CN113135730B - 一种应用于软土地基的固化剂及固化工艺 - Google Patents

Abstract

本申请涉及建筑施工领域，更具体地说，它涉及一种应用于软土地基的固化剂及固化工艺。固化剂包括如下重量份的原料组分：硅酸盐水泥：20～30份；石膏：10～18份；矿物掺和料：50～60份；碱性激发剂：8～13份；羧酸盐：5～10份；表面活性剂：0.05～1份。本申请的固化剂能够改善膨胀组分的作用效果，最终提高对软土地基的固化强度。

Description

一种应用于软土地基的固化剂及固化工艺

技术领域

本申请涉及建筑施工领域，更具体地说，它涉及一种应用于软土地基的固化剂及固化工艺。

背景技术

土壤固化剂是一种用于固化土壤的新型节能环保工程材料，其广泛应用于公路的基层、水利护坡等工程建设中，并能够有效提高软土地基的强度、密实度及弯沉值等指标，从而防止地基出现沉降、塌陷等问题。

土壤固化剂通常由多种无机、有机材料合成，无机材料中的膨胀组分含有硫酸根离子，在水化反应后能够生成钙矾石，并利用钙矾石形成过程中的膨胀特性，使其填充于软土结构中的孔隙内，从而提高地基的密实度与强度。

发明人认为软土的固化主要依靠于水泥的胶结作用，利用水泥水化反应形成的凝胶与软土胶结固化，从而提高软土地基的强度。而钙矾石的膨胀特性，一方面能够起到填充软土孔隙的作用，增强软土地基的密实度与强度；另一方面，钙矾石的过度膨胀也会对水泥的胶结结构产生应力破坏，导致软土地基过固化强度的下降。

申请内容

为了缓解膨胀组分的过度膨胀对水泥胶结结构造成的应力破坏，导致软土地基固化强度下降的问题，本申请提供一种应用于软土地基的固化剂及固化工艺。

第一方面，本申请提供一种应用于软土地基的固化剂，采用如下的技术方案：

一种应用于软土地基的固化剂，包括如下重量份的原料组分：

硅酸盐水泥：20～30份；

石膏：10～18份；

矿物掺和料：50～60份；

碱性激发剂：8～13份；

羧酸盐：5～10份；

表面活性剂：0.05～1份。

通过采用上述技术方案，水泥能够与矿物掺和料发生水化反应，生成硅酸三钙、铝酸三钙与硫铝酸钙等水化凝胶，并包裹于软土颗粒表面，逐渐形成相互交联形成网状结构，从而将软土地基固化。

同时，在碱性激发剂的催化作用下，石膏与水化产物中的部分铝酸三钙反应形成钙矾石，且钙矾石在形成过程中，体积发生膨胀，从而使软土结构中的孔隙不断被填充，增强了软土结构的密实度，提高软土地基的固化强度。

羧酸盐与钙离子之间存在着络合-解离平衡，因而羧酸盐能够促使钙矾石表面的钙离子不断溶解，同时，溶解后的钙离子不断络合形成沉淀，沉积在钙矾石表面，在上述这种络合-解离平衡，导致钙矾石的菱角发生改变，形成体积更为细长的晶体结构，从而抑制钙矾石的膨胀作用，降低钙矾石的膨胀对水泥胶结结构的破坏，保障软土地基的固化程度。

优选的，所述矿物掺和料采用重量比为(20～30):(25～35):(1.5～3)的粒化高炉矿渣粉、粉煤灰与氧化铝粉组成。

通过采用上述技术方案，粒化高炉矿渣粉与粉煤灰中含有较多的活性成分，有利于形成更多的水化产物，促进软土地基固化程度的提高。添加氧化铝能够促进水化铝酸三钙的形成，从而促进石膏与铝酸三钙反应并生成钙矾石。因此，氧化铝的添加促使钙矾石在水泥胶结结构尚未成型之前形成，从而减少钙矾石的膨胀对水泥胶结结构的破坏，尽可能的保障软土地基等固化强度。

优选的，所述固化剂的原料组分还包括3～5份的钙基膨润土。

通过采用上述技术方案，钙基膨润土的层间含有较多的钙离子，且钙基膨润土具有阳离子交换作用，一方面能够为钙矾石的形成提供游离的钙离子，促进钙矾石的形成；另一方面，能够促进羧酸盐与钙离子之间的络合-解离反应的进行；最终，促进软土固化强度的提高。

优选的，所述羧酸盐采用EDTA-2Na、草酸钠与柠檬酸钠中的一种或几种。

通过采用上述技术方案，EDTA-2Na、草酸钠与柠檬酸钠均能够与钙离子发生络合-解离平衡，从而促使钙矾石形成体积更为细长的晶体结构，提高填充作用的同时，能够减少钙矾石膨胀对水泥胶结结构产生的破坏，进而增强软土地基的固化强度。

优选的，所述表面活性剂采用木钙、木钠、三乙醇胺与聚丙烯酸钠中的一种或几种。

通过采用上述技术方案，表面活性剂能够起到分散固化剂颗粒，抑制颗粒团聚的作用。其中，木钠与木钙分散效果好，具有较好的减水作用，促进水泥水化的充分进行，以提高软化地基的固化强度。

优选的，所述表面活性剂采用重量比为1:(8～10)的木质素磺酸钙与聚丙烯酸钠的组合物。

通过采用上述技术方案，木质磺酸钙是一种减水剂，能够起到分散水泥颗粒，促进水化产物生成的作用。但是软土中含有较多的由软土颗粒相互粘结并包裹水分形成的团聚结构，该团聚结构一方面会消耗大量的减水剂，影响水泥颗粒的分散及水化反应的进行；另一方面，黏土颗粒包裹水分，导致水分难以流通蒸发，影响软土地基的强度。本申请中通过添加聚丙烯酸钠，其相比木钙具有更小的分子量，渗透性更好，能够对细小的软土颗粒起到更好的分散作用，释放团聚结构中的水分，并减少其对减水剂的消耗。

通过聚丙烯酸钠与木钙的配合，不仅能够水泥颗粒，促进水化产物生成，还能够分散软土颗粒，减少水分含量，从而增加软土地基的密实度与强度。

优选的，所述聚丙烯酸钠的分子量为3000～5000。

采用上述分子量的聚丙烯酸钠，能够对软土颗粒起到更好的分散作用。当分子量过小时，聚丙烯酸钠的分散作用不足；分子量过大，则容易造成原料颗粒产生絮凝现象。

第二方面，本申请提供一种固化工艺，采用如下的技术方案：

一种固化工艺，应用上述任一项固化剂对软土地基进行处理，并采用如下处理步骤：

S1:将50～80％的表面活性剂加入软土地基中，混合均匀，2～3d后将硅酸盐水泥与矿物掺和料加入软土地基中，充分拌合；

S2:向剩余的固化剂原料加水稀释，混合均匀后，喷洒于软土地基中，充分拌合；

S3:对软土地基进行压实、平整处理。

通过采用上述技术方案，将部分表面活性剂预先添加至软土中，使得软土中的团聚结构分散，释放出团聚结构中包裹的水分，促使其蒸发，有利于增加软土的强度。

将水泥先于固化剂与软土混合，能够促进钙矾石均匀的形成并分布于软土地基中，起到更好的填充、增强作用。

优选的，步骤S1中加入的表面活性剂均为聚丙烯酸钠。

由于聚丙烯酸钠的分子量较小，对软土颗粒具有较好的渗透性与分散性，而对水泥颗粒的分散性较差；木钙与木钠则具有较好的分散作用与空间位阻作用，对水泥颗粒的分散作用较好。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请采用羧酸盐，促使体积更为细长的钙矾石的形成，抑制钙矾石的过度膨胀，尽可能的降低对水泥胶结结构产生的应力破坏，从而保障软土地基的固化强度。

2、本申请中优选采用含有氧化铝粉的矿物掺和料，促进了铝酸三钙的生成进程，从而使钙矾石在水泥胶结结构的成型之前形成，显著地减小了钙矾石的膨胀对水泥胶结结构的破坏，从而增强了软土地基的固化强度。

3、本申请的表面活性剂优选采用木钙与聚丙烯酸钠的组合物，在促进水泥颗粒分散剂水化进行的同时，有效的减少了软土颗粒的团聚，减少了软土中的水分含量，进而增强了软土地基的固化强度。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

实施例1，一种固化工艺，采用如表1所示配比的固化剂,且采用如下处理步骤：

S1:将表面活性剂中的聚丙烯酸钠加入软土地基中，搅拌均匀，2d后将硅酸盐水泥与矿物掺和料加入软土地基中，拌合均匀；

S2:按照1g:7ml的比例，将剩余的固化剂原料与水混合稀释，搅拌均匀后，喷洒于软土地基中，拌合均匀；

S3:对软土地基进行压实、平整处理；

其中，固化剂按照每立方米软土5㎏的用量进行添加。

实施例2～10，一种固化工艺，与实施例1的区别在于，固化剂的原料配比如表1。

表1实施例1～10中固化剂的原料组分选择及其相应用量(㎏)

其中，实施例7与实施例10中，步骤S1中添加的表面活性剂为三乙醇胺；实施例9中，步骤S1中添加的表面活性剂为木钙。

实施例11，一种固化工艺，与实施例1的区别在于，步骤S1中，将所有的表面活性剂加入软土地基中。

实施例12，一种固化工艺，与实施例1的区别在于，步骤S1中，软土地基中不加入表面活性剂，将所有的表面活性剂于步骤S2中与水稀释后添加。

实施例13，一种固化工艺，与实施例1的区别在于，步骤S1中，软土地基中加入的表面活性剂为聚丙烯酸钠与木钙的混合物。

实施例14，一种固化工艺，与实施例1的区别在于，按照1g:7ml的比例，将固化剂中的所有成分直接用水稀释，并喷洒于软土地基中，拌合均匀，再对软土地基进行压实、平整处理即可。

对比例

对比例1，一种固化工艺，与实施例1的区别在于，固化剂中不采用羧酸盐。

对比例2，一种固化工艺，与实施例14的区别在于，固化剂采用青岛卓能达的SCA土壤固化剂。

性能检测试验

试验1：软土地基固化强度测试试样制备：取含水量为50％的软土，采用实施例1～14与对比例1～2中的固化剂及固化工艺对软土进行固化处理，将处理后的软土装入尺寸为50mm*50mm*50mm的试模中，在振实台上振动1min，使其振实成型；然后用塑料膜覆盖于成型试样表面,防止失水，1d后拆模，得到试样，每组制备3块试样。

试验方法：将脱模后的试样用塑料膜包裹放入养护箱内进行养护，养护温度为25℃，湿度为95wt％。分别测量试样养护7d，14d和28d的无侧限抗压强度，测试结果如表2所示。

表2软土地基固化强度测试结果/MPa

试验结果分析:

(1)结合实施例1～14与对比例1～2并结合表2可以看出，固化剂成分中采用羧酸盐，可显著提高软土地基的固化强度。其原因可能在于，羧酸盐与钙离子之间存在着络合-解离平衡，因此羧酸盐能够与钙矾石表面的钙离子发生络合反应，并形成沉淀而沉积在钙矾石表面，促使不断发生溶解、沉淀，形成络合-解离平衡，在该过程中导致钙矾石的菱角发生改变，形成体积更为细长的晶体结构，从而有效抑制钙矾石的膨胀作用，对水泥胶结结构的破坏，从而提高了软土地基的固化程度。

(2)结合实施例1与实施例4并结合表2可以看出，固化剂成分中采用氧化铝粉，可有效提高软土地基的固化强度。其原因可能在于，钙矾石以石膏和水泥水化产物中的铝酸三钙为原料反应得到。然而，铝酸三钙的反应速度较慢，大部分的铝酸三钙在水泥的水化后期产生，此时水化产物已经交联形成了较为完善的CSH凝胶结构(胶结结构)，钙矾石成型过程中的膨胀不仅能够填充软土颗粒之间的间隙，还会对胶结结构造成较大的应力，导致胶结结构的破坏，从而使得软土地基固化强度的下降。而通过添加氧化铝粉，能够促进铝酸三钙的反应进程，促使钙矾石于水泥水化反应的早期生成，此时，水化物尚未形成CSH凝胶结构(胶结结构)，钙矾石的膨胀作用对其强度影响较小，能够有效提高软土地基的固化强度。

(3)结合实施例1与实施例5并结合表2可以看出，固化剂成分中采用钙基膨润土，有利于提高软土地基的固化强度。其原因可能在于，钙基膨润土的层间含有较多的钙离子，且钙基膨润土具有阳离子交换作用，其层间含有的钙离子，一方面能够为钙矾石的形成提供游离的钙离子，促进钙矾石的形成；另一方面，能够促进羧酸盐与钙离子之间的络合-解离反应的进行；最终，促进软土固化强度的提高。

(4)结合实施例1与实施例6～10并结合表2可以看出，固化剂中的表面活性剂采用聚丙烯酸钠与木钙的组合物，有利于提高软土地基的固化强度，且单独采用任一组分均无法达到最佳效果。其原因可能在于，木钙可作为减水剂，提高水泥颗粒的分散性，促进水泥水化反应的充分进行，从而达到较好的胶结作用，提高软土地基的固化强度。而聚丙烯酸钠相比木钙具有较好的渗透性，对软土颗粒具有较好的分散性，能够分散软土颗粒形成的絮凝结构，释放絮凝结构中包裹的水分，从而增强软土颗粒的密实度与强度。

另外，聚丙烯酸钠可显著减少软土颗粒对木钙减水剂的消耗，使得木钙能够充分作用于水泥颗粒的分散中，促进水泥水化进程，达到提高软土地基固化强度的作用。

(5)结合实施例1与实施例11～14并结合表2可以看出，通过采用分段添加固化剂成分的方法，尤其是表面活性剂的分段添加，有利于提高软土地基的固化强度。其原因可能在于，将聚丙烯酸钠先与软土拌合，有利于将软土絮凝结构中包裹的水分释放出来，促进其蒸发，以提高软土地基的密实度与强度；同时，减少后续软土颗粒对木钙减水剂的消耗，增强木钙对水泥颗粒的分散作用，促进水化进程的进行。最终，提高软土地基的固化强度。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种应用于软土地基的固化剂，其特征在于，包含如下重量份的原料组分：

硅酸盐水泥：20～30份；

石膏：10～18份；

矿物掺和料：50～60份；

碱性激发剂：8～13份；

羧酸盐：5～10份；

表面活性剂：0.05～1份；

所述表面活性剂采用重量比为1:(8～10)的木质素磺酸钙与聚丙烯酸钠的组合物，所述聚丙烯酸钠的分子量为3000～5000；

该固化剂按照如下工艺对软土地基进行处理：

S1:将聚丙烯酸钠加入软土地基中，混合均匀，2～3d后将硅酸盐水泥与矿物掺和料加入软土地基中，充分拌合；

S2:将剩余的固化剂原料加水稀释，混合均匀后，喷洒于软土地基中，充分拌合；

S3:对软土地基进行压实、平整处理。

2.根据权利要求1所述的一种应用于软土地基的固化剂，其特征在于，所述矿物掺和料采用重量比为(20～30):(25～35):(1.5～3)的粒化高炉矿渣粉、粉煤灰与氧化铝粉组成。

3.根据权利要求1所述的一种应用于软土地基的固化剂，其特征在于，所述固化剂的原料组分还包括3～5份的钙基膨润土。

4.根据权利要求1所述的一种应用于软土地基的固化剂，其特征在于，所述羧酸盐采用EDTA-2Na、草酸钠与柠檬酸钠中的一种或几种。