CN112851401A - 一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土及其制备方法 - Google Patents

一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土及其制备方法。本发明属于建筑用轻质土及其制备领域。本发明是为了解决现有泡沫轻质土在低密度条件下强度不足、易开裂的技术问题。本发明的轻质土由水泥、硅灰、聚丙烯腈纤维、水、发泡液、水性环氧树脂、羟乙基纤维素和稳泡剂制备而成。方法：先将硅灰、水泥和聚丙烯腈纤维搅拌混合；然后加入羟乙基纤维素溶液，再加入由发泡液和稳泡剂利用空气压缩发泡机制成的泡沫，最后加入水性环氧树脂，测量流动值后浇筑于模具，经养护凝结硬化，得到应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土。本发明的轻质土湿密度控制在600‑700kg/m3，28d无侧限抗压强度1.85‑2.18MPa，28d抗折强度1.24‑1.50MPa，具有优异轻质高强、高流动性的优点。

Description

一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑用轻质土及其制备领域，具体涉及一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土及其制备方法。
背景技术
泡沫轻质土属于一种含有大量气孔的人造轻质水泥材料，其原材料主要是水泥、水、泡沫，它是采用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫与水泥浆按照一定比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化而成的。泡沫轻质土作为一种新型的公路路基填料，由于其自身具有轻质性、高流动性、施工便捷性等一系列优点，使得泡沫轻质土在公路工程应用中能取得较好的工程效果，为解决公路软土地基加固、桥涵跳车、道路加宽时新老路基的差异沉降、高填路堤的稳定性、寒冷地区路堤的隔热保温等技术难题提供了一种全新的技术手段。
然而，在实际工程应用中发现，虽然泡沫轻质土自身具有密度小、流动性高、固化自立性、施工便捷性等优点，但仍然存在泡沫稳定性差、脆性大、强度低、韧性差、收缩大、裂缝多等诸多问题，尤其是传统泡沫轻质土在低密度条件下强度不足、易开裂已成为限制其工程应用的最主要短板，而常规添加骨料、改变水胶比等方法使泡沫轻质土轻质性和高流动性等优势大打折扣。
针对上述泡沫轻质土在低密度条件下强度不足、易开裂的问题，解决“强度高”与“密度小”的矛盾，研发一种应用于路基的泡沫轻质土，实现泡沫轻质土路基在低密度条件下强度高、裂缝少，同时保证高流动性就显得尤为重要。
发明内容
本发明是为了解决现有泡沫轻质土在低密度条件下强度不足、易开裂的技术问题，而提供一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土及其制备方法。
本发明的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土按质量份数由320～380份水泥、35～42份硅灰、1～2份聚丙烯腈纤维、210～250份水、31～34份发泡液、9～11份水性环氧树脂、1～2份羟乙基纤维素(HEC)和1～2份稳泡剂制备而成。
进一步限定，所述发泡液由发泡剂稀释50倍制成。
进一步限定，所述稳泡剂为十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的混合物。
进一步限定，所述稳泡剂中十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的质量比为1:1。
进一步限定，所述硅灰粒径为300目，纯度为99.7％。
进一步限定，所述聚丙烯腈纤维的参数为：长度为6mm，直径为10μm～15μm，密度≥1.18g/cm3。
进一步限定，所述水性环氧树脂的粘度为4.0Pa·s(30℃)，密度为1.1g/cm3，环氧当量为230，固体含量为60％。
进一步限定，所述羟乙基纤维素(HEC)的粘度为30000Pa·s。
本发明的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将硅灰和水泥在140±5rpm的转速下搅拌，然后分批加入聚丙烯腈纤维，其中每批每千克底料中聚丙烯腈纤维的加入速度为0.1g/s～0.2g/s，再以285±10rpm的转速搅拌120s，得到硅灰分散纤维混合物；
步骤2：将水和羟乙基纤维素以140±5rpm的转速搅拌30s，得到羟乙基纤维素溶液；
步骤3：将硅灰分散纤维混合物分批加入到羟乙基纤维素溶液中，其中每批每升羟乙基纤维素溶液中硅灰分散纤维混合物的加入速度为100g/s～120g/s，以140±5rpm搅拌60s，静止15s，再以285±10rpm的转速搅拌180s，得到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体；
步骤4：将发泡液和稳泡剂混合，利用空气压缩发泡机制成泡沫，然后将泡沫加入到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中，其中每千克聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中泡沫的加入速度为5g/s～8g/s，以50rpm的速度搅拌120s，得到纤维泡沫轻质土浆体；
步骤5：将水性环氧树脂加入到纤维泡沫轻质土浆体中，其中每千克纤维泡沫轻质土浆体中水性环氧树脂的加入速度为0.8g/s～1.2g/s，然后以50rpm的速度搅拌60s，测量流动值后浇筑于模具，经养护凝结硬化，得到应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土。
进一步限定，步骤1中所述聚丙烯腈纤维分3批加入。
进一步限定，步骤3中所述硅灰分散纤维混合物分3批加入。
进一步限定，步骤4中所述泡沫的密度为45kg/m3～50kg/m3。
本发明相比现有技术的优点如下：
本发明所制备的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土具有优异轻质高强、高流动性的优点，可使泡沫轻质土湿密度控制在600-700kg/m3，浆体流动值控制在170-190mm，28d无侧限抗压强度1.85-2.18MPa，28d抗折强度1.24-1.50MPa，满足了路堤填筑强度要求[《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)]，较传统泡沫轻质土抗压强度提高40％，抗折强度提高60％，这对解决传统泡沫轻质土在工程应用中强度短板、增加耐久性，维持良好的易施工性和稳定性具有重要意义，具体优点如下：
1)由于硅灰中存在大量细小的、形状规则的球形颗粒，在与聚丙烯腈纤维接触并摩擦时，可浸润纤维表面减少纤维间摩擦力并填充到纤维之间将纤维撑开，使其分散均匀，同时在硅灰与羟乙基纤维素协同作用下，将聚丙烯腈纤维包裹起来,形成“囊包”，稳定地悬浮于在泡沫轻质土中形成纤维网络，提高了泡沫轻质土的整体性，使泡沫轻质土均匀受力和变形。由于聚丙烯腈纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，使泡沫轻质土抗弯拉能力和抗变形能力显著提高，加之聚丙烯腈纤维具有良好的抗酸碱性和耐久性，因此，聚丙烯腈纤维能够在泡沫轻质土中长期保持稳定性能。
2)由于聚丙烯腈纤维与水泥浆体结合降低了泡沫轻质土浆体的流动性，水性环氧树脂的加入可以改善气泡表面性质，降低浆体塑性粘度和屈服应力，提高聚丙烯腈纤维泡沫轻质土浆体流动性，使其具有良好的施工和易性。
3)十二烷基苯磺酸钠作为一种阴离子表面活性剂，具有良好的表面活性和优异的发泡能力，而三乙醇胺作为一种增稠剂，二者协同作用可以减少泡沫与水泥浆在搅拌过程中的消亡，提高泡沫稳定性，使聚丙烯腈纤维泡沫轻质土体积稳定、密度均匀，具有良好的施工性能。
4)本发明制备的泡沫轻质土，可以有效处理传统泡沫轻质土路基“强度高”与“密度小”的矛盾，解决其在低密度条件下强度不足、易开裂的应用短板，使泡沫轻质土在公路工程应用中可以得到更广泛的应用并取得更好的工程效果，对于解决我国处理路基疑难问题，提高道路修建复杂环境适应性，提升道路修建水平具有重大的经济效益和社会意义。
具体实施方式
本发明实施例所用原料参数如下：
水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥，满足标准《通用硅酸盐水泥》GB 175-2007；
硅灰：300目，纯度99.7％，满足标准《砂浆与混凝土用硅灰》GB/T 27690-2011；
聚丙烯腈纤维：长度6mm，直径10-15μm，密度≥1.18g/cm3，抗拉强度≥500MPa，弹性模量≥7.2GPa，满足标准《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》GB/T 21120-2007；
发泡剂：发泡倍数15-30倍，1h沉降距≤50mm，1h泌水率≤70％，满足《泡沫混凝土用泡沫剂》JC/T 2199-2013；
水性环氧树脂：粘度4.0Pa·s(30℃)，密度1.1g/cm3，环氧当量230，固体含量60％；
羟乙基纤维素(HEC)：粘度30000Pa·s。
实施例1：本实施例的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土按质量份数由320份水泥、35份硅灰、1份聚丙烯腈纤维、210份水、34份发泡液、9份水性环氧树脂、1份羟乙基纤维素(HEC)和1份稳泡剂制备而成；所述发泡液由发泡剂稀释50倍制成；所述稳泡剂为十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的混合物；所述稳泡剂中十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的质量比为1:1。
制备实施例1所述的应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的方法按以下步骤进行：
步骤1：将硅灰和水泥在140±5rpm的转速下搅拌，然后分3批加入聚丙烯腈纤维，其中每批每千克底料中聚丙烯腈纤维的加入速度为0.1g/s，再以285±10rpm的转速搅拌120s，得到硅灰分散纤维混合物；
步骤2：将水和羟乙基纤维素以140±5rpm的转速搅拌30s，得到羟乙基纤维素溶液；
步骤3：将硅灰分散纤维混合物分3批加入到羟乙基纤维素溶液中，其中每批每升羟乙基纤维素溶液中硅灰分散纤维混合物的加入速度为100g/s，以140±5rpm搅拌60s，静止15s，再以285±10rpm的转速搅拌180s，得到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体；
步骤4：将发泡液和稳泡剂混合，利用空气压缩发泡机制成密度为50kg/m3的泡沫，然后将泡沫加入到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中，其中每千克聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中泡沫的加入速度为8g/s，以50rpm的速度搅拌120s，得到纤维泡沫轻质土浆体；
步骤5：将水性环氧树脂加入到纤维泡沫轻质土浆体中，其中每千克纤维泡沫轻质土浆体中水性环氧树脂的加入速度为0.8g/s，然后以50rpm的速度搅拌60s，测量流动值后浇筑于模具，经养护凝结硬化，得到应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土。
实施例2：本实施例的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土按质量份数由320份水泥、35份硅灰、2份聚丙烯腈纤维、210份水、34份发泡液、9份水性环氧树脂、2份羟乙基纤维素(HEC)和1份稳泡剂制备而成；所述发泡液由发泡剂稀释50倍制成；所述稳泡剂为十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的混合物；所述稳泡剂中十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的质量比为1:1。
制备实施例2所述的应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的方法按以下步骤进行：
步骤1：将硅灰和水泥在140±5rpm的转速下搅拌，然后分3批加入聚丙烯腈纤维，其中每批每千克底料中聚丙烯腈纤维的加入速度为0.2g/s，再以285±10rpm的转速搅拌120s，得到硅灰分散纤维混合物；
步骤2：将水和羟乙基纤维素以140±5rpm的转速搅拌30s，得到羟乙基纤维素溶液；
步骤3：将硅灰分散纤维混合物分3批加入到羟乙基纤维素溶液中，其中每批每升羟乙基纤维素溶液中硅灰分散纤维混合物的加入速度为100g/s，以140±5rpm搅拌60s，静止15s，再以285±10rpm的转速搅拌180s，得到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体；
步骤4：将发泡液和稳泡剂混合，利用空气压缩发泡机制成密度为50kg/m3的泡沫，然后将泡沫加入到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中，其中每千克聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中泡沫的加入速度为8g/s，以50rpm的速度搅拌120s，得到纤维泡沫轻质土浆体；
步骤5：将水性环氧树脂加入到纤维泡沫轻质土浆体中，其中每千克纤维泡沫轻质土浆体中水性环氧树脂的加入速度为0.8g/s，然后以50rpm的速度搅拌60s，测量流动值后浇筑于模具，经养护凝结硬化，得到应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土。
实施例3：本实施例的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土按质量份数由347份水泥、39份硅灰、1份聚丙烯腈纤维、232份水、34份发泡液、10份水性环氧树脂、1份羟乙基纤维素(HEC)和1份稳泡剂制备而成；所述发泡液由发泡剂稀释50倍制成；所述稳泡剂为十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的混合物；所述稳泡剂中十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的质量比为1:1。
制备实施例3所述的应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的方法按以下步骤进行：
步骤1：将硅灰和水泥在140±5rpm的转速下搅拌，然后分3批加入聚丙烯腈纤维，其中每批每千克底料中聚丙烯腈纤维的加入速度为0.1g/s，再以285±10rpm的转速搅拌120s，得到硅灰分散纤维混合物；
步骤2：将水和羟乙基纤维素以140±5rpm的转速搅拌30s，得到羟乙基纤维素溶液；
步骤3：将硅灰分散纤维混合物分3批加入到羟乙基纤维素溶液中，其中每批每升羟乙基纤维素溶液中硅灰分散纤维混合物的加入速度为100g/s，以140±5rpm搅拌60s，静止15s，再以285±10rpm的转速搅拌180s，得到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体；
步骤4：将发泡液和稳泡剂混合，利用空气压缩发泡机制成密度为50kg/m3的泡沫，然后将泡沫加入到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中，其中每千克聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中泡沫的加入速度为5g/s，以50rpm的速度搅拌120s，得到纤维泡沫轻质土浆体；
步骤5：将水性环氧树脂加入到纤维泡沫轻质土浆体中，其中每千克纤维泡沫轻质土浆体中水性环氧树脂的加入速度为1.2g/s，然后以50rpm的速度搅拌60s，测量流动值后浇筑于模具，经养护凝结硬化，得到应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土。
实施例4：本实施例的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土按质量份数由347份水泥、39份硅灰、2份聚丙烯腈纤维、232份水、34份发泡液、10份水性环氧树脂、2份羟乙基纤维素(HEC)和1份稳泡剂制备而成；所述发泡液由发泡剂稀释50倍制成；所述稳泡剂为十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的混合物；所述稳泡剂中十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的质量比为1:1。
制备实施例4所述的应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的方法按以下步骤进行：
步骤1：将硅灰和水泥在140±5rpm的转速下搅拌，然后分3批加入聚丙烯腈纤维，其中每批每千克底料中聚丙烯腈纤维的加入速度为0.2g/s，再以285±10rpm的转速搅拌120s，得到硅灰分散纤维混合物；
步骤2：将水和羟乙基纤维素以140±5rpm的转速搅拌30s，得到羟乙基纤维素溶液；
步骤3：将硅灰分散纤维混合物分3批加入到羟乙基纤维素溶液中，其中每批每升羟乙基纤维素溶液中硅灰分散纤维混合物的加入速度为120g/s，以140±5rpm搅拌60s，静止15s，再以285±10rpm的转速搅拌180s，得到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体；
步骤4：将发泡液和稳泡剂混合，利用空气压缩发泡机制成密度为50kg/m3的泡沫，然后将泡沫加入到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中，其中每千克聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中泡沫的加入速度为5g/s，以50rpm的速度搅拌120s，得到纤维泡沫轻质土浆体；
步骤5：将水性环氧树脂加入到纤维泡沫轻质土浆体中，其中每千克纤维泡沫轻质土浆体中水性环氧树脂的加入速度为1.2g/s，然后以50rpm的速度搅拌60s，测量流动值后浇筑于模具，经养护凝结硬化，得到应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土。
对照例1：本实施例的轻质土按以下步骤制得：
一、按质量份数称取320份水泥，35份硅灰，210份水，34份发泡液，1份稳泡剂；
二、向步骤一中称取的水以140±5rpm的转速搅拌于15s内分批交替加入水泥和硅灰后搅拌90s，静止15s，再以285±10rpm的转速搅拌90s，得到水泥硅灰浆体；
三、将步骤一中称取的发泡液和稳泡剂在60s内加入步骤二中得到的水泥硅灰浆体，以50rpm的速度搅拌120s，静止15s，再搅拌60s，得到泡沫轻质土浆体；
四、将步骤三得到的泡沫轻质土浆体测量流动值后浇筑于模具并覆盖养护，凝结硬化后制得泡沫轻质土。
对照例2：本实施例的轻质土按以下步骤制得：
一、按质量份数称取347份水泥，39份硅灰，232份水，32份发泡液，1份稳泡剂；
二、向步骤一中称取的水以140±5rpm的转速搅拌于15s内分批交替加入水泥和硅灰后搅拌90s，静止15s，再以285±10rpm的转速搅拌90s，得到水泥硅灰浆体；
三、将步骤一中称取的发泡液和稳泡剂在60s内加入步骤二中得到的水泥硅灰浆体，以50rpm的速度搅拌120s，静止15s，再搅拌60s，得到泡沫轻质土浆体；
四、将步骤三得到的泡沫轻质土浆体测量流动值后浇筑于模具并覆盖养护，凝结硬化后制得泡沫轻质土。
将本发明的实施例1-4与对照例1-2制备的轻质土进行检测，具体检测如下：
一、参考CJJ/T 177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》测定浆体流动值；
二、采用尺寸为100mm×100mm×100mm的样品，参考JG/T 266-2011《泡沫混凝土》测定绝干密度及28d抗压强度；
三、采用尺寸为40mm×40mm×160mm的样品，参考JE/T 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》测定28d抗折强度。
实施例1-4与对照例1-2制备的轻质土性能如表1所示，从表1可以看出，本发明制备的轻质土，其流动值、抗压强度、抗折强度等性能均非常优异。
表1
Figure BDA0002981240840000071

Claims (9)

1.一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土，其特征在于，该轻质土按质量份数由320～380份水泥、35～42份硅灰、1～2份聚丙烯腈纤维、210～250份水、31～34份发泡液、9～11份水性环氧树脂、1～2份羟乙基纤维素和1～2份稳泡剂制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土，其特征在于，所述发泡液由发泡剂稀释50倍制成。
3.根据权利要求1所述的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土，其特征在于，所述稳泡剂为十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土，其特征在于，所述稳泡剂中十二烷基苯磺酸钠和三乙醇胺的质量比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土，其特征在于，所述硅灰粒径为300目，纯度为99.7％，所述聚丙烯腈纤维的参数为：长度为6mm，直径为10μm～15μm，密度≥1.18g/cm3，所述水性环氧树脂的粘度为4.0Pa·s，密度为1.1g/cm3，环氧当量为230，固体含量为60％，所述羟乙基纤维素的粘度为30000Pa·s。
6.如权利要求1-5任意一项权利要求所述的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的制备方法，其特征在于，该制备方法按以下步骤进行：
步骤1：将硅灰和水泥在140±5rpm的转速下搅拌，然后分批加入聚丙烯腈纤维，其中每批每千克底料中聚丙烯腈纤维的加入速度为0.1g/s～0.2g/s，再以285±10rpm的转速搅拌120s，得到硅灰分散纤维混合物；
步骤2：将水和羟乙基纤维素以140±5rpm的转速搅拌30s，得到羟乙基纤维素溶液；
步骤3：将硅灰分散纤维混合物分批加入到羟乙基纤维素溶液中，其中每批每升羟乙基纤维素溶液中硅灰分散纤维混合物的加入速度为100g/s～120g/s，以140±5rpm搅拌60s，静止15s，再以285±10rpm的转速搅拌180s，得到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体；
步骤4：将发泡液和稳泡剂混合，利用空气压缩发泡机制成泡沫，然后将泡沫加入到聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中，其中每千克聚丙烯腈纤维水泥硅灰浆体中泡沫的加入速度为5g/s～8g/s，以50rpm的速度搅拌120s，得到纤维泡沫轻质土浆体；
步骤5：将水性环氧树脂加入到纤维泡沫轻质土浆体中，其中每千克纤维泡沫轻质土浆体中水性环氧树脂的加入速度为0.8g/s～1.2g/s，然后以50rpm的速度搅拌60s，测量流动值后浇筑于模具，经养护凝结硬化，得到应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土。
7.根据权利要求6所述的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的制备方法，其特征在于，步骤1中所述聚丙烯腈纤维分3批加入。
8.根据权利要求6所述的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的制备方法，其特征在于，步骤3中所述硅灰分散纤维混合物分3批加入。
9.根据权利要求6所述的一种应用于路基的聚丙烯腈纤维泡沫轻质土的制备方法，其特征在于，步骤4中所述泡沫的密度为45kg/m3～50kg/m3。
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