CN114409327A - 一种环保型固化土 - Google Patents

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Abstract

本申请属于固化土技术领域，具体涉及一种环保型固化土，包括如下重量份的各组分：土60‑80份、水泥10‑30份、水性环氧树脂乳液10‑30份、改性金属粉0.05‑0.2份、土壤固化剂5‑15份、填料5‑15份、水0‑20份。本申请的环保型固化土不添加石灰，施工现场无扬尘，避免影响环境，添加的水性环氧树脂乳液不仅可以起到粘结剂的作用，加强各物质之间的粘结力，而且可以有效填充在无机材料之间，提高强度，所添加的改性金属粉可以与固化土中的一些氢氧化物发生化学反应生成盐类和少量的气体，发生微膨胀，微膨胀作用可以有效抵抗固化土的固化收缩，有助于减少裂纹，进一步提高强度。

Description

一种环保型固化土
技术领域
本申请属于固化土技术领域，具体涉及一种环保型固化土。
背景技术
固化土是在土中加入一定量的水泥、石灰、固化剂等将土固化稳定，然后再进行铺装、碾压等处理形成坚实的路面。
中国专利申请文献CN 104863038 A公开了一种利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，先将土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，然后将含土壤固化剂的溶液与土壤、水泥和石灰混合均匀，得到混合料，对混合料进行碾压，得到石灰水泥固化土，石灰中的高价离子 (Ca2+、Mg2+) 与粘土颗粒中的低价阳离子 (K+、Na+) 发生离子交换反应，从而使土壤的塑性指数下降，强度提高。但是，在施工现场，石灰容易产生扬尘而影响环境。
针对上述情况，有必要开发一种不添加石灰的环保型固化土，避免施工现场的扬尘对环境的影响，同时能够具有较高的强度。
发明内容
为了解决上述问题，本申请公开了一种环保型固化土，其中不添加石灰，施工现场无扬尘，避免影响环境，添加的水性环氧树脂乳液不仅可以起到粘结剂的作用，加强各物质之间的粘结力，而且可以有效填充在无机材料之间，提高强度，所添加的改性金属粉可以与固化土中的一些氢氧化物发生化学反应生成盐类和少量的气体，发生微膨胀，微膨胀作用可以有效抵抗固化土的固化收缩，有助于减少裂纹，进一步提高强度。
本申请提供一种环保型固化土，采用如下的技术方案：
一种环保型固化土，包括如下重量份的各组分：
土60-80份
水泥10-20份
水性环氧树脂乳液10-20份
改性金属粉0.05-0.2份
土壤固化剂0.02-0.05份
填料8-15份
水0-30份。
水性环氧树脂乳液可以有效填补各无机材料之间的缝隙，提高各物质之间的粘结力，提高固化土的强度，所添加的改性金属粉可以与固化土中含有的氢氧化物发生化学反应生成盐类和少量的氢气，起到微膨胀作用，从而帮助减少固化土的固化收缩，帮助减少裂纹，提高强度。
优选地，所述土为砂性土、粘性土中的一种或几种。
优选地，所述水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或两种。
优选地，所述改性金属粉中的金属粉为铝粉。
铝粉可以与固化土中的氢氧化钙、氢氧化钠等氢氧化物发生反应生成盐类和少量的氢气，发生微膨胀，帮助减少固化土的固化收缩，减少裂纹，提高强度。
优选地，所述改性金属粉所用的改性剂为具有氨基的硅烷偶联剂。
采用含有氨基的硅烷偶联剂对金属粉进行改性后，使得金属粉表面部分包覆硅烷偶联剂，降低反应活性，从而使反应产生气体造成的膨胀能够配合弥补固化土的固化收缩，避免前期反应过快而无法弥补后期的收缩。另外，氨基可以与水性环氧树脂乳液中的环氧基反应形成化学键，不仅有助于在固化土原本的骨架基础上形成交联结构，起到对骨架进行加固的作用，而且可以将金属粉作为锚固点，提高骨架和交联结构的稳定性，进一步起到提高强度的作用。而且氨基与环氧基的键合有助于使金属粉均匀分布在整个交联网络中，平衡整个固化土体系的收缩，避免收缩或膨胀不均而影响固化土的整体强度。
优选地，所述硅烷偶联剂占金属粉质量的0.1-0.3%。
硅烷偶联剂的用量控制在上述范围内，用量过少则包覆作用较差，不利于延缓金属粉与氢氧化物的反应，膨胀过早，不利于弥补后期收缩，用量过多则会严重影响金属粉与氢氧化物的反应，无法产生与收缩相适配的膨胀作用。
优选地，所述改性金属粉的制备方法为：将硅烷偶联剂在乙醇中超声醇解3-5min得到醇解液，然后将金属粉加入醇解液中，继续超声处理0.5-1 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
优选地，所述填料为碱渣和矿渣的混合物。
矿渣的活性相对较高，其渣状的多棱角结构也有利于提高其活性，矿渣的添加有利于提高环保型固化土的强度。另外，矿渣的玻璃体中含有能够被碱渣激发生成凝胶物质的氧化铝、二氧化硅等物质，激发生成的凝胶物质配合水泥的水化产物、土、碱渣等形成基本骨架。而且，碱渣中的硫酸钙还可以和水泥的水化产物反应，生成能够起到膨胀作用的钙矾石，从而可以弥补固化收缩情况，减少甚至避免固化土开裂的情况。
优选地，所述碱渣和矿渣的质量比为1:1.5-2。
较多的矿渣搭配较少的碱渣可以在保证基本强度的同时利用碱渣进一步增加强度，改善干缩开裂情况。
优选地，所述的环保型固化土采用如下方法制备而成：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取适量的水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
本申请具有如下的有益效果：
（1）本申请的环保型固化土不添加石灰，施工现场无扬尘，避免影响环境，添加的水性环氧树脂乳液不仅可以起到粘结剂的作用，加强各物质之间的粘结力，而且可以有效填充在无机材料之间，提高强度，所添加的改性金属粉可以与固化土中的一些氢氧化物发生化学反应生成盐类和少量的气体，发生微膨胀，微膨胀作用可以有效抵抗固化土的固化收缩，有助于减少裂纹，进一步提高强度。
（2）本申请采用含有氨基的硅烷偶联剂对金属粉进行改性，使得金属粉表面部分包覆硅烷偶联剂，降低反应活性，从而使反应产生气体造成的膨胀能够配合弥补固化土的固化收缩，避免前期反应过快而无法弥补后期的收缩。另外，氨基可以与水性环氧树脂乳液中的环氧基反应形成化学键，不仅有助于在固化土原本的骨架基础上形成交联结构，起到对骨架进行加固的作用，而且可以将金属粉作为锚固点，提高骨架和交联结构的稳定性，进一步起到提高强度的作用。而且氨基与环氧基的键合有助于使金属粉均匀分布在整个交联网络中，平衡整个固化土体系的收缩，避免收缩或膨胀不均而影响固化土的整体强度。
（3）本申请中的填料为碱渣和矿渣的混合物，矿渣的活性相对较高，其渣状的多棱角结构也有利于提高其活性，矿渣的添加有利于提高环保型固化土的强度。另外，矿渣的玻璃体中含有能够被碱渣激发生成凝胶物质的氧化铝、二氧化硅等物质，激发生成的凝胶物质配合水泥的水化产物、土、碱渣等形成基本骨架。而且，碱渣中的硫酸钙还可以和水泥的水化产物反应，生成能够起到膨胀作用的钙矾石，从而可以弥补固化收缩情况，减少甚至避免固化土开裂的情况。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。
图1是本申请中环保型固化土的制备工艺流程图。
具体实施方式
现在结合实施例对本申请作进一步详细的说明。
实施例1
制备改性金属粉：将0.5 g硅烷偶联剂KH550加入乙醇中，超声醇解3 min，得到醇解液，然后将500 g铝粉加入醇解液中，继续超声处理1 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
固化土原料准备：60 kg粘性土、10 kg硅酸盐水泥、10 kg水性环氧树脂乳液、0.05kg改性金属粉、0.02 kg GJL-1土壤固化剂、3 kg碱渣、5 kg矿渣、12 kg水。
环保型固化土的制备：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取12 kg水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
实施例2
制备改性金属粉：将1.5 g硅烷偶联剂KH550加入乙醇中，超声醇解5 min，得到醇解液，然后将500 g铝粉加入醇解液中，继续超声处理0.5 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
固化土原料准备：80 kg粘性土、20 kg硫铝酸盐水泥、20 kg水性环氧树脂乳液、0.2 kg改性金属粉、0.05 kg GJL-1土壤固化剂、5 kg碱渣、10 kg矿渣、2 kg水。
环保型固化土的制备：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取2 kg水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
实施例3
制备改性金属粉：将1 g硅烷偶联剂KH550加入乙醇中，超声醇解4 min，得到醇解液，然后将500 g铝粉加入醇解液中，继续超声处理0.7 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
固化土原料准备：70 kg粘性土、15 kg硅酸盐水泥、15 kg水性环氧树脂乳液、0.13kg改性金属粉、0.035 kg GJL-1土壤固化剂、3.5 kg碱渣、6.5 kg矿渣、3 kg水。
环保型固化土的制备：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取3 kg水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
实施例4
制备改性金属粉：将0.3 g硅烷偶联剂KH550加入乙醇中，超声醇解4 min，得到醇解液，然后将500 g铝粉加入醇解液中，继续超声处理0.7 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
固化土原料准备：70 kg粘性土、15 kg硅酸盐水泥、15 kg水性环氧树脂乳液、0.13kg改性金属粉、0.035 kg GJL-1土壤固化剂、3.5 kg碱渣、6.5 kg矿渣、3 kg水。
环保型固化土的制备：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取3 kg水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
实施例5
制备改性金属粉：将2 g硅烷偶联剂KH550加入乙醇中，超声醇解4 min，得到醇解液，然后将500 g铝粉加入醇解液中，继续超声处理0.7 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
固化土原料准备：70 kg粘性土、15 kg硅酸盐水泥、15 kg水性环氧树脂乳液、0.13kg改性金属粉、0.035 kg GJL-1土壤固化剂、3.5 kg碱渣、6.5 kg矿渣、3 kg水。
环保型固化土的制备：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取3 kg水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
实施例6
制备改性金属粉：将1 g硅烷偶联剂KH550加入乙醇中，超声醇解4 min，得到醇解液，然后将500 g铝粉加入醇解液中，继续超声处理0.7 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
固化土原料准备：70 kg粘性土、15 kg硅酸盐水泥、15 kg水性环氧树脂乳液、0.13kg改性金属粉、0.035 kg GJL-1土壤固化剂、5 kg碱渣、5 kg矿渣、3 kg水。
环保型固化土的制备：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取3 kg水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
实施例7
制备改性金属粉：将1 g硅烷偶联剂KH550加入乙醇中，超声醇解4 min，得到醇解液，然后将500 g铝粉加入醇解液中，继续超声处理0.7 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
固化土原料准备：70 kg粘性土、15 kg硅酸盐水泥、15 kg水性环氧树脂乳液、0.13kg改性金属粉、0.035 kg GJL-1土壤固化剂、2.5 kg碱渣、7.5 kg矿渣、3 kg水。
环保型固化土的制备：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取3 kg水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
对比例1与实施例3基本相同，不同之处在于：对比例1中改性金属粉所用的硅烷偶联剂为KH560。
对比例2与实施例3基本相同，不同之处在于：对比例2中改性金属粉所用的硅烷偶联剂为KH570。
对比例3与实施例3基本相同，不同之处在于：对比例3中直接向固化土中添加未改性的铝粉。
实施例和对比例所用的水性环氧树脂乳液和碱渣中含有一部分水，所用水性环氧树脂乳液的固含量为25-50%，固化土制备过程中，按照所要求的固化土“最佳含水率”进行原料配制，在水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量不达标的情况下，需要补充额外的水来达到“最佳含水率”的要求，由于固化土中的最佳含水率为行业公知常识，在此不做赘述。
对以上各实施例和对比例所制备的固化土进行性能测试，测试结果如下表所示。
7d无侧限抗压强度/MPa 28d无侧限抗压强度/MPa 冻融循环5次后抗压强度下降率/% 收缩率
实施例1 6.37 14.88 1.05 4.3×10<sup>-4</sup>
实施例2 9.25 17.71 0.87 3.2×10<sup>-4</sup>
实施例3 8.59 16.92 0.95 3.6×10<sup>-4</sup>
实施例4 7.64 14.37 1.38 9.8×10<sup>-4</sup>
实施例5 10.13 18.64 0.66 9.1×10<sup>-4</sup>
实施例6 6.21 14.35 0.94 2.9×10<sup>-4</sup>
实施例7 9.06 17.43 1.21 8.5×10<sup>-4</sup>
对比例1 6.98 14.86 1.27 3.2×10<sup>-4</sup>
对比例2 6.74 14.51 1.30 3.7×10<sup>-4</sup>
对比例3 5.20 13.18 2.65 11.3×10<sup>-4</sup>
从上表可以看出，本申请实施例1-7所制备的环保型固化土的7d无侧限抗压强度达到6.21 MPa以上，28d无侧限抗压强度达到14.35 MPa以上，具有较高的抗压强度。冻融循环5次后抗压强度下降率在1.38%以下，抗冻融性能较好。固化后的收缩率在9.8×10-4以下，具有较好的抗收缩能力，可帮助减少裂缝的产生。
从实施例4与实施例3比较可知，实施例4与实施例3的区别为实施例4中改性金属粉所用的KH550占铝粉的质量比较低，为0.06%，所制备固化土的7d无侧限抗压强度由实施例3的8.59 MPa下降至7.64 MPa，28d无侧限抗压强度由实施例3的16.92 MPa下降至14.37MPa，冻融循环5次后抗压强度下降率由实施例3的0.95%升高至1.38%，收缩率由实施例3的3.6×10-4升高至9.8×10-4。这可能是由于硅烷偶联剂的减少导致铝粉表面接枝的有机基团较少，与环氧树脂发生的键合反应减少，导致交联网络密度下降，强度下降，抗冻融性能下降，而且，硅烷偶联剂用量的减少导致对铝粉的覆盖减少，不利于延缓金属粉与氢氧化物的反应，膨胀过早，不利于弥补后期收缩，导致总体的收缩率上升。
从实施例5与实施例3比较可知，实施例5与实施例3的区别为实施例5中改性金属粉所用的KH550占铝粉的质量比较高，为0.4%，所制备固化土的7d无侧限抗压强度由实施例3的8.59 MPa上升至10.13 MPa，28d无侧限抗压强度由实施例3的16.92 MPa上升至18.64MPa，冻融循环5次后抗压强度下降率由实施例3的0.95%下降至0.66%，收缩率由实施例3的3.6×10-4升高至9.1×10-4。可见，虽然硅烷偶联剂含量的增多有利于提高固化土整体的强度和抗冻融性能，但过多的硅烷偶联剂增加了对铝粉的覆盖，导致铝粉与固化土中氢氧化物反应释放氢气的速度过慢，不足以匹配固化土的收缩速度，使得干缩率较实施例3增加明显。
从实施例6与实施例3比较可知，实施例6与实施例3的区别为实施例6中添加的碱渣量较多，矿渣量较少，碱渣与矿渣的质量比为1:1，所制备固化土的7d无侧限抗压强度由实施例3的8.59 MPa下降至6.21MPa，28d无侧限抗压强度由实施例3的16.92 MPa下降至14.35MPa，收缩率由实施例3的3.6×10-4下降至2.9×10-4。这可能是由于碱渣的增多利于生成更多的钙矾石，弥补体积收缩，导致收缩率下降，但矿渣的减少导致固化土的整体强度降低。
从实施例7与实施例3比较可知，实施例7与实施例3的区别为实施例7中添加的碱渣量较少，矿渣量较多，碱渣与矿渣的质量比为1:3，所制备固化土的7d无侧限抗压强度由实施例3的8.59 MPa上升至9.06MPa，28d无侧限抗压强度由实施例3的16.92 MPa上升至17.43MPa，冻融循环5次后抗压强度下降率由实施例3的0.95%上升至1.21%，收缩率由实施例3的3.6×10-4上升至8.5×10-4。这可能是由于虽然矿渣的增加提高了固化土的强度，但由于碱渣的减少，导致碱渣中的硫酸钙与水泥的水化产物反应生成的钙矾石减少，从而对固化收缩的弥补作用下降，导致收缩率上升。
从对比例1与实施例3比较可知，对比例1与实施例3的区别为对比例1中改性金属粉所用的硅烷偶联剂为KH560，所制备固化土的7d无侧限抗压强度由实施例3的8.59 MPa下降至6.98 MPa，28d无侧限抗压强度由实施例3的16.92 MPa下降至14.86MPa，冻融循环5次后抗压强度下降率由实施例3的0.95%升高至1.27%，收缩率由实施例3的3.6×10-4下降至3.2×10-4。这可能是由于虽然KH560中的环氧基在固化中开环可以对固化土的体积收缩起到有限的弥补作用，但无法与环氧树脂键合，从而不利于形成更为完善的交联网络，导致固化土的整体强度下降，抗冻融能力下降。
从对比例2与实施例3比较可知，对比例2与实施例3的区别为对比例2中改性金属粉所用的硅烷偶联剂为KH570，所制备固化土的7d无侧限抗压强度由实施例3的8.59 MPa下降至6.74 MPa，28d无侧限抗压强度由实施例3的16.92 MPa下降至14.51MPa，冻融循环5次后抗压强度下降率由实施例3的0.95%升高至1.30%。这可能是由于虽然KH570中的双键无法与环氧树脂键合，从而不利于形成更为完善的交联网络，导致固化土的整体强度下降，抗冻融能力下降。
从对比例3与实施例3比较可知，对比例3与实施例3的区别为对比例3中采用未改性的铝粉，所制备固化土的7d无侧限抗压强度由实施例3的8.59 MPa下降至5.20 MPa，28d无侧限抗压强度由实施例3的16.92 MPa下降至13.18MPa，冻融循环5次后抗压强度下降率由实施例3的0.95%升高至2.65%，收缩率由实施例3的3.6×10-4上升至11.3×10-4。这可能是由于铝粉表面未接枝包覆有机基团，无法延缓铝粉的反应时间，膨胀过早，不利于弥补后期收缩，导致收缩率显著上升，不利于裂纹的减少，导致强度下降，抗冻融能力下降。且未改性的铝粉不易与环氧树脂乳液更好地融合，易团聚，无法以接枝的方式固定于交联网络中，固化土的整体强度下降，抗冻融能力下降。
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，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1. 一种环保型固化土，其特征在于：包括如下重量份的各组分：
土60-80份
水泥10-20份
水性环氧树脂乳液10-20份
改性金属粉0.05-0.2份
土壤固化剂0.02-0.05份
填料8-15份
水0-30份。
2.如权利要求1所述的环保型固化土，其特征在于：所述土为砂性土、粘性土中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的环保型固化土，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或两种。
4.如权利要求1所述的环保型固化土，其特征在于：所述改性金属粉中的金属粉为铝粉。
5.如权利要求1所述的环保型固化土，其特征在于：所述改性金属粉所用的改性剂为具有氨基的硅烷偶联剂。
6.如权利要求5所述的环保型固化土，其特征在于：所述硅烷偶联剂占金属粉质量的0.1-0.3%。
7. 如权利要求5所述的环保型固化土，其特征在于：所述改性金属粉的制备方法为：将硅烷偶联剂在乙醇中超声醇解3-5min得到醇解液，然后将金属粉加入醇解液中，继续超声处理0.5-1 h，过滤、洗涤、干燥，得到改性金属粉。
8.如权利要求1所述的环保型固化土，其特征在于：所述填料为碱渣和矿渣的混合物。
9.如权利要求8所述的环保型固化土，其特征在于：所述碱渣和矿渣的质量比为1:1.5-2。
10.如权利要求8所述的环保型固化土，其特征在于：采用如下方法制备而成：
（1）按比例称取各组分，将土、水泥、改性金属粉、土壤固化剂和矿渣拌合均匀得到混合物；
（2）测出水性环氧树脂乳液和碱渣中的含水量，根据含水量取适量的水加入到碱渣中，混合均匀得到混合液，将混合液加入混合物中，搅拌均匀，得到预制浆体；
（3）将水性环氧树脂乳液加入到预制浆体中，混合均匀即可。
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