CN112552928A - 环保型土壤固化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于固化剂技术领域，提供了一种环保型土壤固化剂，包括以下按照重量份的原料：木质素磺酸钙35～55份、聚丙烯酰胺5～25份、油酸正丁酯硫酸酯钠盐30～50份、聚阴离子纤维素15～35份、表面活性剂2～6份、吸水剂2～6份和水80～120份。本发明还提供了一种环保型土壤固化剂的制备方法，通过油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土颗粒表面发生离子交换，使土颗粒排列更为紧密，从而提升固化土的无侧限抗压强度，聚阴离子纤维素能与油酸正丁酯硫酸酯钠盐相容，油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土壤颗粒表面发生离子交换过程中，聚阴离子纤维素包裹在发生离子交换作用后的土颗粒表面，通过协同增效进一步提高土壤固化剂水稳性和抗压性能。

Description

环保型土壤固化剂
技术领域
本发明涉及固化剂技术领域，尤其涉及一种环保型土壤固化剂及其制备方法。
背景技术
土壤固化剂又叫土壤固化外加剂，是加入土壤中，通过与无机结合料、土壤和水的物理或化学反应，改善土壤工程性能的外加剂，简称土壤固化剂。按固化剂的形态分为液体土壤固化外加剂和粉体土壤固化外加剂。对于液体土壤固化剂而言，评价其性能的指标包括：匀质性、稳定性、可溶性重金属离子含量、检测试件性能指标：凝结时间影响系数比、无侧限抗压强度比、水稳系数比。
土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化各类土壤的新型节能环保工程材料。它与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质，能将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，体积膨胀而进一步填充土壤孔隙，在压实功的作用下，使固化土易于压实和稳定, 从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。经过土壤固化剂处理过的土壤，其强度、密实度、回弹模量、弯沉值、CBR、剪切强度等性能都得到了很大的提高，从而延长了道路的使用寿命，节省了工程维修成本，是当前理想的筑路材料选择。
随着土壤固化剂的研究越来越深入，在欧美等某些发达国家，土壤固化剂的研究应用机构和公司大量出现，发展速度非常快。与此同时，土壤固化剂的研究和应用己经进入成熟期，土壤固化剂作为一种品牌商品被专门的企业生产制造，并被广泛应用于各个工程领域。土壤固化剂在世界上很多国家得到了应用，结果表明，使用固化剂，可以节约能源、节省投资且施工快捷，因而土壤固化剂在国外发达国家己形成相当的产业规模，并取得了巨大的经济效益和社会效益。在欧美等发达国家，虽然土壤固化剂的发展很快，渐渐地走向成熟，但仍有很多不足之处，有很大的完善空间。比如奥特塞特固化剂对其固化土体的水稳定性和抗压强度的还有待加强工，明水进入土壤间隙导致固化土体抗压能力差；ISS土壤固化剂用于固化膨胀土，在不使用石灰的情况下，产生的强度很低。在20世纪80年代，国内有关单位引进了国外高性能的土壤固化剂技术，并针对我国土壤的性质，开始了对土壤固化剂的研究。国产的固化剂一般属于固体粉状土壤固化剂，大多都是从水泥的加固原理出发，通过添加其它特殊的高分子材料，如防水剂、激发剂、早强剂和保水剂等以达到提高土体的工程特性的目的。但是粉体土壤固化剂在制备时，存在均匀度差、易结块、难以控制、细度不一致等问题，相比而言，液体土壤固化剂则不存在这些问题。
现有的土壤固化剂普遍存在水稳性较差的缺陷，而且其中含有硫酸等无机酸或呈酸性的盐类，使溶液呈强酸性，不仅对操作人员带来很大的危险性，同时强酸性溶液进入地下水和土壤中，存在着不同程度的土壤污染问题，使用起来不够环保
发明内容
本发明实施例提供一种环保型土壤固化剂，旨在通过油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土颗粒表面发生离子交换，使得土颗粒表面电子层变薄，有效减小水膜厚度，使土颗粒排列更为紧密，固化土孔隙减少，从而提升固化土的无侧限抗压强度，同时油酸正丁酯硫酸酯钠盐具有亲水基团和疏水基团，与土颗粒作用后，疏水基团朝外，在土颗粒外部包裹一层疏水基团，使得外部水不易渗入到土颗粒中，从而提高固化土的水稳性；聚阴离子纤维素能与油酸正丁酯硫酸酯钠盐相容，油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土壤颗粒表面发生离子交换过程中，聚阴离子纤维素包裹在发生离子交换作用后的土颗粒表面，通过协同增效进一步提高土壤固化剂水稳性；该土壤固化剂不会对土壤产生酸度污染，使用环保。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种环保型土壤固化剂，包括以下按照重量份的原料：
木质素磺酸钙35～55份、聚丙烯酰胺5～25份、油酸正丁酯硫酸酯钠盐30～50份、聚阴离子纤维素15～35份、表面活性剂2～6份、吸水剂2～6份和水80～120份。
进一步地，所述表面活性剂为脂肪酸甘油酯。
进一步地，所述吸水剂为含水硅酸镁。
进一步地，所述木质素磺酸钙粒径为3-10μm。
进一步地，所述聚丙烯酰胺分子量大于1000000。
本发明还提供了一种如上所述的环保型土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1）将木质素磺酸钙按重量份加入水中，并倒入搅拌机中搅拌，搅拌35-50min，得到混合物A；
2）在混合物A中加入油酸正丁酯硫酸酯钠盐、聚阴离子纤维素、表面活性剂和吸水剂，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；
3）将混合物B放入烘箱中干燥，干燥20-30min，取出冷却至常温即可。
进一步地，所述步骤1）中搅拌机转速为3500～4000r/min。
进一步地，所述步骤3）中烘箱温度为50～60℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土颗粒表面发生离子交换，使得土颗粒表面电子层变薄，有效减小水膜厚度，使土颗粒排列更为紧密，固化土孔隙减少，从而提升固化土的无侧限抗压强度，同时油酸正丁酯硫酸酯钠盐具有亲水基团和疏水基团，与土颗粒作用后，疏水基团朝外，在土颗粒外部包裹一层疏水基团，使得外部水不易渗入到土颗粒中，从而提高固化土的水稳性；聚阴离子纤维素能与油酸正丁酯硫酸酯钠盐相容，油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土壤颗粒表面发生离子交换过程中，聚阴离子纤维素包裹在发生离子交换作用后的土颗粒表面，通过协同增效进一步提高土壤固化剂水稳性和抗压性能，而且不会对土壤产生酸度污染，使用环保。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
通过油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土颗粒表面发生离子交换，使得土颗粒表面电子层变薄，有效减小水膜厚度，使土颗粒排列更为紧密，固化土孔隙减少，从而提升固化土的无侧限抗压强度，同时油酸正丁酯硫酸酯钠盐具有亲水基团和疏水基团，与土颗粒作用后，疏水基团朝外，在土颗粒外部包裹一层疏水基团，使得外部水不易渗入到土颗粒中，从而提高固化土的水稳性；
聚阴离子纤维素能与油酸正丁酯硫酸酯钠盐相容，油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土壤颗粒表面发生离子交换过程中，聚阴离子纤维素包裹在发生离子交换作用后的土颗粒表面，通过协同增效进一步提高土壤固化剂水稳性。
具体地，本发明实施例提供了一种环保型土壤固化剂，包括以下按照重量份的原料：
木质素磺酸钙35～55份、聚丙烯酰胺5～25份、油酸正丁酯硫酸酯钠盐30～50份、聚阴离子纤维素15～35份、表面活性剂2～6份、吸水剂2～6份和水80～120份。
本发明实施例中，所述表面活性剂为脂肪酸甘油酯。
本发明实施例中，所述吸水剂为含水硅酸镁。
本发明实施例中，所述木质素磺酸钙粒径为3-10μm。
本发明实施例中，所述聚丙烯酰胺分子量大于1000000。
本发明实施例还提供了一种如上所述的环保型土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1）将木质素磺酸钙按重量份加入水中，并倒入搅拌机中搅拌，搅拌35-50min，得到混合物A；
2）在混合物A中加入油酸正丁酯硫酸酯钠盐、聚阴离子纤维素、表面活性剂和吸水剂，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；
3）将混合物B放入烘箱中干燥，干燥20-30min，取出冷却至常温即可。
本发明实施例中，所述步骤1）中搅拌机转速为3500～4000r/min。
本发明实施例中，所述步骤3）中烘箱温度为50～60℃。
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案和技术效果做进一步的说明。
实施例1
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入30g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、15g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例2
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入35g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、15g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例3
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入40g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、15g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例4
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入45g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、15g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例5
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入50g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、15g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例6
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入30g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、20g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例7
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入30g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、25g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例8
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入30g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、30g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例9
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入30g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、35g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例10
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入40g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、25g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例11
称取45g木质素磺酸钙，将其加入80g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入40g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、25g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例12
称取45g木质素磺酸钙，将其加入120g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入40g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、25g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例13
称取45g木质素磺酸钙，将其加入120g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入40g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、25g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至55℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
实施例14
称取45g木质素磺酸钙，将其加入120g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入40g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、25g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至50℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
对照组
取市售普通土壤固化剂。
取实施例1～13和对照组的土壤固化剂分别与土样按照重量份比1:1000的比例进行混合，搅拌均匀后，制成直径(50mm)×高(50mm)的圆柱体试件，用千斤顶静压成型，放入标准养护箱中养护到相应的龄期，取出晾干对固化后的土样抗压性能和水稳性能进行检测，检测结果如表1所示：
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
由表1可知，本发明所制的土壤固化剂相比市售普通土壤固化剂具有更加优异的抗压性能和水稳性能，其中实施例10所制的土壤固化剂抗压性能和水稳性能最佳；根据实施例1～5，油酸正丁酯硫酸酯钠盐用量为40g时，所制的土壤固化剂抗压性能和水稳性能最佳；根据实施例1和6～9，聚阴离子纤维素用量为25g时，所制的土壤固化剂抗压性能和水稳性能最佳。
进一步地，本发明以实施例10的制备步骤作为基础，对油酸正丁酯硫酸酯钠盐和聚阴离子纤维素进行单因子缺失对比实验，实验结果发现缺失不同因子，最终制得的土壤固化剂抗压性能和水稳性能也具有一定程度的差异，具体见以下对比例。
对比例1
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入25g聚阴离子纤维素、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
对比例2
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入40g油酸正丁酯硫酸酯钠盐、4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
对比例3
称取45g木质素磺酸钙，将其加入100g水中，并倒入搅拌机中搅拌，以转速4000r/min搅拌50min，得到混合物A；然后在混合物A中加入4g脂肪酸甘油酯和4g含水硅酸镁，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；最后将混合物B放入烘箱中干燥，烘箱温度调节至60℃，干燥处理30min，取出冷却至常温，制得环保型土壤固化剂。
取对比例1～3的土壤固化剂分别与土样按照重量份比1:1000的比例进行混合，搅拌均匀后，制成直径(50mm)×高(50mm)的圆柱体试件，用千斤顶静压成型，放入标准养护箱中养护到相应的龄期，取出晾干对固化后的土样抗压性能和水稳性能进行检测，检测结果如表2所示：
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE004
从表2可知，使用本发明制得的环保型土壤固化剂，与单独使用油酸正丁酯硫酸酯钠盐和单独使用聚阴离子纤维素相比，其抗压性能和水稳性能均具有较大提升。
总的来说，本发明通过油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土颗粒表面发生离子交换，使得土颗粒表面电子层变薄，有效减小水膜厚度，使土颗粒排列更为紧密，固化土孔隙减少，从而提升固化土的无侧限抗压强度，同时油酸正丁酯硫酸酯钠盐具有亲水基团和疏水基团，与土颗粒作用后，疏水基团朝外，在土颗粒外部包裹一层疏水基团，使得外部水不易渗入到土颗粒中，从而提高固化土的水稳性；聚阴离子纤维素能与油酸正丁酯硫酸酯钠盐相容，油酸正丁酯硫酸酯钠盐与土壤颗粒表面发生离子交换过程中，聚阴离子纤维素包裹在发生离子交换作用后的土颗粒表面，通过协同增效进一步提高土壤固化剂水稳性和抗压性能，而且不会对土壤产生酸度污染，使用环保。
需要说明的是，本发明实施例以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环保型土壤固化剂，其特征在于，包括以下按照重量份的原料：
木质素磺酸钙35～55份、聚丙烯酰胺5～25份、油酸正丁酯硫酸酯钠盐30～50份、聚阴离子纤维素15～35份、表面活性剂2～6份、吸水剂2～6份和水80～120份。
2.根据权利要求1所述的环保型土壤固化剂，其特征在于，包括以下按照重量份的原料：
木质素磺酸钙40～50份、聚丙烯酰胺10～20份、油酸正丁酯硫酸酯钠盐35～45份、聚阴离子纤维素20～30份、表面活性剂3～5份、吸水剂3～5份和水90～110份。
3.根据权利要求1所述的环保型土壤固化剂，其特征在于，包括以下按照重量份的原料：
木质素磺酸钙45份、聚丙烯酰胺15份、油酸正丁酯硫酸酯钠盐40份、聚阴离子纤维素25份、表面活性剂4份、吸水剂4份和水100份。
4.根据权利要求1所述的环保型土壤固化剂，其特征在于，所述表面活性剂为脂肪酸甘油酯。
5.根据权利要求1所述的环保型土壤固化剂，其特征在于，所述吸水剂为含水硅酸镁。
6.根据权利要求1所述的环保型土壤固化剂，其特征在于，所述木质素磺酸钙粒径为3-10μm。
7.根据权利要求1所述的环保型土壤固化剂，其特征在于，所述聚丙烯酰胺分子量大于1000000。
8.一种如权利要求1～7任一所述的环保型土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将木质素磺酸钙按重量份加入水中，并倒入搅拌机中搅拌，搅拌35-50min，得到混合物A；
2）在混合物A中加入油酸正丁酯硫酸酯钠盐、聚阴离子纤维素、表面活性剂和吸水剂，混合后进行均匀搅拌，得到混合物B；
3）将混合物B放入烘箱中干燥，干燥20-30min，取出冷却至常温即可。
9.根据权利要求8所述的环保型土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中搅拌机转速为3500～4000r/min。
10.根据权利要求8所述的环保型土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中烘箱温度为50～60℃。
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