CN113683381A - 高腐殖酸土壤固化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固化剂技术领域，特别是涉及一种高腐殖酸土壤固化剂及其制备方法，各物质的质量百分数为：钢渣25%‑40%、粉煤灰15%‑25%、生石灰10%‑15%、普通硅酸盐水泥10%‑20%、激发剂6%‑10%、离子替换剂1%‑5%、憎水剂1%‑3%、缓凝剂4%‑6%、早强剂1%‑2%、填充剂1%‑3%、稳定剂1%‑3%、引气剂1%‑2%、减水剂0.5%‑1%、腐殖酸改性剂0.5%‑2%。本发明的效果和优点是能够有效降低腐殖酸对土壤的影响，提高了土壤的抗剪强度、压缩性、水稳强度，降低了土壤的孔隙大小、压缩性和渗透性，具有良好的经济和环境效益。

Description

高腐殖酸土壤固化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于固化剂技术领域。特别是涉及一种高腐殖酸土壤固化剂及其制备方法。

背景技术

为了满足生产生活的需求，人们很早就将植物纤维应用到改良土壤的工程性质方面。随着石灰的发明，石灰便成为土壤的改良材料。自从发明了水泥以后，水泥土以其优良的加固效果，逐渐得到了人们的重视。由于石灰土、水泥土具有良好的力学性能和水稳性，并具有一定程度的抗冻性能，因此在修建道路、港口、机场等工程中，得到了普遍应用。

自然界中的某些特殊土体自身强度低，性能不稳定，遇水和失水有膨胀和收缩等性能，不能直接作为工程建设的填筑材料。随着工程建设的快速推进，对砂、石等建筑材料的需求越来越大，进而对自然环境的破坏越来越严重，导致砂石资源日渐贫乏。此外，传统的水泥土和石灰土虽然具有良好的强度、水稳性和抗冻性能，已在很多工程中得到了广泛应用。但是，水泥土往往收缩较大，开裂风险较高，石灰土则早期强度低、发展慢，且水泥和石灰对塑性指数高的黏土、有机土和盐渍土固化效果较差，甚至有时无固化作用。因此，开发新型高腐殖酸土壤固化剂，对不良土源进行处理，显得格外重要。土壤加固通常有物理加固法、化学加固法和综合加固法。物理加固法是用机械的方法改变土质的力学性质，而土质的固有性质却没有改变；化学加固法是加入外加剂，使土质的固有性质发生改变；综合加固法是在土壤中加入外加剂，再通过压实等机械作用，使土壤的密度增大、孔隙缩小、抗剪强度增加、压缩性和渗透性下降，强度和水稳性提高。高腐殖酸土壤固化剂加固不良土体属于综合加固法。

水泥土腐殖酸组分可与水泥产物Ca²⁺、AI³⁺反应，在水泥土环境生成钙、铝键等复合体，它们可能影响水泥水解水化反应，削减水泥所能达到的固化效果。目前，我国土壤有机质平均含量在2.5%左右。按照土壤腐植酸所占比重60%计，腐植酸含量约1.5%。

较高的生石膏掺入比有利于提高含腐殖酸固化土的早期强度，而不利于其后期强度的增长。目前普遍采用强酸对腐殖酸进行处理，虽然有一定效果，但对环境影戏较大。也有采用强氧化剂进行处理，在氧化条件下，非毒性有机物可能变为有毒物质。因此急需开发出既能解决腐殖酸对水泥水解水化反应的影响，又环境友好的土壤固化的产品和技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高腐殖酸土壤固化剂及其制备方法，能够有效降低腐殖酸对土壤的影响，提高了土壤的抗剪强度、压缩性、水稳强度，降低土壤的孔隙大小、压缩性和渗透性。

本发明采用的技术方案如下

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种高腐殖酸土壤固化剂，各物质的质量百分数为：钢渣25%-40%、粉煤灰15%-25%、生石灰10%-15%、普通硅酸盐水泥10%-20%、激发剂6%-10%、离子替换剂1%-5%、憎水剂1%-3%、缓凝剂4%-6%、早强剂1%-2%、填充剂1%-3%、稳定剂1%-3%、引气剂1%-2%、减水剂0.5%-1%、腐殖酸改性剂0.5%-2%；

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做出如下改进：

进一步的，各物质的质量百分数为：钢渣27%、粉煤灰20%、生石灰12%、普通硅酸盐水泥15%、激发剂8%、离子替换剂3%、憎水剂2%、缓凝剂5%、早强剂1%、填充剂2%、稳定剂2%、引气剂1%、减水剂0.5%、腐殖酸改性剂1.5%；

进一步的，所述钢渣其主要化学成分及其质量占比为氧化钙35%-41%、氧化镁7%-12%、二氧化硅9%-11%；

进一步的，所述粉煤灰其主要化学成分及其质量占比为二氧化硅35%-60%、氧化铝15%-35%、氧化铁5%-15%、氧化钙1%-10%；

进一步的，所述生石灰为三级以上生石灰，钙镁含量不低于75%；

进一步的，所述激发剂为水玻璃、氢氧化钠、硅酸钠、铝酸钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、硫酸钾中的一种或两种以上组合；

进一步的，所述离子替换剂为硝酸铁、氯化铝、轻烧氧化镁中的一种或两种以上组合；

进一步的，所述憎水剂为甲基硅酸钠；

进一步的，所述缓凝剂为脱硫石膏；

进一步的，所述早强剂为三乙醇胺、三异丙醇胺、氢氧化锂、碳酸氢钾中的一种或两种以上组合；

进一步的，所述填充剂为复合填充剂，由滑石粉和珍珠岩混合而成，两者的比例为1:1；

进一步的，所述稳定剂为硫化钠、磷酸盐、硅酸盐、硫酸亚铁、氯化铁和高分子有机稳定剂中的一种或两种以上组合；

进一步的，所述引气剂为改性松香树脂；

进一步的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；

进一步的，所述腐殖酸改性剂为高锰酸钾；

所述一种高腐殖酸土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将钢渣、粉煤灰、生石灰、普通硅酸盐水泥送入球磨机中进行研磨，研磨过80μm的方孔筛，然后按比例添加到搅拌机搅拌使其混合均匀，得到土壤固化剂组分A；

第二步：将离子替换剂、憎水剂、缓凝剂、早强剂、稳定剂、引气剂、减水剂，按照比例依次放入容器中，并加入少量的水分，持续搅拌10-20min，得到土壤固化剂组分B；将滑石粉和珍珠岩按照1:1比例混合均匀，得到土壤固化剂组分C；

第三步：接着将第一步与第二步中得到的土壤固化剂A、B、C放入搅拌器中进行混合搅拌，以100-120r/min的速度进行，搅拌10-20min，在搅拌过程中，加入一定的水分，然后进行养护0.5-1小时，得到半成品土壤固化剂；

第四步：再养护后，将半成品土壤固化剂放入容器中，并向其按照比例加入激发剂和腐殖酸改性剂进行搅拌10-30min，得到成品土壤固化剂；

第五步：最后将成品土壤固化剂进行干燥处理，然后进行检测，通过检测其效率与效果，再进行装袋密封包装处理。

本发明具有的优点及有益效果

本发明的土壤固化剂施工工艺简单，易于操作，尤其是对于含有高腐殖酸的土壤的固化问题，起到积极的作用，将一定量的土壤固化剂加入土中混拌均匀，在土壤最佳含水量下压实处理下，即可达到施工要求的强度、耐久性和稳定性等性能指标。

本发明的固化剂产品通过引入带有高价阳离子(Fe³⁺、A1³⁺、Ca²⁺)的盐类，通过离子交换，取代黏土离子周围的低价离子(K⁺、Na⁺)，以实现减小水化离子半径、减薄双电层的目的，促进土体自身的凝聚；通过添加氢氧化钠、水玻璃(Na₂O·nSiO₂)和生石灰(CaO)来中和土体中的酸，提高土体PH值，保证固化土孔隙溶液Ca(OH)₂饱和，有利于水泥土的水化反应和火山灰反应。水玻璃能加快水泥的水化作用，其主要原理在于，水玻璃能与水泥浆中的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的胶凝体水化硅酸钙，并且提高土壤PH值；通过添加三乙醇胺作为早强剂，改善和促进水泥水化及凝结硬化，三乙醇胺的早强作用在于其能促进C₃A的水化，在C₃A-CaSO₄-H₂O体系中，它能加快钙矾石的生成，因而有利于水泥土早期强度的发展。此外，三乙醇胺分子中有N原子，它有一对未共用电子，很容易与金属离子形成共价键，发生络合，从而与金属离子形成较稳定的络合物，这些络合物在溶液中形成的许多的可溶区，提高了水化产物的扩散速率，可以缩短水泥水化过程中的潜伏期，提高早期强；通过添加具有吸附-分散、润滑和润湿作用的聚羧酸高效减水剂，减少土壤中含水量，提高固化剂渗透深度，提高固化土的强度。同时，其又属于表面活性剂，能够降低水的表面张力，提高固化剂渗透深度。此外，细小的土壤颗粒具有一定的表面能和吸附能力，能用与表面活性剂发生作用，从而置换土壤中固有阳离子，降低土壤胶粒ξ电势，减薄土胶粒双电层厚度使土壤颗粒聚集成团，形成团粒化和砂质化结构，提高固化土强度；通过添加甲基硅酸钠作为憎水剂，进入土壤后发生化学反应，从而形成优异的憎水层，同时还具有良好的渗透结晶、微膨胀、增加密实度功能；通过添加脱硫石膏作为缓凝剂，脱硫石膏自身具有一定的膨胀性，可弥补钢渣水泥胶凝体系早期的自收缩，提高体系的密实度；通过添加滑石粉和珍珠岩作为填充剂，滑石粉具有优良的润滑性和抗黏性，能够提高固化剂渗透土壤的深度，从而延长固化剂的寿命，珍珠岩能与硅酸钠、水泥等胶结料作用，使固化剂具有防水性能和隔热性能，其中，隔热可以减少聚合物原子间或分子间化学键断裂，同时珍珠岩还具有一定的吸附能力，可以吸附一定的阳离子和水分子等物质，提高固化剂性能。

本发明的固化剂产品通过添加高锰酸钾作为腐殖酸改性剂，使粘土中的有机质发生裂解和分解，形成小分子或单体，改变其结构使之凝聚。在弱碱性条件下，高锰酸钾与有机物之间以直接氧化作用为主，两者之间发生电子转移，腐殖酸分子是以苯环为主的芳香类大分子有机物，苯环上的主要官能团包括酮、酯、羧酸、醛、酚等，同时还有一些长链烃物质存在，经过高锰酸钾的脱烷烃、侧链氧化、醇化等作用后，土中有机物则以简单的羧酸、醇、酯、醚、烷烃、酞、胺类等有机物为主，大分子有机物被氧化成为小分子有机物，有机物的结构发生变化，解决了土壤中腐殖酸对土壤固化的影响。

综上所述，本发明公开的一种高腐殖酸土壤固化剂有效的解决了含有腐殖酸土壤的固化问题，极大的提高了固化土密实度、强度、耐久性和稳定性等性能指标，具有良好的经济及环境效益。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种高腐殖酸土壤固化剂，其中，各物质的质量百分数为：钢渣35%、粉煤灰25%、生石灰10%、普通硅酸盐水泥10%、激发剂7%、离子替换剂2%、憎水剂1%、缓凝剂4%、早强剂1%、填充剂1%、稳定剂1%、引气剂1%、减水剂0.5%、腐殖酸改性剂1.5%。

所述钢渣其主要化学成分及其质量占比为氧化钙35%-41%、氧化镁7%-12%、二氧化硅9%-11%；

所述粉煤灰其主要化学成分及其质量占比为二氧化硅35%-60%、氧化铝15%-35%、氧化铁5%-15%、氧化钙1%-10%；

所述生石灰为三级以上生石灰，钙镁含量不低于75%；

所述激发剂为水玻璃；

所述离子替换剂为氯化铝；

所述憎水剂为甲基硅酸钠；

所述缓凝剂为脱硫石膏；

所述早强剂为三乙醇胺；

所述填充剂为滑石粉、珍珠岩混合而成，两者的比例为1:1；

所述稳定剂为硅酸盐；

所述引气剂为改性松香树脂；

所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；

所述腐殖酸改性剂为高锰酸钾；

所述一种高腐殖酸土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将钢渣、粉煤灰、生石灰、普通硅酸盐水泥送入球磨机中进行研磨，研磨过80μm的方孔筛，然后按比例添加到搅拌机搅拌使其混合均匀，得到土壤固化剂组分A；

第二步：将氯化铝、甲基硅酸钠、脱硫石膏、三乙醇胺、硅酸盐、改性松香树脂、聚羧酸高效减水剂，按照比例依次放入容器中，并加入少量的水分，持续搅拌10-20min，得到土壤固化剂组分B；将滑石粉和珍珠岩按照1:1比例混合均匀，得到土壤固化剂组分C；

第三步：接着将第一步与第二步中得到的土壤固化剂A、B、C放入搅拌器中进行混合搅拌，以100-120r/min的速度进行，搅拌10-20min，在搅拌过程中，加入一定的水分，然后进行养护0.5-1小时，得到半成品土壤固化剂；

第四步：再养护后，将半成品土壤固化剂放入容器中，并向其按照比例加入水玻璃和高锰酸钾进行搅拌10-30min，得到成品土壤固化剂；

第五步：最后将成品土壤固化剂进行干燥处理，然后进行检测，通过检测其效率与效果，再进行装袋密封包装处理。

实施例2

所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其中，各物质的质量百分数为：钢渣30%、粉煤灰20%、生石灰10%、普通硅酸盐水泥18%、激发剂6%、离子替换剂4%、憎水剂2%、缓凝剂4%、早强剂1%、填充剂1%、稳定剂1.5%、引气剂1%、减水剂0.5%、腐殖酸改性剂1%。

所述钢渣其主要化学成分及其质量占比为氧化钙35%-41%、氧化镁7%-12%、二氧化硅9%-11%；

所述粉煤灰其主要化学成分及其质量占比为二氧化硅35%-60%、氧化铝15%-35%、氧化铁5%-15%、氧化钙1%-10%；

所述生石灰为三级以上生石灰，钙镁含量不低于75%；

所述激发剂为氢氧化钠；

所述离子替换剂为氯化铝；

所述憎水剂为甲基硅酸钠；

所述缓凝剂为脱硫石膏；

所述早强剂为三乙醇胺；

所述填充剂为滑石粉珍珠岩混合而成，两者的比例为1:1；

所述稳定剂为磷酸盐；

所述引气剂为改性松香树脂；

所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；

所述腐殖酸改性剂为高锰酸钾；

所述一种高腐殖酸土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将钢渣、粉煤灰、生石灰、普通硅酸盐水泥送入球磨机中进行研磨，研磨过80μm的方孔筛，然后按比例添加到搅拌机搅拌使其混合均匀，得到土壤固化剂组分A；

第二步：将氯化铝、甲基硅酸钠、脱硫石膏、三乙醇胺、硅酸盐、改性松香树脂、聚羧酸高效减水剂，按照比例依次放入容器中，并加入少量的水分，持续搅拌10-20min，得到土壤固化剂组分B；将滑石粉和珍珠岩按照1:1比例混合均匀，得到土壤固化剂组分C；

第三步：接着将第一步与第二步中得到的土壤固化剂A、B、C放入搅拌器中进行混合搅拌，以100-120r/min的速度进行，搅拌10-20min，在搅拌过程中，加入一定的水分，然后进行养护0.5-1小时，得到半成品土壤固化剂；

第四步：再养护后，将半成品土壤固化剂放入容器中，并向其按照比例加入氢氧化钠和高锰酸钾进行搅拌10-30min，得到成品土壤固化剂；

第五步：最后将成品土壤固化剂进行干燥处理，然后进行检测，通过检测其效率与效果，再进行装袋密封包装处理。

实施例3

所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其中，各物质的质量百分数为：钢渣27%、粉煤灰20%、生石灰12%、普通硅酸盐水泥15%、激发剂8%、离子替换剂3%、憎水剂2%、缓凝剂5%、早强剂1%、填充剂2%、稳定剂2%、引气剂1%、减水剂0.5%、腐殖酸改性剂1.5%。

所述钢渣其主要化学成分及其质量占比为氧化钙35%-41%、氧化镁7%-12%、二氧化硅9%-11%；

所述粉煤灰其主要化学成分及其质量占比为二氧化硅35%-60%、氧化铝15%-35%、氧化铁5%-15%、氧化钙1%-10%；

所述生石灰为三级以上生石灰，钙镁含量不低于75%；

所述激发剂为水玻璃和氢氧化钠，两者的比例为1:1；

所述离子替换剂为氯化铝；

所述憎水剂为甲基硅酸钠；

所述缓凝剂为脱硫石膏；

所述早强剂为三乙醇胺；

所述填充剂为滑石粉珍珠岩混合而成，两者的比例为1:1；

所述稳定剂为硅酸盐；

所述引气剂为改性松香树脂；

所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；

所述腐殖酸改性剂为高锰酸钾；

所述一种高腐殖酸土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：

第一步：将钢渣、粉煤灰、生石灰、普通硅酸盐水泥送入球磨机中进行研磨，研磨过80μm的方孔筛，然后按比例添加到搅拌机搅拌使其混合均匀，得到土壤固化剂组分A；

第二步：将氯化铝、甲基硅酸钠、脱硫石膏、三乙醇胺、硅酸盐、改性松香树脂、聚羧酸高效减水剂，按照比例依次放入容器中，并加入少量的水分，持续搅拌10-20min，得到土壤固化剂组分B；将滑石粉和珍珠岩按照1:1比例混合均匀，得到土壤固化剂组分C；

第三步：接着将第一步与第二步中得到的土壤固化剂A、B、C放入搅拌器中进行混合搅拌，以100-120r/min的速度进行，搅拌10-20min，在搅拌过程中，加入一定的水分，然后进行养护0.5-1小时，得到半成品土壤固化剂；

第四步：再养护后，将半成品土壤固化剂放入容器中，并向其按照比例加入水玻璃、氢氧化钠和高锰酸钾进行搅拌10-30min，其中水玻璃和氢氧化钠按照1:1比例添加，得到成品土壤固化剂；

第五步：最后将成品土壤固化剂进行干燥处理，然后进行检测，通过检测其效率与效果，再进行装袋密封包装处理。

按照实施例1、2、3所述方案，对三种方案制备的固化剂进行试验，所得数据如表1所示。

表1 无侧限抗压强度指标

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：各物质的质量百分数为：钢渣25%-40%、粉煤灰15%-25%、生石灰10%-15%、普通硅酸盐水泥10%-20%、激发剂6%-10%、离子替换剂1%-5%、憎水剂1%-3%、缓凝剂4%-6%、早强剂1%-2%、填充剂1%-3%、稳定剂1%-3%、引气剂1%-2%、减水剂0.5%-1%、腐殖酸改性剂0.5%-2%。

2.根据权利要求1所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：由以下质量百分数的各物质制成：钢渣27%、粉煤灰20%、生石灰12%、普通硅酸盐水泥15%、激发剂8%、离子替换剂3%、憎水剂2%、缓凝剂5%、早强剂1%、填充剂2%、稳定剂2%、引气剂1%、减水剂0.5%、腐殖酸改性剂1.5%。

3.根据权利要求1所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：所述钢渣其主要化学成分及其质量占比为氧化钙35%-41%、氧化镁7%-12%、二氧化硅9%-11%。

4.根据权利要求1所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：所述粉煤灰其主要化学成分及其质量占比为二氧化硅35%-60%、氧化铝15%-35%、氧化铁5%-15%、氧化钙1%-10%。

5.根据权利要求1所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：所述生石灰为质量等级三级以上生石灰，钙镁含量不低于75%。

6.根据权利要求1所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：所述激发剂为水玻璃、氢氧化钠、硅酸钠、铝酸钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、硫酸钾中的一种或两种以上组合。

7.根据权利要求1所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：所述填充剂为复合填充剂，由滑石粉和珍珠岩混合而成，两者的比例为1:1。

8.根据权利要求1所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：所述早强剂为三乙醇胺、三异丙醇胺、氢氧化锂、碳酸氢钾中的一种或两种以上组合；所述稳定剂为硫化钠、磷酸盐、硅酸盐、硫酸亚铁、氯化铁和高分子有机稳定剂中的一种或两种以上组合。

9.根据权利要求1所述一种高腐殖酸土壤固化剂，其特征在于：所述离子替换剂为硝酸铁、氯化铝、轻烧氧化镁中的一种或两种以上组合；所述憎水剂为甲基硅酸钠；所述缓凝剂为脱硫石膏；所述引气剂为改性松香树脂；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；所述腐殖酸改性剂为高锰酸钾。

10.一种高腐殖酸土壤固化剂的制备方法，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：

第一步：将钢渣、粉煤灰、生石灰、普通硅酸盐水泥送入球磨机中进行研磨，研磨过80μm的方孔筛，然后按比例添加到搅拌机搅拌使其混合均匀，得到土壤固化剂组分A；

第二步：将离子替换剂、憎水剂、缓凝剂、早强剂、稳定剂、引气剂、减水剂，按照比例依次放入容器中，并加入少量的水分，持续搅拌10-20min，得到土壤固化剂组分B；将滑石粉和珍珠岩按照1:1比例混合均匀，得到土壤固化剂组分C；

第三步：接着将第一步与第二步中得到的土壤固化剂A、B、C放入搅拌器中进行混合搅拌，以100-120r/min的速度进行，搅拌10-20min，在搅拌过程中，加入一定的水分，然后进行养护0.5-1小时，得到半成品土壤固化剂；

第四步：再养护后，将半成品土壤固化剂放入容器中，并向其按照比例加入激发剂和腐殖酸改性剂进行搅拌10-30min，得到成品土壤固化剂；

第五步：最后将成品土壤固化剂进行干燥处理，然后进行检测，通过检测其效率与效果，再进行装袋密封包装处理。