传统土壤固化组合物，本发明使用期达2年后，仍能够持续提升土壤的抗压强度，且其效果有继续增强的趋势。可以预见，将本发明的土壤固化组合物添加至如道路土壤中，能够在5～10年使用期间，不断持续增强土体强度。
以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种土壤固化组合物，其特征在于：所述土壤固化组合物包括有机组合物和无机组合物，其中，有机组合物：无机组合物的质量比为(3-1)：(1-3)。
2.根据权利要求1所述的土壤固化组合物，其特征在于：所述有机组合物由钛酸酯偶联剂5-12份、月桂酰两性基二乙酸二钠0.1-0.5份、十二醇硫酸钠0.1-0.2份组成，无机组合物由素土75-80份、硫酸盐5-10份、无机纤维10-15份组成。
3.根据权利要求1所述的土壤固化组合物，其特征在于：所述有机组合物由钛酸酯偶联剂8份、月桂酰两性基二乙酸二钠0.1份、十二醇硫酸钠0.1份组成，无机组合物由素土75份、硫酸盐5份、无机纤维12份组成。
4.根据权利要求1所述的土壤固化组合物，其特征在于：所述月桂酰两性基二乙酸二钠的pH值为8.0-10.0。
5.根据权利要求1所述的土壤固化组合物，其特征在于：所述硫酸盐为硫酸钙或硫酸钠。
6.根据权利要求1所述的土壤固化组合物，其特征在于：所述无机纤维为碱性玻璃纤维或硅酸铝纤维，无机纤维的长度为1mm-1.2mm。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的土壤固化组合物的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)称取所需量的钛酸酯偶联剂、素土、硫酸盐与无机纤维，将其均匀混合；
(2)称取所需量的月桂酰两性基二乙酸二钠，将其溶解于水中，再与步骤(1)所得混合物均匀混合；
(3)称取所需量的十二醇硫酸钠，将其与步骤(2)所得混合物均匀混合；
(4)对步骤(3)所得混合物进行干燥处理，得到土壤固化组合物。
8.一种根据权利要求1-6任一项所述的土壤固化组合物或根据权利要求7所述方法制备的土壤固化组合物在土壤铺设材料中的应用。
9.一种土壤铺设材料，其特征在于：所述土壤铺设材料包括土壤固化组合物和土壤，土壤固化组合物用量为土壤用量的0.01％-0.5％。
10.根据权利要求9所述的土壤铺设材料，其特征在于：所述土壤为黏质土或壤土，土壤含水量为10-12％。
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