CN112142406B - 高流态固化土用土壤固化剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高流态固化土用土壤固化剂，原料由胶凝材料、活性混合材料、微膨胀材料、激发剂、分散剂、疏水型纳米氧化硅、无机聚磷酸盐、聚季铵盐及其衍生物组成，用其制备的固化土混合料具有高流动性和分散保持性、施工成本低、对基土适应性强、力学性能高等优点。

Description

高流态固化土用土壤固化剂

技术领域

本发明涉及水泥基外加剂技术领域，尤其涉及一种用于基土固化的高流态固化土用土壤固化剂及其制备方法与应用。

背景技术

土壤固化剂是指掺入基土后，通过与基土、水、空气的物理或化学反应，改善基土工程性能的材料，可以用于土壤加固的材料十分广泛，从外观形态上可分为粉体固化材料和液体固化材料，从材料组成上可分为无机类固化材料、有机类固化材料、生物型固化材料和复合型固化材料等，常用的无机类固化材料有水泥、矿渣、粉煤灰、石灰、硅酸钠等，施工稳定性好，成本低，常用的有机类固化材料为高分子材料类，其用量少，运输方便，便于强度控制。

土壤固化剂由于其性能指标优良、施工便利、工程造价低等特点，被广泛应用与公路工程、水利工程、重金属固化等工程技术领域。刘晶磊理由水泥和土凝岩作为土壤固化剂对铁尾矿实施并对其路用性能进行研究，结果表明水泥改良铁尾矿和土凝岩改良铁尾矿满足二级及二级以下公路路基强度要求的经济掺量为8％,其7d无侧限抗压强度分别为2.48MPa和2.08MPa；刘晖利用土壤固化剂对滨海地区软基进行固化处理，改善地质条件；秦雨航采用ISS土壤固化剂对红黏土进行改性，解决红黏土路基胀缩率较大等性能缺陷，增强了其抗剪切性能与无侧限抗压强度；专利文献CN110952409公开了使用土壤固化剂的混凝土道路铺设方法，解决了粘土路基抵抗能力差，容易被坏的问题；CN111205874采用萘、硫酸、甲醛、氢氧化钙、木质素磺酸钠和水制备土壤固化剂，节约筑路成本，缩短施工工期，制备的土壤固化剂抗压强度高，水稳定性好，冻稳定型好，且节能环保，使用方便，易于运输和储存，可延长道路使用寿命。

目前的土壤固化剂，无论是粉体型还是液体型，都具有改善土质等特点，但基本上均需要机械夯实等过程，固化土本身不具有流动性，特别是对于液体型土壤固化剂，基本上必须经过夯实才可以实现固化增强土体。但对于作业面狭窄的施工空间，或不能机械振捣夯实的回填工程，就需要具有流动性的固化土来解决目前存在的问题。目前，虽然市场也出现了一些预拌流态固化土的产品，然而，现有的土壤固化剂普遍存在流动性不高的问题，尤其对于作业面狭窄的施工空间，即便是流态型土壤固化剂，虽然具有一定的流动性，但仍然需要配合人工进行摊平，若要进一步提高固化土混合料的坍落度，例如坍落度超过180mm，则往往需要成倍添加很大比例的分散剂，不但大幅提高施工成本，并且成倍增加分散剂用量对流动度提升效果不会十分明显，制备得到的固化土混合料仍然存在流动性仍然较差的缺陷，并且容易出现离析、泌浆、板结等问题；此外，固化土的流动性往往与强度、体积稳定性是负相关的，本发明提出的流态固化土专用土壤固化剂的意义一方面也在于保证流动性的同时，可以很好的兼顾体积稳定性和强度。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种高流态固化土用土壤固化剂，用其制备的固化土混合料具有高流动性和高分散保持性、施工成本低、同时兼顾基土适应性强、力学性能高、固化土体积稳定性好等优点，可适用于作业面狭窄、回填深度大或对回填土质量要求高等施工场景。

具体的，本发明高流态固化土用土壤固化剂，按质量百分比计，由以下原料组成：胶凝材料、活性混合材料、微膨胀材料、激发剂、分散剂、疏水型纳米氧化硅、无机聚磷酸盐、聚季铵盐及其衍生物。

优选的，高流态固化土用土壤固化剂，按质量百分比计，由以下原料组成：胶凝材料25-40％、活性混合材料：35-60％、微膨胀材料5-10％、激发剂4-6％、分散剂1-3％、疏水型纳米氧化硅1-6％、无机聚磷酸盐2-5％、聚季铵盐及其衍生物2-5％，各原料质量百分比之和为100％。

优选的，所述胶凝材料为硅酸盐水泥、普通矿渣硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰质硅酸盐水泥中的一种或数种。随着胶凝材料水化进行，为固化土提供早期的强度和稳定性，更主要的是提供碱性环境，配合活性混合材料和土体，进一步提高整体强度、致密性和体积稳定性。

优选的，所述活性混合材料为矿粉、粉煤灰、硅藻土、火山灰、浮石粉、煤渣粉、煅烧煤矸石、钢渣中的一种或数种。在碱性环境和激发剂激发作用下，通过与土壤发生一系列物理化学反应，与土体共同固化反应生成水化产物填充土颗粒内部空隙，为固化土提高持续的强度增长，并增加致密性和稳定性。

优选的，所述微膨胀材料为不同煅烧程度的氧化镁、氧化钙、明矾石、石膏、膨胀剂中的一种或数种，可防止流态固化土硬化过程中收缩产生的裂缝，试验表明，微膨胀材料可增加固化土的体积稳定性，尤其对于高流态的固化土混合料。

优选的，所述激发剂为氢氧化钠、硫酸钠、硅酸钠、碳酸钠中的一种或数种，其作用是进一步激发活性混合材料以及土体的氧化硅铝本身的活性，从而使固化土在较长时间内持续形成致密结构，使强度和体积稳定性持续增长。

优选的，所述分散剂为木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛缩合物、脂肪族羟基磺酸盐聚合物、聚羧酸系聚合物中的一种或数种聚羧酸减水剂。分散剂可增加固化土混合料的流动性，但由于土壤颗粒对分散剂的选择性吸附，现有技术为提高固化土混合料的流动性需大幅提高分散剂的添加量，分散剂掺量大幅增加后虽然可提高固化土混合料的坍落度，但同时会增加土壤固化剂成本，并且引发缓凝、引气超标等情况，导致固化土凝结时间变慢，含气量过高导致固化土强度降低等情况，还可能出现由于其解吸附作用导致固化土混合料泛黄浆、带来一定的质量缺陷。

本发明通过添加部分疏水型纳米氧化硅，经过锥形双螺杆螺旋混合机与胶凝材料和活性混合材料混合，使其优先吸附在胶凝材料和活性混合材料颗粒表面使其表面带有疏水特性，从而降低对水的吸附，降低分散剂的用量，达到提高流态型固化土的流动性的作用，与分散剂形成协同。同时，疏水性氧化硅对提高固化土本身强度有较大帮助。

优选的，所述无机聚磷酸盐包括多聚磷酸钠、多聚磷酸钙、六偏磷酸钠、六偏磷酸钙、六偏磷酸镁中的一种或数种，无机聚磷酸盐吸附后形成稳定吸附层，与分散剂协同作用，同时，当达到一定掺量时，无机聚磷酸盐还会分散土壤颗粒，使其比表面积变大，促进分散剂对固化土的分散作用。

优选的，所述聚季铵盐及其衍生物包括烷基二甲基苄铵氯化铵、烷基二甲基乙基苄铵氯化铵、双烷基二甲基氯化铵、辛基癸基二甲基氯化铵中的一种或数种，其较小的分子量和分子粒径能有效插入土壤的层间结构，特别是针对粘土，在土壤固化剂高碱性条件下，聚季铵盐类及其衍生物同时具有减少土壤表面，特别是粘土表面存在大量负电荷的问题，具有优异的分散和降粘能力。

本发明还涉及高流态固化土用土壤固化剂的制备方法，具体的，包括如下步骤：

1)按比例称取各原料，

2)将胶凝材料和活性混合材料与疏水型纳米氧化硅使用锥形双螺杆螺旋混合机混合均匀，

3)再加入微膨胀材料、激发剂、无机聚磷酸盐、聚季铵盐及其衍生物混合均匀，

4)最后加入分散剂混合均匀，即得。

本发明首先将胶凝材料、活性混合材料与疏水型纳米氧化硅使用锥形双螺杆螺旋混合机混合均匀，在高转速、剪切作用下，疏水型的纳米氧化硅可以部分吸附在胶凝材料和活性混合材料颗粒的表面，从而提高分散效果和使用效果。

本发明还涉及高流态固化土用土壤固化剂在固化土中的应用。

优选的，所述高流态固化土用土壤固化剂掺量为基土质量的3-15％。

本发明可适用的基土包括天然土(包括：淤泥、黏土、粉质粘土、粉土、砂土、细沙、中沙等)，或建筑垃圾再生粉，或上述成分混合物。

本发明以胶凝材料、活性混合材料、微膨胀材料、激发剂、分散剂、疏水型纳米氧化硅、无机聚磷酸盐、聚季铵盐及其衍生物作为原料，通过分步混合制备高流态固化土用土壤固化剂，水泥作为胶凝材料，并辅以大掺量的活性混合材料，在胶凝材料制造的碱性环境下，激发剂可对活性混合材料和土体本身的硅铝氧化物进行激发，通过与土壤发生一系列物理化学反应，为固化土提供早期强度和后期强度，增加致密性和稳定性，同时降低材料成本，微膨胀材料的添加可增加高流态固化土混合料的体积稳定性，通过采用分散剂、疏水型纳米氧化硅、无机聚磷酸盐和聚季铵盐类外加剂，协同发挥减水、分散、降粘功能，在保证分散剂较低掺量下实现流动性的大幅提高，有效保证工程质量。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例高流态固化土用土壤固化剂的制备方法包括如下步骤：

1)按比例称取各原料，

2)将胶凝材料和活性混合材料与疏水型纳米氧化硅使用锥形双螺杆螺旋混合机混合均匀，

3)再加入微膨胀材料、激发剂、无机聚磷酸盐、聚季铵盐及其衍生物混合均匀，

4)最后加入分散剂混合均匀，即得。

性能测试：将实施例与对比例土壤固化剂采用7％基土质量添加量进行应用，水与干基土质量比为0.35，采用混凝土坍落度筒对固化土混合料进行扩展度测试，参照GB/T《混凝土强度检验评定标准》进行固化土7d和28d抗压强度测试。

实施例1

高流态固化土用土壤固化剂，原料组成为普通硅酸盐水泥25％、矿粉20％、钢渣5％、粉煤灰21％、膨胀剂10％、硅酸钠6％、聚羧酸系聚合物2％、疏水型纳米氧化硅4％、六偏磷酸钠4％、烷基二甲基苄铵氯化铵3％，测试结果：扩展度580mm，7d抗压强度.34MPa，28d抗压强度5.22MPa，固化土混合料流动性良好，施工性能良好，无需人工摊铺，固化体表观良好。

实施例2

高流态固化土用土壤固化剂，原料组成为粉煤灰质硅酸盐水泥30％、矿粉20％、钢渣10％、、煤渣粉10％、氧化钙6％、氧化镁4％、碳酸钠4％、聚羧酸系聚合物3％、疏水型纳米氧化硅6％、多聚磷酸钠4％、双烷基二甲基氯化铵3％，测试结果：扩展度620mm，7d强度4.85MPa，28d强度5.97MPa，固化土混合料流动性良好，施工性能良好，无需人工摊铺，固化体表观良好。

实施例3

高流态固化土用土壤固化剂，原料组成为矿渣硅酸盐水泥28％、矿粉10％、煅烧煤矸石10％、粉煤灰12％、浮石粉10％、石膏6％、膨胀剂2％、硫酸钠6％、聚羧酸系聚合物2％、疏水型纳米氧化硅4％、六偏磷酸钠5％、烷基二甲基苄铵氯化铵5％，测试结果：扩展度620mm，7d强度4.63MPa，28d强度5.70MPa，固化土混合料流动性良好，施工性能良好，无需人工摊铺，固化体表观良好。

实施例4

高流态固化土用土壤固化剂，原料组成为硅酸盐水泥35％、粉煤灰25％、钢渣5％、矿粉10％、氧化钙5％、石膏5％、硅酸钠4％、聚羧酸系聚合物3％、疏水型纳米氧化硅4％、六偏磷酸钠2％、烷基二甲基苄铵氯化铵2％，测试结果：扩展度590mm，7d强度5.06MPa，28d强度6.18MPa，固化土混合料流动性良好，施工性能良好，无需人工摊铺，固化体表观良好。

对比例1

水泥基土壤固化剂，原料组成为普通硅酸盐水泥35％、粉煤灰25％、钢渣粉15％、矿粉10％、硅酸钠4％、聚羧酸系聚合物3％、疏水型纳米氧化硅4％、六偏磷酸钠2％、烷基二甲基苄铵氯化铵2％，测试结果：扩展度560mm，7d强度4.57MPa，28d强度5.34MPa，舍去微膨胀材料后固化土混合料流动性尚可，，流态固化土硬化后，土体收缩，表面有些许裂纹。

对比例2

水泥基土壤固化剂，原料组成为普通硅酸盐水泥35％、粉煤灰25％、钢渣粉15％、氧化钙5％、石膏5％、硅酸钠4％、聚羧酸系聚合物11％，测试结果：扩展度550mm，7d强度3.82MPa，28d强度4.19MPa，固化土混合料具有一定初始流动性，但流动性损失较快，1h后无法进行扩展度测试，需要人工辅助摊铺。

对比例3

水泥基土壤固化剂，原料组成为普通硅酸盐水泥35％、粉煤灰25％、钢渣粉15％、氧化钙5％、石膏5％、硅酸钠4％、聚羧酸系聚合物5％、六偏磷酸钠3％、烷基二甲基苄铵氯化铵3％，测试结果：扩展度440mm，7d强度4.05MPa，28d强度4.53MPa，固化土混合料流动性一般，需人工辅助摊铺。

对比例4

高流态固化土用土壤固化剂，原料组成为普通硅酸盐水泥35％、粉煤灰25％、钢渣粉15％、氧化钙5％、石膏5％、硅酸钠4％、聚羧酸系聚合物4％、疏水型纳米氧化硅4％、烷基二甲基苄铵氯化铵3％，测试结果：扩展度420mm，7d强度4.31MPa，28d强度4.63MPa，固化土混合料流动性一般，需人工辅助摊铺。

对比例5

水泥基土壤固化剂，原料组成为水泥35％、粉煤灰25％、钢渣粉15％、膨胀剂10％、硅酸钠4％、聚羧酸系聚合物3％、疏水型纳米氧化硅5％、六偏磷酸钠3％，测试结果：扩展度430mm，7d强度4.16MPa，28d强度4.71MPa，固化土混合料流动性一般，需人工辅助摊铺。

Claims (7)

1.一种高流态固化土用土壤固化剂，其特征在于，按质量百分比计，由以下原料组成：胶凝材料25-40％、活性混合材料35-60％、微膨胀材料5-10％、激发剂4-6％、分散剂1-3％、疏水型纳米氧化硅1-6％、无机聚磷酸盐2-5％、聚季铵盐及其衍生物2-5％，所述胶凝材料为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰质硅酸盐水泥中的中的一种或数种，所述活性混合材料包括矿粉、粉煤灰、硅藻土、火山灰、浮石粉、煤渣粉、煅烧煤矸石、钢渣中的一种或数种；所述无机聚磷酸盐包括多聚磷酸钠、多聚磷酸钙、六偏磷酸钠、六偏磷酸钙、六偏磷酸镁中的一种或数种；所述聚季铵盐及其衍生物包括烷基二甲基苄铵氯化铵、烷基二甲基乙基苄铵氯化铵、双烷基二甲基氯化铵、辛基癸基二甲基氯化铵中的一种或数种。

2.根据权利要求1所述的高流态固化土用土壤固化剂，其特征在于，所述微膨胀材料为不同煅烧程度的氧化镁、氧化钙、明矾石、石膏、膨胀剂中的一种或数种。

3.根据权利要求1所述的高流态固化土用土壤固化剂，其特征在于，所述激发剂为氢氧化钠、硫酸钠、硅酸钠、碳酸钠中的一种或数种。

4.根据权利要求1所述的高流态固化土用土壤固化剂，其特征在于，所述分散剂为木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛缩合物、脂肪族羟基磺酸盐聚合物、聚羧酸系聚合物中的一种或数种。

5.根据权利要求1-4任意一项高流态固化土用土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按比例称取各原料，

2)将胶凝材料和活性混合材料与疏水型纳米氧化硅通过锥形双螺杆螺旋混合机混合均匀，

3)再加入微膨胀材料、激发剂、无机聚磷酸盐、聚季铵盐及其衍生物混合均匀，4)最后加入分散剂混合均匀，即得。

6.权利要求1-4任意一项高流态固化土用土壤固化剂在固化土中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述高流态固化土用土壤固化剂掺量为基土质量的3-15％。