CN115058083A - 基于废弃covid-19口罩的土工材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于废弃COVID‑19口罩的土工材料及其制备方法和应用。本发明合理利用废弃COVID‑19口罩和工业废弃物硅灰，得到具有防渗保湿功能的防水土工布和具有治本消胀功能的复合改良材料，将防水土工布和复合改良材料应用于膨胀土路基工程中，不仅可以降低膨胀土的塑性及胀缩性，提高硅灰改良膨胀土的延展性和柔韧性，还可以阻碍路基内外部水分迁移重布和局部积聚，同时解决了废弃COVID‑19口罩和硅灰的堆积和处理问题。

Description

基于废弃COVID-19口罩的土工材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及道路工程领域，尤其适用于我国具有周期性干湿-冻融循环现象的季冻区路基工程建设，具体是一种基于废弃COVID-19口罩的土工材料及其制备方法和应用。
背景技术
膨胀土是一种具有强胀缩性、多裂隙性和强度易衰变性的高塑性黏土。但是由于其分布范围较广，是我国路基工程不得不就地采用建筑材料，存在大范围隐藏灾害性，具有“工程癌症”之称。出现这种问题的根本原因在于膨胀土富含亲水性黏土矿物成分，如蒙脱石、伊利石等，在路基含水状态变化时极易发生吸水膨胀、失水收缩现象，严重降低路基工程的服役性能，如果不做前期处理而将其直接应用于路基工程建设中，势必引起路基差异沉降、失稳变形、路面开裂和局部塌陷等一系列路基路面病害。
目前，国内外相关学者、工程设计和施工单位通常采用物理置换处理方法和化学材料改良固化方法来尽量抵制膨胀土路基病害频发问题，并一致认为：(1)换填法是较为理想的物理处理方式，能够起到治本消胀效果，但有时会因非膨胀性的优质路基填料运输距离较远、经济成本过大等原因根本无法实现；(2)将水泥、石灰等传统的化学改良剂与膨胀土混合使用，通过一系列水化反应和火山灰反应来降低土体的膨胀性及塑性，同时提高土体的强度是国内外广泛采用的经典方法，但是该类化学改良材料的生产往往会伴随着较为严重的环境污染问题，已然不符合低碳、绿色发展理念。
冶炼金属硅或硅铁所产生的硅灰是一种粒径较小的粉末状工业废弃物，主要成分为SiO2(≥90％)，具有活性高、比表面积大以及火山灰属性明显的特征。目前，文献CN108385662A中提出了一种基于硅灰改良膨胀土性质的方法，该方法在一定程度上虽能降低膨胀土的胀缩性，但同时也会显著降低土体的延展性和柔韧性，极易导致膨胀土路基结构在循环交通动荷载作用下发生突然性垮塌现象。上述硅灰改良膨胀土的方法虽然在一定程度上降低了膨胀土路基土体的体变对水分变化的敏感性，提高了土体的刚度、强度，但是当面临自然降水和地下水位变化时路基内部势必会发生不均匀的水分迁移和局部积聚现象，这将导致硅灰改良膨胀土路基结构的稳定性大大折扣，仍存在较大的湿化软化“水毁”灾变风险。因此，如何从根本上遏制外界水分的侵入以及减缓路基内部水分迁移是路基工程长期服役性能研究方向的热点。
2020年全球新冠疫情爆发后，COVID-19口罩几乎成为每个人出行的标配，也因此产生了极大量的废弃COVID-19口罩，这无疑给废弃物回收处理单位带来史无前例的压力与挑战。单只COVID-19口罩按照质量百分比约由23％的憎水性纺粘无纺布(外层)、24％的熔喷布(中层)、23％的亲水性纺粘无纺布(内层)、22％的耳带和8％的鼻夹共5部分组成。典型的COVID-19口罩的内中外三层材料的基体均为超细聚丙烯(PP)纤维制成，倘若①直接丢弃于自然环境中，聚丙烯会随时间的推移逐渐老化、分解，最终变成难以过滤分离的微塑料颗粒，整个自然降解过程大约需要400～500年，极易引发一系列“口罩污染”问题；②直接快速焚烧处理势必造成大面积的空气污染，严重破坏生态环境，违背低碳环保理念。因此，寻求能够切实有效解决废弃COVID-19口罩大量堆积问题的方法和技术是世界各国面临的共性难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于废弃COVID-19口罩的土工材料及其制备方法和应用。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤1、废弃COVID-19口罩的回收与处理；
步骤2、将处理后的废弃COVID-19口罩进行拆分，拆分为憎水性纺粘无纺布、熔喷布、亲水性纺粘无纺布、耳带和鼻夹；
步骤3、将若干块憎水性纺粘无纺布经机械加工直接组装成防水土工布；或将憎水性纺粘无纺布经机械粉碎形成憎水性纺粘无纺布纤维，再通过常规非织造工艺将憎水性纺粘无纺布纤维加工成防水土工布；
将熔喷布经粉碎加工形成熔喷布纤维，亲水性纺粘无纺布经粉碎加工形成亲水性纺粘无纺布纤维，耳带经粉碎加工形成耳带纤维，鼻夹经粉碎加工形成鼻夹颗粒；熔喷布纤维、亲水性纺粘无纺布纤维、耳带纤维和鼻夹颗粒组成COVID-19口罩产物；再将COVID-19口罩产物与硅灰充分混合，制成具有治本消胀功能的复合改良材料，用于膨胀土的改良。
本发明解决所述土工材料技术问题的技术方案是，提供一种所述基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法得到的土工材料，其特征在于，该土工材料包括防水土工布和复合改良材料。
本发明解决所述应用技术问题的技术方案是，提供一种基于废弃COVID-19口罩的土工材料的应用，其特征在于，将防水土工布和复合改良材料应用于膨胀土路基工程中，实现对膨胀土路基的加固：将复合改良材料与膨胀土充分混合，得到改良膨胀土；再分层填筑最优含水状态下的改良膨胀土，然后压实，形成改良膨胀土路基；再将防水土工布分别铺设于改良膨胀土路基的顶部和底部。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明合理利用废弃COVID-19口罩和工业废弃物硅灰，得到具有防渗保湿功能的防水土工布和具有治本消胀功能的复合改良材料。
(2)本发明的复合改良材料不仅可以降低膨胀土的塑性及胀缩性，还能消耗膨胀土内部的亲水性矿物成分(如蒙脱石和伊利石)，弥补硅灰改良膨胀土的低延展性、低柔韧性的处理缺陷，提高土体的强度、刚度、延展性及柔韧性，提高土体抵抗交通动荷载的能力，避免路基结构发生突然性坍塌问题。
(3)本发明的防水土工布和复合改良材料能够分别阻碍外界水分入侵和路基内部水分迁移，保障膨胀土路基内部含水率长期处于健康湿度状态，有效解决运营期路基结构湿化软化难题，避免路基结构水毁灾变的发生。
(4)本发明充分、合理利用了废弃COVID-19口罩和工业废弃物硅灰，实现了生活和工业废弃物的资源化再利用，解决两大废弃物的堆积和处理问题；本发明能够以较低成本创造较高收益，从源头上降低膨胀土路基的“建维养”费用。因此，本发明不仅环保意义和经济效益显著，而且具有广阔的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明的土工材料的制备流程图；
图2为COVID-19口罩的结构图；
图3为本发明的由憎水性纺粘无纺布经经机械高密度缝合形成的防水土工布的结构图；
图4为应用本发明的土工材料形成的道路结构的全断面示意图。
图中，憎水性纺粘无纺布1、熔喷布2、亲水性纺粘无纺布3、耳带4、鼻夹5、缝合线6、地基7、防水土工布8、改良膨胀土路基9、基层及底基层10、沥青面层11、降雨入渗12、水分迁移13、地下水位14、地下毛细水15、水分吸附16。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。
本发明提供了一种基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法(简称制备方法)，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤1、废弃COVID-19口罩的回收与处理；
优选地，步骤1中，废弃COVID-19口罩的回收中，按照使用人群的不同，将废弃COVID-19口罩划分为以下三类：I类为普通健康人使用过的口罩；II类为医务工作者、非新冠患者及其接触者使用过的口罩；III类为新冠病毒确诊病例或疑似病例使用过的口罩。
优选地，步骤1中，废弃COVID-19口罩的处理中，分别采用不同的方法对上述三类废弃COVID-19口罩进行消毒处理：对于I类采用喷洒75％酒精消毒；对于II类采用高压蒸汽灭菌(在压力103～137kPa、温度121～126℃下灭菌15～30min)或化学消毒(凝固蛋白消毒剂)；对于III类采用有效氯1000～2000mg/L的消毒水浸泡20～30min。
步骤2、将处理后的废弃COVID-19口罩进行拆分，拆分为憎水性纺粘无纺布1、熔喷布2、亲水性纺粘无纺布3、耳带4和鼻夹5；
优选地，步骤2中，憎水性纺粘无纺布1具有防水作用；熔喷布2经电晕驻极或水驻极注入了正电荷，具有长期静电吸附作用，可中和膨胀土黏土颗粒中的负电荷；亲水性纺粘无纺布3具有吸湿作用。
步骤3、根据各组分的材料属性和功能特征，对已拆分的废弃COVID-19口罩进行重组：一组为憎水性纺粘无纺布1；另一组由熔喷布2、亲水性纺粘无纺布3、耳带4和鼻夹5组成。
将若干块憎水性纺粘无纺布1经机械加工直接组装形成一定幅度(视路基截面尺寸而定)、一定厚度、符合工程强度要求的具有防渗保湿功能的防水土工布8；或将憎水性纺粘无纺布1经机械粉碎形成一定目数的憎水性纺粘无纺布纤维，再通过常规非织造工艺将憎水性纺粘无纺布纤维加工成一定幅度(视路基截面尺寸而定)、一定厚度、符合工程强度要求的具有防渗保湿功能的防水土工布8；
将熔喷布2经粉碎加工形成一定目数的熔喷布纤维，亲水性纺粘无纺布3经粉碎加工形成一定目数的亲水性纺粘无纺布纤维，耳带4经粉碎加工形成耳带纤维，鼻夹5经粉碎加工形成鼻夹颗粒；熔喷布纤维、亲水性纺粘无纺布纤维、耳带纤维和鼻夹颗粒组成COVID-19口罩产物；再将COVID-19口罩产物与硅灰充分混合，制成具有治本消胀功能的复合改良材料，用于膨胀土的改良；
优选地，步骤3中，憎水性纺粘无纺布1的机械加工工艺为：将若干个憎水性纺粘无纺布1沿长、宽和厚度方向经机械高密度缝合成防水土工布8；且长、宽方向上相邻两个憎水性纺粘无纺布1之间通过缝合线6进行缝合，缝合宽度为8～12mm。
优选地，步骤3中，复合改良材料中，硅灰的质量分数为74％～83％，COVID-19口罩产物的质量分数为17％～26％；优选地，硅灰的质量分数为75％～80％，COVID-19口罩产物的质量分数为20％～25％；优选地，硅灰与COVID-19口罩产物的质量比为4:1。
优选地，步骤3中，COVID-19口罩产物中，熔喷布纤维的质量分数为5％～8％，亲水性纺粘无纺布纤维的质量分数为5％～7％，耳带纤维的质量分数为5％～8％，鼻夹颗粒的质量分数为2％～3％。更优选地，复合改良材料中，硅灰的质量分数为80％，熔喷布纤维的质量分数为5.95％，亲水性纺粘无纺布纤维的质量分数为5.75％，耳带纤维的质量分数为5.55％，鼻夹颗粒的质量分数为2.75％，有助于材料的充分回收利用。
优选地，步骤3中，硅灰的基本物理参数为：颜色为灰白色，粒径为0.1～1.0μm，容重为1800～2000kg/m3，比表面积为16m2/g，pH为7.8；化学成分及其质量百分比为：SiO2(96％)、Al2O3(1.9％)、Fe2O3(1.4％)、MgO(0.4％)、CaO(0.3％)。
优选地，步骤3中，硅灰改良膨胀土的内在机理包括：首先发生阳离子的交换，再发生絮凝及团聚，具体表现为：①膨胀土黏粒双层结构中的一价阳离子(如钠离子和钾离子)很容易被硅灰中的二价阳离子(如钙离子和镁离子)置换出来，导致双层结构中电荷之间的库仑力增大，拉近了两个黏粒之间的距离，减小了扩散的双层结构厚度，进而降低了土体的塑性指数和胀缩特性；②硅灰遇水易絮凝形成偏硅酸胶体团粒，并与黏土颗粒团聚在一起，导致塑性较高的细粒土结构转变为塑性较低的粗粒土结构，这种土体结构的转变，势必增大土颗粒之间的摩擦力，进而提高土体抗剪强度。
本发明同时提供了一种所述基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法得到的土工材料，其特征在于，该土工材料包括防水土工布8和复合改良材料。
本发明同时提供了一种所述基于废弃COVID-19口罩的土工材料的应用，其特征在于，将防水土工布8和复合改良材料应用于膨胀土路基工程中，实现对膨胀土路基的加固：将复合改良材料与膨胀土充分混合，得到改良膨胀土；再分层填筑最优含水状态下的改良膨胀土，然后压实，形成改良膨胀土路基9；再将防水土工布8分别铺设于改良膨胀土路基9的顶部和底部。
优选地，对膨胀土路基的加固的具体施工方法如下：
S1、将防水土工布8水平铺设于地基7的上方，防水土工布8的两边各留出0.5～1.0m进行端部锚固(与地基7进行锚固)，防止后续施工过程中防水土工布8产生滑移，进而造成改良膨胀土路基9产生滑移，同时防止外界水分侵入；
优选地，S1中，所述地基7是将天然地基的地表土进行清除处理，清除厚度不小于300mm；清除后进行机械碾压，满足公路工程相关规范的地基承载力要求，形成地基7；
S2、将复合改良材料与膨胀土采用传统搅拌机拌合进行充分混合，得到改良膨胀土；再分层填筑最优含水状态下的改良膨胀土，然后压实，形成改良膨胀土路基9；
优选地，S2中，复合改良材料的质量为膨胀土质量的4％～8％；分层填筑的单层压实厚度控制在30cm以下；根据实际选择合适型号的压实机进行现场施工，控制目标压实度为90％～96％。
S3、在改良膨胀土路基9的上方水平铺设防水土工布8，防水土工布8的两边各留出0.5～1.0m进行端部锚固(与改良膨胀土路基9进行锚固)，防止后续施工过程中防水土工布8产生滑移，进而造成基层及底基层10和沥青面层11产生滑移，同时防止外界水分侵入。
优选地，S1和S3中，锚固方法采用专用锚固钉法或常规的预挖凹槽填埋法。
优选地，该施工方法还包括：S4、在防水土工布8上方铺设路面结构；所述路面结构包括基层及底基层10和沥青面层11；先在防水土工布8上方铺设基层及底基层10，控制目标压实度为90％～96％；再在基层及底基层10上方铺设沥青面层11。
本发明还提供了一种包含所述改良膨胀土路基9好防水土工布8的道路结构，该道路结构自上而下包括沥青面层11、基层及底基层10、防水土工布8、改良膨胀土路基9、防水土工布8和地基7。
路基运营后土工材料的功能实现过程：
运营期路基势必会经历周期性的干湿循环过程。当遇到降雨入渗12时，改良膨胀土路基9顶部的防水土工布8可以有效阻碍雨水的入渗，此时会在路面结构的基层及底基层10中发生水分迁移13排出；当地下毛细水15上升时，改良膨胀土路基9底部的防水土工布8同样可以有效阻碍水分的侵入，从而保持运营期改良膨胀土路基9内部含水率长期处于健康湿度状态，起到防渗保湿的作用。
运营期路基势必会经历周期性的冻融循环过程。当环境温度骤降至负温时，与外界环境直接接触的改良膨胀土路基9土中液态水分最先遇冷凝结形成固态冰晶，此时土体内的吸力增大，并与改良膨胀土路基9内部土体之间形成一定的吸力差，在该吸力梯度的牵引作用下，改良膨胀土路基9内部土体会发生向外的水分迁移13，此时亲水性纺粘无纺布纤维具有吸湿作用会主动进行水分吸附16，保障改良膨胀土路基9内部含水状态的均一性，从而有效解决改良膨胀土路基9与路面结构、地基7交界处的锅盖效应和水囊效应。
运营期路基中的复合改良材料具有改性固化、加筋、静电吸附和吸水的功能。硅灰能够降低膨胀土的塑性及胀缩性，同时可以提高土体的刚度、强度；熔喷布纤维、亲水性纺粘无纺布纤维、耳带纤维和鼻夹颗粒可作为加筋体使膨胀土具有良好的延展性和柔韧性，同时填充土颗粒之间的孔隙结构；熔喷布纤维带有正电荷，可中和膨胀土黏土颗粒中的负电荷，削弱膨胀土遇水膨胀的体变行为，起到治本消胀的作用。
实施例1
本实施例中，憎水性纺粘无纺布1、熔喷布2、亲水性纺粘无纺布3均采用聚丙烯，耳带4采用氨纶，鼻夹5采用聚乙烯。
憎水性纺粘无纺布1、熔喷布2和亲水性纺粘无纺布3的长×宽均为175mm×95mm，耳带4的长度为165～175mm，鼻夹5的宽度为3～5mm。
憎水性纺粘无纺布1经机械粉碎形成憎水聚丙烯纤维，再通过常规纺织工艺将憎水聚丙烯纤维进行加工，形成防水土工布8；熔喷布2、亲水性纺粘无纺布3、耳带4和鼻夹5经粉碎加工形成驻极聚丙烯纤维、亲水聚丙烯纤维、氨纶纤维和聚乙烯颗粒。其中，熔喷布2和亲水性纺粘无纺布3形成直径为10～20μm、长度为50mm的聚丙烯纤维，耳带4形成直径为10～20μm、长度为50mm的氨纶纤维，鼻夹5形成平均粒径为15μm的聚乙烯颗粒。
膨胀土的基本物理特性指标为：比重为2.68，最优含水率为24.56％，最大干重度为18.89kN/m3，液限为55％，塑限为25％，塑性指数为30，黏粒含量为40％，粉粒含量为45％，砂粒含量为15％，自由膨胀率为75％，根据《膨胀土地区建筑技术规范(GB 50112-2013)》规定，该土体为中膨胀土。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
步骤1、废弃COVID-19口罩的回收与处理；
步骤2、将处理后的废弃COVID-19口罩进行拆分，拆分为憎水性纺粘无纺布、熔喷布、亲水性纺粘无纺布、耳带和鼻夹；
步骤3、将若干块憎水性纺粘无纺布经机械加工直接组装成防水土工布；或将憎水性纺粘无纺布经机械粉碎形成憎水性纺粘无纺布纤维，再通过常规非织造工艺将憎水性纺粘无纺布纤维加工成防水土工布；
将熔喷布经粉碎加工形成熔喷布纤维，亲水性纺粘无纺布经粉碎加工形成亲水性纺粘无纺布纤维，耳带经粉碎加工形成耳带纤维，鼻夹经粉碎加工形成鼻夹颗粒；熔喷布纤维、亲水性纺粘无纺布纤维、耳带纤维和鼻夹颗粒组成COVID-19口罩产物；再将COVID-19口罩产物与硅灰充分混合，制成具有治本消胀功能的复合改良材料，用于膨胀土的改良。
2.根据权利要求1所述的基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，废弃COVID-19口罩的回收中，按照使用人群的不同，将废弃COVID-19口罩划分为以下三类：I类为普通健康人使用过的口罩；II类为医务工作者、非新冠患者及其接触者使用过的口罩；III类为新冠病毒确诊病例或疑似病例使用过的口罩；
废弃COVID-19口罩的处理中，分别采用不同的方法对上述三类废弃COVID-19口罩进行消毒处理：对于I类采用喷洒75％酒精消毒；对于II类采用高压蒸汽灭菌或化学消毒；对于III类采用有效氯1000～2000mg/L的消毒水浸泡20～30min。
3.根据权利要求1所述的基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，憎水性纺粘无纺布的机械加工工艺为：将若干个憎水性纺粘无纺布沿长、宽和厚度方向经机械高密度缝合成防水土工布；且长、宽方向上相邻两个憎水性纺粘无纺布之间通过缝合线进行缝合，缝合宽度为8～12mm。
4.根据权利要求1所述的基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，复合改良材料中，硅灰的质量分数为74％～83％，COVID-19口罩产物的质量分数为17％～26％。
5.根据权利要求1或4所述的基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，COVID-19口罩产物中，熔喷布纤维的质量分数为5％～8％，亲水性纺粘无纺布纤维的质量分数为5％～7％，耳带纤维的质量分数为5％～8％，鼻夹颗粒的质量分数为2％～3％。
6.一种权利要求1-5任一所述基于废弃COVID-19口罩的土工材料的制备方法得到的土工材料，其特征在于，该土工材料包括防水土工布和复合改良材料。
7.一种权利要求6所述基于废弃COVID-19口罩的土工材料的应用，其特征在于，将防水土工布和复合改良材料应用于膨胀土路基工程中，实现对膨胀土路基的加固：将复合改良材料与膨胀土充分混合，得到改良膨胀土；再分层填筑最优含水状态下的改良膨胀土，然后压实，形成改良膨胀土路基；再将防水土工布分别铺设于改良膨胀土路基的顶部和底部。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，对膨胀土路基的加固的具体施工方法如下：
S1、将防水土工布铺设于地基的上方，防水土工布的两边预留进行端部锚固；
S2、将复合改良材料与膨胀土充分混合，得到改良膨胀土；再分层填筑最优含水状态下的改良膨胀土，然后压实，形成改良膨胀土路基；
S3、在改良膨胀土路基的上方铺设防水土工布，防水土工布的两边预留进行端部锚固。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，S1中，地基是将天然地基的地表土进行清除处理，清除厚度不小于300mm；清除后进行机械碾压，满足公路工程相关规范的地基承载力要求，形成地基；
S2中，复合改良材料的质量为膨胀土质量的4％～8％；分层填筑的单层压实厚度控制在30cm以下；根据实际选择合适型号的压实机进行现场施工，控制目标压实度为90％～96％；
S1和S3中，锚固方法采用专用锚固钉法或常规的预挖凹槽填埋法。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，该施工方法还包括：S4、在防水土工布上方铺设路面结构；所述路面结构包括基层及底基层和沥青面层；先在防水土工布上方铺设基层及底基层，控制目标压实度为90％～96％；再在基层及底基层上方铺设沥青面层。
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