CN114181710A - 一种盐碱地土壤固化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盐碱地土壤固化剂及其制备方法，其中，该固化剂包括以下原料：木质素磺酸钠、亚甲基二奈磺酸二钠、石蜡油、浒苔浸提液、甲基甲酰胺、乙二醇、羟丙基淀粉、海藻酸钠、氯化铁、过硫酸钾、正丁醇、硅酸钙和贝类生物质超微粉。本发明首次使用了新型外加剂——滨海地区丰富的土著资源浒苔及贝类生物质，此两种新型外加剂能够有效促进固化剂与土壤之间发生离子交换等化学反应，提高土质膨胀效果，减少固化土的内部空隙，补偿土体收缩，抑制裂开，提升固化土整体的稳定性与密实性，经检测，由本发明提供的固化剂加固的土壤试件的7d浸水和不浸水无侧限抗压强度基本都大于2.0MPa，水稳定系数均大于90％。

Description

一种盐碱地土壤固化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种土壤固化剂及其制备方法，具体涉及一种盐碱地土壤固化剂及其制备方法，属于土壤固化技术领域。

背景技术

路基工程是道路建设工程中最为基础的工程，沿海滩涂在开发过程中需要大量石头抛填来稳固地基，盐碱土地多通过采自山体开采的毛石抛填，不仅严重破坏生态平衡，而且施工过程需要大量的车辆与工程设备投入，成本昂贵。

土壤固化技术是新兴的软基加固技术之一，根据土壤性质配比无机或有机等材料制备固化剂，对土壤进行固化改性处理，提高工程性能，节约能源，降低购置成本。土壤固化剂通常包括无机类土壤固化剂、有机类土壤固化剂、生物酶类土壤固化剂和离子类土壤固化剂四类。

目前，采用较多的固化材料主要是传统的无机材料，如水泥、石灰、矿渣等，专利CN201910894621.1公开了一种高性能环保软土固化剂，采用脱硫石膏、建筑石膏、矿渣粉、建筑废渣等作为主原料，通过混合无机盐等制成固化剂；专利CN202110756853.8公开了一种利用混凝土废渣制备固化剂的方法，将腐殖土、混凝土、磷石膏等材料，通过机械研磨过筛等方法制成固化剂。上述两种技术方案在一定程度上可以改良土壤状态，实现土壤固化等目的，但普遍存在制备成本高、设备要求高及能耗大、施工量大、单位固化剂消耗量大、产品使用场景有限、环保水平低等弊端。

对于滨海地区，尤其是盐碱地地区，土质粘结性差，易软化，抗冲刷性能差，长时间受海水侵蚀，含盐度高，传统的固化剂很难达到固化的工程性能标准，相关的固化剂产品不再具有普遍适用性。

目前，对于滨海地区，尤其是盐碱地地区，尚未提出实质有效的土壤固化解决方案。因此，迫切需要一种新的技术方案来解决上述问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种对盐碱地具有良好的固化效果的盐碱地土壤固化剂及其制备方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种盐碱地土壤固化剂，其特征在于，包括以下重量份计的原料：木质素磺酸钠50～150份、亚甲基二奈磺酸二钠40～80份、石蜡油30～60份、浒苔浸提液50～100份、甲基甲酰胺20～40份、乙二醇10～30份、羟丙基淀粉20～50份、海藻酸钠10～30份、氯化铁5～20份、过硫酸钾5～20份、正丁醇10～30份、硅酸钙10～40份和贝类生物质超微粉100～400份。

优选的，包括以下重量份计的原料：木质素磺酸钠80～100份、亚甲基二奈磺酸二钠50～70份、石蜡油40～50份、浒苔浸提液70～80份、甲基甲酰胺25～35份、乙二醇15～25份、羟丙基淀粉30～40份、海藻酸钠15～25份、氯化铁10～15份、过硫酸钾10～15份、正丁醇15～25份、硅酸钙20～30份和贝类生物质超微粉200～300份。

优选的，所述浒苔浸提液是采用如下方法制备而来的：将新鲜浒苔粉碎并置于搅拌反应罐中，加入2～4倍质量的水搅拌均匀，按总质量的0.3～0.7％添加复合生物酶，在45～55℃、30～50rpm条件下搅拌反应45～60min，升高温度至85～90℃持续灭酶活10～15min，冷却至室温静置12～24h，过滤，弃下层沉淀，滤液即为浒苔浸提液；优选的，所述复合生物酶为纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的混合酶，纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的质量比为1～3:1～2:1～2。

优选的，所述贝类生物质超微粉是采用如下方法制备而来的：使用粉碎机将牡蛎壳、扇贝壳、鲍鱼壳、蛏子壳和海螺壳中的一种或多种粉碎至0.5～1cm片状大小，随后使用冲击磨破碎至粒径为100～150um大小，即得贝类生物质超微粉。

一种前述的盐碱地土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按配方称取木质素磺酸钠、亚甲基二奈磺酸二钠、石蜡油、浒苔浸提液、甲基甲酰胺、乙二醇、羟丙基淀粉、海藻酸钠、氯化铁、过硫酸钾、正丁醇和硅酸钙，混合后置于搅拌反应罐中，在35～45℃、30～50rpm条件下搅拌反应10～20min；

(2)升高温度至55～65℃，在50～60rpm条件下继续搅拌20～30min，搅拌结束后冷却至室温，得到混合液；

(3)按配方称取贝类生物质超微粉，将贝类生物质超微粉加入到步骤(2)得到的混合液中，在常温、30～50rpm条件下搅拌10～20min充分混匀，即得盐碱地土壤固化剂。

本发明的有益之处在于：

(1)与传统的水泥、石灰等固化剂相比，本发明提供的盐碱地土壤固化剂加入到盐碱地土壤中后，能与土壤发生交联反应，从而可以增强土壤的抗压性能和水稳定性能，依据《土壤固化外加剂》(CJ/T486-2015)标准，经检测，由本发明提供的盐碱地土壤固化剂加固的土壤试件的7d浸水和不浸水无侧限抗压强度基本都大于2.0MPa，水稳定系数均大于90％；

(2)在制备盐碱地土壤固化剂的过程中，本发明首次使用了新型外加剂——滨海地区丰富的土著资源浒苔及贝类生物质，此两种新型外加剂能够有效促进盐碱地土壤固化剂与土壤之间发生离子交换等化学反应，提高土质膨胀效果，减少固化土的内部空隙，补偿土体收缩，抑制裂开，提升固化土整体的稳定性与密实性；

(3)本发明提供的盐碱地土壤固化剂充分利用了浒苔及贝类生物质，为滨海地区低值资源的高值化利用提供了有效途径，实现了废弃物的可循环利用，变废为宝，对保护生态环境、贯彻可持续发展理念具有深远的实际意义；

(4)本发明提供的制备盐碱地土壤固化剂的方法工艺简单，过程条件温和，显著降低了盐碱地土壤固化剂的生产成本及道路施工的工程造价，适合大规模工业化生产与多场景应用，包括盐碱地、金属尾矿、城市固废、油泥、化工污染土等；

(5)本发明提供的盐碱地土壤固化剂无毒无腐蚀性，安全性高，是一种新型环保节能型工程材料，固化后的路基经粉碎后可迅速还耕，有利于促进绿色循环经济的发展。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、制备盐碱地土壤固化剂

实施例1

一种盐碱地土壤固化剂，包括以下重量份计的原料：木质素磺酸钠80份、亚甲基二奈磺酸二钠50份、石蜡油40份、浒苔浸提液70份、甲基甲酰胺25份、乙二醇15份、羟丙基淀粉30份、海藻酸钠15份、氯化铁10份、过硫酸钾10份、正丁醇15份、硅酸钙20份

和贝类生物质超微粉200份。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法具体如下：

(1)将新鲜浒苔粉碎并置于搅拌反应罐中，加入2倍质量的水搅拌均匀，按总质量的0.3％添加复合生物酶(该复合生物酶由纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶按照质量比1:1:1混合而成)，在45℃、30rpm条件下搅拌反应45min，升高温度至85℃持续灭酶活10min，冷却至室温静置12h，过滤，弃下层沉淀，保留滤液，得到浒苔浸提液；

(2)使用粉碎机将牡蛎壳、扇贝壳和鲍鱼壳(按照质量比2:1:2混合)粉碎至0.5～1cm片状大小，随后使用冲击磨破碎至粒径为100～150um大小，得到贝类生物质超微粉；

(3)按配方称取木质素磺酸钠、亚甲基二奈磺酸二钠、石蜡油、浒苔浸提液、甲基甲酰胺、乙二醇、羟丙基淀粉、海藻酸钠、氯化铁、过硫酸钾、正丁醇和硅酸钙，混合后置于搅拌反应罐中，在35℃、30rpm条件下搅拌反应10min；

(4)升高温度至55℃，在50rpm条件下继续搅拌20min，搅拌结束后冷却至室温，得到混合液；

(5)按配方称取贝类生物质超微粉，将贝类生物质超微粉加入到步骤(4)得到的混合液中，在常温、30rpm条件下搅拌10min充分混匀，即得到盐碱地土壤固化剂A，简称固化剂A。

实施例2

一种盐碱地土壤固化剂，包括以下重量份计的原料：

木质素磺酸钠90份、亚甲基二奈磺酸二钠60份、石蜡油45份、浒苔浸提液75份、甲基甲酰胺30份、乙二醇20份、羟丙基淀粉35份、海藻酸钠20份、氯化铁12份、过硫酸钾12份、正丁醇20份、硅酸钙25份和贝类生物质超微粉250份。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法具体如下：

(1)将新鲜浒苔粉碎并置于搅拌反应罐中，加入3倍质量的水搅拌均匀，按总质量的0.5％添加复合生物酶(该复合生物酶由纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶按照质量比2:1:1混合而成)，在50℃、40rpm条件下搅拌反应50min，升高温度至88℃持续灭酶活12min，冷却至室温静置18h，过滤，弃下层沉淀，保留滤液，得到浒苔浸提液；

(2)使用粉碎机将蛏子壳、海螺壳和牡蛎壳(按照质量比1:2:2混合)粉碎至0.5～1cm片状大小，随后使用冲击磨破碎至粒径为100～150um大小，得到贝类生物质超微粉；

(3)按配方称取木质素磺酸钠、亚甲基二奈磺酸二钠、石蜡油、浒苔浸提液、甲基甲酰胺、乙二醇、羟丙基淀粉、海藻酸钠、氯化铁、过硫酸钾、正丁醇和硅酸钙，混合后置于搅拌反应罐中，在40℃、40rpm条件下搅拌反应15min；

(4)升高温度至60℃，在55rpm条件下继续搅拌25min，搅拌结束后冷却至室温，得到混合液；

(5)按配方称取贝类生物质超微粉，将贝类生物质超微粉加入到步骤(4)得到的混合液中，在常温、40rpm条件下搅拌15min充分混匀，即得到盐碱地土壤固化剂B，简称固化剂B。

实施例3

一种盐碱地土壤固化剂，包括以下重量份计的原料：

木质素磺酸钠100份、亚甲基二奈磺酸二钠70份、石蜡油50份、浒苔浸提液80份、甲基甲酰胺35份、乙二醇25份、羟丙基淀粉40份、海藻酸钠25份、氯化铁15份、过硫酸钾15份、正丁醇25份、硅酸钙30份和贝类生物质超微粉300份。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法具体如下：

(1)将新鲜浒苔粉碎并置于搅拌反应罐中，加入4倍质量的水搅拌均匀，按总质量的0.7％添加复合生物酶(该复合生物酶由纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶按照质量比2:2:1混合而成)，在55℃、50rpm条件下搅拌反应60min，升高温度至90℃持续灭酶活15min，冷却至室温静置24h，过滤，弃下层沉淀，保留滤液，得到浒苔浸提液；

(2)使用粉碎机将鲍鱼壳、蛏子壳和扇贝壳(按照质量比2:2:1混合)粉碎至0.5～1cm片状大小，随后使用冲击磨破碎至粒径为100～150um大小，得到贝类生物质超微粉；

(3)按配方称取木质素磺酸钠、亚甲基二奈磺酸二钠、石蜡油、浒苔浸提液、甲基甲酰胺、乙二醇、羟丙基淀粉、海藻酸钠、氯化铁、过硫酸钾、正丁醇和硅酸钙，混合后置于搅拌反应罐中，在45℃、50rpm条件下搅拌反应20min；

(4)升高温度至65℃，在60rpm条件下继续搅拌30min，搅拌结束后冷却至室温，得到混合液；

(5)按配方称取贝类生物质超微粉，将贝类生物质超微粉加入到步骤(4)得到的混合液中，在常温、50rpm条件下搅拌20min充分混匀，即得到盐碱地土壤固化剂C，简称固化剂C。

对比例1

一种盐碱地土壤固化剂，其配方与实施例1中的固化剂A的配方不同之处仅在于：将浒苔浸提液等量替换为蒸馏水。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法，与实施例1中的固化剂A的制备方法相同，不再赘述，制得盐碱地土壤固化剂D，简称固化剂D。

对比例2

一种盐碱地土壤固化剂，其配方与实施例2中的固化剂B的配方不同之处仅在于：将浒苔浸提液等量替换为蒸馏水。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法，与实施例2中的固化剂B的制备方法相同，不再赘述，制得盐碱地土壤固化剂E，简称固化剂E。

对比例3

一种盐碱地土壤固化剂，其配方与实施例3中的固化剂C的配方不同之处仅在于：将浒苔浸提液等量替换为蒸馏水。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法，与实施例3中的固化剂C的制备方法相同，不再赘述，制得盐碱地土壤固化剂F，简称固化剂F。

对比例4

一种盐碱地土壤固化剂，其配方与实施例1中的固化剂A的配方不同之处仅在于：将贝类生物质超微粉等量替换为粒径为100～150um的玉米秸秆粉。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法，与实施例1中的固化剂A的制备方法相同，不再赘述，制得盐碱地土壤固化剂G，简称固化剂G。

对比例5

一种盐碱地土壤固化剂，其配方与实施例2中的固化剂B的配方不同之处仅在于：将贝类生物质超微粉等量替换为粒径为100～150um的大豆秸秆粉。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法，与实施例2中的固化剂B的制备方法相同，不再赘述，制得盐碱地土壤固化剂H，简称固化剂H。

对比例6

一种盐碱地土壤固化剂，其配方与实施例3中的固化剂C的配方不同之处仅在于：将贝类生物质超微粉等量替换为粒径为100～150um的棉花秸秆粉。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法，与实施例3中的固化剂C的制备方法相同，不再赘述，制得盐碱地土壤固化剂I，简称固化剂I。

对比例7

一种盐碱地土壤固化剂，其配方与实施例1中的固化剂A的配方不同之处仅在于：不添加浒苔浸提液和贝类生物质超微粉。

该盐碱地土壤固化剂的制备方法，与实施例1中的固化剂A的制备方法相同，不再赘述，制得盐碱地土壤固化剂J，简称固化剂J。

二、检测各固化剂的性能

试验材料：实施例1至实施例3制备得到的固化剂A、固化剂B和固化剂C，以及对比例1至对比例7制备得到的固化剂D、固化剂E、固化剂F、固化剂G、固化剂H、固化剂I和固化剂J。

试验选定的拟固化土壤样品：山东省东营市黄河三角洲区域盐碱地某路基工程项目基坑开挖渣土。

试验方法：通过标准击实试验，确定固化土混合料最佳含水率为17.1％，固化土混合料需额外加水，所加的水的质量为干土的质量的12.6％，参考《土壤固化外加剂》(CJ/T486-2015)中规定的方法，测定分别由固化剂A、固化剂B、固化剂C、固化剂D、固化剂E、固化剂F、固化剂G、固化剂H、固化剂I和固化剂J加固的各土壤试件(分别记为土壤试件A、土壤试件B、土壤试件C、土壤试件D、土壤试件E、土壤试件F、土壤试件G、土壤试件H、土壤试件I和土壤试件J)的7d浸水和不浸水无侧限抗压强度以及28d浸水和不浸水无侧限抗压强度，并根据《土壤固化外加剂》(CJ/T 486-2015)中规定的换算公式，计算各土壤试件的7d水稳定系数和28d水稳定系数。

试验结果如表1所示：

表1各土壤试件的工程性能对比结果

由表1可以看出：

(1)由本发明实施例1至实施例3制备得到的固化剂(固化剂A、固化剂B和固化剂C)加固的土壤试件(土壤试件A、土壤试件B和土壤试件C)的无侧限抗压强度基本都在2.0Mpa以上，而由对比例1至对比例7制备得到的固化剂(固化剂D、固化剂E、固化剂F、固化剂G、固化剂H、固化剂I和固化剂J)加固的土壤试件(土壤试件D、土壤试件E、土壤试件F、土壤试件G、土壤试件H、土壤试件I和土壤试件J)的无侧限抗压强度基本都低于2.0Mpa，说明本发明提供的盐碱地土壤固化剂的配方更合理，采用土著资源浒苔及贝类生物质可以协同促进提升固化土的抗压强度；

(2)在相同用量的情况下，由本发明实施例3制备得到的固化剂C加固的土壤试件(土壤试件C)的无侧限抗压强度高于大多数由现有技术的同类产品(现有的土壤固化剂)加固的土壤试件的无侧限抗压强度，且水稳定系数大幅度提高，说明经本发明提供的盐碱地土壤固化剂加固的固化土具有很好的抗压强度和水稳定性。

三、检测各固化剂的安全环保性

将第二部分制得的各土壤试件分别放在不同的鱼缸中，浸泡3个月，经观察：3个月后，各鱼缸中的鱼群的存活率均为100％，均无不良反应，并且各土壤试件不解散、不溶胀，证明本发明制备得到的盐碱地土壤固化剂符合环境友好型要求。

四、工程实例

山东东营某油田井场扬尘治理工程，实验室测定该油田井场的土样为沙质土，最佳含水率为17.9％。采用土壤修复设备将现场土壤破碎，将土壤干基重量0.05％的本发明实施例3制备得到的固化剂C喷洒于土壤修复设备的出料口，混匀后的土壤在5h内通过短驳车运输至路基，工程按施工要求摊铺、压路机碾压4次成型，经检测，固化土的水稳定性达到了96.5％，7d无侧限抗压强度达到了2.38MPa。

本发明制备得到的固化剂是一种由多种有机材料和多种无机材料合成的新型环保节能的工程材料。施工过程中，固化剂和土壤混合均匀，在外加压力作用下，土壤颗粒间的间距变小，并和固化剂发生一系列物理化学反应，以达到填充颗粒间空隙、改善土壤颗粒表面特性和生成交联物质凝聚土壤的作用。

采用本发明制备得到的固化剂改性路基填筑材料，可以降低因生产石灰和水泥而带来的能源消耗及环境污染，符合“绿色经济”的主题思想，将大大减少水泥、石灰原材料的开采、加工等环节，改变传统的“修一条路毁一座山”境况，同时还可以避免材料加工产生的废弃土方对环境的二次污染，有利于实现生态环境与经济效益的双赢。

需要说明的是，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明技术方案所引伸出的显而易见变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种盐碱地土壤固化剂，其特征在于，包括以下重量份计的原料：

木质素磺酸钠50～150份、亚甲基二奈磺酸二钠40～80份、石蜡油30～60份、浒苔浸提液50～100份、甲基甲酰胺20～40份、乙二醇10～30份、羟丙基淀粉20～50份、海藻酸钠10～30份、氯化铁5～20份、过硫酸钾5～20份、正丁醇10～30份、硅酸钙10～40份和贝类生物质超微粉100～400份。

2.根据权利要求1所述的盐碱地土壤固化剂，其特征在于，包括以下重量份计的原料：

木质素磺酸钠80～100份、亚甲基二奈磺酸二钠50～70份、石蜡油40～50份、浒苔浸提液70～80份、甲基甲酰胺25～35份、乙二醇15～25份、羟丙基淀粉30～40份、海藻酸钠15～25份、氯化铁10～15份、过硫酸钾10～15份、正丁醇15～25份、硅酸钙20～30份和贝类生物质超微粉200～300份。

3.根据权利要求1或2所述的盐碱地土壤固化剂，其特征在于，所述浒苔浸提液是采用如下方法制备而来的：

将新鲜浒苔粉碎并置于搅拌反应罐中，加入2～4倍质量的水搅拌均匀，按总质量的0.3～0.7％添加复合生物酶，在45～55℃、30～50rpm条件下搅拌反应45～60min，升高温度至85～90℃持续灭酶活10～15min，冷却至室温静置12～24h，过滤，弃下层沉淀，滤液即为浒苔浸提液。

4.根据权利要求3所述的盐碱地土壤固化剂，其特征在于，所述复合生物酶为纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的混合酶，纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的质量比为1～3:1～2:1～2。

5.根据权利要求1或2所述的盐碱地土壤固化剂，其特征在于，所述贝类生物质超微粉是采用如下方法制备而来的：

使用粉碎机将牡蛎壳、扇贝壳、鲍鱼壳、蛏子壳和海螺壳中的一种或多种粉碎至0.5～1cm片状大小，随后使用冲击磨破碎至粒径为100～150um大小，即得贝类生物质超微粉。

6.权利要求1或2所述的盐碱地土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按配方称取木质素磺酸钠、亚甲基二奈磺酸二钠、石蜡油、浒苔浸提液、甲基甲酰胺、乙二醇、羟丙基淀粉、海藻酸钠、氯化铁、过硫酸钾、正丁醇和硅酸钙，混合后置于搅拌反应罐中，在35～45℃、30～50rpm条件下搅拌反应10～20min；

(2)升高温度至55～65℃，在50～60rpm条件下继续搅拌20～30min，搅拌结束后冷却至室温，得到混合液；

(3)按配方称取贝类生物质超微粉，将贝类生物质超微粉加入到步骤(2)得到的混合液中，在常温、30～50rpm条件下搅拌10～20min充分混匀，即得盐碱地土壤固化剂。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括制备浒苔浸提液的步骤，具体的：

将新鲜浒苔粉碎并置于搅拌反应罐中，加入2～4倍质量的水搅拌均匀，按总质量的0.3～0.7％添加复合生物酶，在45～55℃、30～50rpm条件下搅拌反应45～60min，升高温度至85～90℃持续灭酶活10～15min，冷却至室温静置12～24h，过滤，弃下层沉淀，滤液即为浒苔浸提液。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述复合生物酶为纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的混合酶，纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的质量比为1～3:1～2:1～2。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括制备贝类生物质超微粉的步骤，具体的：

使用粉碎机将牡蛎壳、扇贝壳、鲍鱼壳、蛏子壳和海螺壳中的一种或多种粉碎至0.5～1cm片状大小，随后使用冲击磨破碎至粒径为100～150um大小，即得贝类生物质超微粉。