CN113999681A - 一种长效微胶囊型土壤固化剂及其制备方法与应用方法 - Google Patents

一种长效微胶囊型土壤固化剂及其制备方法与应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及土壤固化技术领域，尤其是一种长效微胶囊型土壤固化剂及其制备方法与应用方法，包括壁材和芯材，所述壁材包裹在所述芯材的外围，其特征在于:所述壁材由脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯、次氯酸钠按一定配比组成；所述芯材由二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氯化钾、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁按一定配比构成。本发明的优点是：通过胶囊壁材在不同条件下的破裂实现固化剂的长效持续释放，达到自愈合与持续生效的目的；同时芯材中的化学物质可以在土体中生成胶凝体与晶体结构，起到土体加强作用。

Description

一种长效微胶囊型土壤固化剂及其制备方法与应用方法
技术领域
本发明涉及土壤固化技术领域，尤其是一种长效微胶囊型土壤固化剂及其制备方法与应用方法。
背景技术
土壤固化剂是一种能将砂土、粘土、淤泥软基、生活垃圾等固化，并增强土体的强度，提高承载力，增加抗渗、抗冻性能的一种新型建筑胶凝材料。目前，土壤固化材料已经逐步成为用于改善土壤物理力学性质以适应工程技术要求的新型化学材料。
土壤固化剂技术从20世纪70年代开始蓬勃发展，至今已经形成一门综合性的交叉学科。在国内外已有几十年使用土壤固化剂建造道路的历史，并证实土壤固化剂是一种功能完整、产品成熟、值得信赖的优良产品。它涉及建筑基础、公路建设、堤坝工事、井下作业、石油开采、垃圾填埋、防尘固沙等多种领域，包括机械方法、物理作用、土工织物、化学胶结等多种手段，综合了力学、结构理论、胶体化学、表面化学等众多理论，它的处理对象也扩充到砂土、淤泥、工业污水、生活垃圾等多种固体、半固体，处理的目的也不仅仅是单一的加固，还包括增加抗渗性、提高抗冻能力、防止污染物质泄漏等诸多方面。与传统的基础加固相比，土壤固化技术具有价格低、施工工期短等特点。
但是相比于其它基础加固方法，基于土壤固化剂的固化技术面临着固化持续作用相对较短，同时固化后基础内部如果产生微裂缝后，固化土的结构完整性也会遭到破坏。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种长效微胶囊型土壤固化剂及其制备方法与应用方法，通过使胶囊型的土壤固化剂可在不同条件下破裂释放芯材，在实现土壤固化、加强土体的同时，实现土壤固化剂的长效持续释放。
本发明目的实现由以下技术方案完成:
一种长效微胶囊型土壤固化剂，该土壤固化剂呈微胶囊状，包括壁材和芯材，所述壁材包裹在所述芯材的外围，其特征在于:
所述壁材由脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯、次氯酸钠组成，所述壁材的各材料的质量比依次为32-38:40-46:8-12:3-6；
所述芯材包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氯化钾、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁，所述芯材的各材料的质量比依次为5-9:10-16:1-3:6-10:4-7:20-30:5-9:8-12:15-25。
所述二氧化硅的中值粒径为10-100nm；所述三氧化二铝的中值粒径为10-100nm；氧化钙的中值粒径为10-100nm；所述氯化钾的中值粒径为10nm-50nm；所述硫酸钾的中值沥青为10-30nm；所述硫酸铝的中值粒径为10-30nm；所述氯化钠的中值粒径为10-100nm；所述氯化钙的中值粒径为10-100nm；所述硫酸镁的中值粒径为10-30nm。
呈胶囊状的所述土壤固化剂的粒径范围为100-500μm 。
一种涉及上述的长效微胶囊型土壤固化剂的制备方法，其特征在于:所述制备方法包括如下步骤:
分别制备壁材溶液和芯材溶液，其中所述壁材溶液的PH值为3-5；
将所述壁材溶液的PH值调节至7-8，将次氯酸钠加入所述壁材溶液中，同时在搅拌的状态下将所述芯材溶液加入所述壁材溶液中，并在一定温度条件下持续搅拌一定时间；
搅拌一定时间后，将所得悬浮液冷却后进行过滤干燥，制得粉末状的微胶囊型土壤固化剂。
所述壁材溶液的制备方法为:按壁材的各材料的质量比将脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯加入去离子水中，将其PH值调节至3-5，在65-75℃的温度条件下对其进行一定时间的搅拌形成溶液。
所述芯材溶液的制备方法为:按芯材的各材料的质量比将二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氯化钾、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁加入去离子水中，在65-75℃的温度条件下对其进行一定时间的搅拌形成溶液。
将所述壁材溶液的PH值至7-8，加入次氯酸钠，在65-75℃的温度条件下，将所述芯材溶液缓慢均匀加至所述壁材溶液中，搅拌一定时间后将悬浮液冷却后过滤干燥，制成粉末状的微胶囊。
一种涉及上述的长效微胶囊型土壤固化剂的应用方法，其特征在于：具体应用方法为：将待处理的土体、微胶囊型土壤固化剂以及无机胶凝材料以一定比例进行混合，以对所述土体进行固化。
在混合过程中另加入一定比例的骨料或一定比例的水。
本发明的优点是:通过胶囊壁材在不同条件下的破裂实现固化剂的长效持续释放，达到自愈合与持续生效的目的；同时芯材中的化学物质可以在土体中生成胶凝体与晶体结构，起到土体加强作用。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解:
实施例一:本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂针对淤泥土，可通过向淤泥土内加入长效微胶囊型土壤固化剂对其进行加固。
本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂包括壁材和芯材，其中:
壁材由脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯、次氯酸钠构成。上述各壁材材料的质量比依次分别为38:46:12:4，即脲醛树脂:三聚氰胺甲醛树脂:聚氨酯:次氯酸钠的质量比为38:46:12:4。
芯材包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氯化钾、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁。上述各芯材材料的质量比为5:10:3:10:7:26:9:10:20。
上述微胶囊的制备方法如下：
1）将38g脲醛树脂、46g三聚氰胺甲醛树脂、12g聚氨酯加入去离子水中，调节PH值至3，温度升至70℃，在三叶搅拌机中以800r/min的速度搅拌3min后形成壁材溶液。
2）将5g二氧化硅、10g三氧化二铝、3g氧化钙、10g氯化钾、7g硫酸钾、26g硫酸铝、9g氯化钠、10g氯化钙、20g硫酸镁，加入去离子水中，温度升至65-75℃之间，在三叶搅拌机中以800-1200r/min的速度搅拌5-8min后形成芯材溶液。
3）调节壁材溶液的PH值至7-8，加入4g次氯酸钠，温度在65-75℃之间，在搅拌速度设定为1000-1200r/s的三叶搅拌机的工作状态下，将芯材溶液缓慢均匀加至壁材溶液中，搅拌5min后将悬浮液冷却后过滤干燥，制成粉末状的微胶囊型土壤固化剂。
本实施例中的微胶囊型土壤固化剂的机理是通过壁材和芯材两方面实现的。具体而言：
壁材的作用机理为：在壁材材料中加入次氯酸钠NaClO，由于NaClO可以与水反应，化学反应式为：NaClO+H2O<=>HClO+NaOH。因此，所形成的壁材除了外力下会自动破裂以外，同时还具备在水环境下自动破裂功能，这样所形成的微胶囊不但具备自愈合功能，还具备控制土壤内部空隙水的功能，从而减薄土壤中土颗粒的水膜，增加土颗粒之间的吸引力，起到加强土体结构的功能。
芯材方面的作用机理为：第一、芯材中的氧化钙CaO与土壤中的水生成Ca(OH)2溶液并进行放热，之后在水热条件下三氧化二铝Al2O3与SO4 2-离子可以在Ca(OH)2环境中与氯化钙CaCl2、Ca(OH)2生成C-S-H和C-A-H胶凝体，这些胶凝体可以起到加固土体的作用。第二、该固化剂如与水泥一起使用，Al2O3、SiO2还可以促进水泥的二次水化，生成更多的C-S-H和C-A-H胶凝体，从而进一步提升土体强度。第三、芯材中的氯化钾KCl、硫酸钾K2SO4、氯化钠NaCl、氯化钙CaCl2在土壤中遇水后析出的K+、Na+、Ca+等阳离子通过与土壤中的阴离子进行交换，破坏土壤颗粒的双电位层，加速土颗粒所附着的水析出，降低水膜厚度，增加土颗粒之间的吸引力，加速土壤固结。第四、壁材中的NaClO与水反应后生成的NaOH、芯材中的KCl、K2SO4、NaCl、K2SO4、Al2(SO4)3、MgSO4可以激发SiO2在土壤中生成稳定度更高的针状硅基晶体，进一步提高加固土体的效果。
当本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂针对淤泥土的应用时，包括如下应用方法：
将89.85份淤泥土、0.15份土壤固化剂、10份无机胶凝材料（胶凝材料包括但不限于水泥、粉煤灰、石灰、活性矿粉等）充分拌合均匀后，将拌匀后的固化土摊铺至指定位置，之后采用平地机进行平整，接着采用重型压路机进行碾压，待固化土达到预定的压实度后进行整平，整平完毕后进行洒水以防止裂痕产生，同时盖上塑料薄膜保持至少7d以上完成固化养护。
实施例二：本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂针对道路基层使用。
本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂包括壁材和芯材，其中：
壁材由脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯、次氯酸钠构成。上述各壁材材料的质量比依次分别为38:46:12:4。
芯材包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氯化钾、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁。上述各芯材材料的质量比为9:16:1:8:5:22:9:10:20。
上述微胶囊的制备方法如下：
1）将38g脲醛树脂、46g三聚氰胺甲醛树脂、12g聚氨酯加入去离子水中，调节PH值至3，温度升至70℃，在三叶搅拌机中以800r/min的速度搅拌3min后形成壁材溶液。
2）将5g二氧化硅、10g三氧化二铝、3g氧化钙、10g氯化钾、7g硫酸钾、26g硫酸铝、9g氯化钠、10g氯化钙、20g硫酸镁，加入去离子水中，温度升至65-75℃之间，在三叶搅拌机中以800-1200r/min的速度搅拌5-8min后形成芯材溶液。
3）调节壁材溶液的PH值至7-8，加入4g次氯酸钠，温度在65-75℃之间，在搅拌速度设定为1000-1200r/s的三叶搅拌机工作状态下，将芯材溶液缓慢均匀加至壁材溶液中，搅拌5min后将悬浮液冷却后过滤干燥，制成微胶囊型土壤固化剂。
当本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂针对道路基层的应用时，应用方法如下：
将79.85份原基层土壤、0.15份土壤固化剂、10份无机胶凝材料（胶凝材料包括但不限于水泥、粉煤灰、石灰、活性矿粉等）、9份作为骨料的碎石（碎石粒径5-15mm，石灰岩、玄武岩、再生骨料均可）充分拌合均匀后，将拌匀后的固化土摊铺至指定位置，之后采用平地机进行平整，接着采用重型压路机进行碾压，待固化土达到预定的压实度后进行整平，整平完毕后进行洒水以防止裂痕产生，同时盖上塑料薄膜保持至少7d以上完成固化养护。
实施例三：本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂针对预拌流化固化土使用。
本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂包括壁材和芯材，其中：
壁材由脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯、次氯酸钠构成。上述各壁材材料的质量比依次分别为38:46:12:4。
芯材包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氯化钾、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁。上述各芯材材料的质量比为7:14:2:7:4:20:9:12:25。
上述微胶囊的制备方法如下：
1）将38g脲醛树脂、46g三聚氰胺甲醛树脂、12g聚氨酯加入去离子水中，调节PH值至3，温度升至70℃，在三叶搅拌机中以800r/min的速度搅拌3min后形成壁材溶液；
2）将5g二氧化硅、10g三氧化二铝、3g氧化钙、10g氯化钾、7g硫酸钾、26g硫酸铝、9g氯化钠、10g氯化钙、20g硫酸镁，加入去离子水中，温度升至65-75℃之间，在三叶搅拌机中以800-1200r/min的速度搅拌5-8min后形成溶液；
3）调节壁材溶液的PH值至7-8，加入4g次氯酸钠，温度在65-75℃之间，在搅拌速度设定为1000-1200r/s的三叶搅拌机工作状态下，将芯材溶液缓慢均匀加至壁材溶液中，搅拌5min后将悬浮液冷却后过滤干燥，制成粉末状的长效微胶囊型土壤固化剂。
当本实施例中的长效微胶囊型土壤固化剂针对预拌流化固化土的应用时，包括如下应用方法：
将素土、土壤固化剂、无机胶凝材料（包含但不限于水泥、粉煤灰、生石灰、熟石灰、活性矿粉等）、水预拌后混合应用，上述各材料的质量比为79.85:0.15:12:8。将上述原材料利用机械搅拌均匀后形成流态固化土，之后采用泵送的方式进行地基、不规则空洞回填浇筑，浇筑后盖上塑料薄膜保持至少3d以上完成固化养护，期间进行洒水养护。
将上述各实施例的方案进行对比试验，对比条件如下：
对比例1：与实施例一的应用方法相同，唯有不同的是在制备固化土时缺少土壤固化剂。
对比例2：与实施例一的应用方法相同，唯有不同的是在制备土壤固化剂时壁材材料缺少次氯酸钠。
对比例3：与实施例一的应用方法相同，唯有不同的是制备土壤固化剂的芯材材料缺少硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁。
对比例4：与实施例二的制备工艺相同，唯有不同的是制备道路基层时缺少土壤固化剂。
对比例5：与实施例二的制备工艺相同，唯有不同的是在制备土壤固化剂时壁材材料缺少次氯酸钠。
对比例6：与实施例二的制备工艺相同，唯有不同的是制备土壤固化剂的芯材材料缺少硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁。
对比例7：与实施例三的制备工艺相同，唯有不同的是制备预拌流化固化土时缺少土壤固化剂。
对比例8：与实施例三的制备工艺相同，唯有不同的是在制备土壤固化剂时壁材材料缺少次氯酸钠。
对比例9：与实施例三的制备工艺相同，唯有不同的是制备土壤固化剂的芯材材料缺少硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁。
试验方法：无侧限抗压强度根据《JTGE51-2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中的T0805-1994无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法进行检测，其中抗压强度越高则证明形成的固化土强度越好。
试验结果：
将实施例一与对比例1、对比例2、对比例3进行对比，结果如下表1所示：
表1针对淤泥土的土壤固化后性能测试
Figure DEST_PATH_IMAGE001
将实施例二与对比例4、对比例5、对比例6进行对比，结果如下表2所示：
表2针对道路基层固化土的土壤固化后性能测试
Figure 8129DEST_PATH_IMAGE002
将实施例三与对比例7、对比例8、对比例9进行对比，结果如下表3所示：
表3针对预拌流态固化土的土壤固化后性能测试
Figure DEST_PATH_IMAGE003
根据表1、表2、表3均可以看出该长效微胶囊型土壤固化剂在应用时，微胶囊可以增加固化土的各个龄期的强度。次氯酸钠、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁能够增加淤泥土固化的短期与长期抗压强度，次氯酸钠可以增加固化土的长期抗压强度，显著提高固化效果。
虽然以上实施例已经对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (9)

1.一种长效微胶囊型土壤固化剂，该土壤固化剂呈微胶囊状，包括壁材和芯材，所述壁材包裹在所述芯材的外围，其特征在于:
所述壁材由脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯、次氯酸钠组成，所述壁材的各材料的质量比依次为32-38:40-46:8-12:3-6；
所述芯材包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氯化钾、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁，所述芯材的各材料的质量比依次为5-9:10-16:1-3:6-10:4-7:20-30:5-9:8-12:15-25。
2.根据权利要求1所述的一种长效微胶囊型土壤固化剂，其特征在于:所述二氧化硅的中值粒径为10-100nm；所述三氧化二铝的中值粒径为10-100nm；氧化钙的中值粒径为10-100nm；所述氯化钾的中值粒径为10nm-50nm；所述硫酸钾的中值沥青为10-30nm；所述硫酸铝的中值粒径为10-30nm；所述氯化钠的中值粒径为10-100nm；所述氯化钙的中值粒径为10-100nm；所述硫酸镁的中值粒径为10-30nm。
3.根据权利要求1所述的一种长效微胶囊型土壤固化剂，其特征在于:呈胶囊状的所述土壤固化剂的粒径范围为100-500μm 。
4.一种涉及权利要求1-3任一项所述的长效微胶囊型土壤固化剂的制备方法，其特征在于:所述制备方法包括如下步骤:
分别制备壁材溶液和芯材溶液，其中所述壁材溶液的PH值为3-5；
将所述壁材溶液的PH值调节至7-8，将次氯酸钠加入所述壁材溶液中，同时在搅拌的状态下将所述芯材溶液加入所述壁材溶液中，并在一定温度条件下持续搅拌一定时间；
搅拌一定时间后，将所得悬浮液冷却后进行过滤干燥，制得粉末状的微胶囊型土壤固化剂。
5.根据权利要求4所述的一种长效微胶囊型土壤固化剂的制备方法，其特征在于:所述壁材溶液的制备方法为:按壁材的各材料的质量比将脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚氨酯加入去离子水中，将其PH值调节至3-5，在65-75℃的温度条件下对其进行一定时间的搅拌形成溶液。
6.根据权利要求4所述的一种长效微胶囊型土壤固化剂的制备方法，其特征在于:所述芯材溶液的制备方法为:按芯材的各材料的质量比将二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氯化钾、硫酸钾、硫酸铝、氯化钠、氯化钙、硫酸镁加入去离子水中，在65-75℃的温度条件下对其进行一定时间的搅拌形成溶液。
7.根据权利要求4所述的一种长效微胶囊型土壤固化剂的制备方法，其特征在于:将所述壁材溶液的PH值至7-8，加入次氯酸钠，在65-75℃的温度条件下，将所述芯材溶液缓慢均匀加至所述壁材溶液中，搅拌一定时间后将悬浮液冷却后过滤干燥，制成粉末状的微胶囊型土壤固化剂。
8.一种涉及权利要求1-3任一项所述的长效微胶囊型土壤固化剂的应用方法，其特征在于：具体应用方法为：将待处理的土体、微胶囊型土壤固化剂以及无机胶凝材料以一定比例进行混合，以对所述土体进行固化。
9.根据权利要求8所述的一种长效微胶囊型土壤固化剂的应用方法，其特征在于：在混合过程中另加入一定比例的骨料或一定比例的水。
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