CN115109597B - 一种土壤固化剂及其制备与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤固化剂，由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺5份～40份，羟丙基甲基纤维素5份～40份，硫酸钙晶须5份～40份，硅酸钠5份～40份，聚合硫酸铁5份～40份，本发明还公开了该土壤固化剂的制备方法，该方法将烘干聚合硫酸铁与聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、硫酸钙晶须、硅酸钠进行混合后研磨过筛得到土壤固化剂，本发明还公开了该土壤固化剂的使用方法，将土壤固化剂、胶凝材料和水与土壤混合，得到固化土壤。本发明的土壤固化剂产生絮凝作用，对土壤进行固化，提高土壤后期强度，增加土壤固化剂的韧性，使土壤颗粒之间聚集的更紧密，提高固化土的强度，可广泛应用于公路工程、建材等领域。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种土壤固化剂及其制备与使用方法。
背景技术
目前我们国家依旧在进行大规模的工程建设，在工程建设中，如果能充分有效利用价格低廉、来源广泛的土壤作为工程材料，则可以在保证工程建设的同时，有效节约砂石的用量，降低工程成本，同时减少对自然资源的破坏，保护生态环境，提高社会生存质量。土壤固化剂是一种可以快速并显著改变土壤物理化学性能、使土壤具有工程特性的一种工程材料。
土壤固化剂又叫土壤固化外加剂，是加入土壤中，通过与无机结合料、土壤和水的物理或化学反应，改善土壤工程性能的外加剂，简称土壤固化剂。其特点是路用技术指标优良、工程造价低、施工方便、缩短工期，尤其是有利于生态环境保护。采用土壤固化剂可以替代大量的石灰、水泥、粉煤灰、碎石、砾石等传统筑路材料，节省资源、能源，节约土地，保护植被，大幅度减少二氧化碳等温室气体的排放量，有利于生态环境保护，经济、环境效益特别明显，是公路工程可持续发展的创新型交通技术之一。土壤固化剂涉及建筑基础、公路建设、堤坝工事等多种领域，而现今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，并能固化其中的重金属等物质。
现有工程中，固化土壤主要是利用水泥、石灰等外加工业废渣和碱性激发剂，得到的固化壤体强度不高，仍然是现有固化土壤所面临的问题。
因此开发一种土壤固化剂及其制备与使用方法在环保、技术、经济等方面都具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种土壤固化剂。该土壤固化剂中聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素通过形成网状结构，在土壤颗粒中产生絮凝作用，对土壤进行固化，同时羟丙基甲基纤维素是缓凝剂，提高土壤后期强度，硫酸钙晶须增加土壤固化剂的韧性，使得固化的土壤在长期的暴晒中保持不破裂，硅酸钠和土壤中的无定形氧化硅形成一定的水化硅酸钙，形成一定的强度，同时起到粘结的作用，聚合硫酸铁作为无机高分子絮凝剂，存在多羟基络离子，对微粒或者是对水中的胶体颗粒起多种混凝作用，从而使土壤颗粒之间聚集的更紧密，增强土壤的结构强度，形成固化的土壤。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种土壤固化剂，其特征在于，该土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺5份～40份，羟丙基甲基纤维素5份～40份，硫酸钙晶须5份～40份，硅酸钠5份～40份，聚合硫酸铁5份～40份。本发明的土壤固化剂中聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素通过形成网状结构，在土壤颗粒中产生絮凝作用，通过粘结和缩小颗粒间距，对土壤进行固化，同时羟丙基甲基纤维素是胶凝材料的缓凝剂，提高土壤后期强度，硫酸钙晶须可增加土壤固化剂的韧性，使得固化的土壤在长期的暴晒中保持不破裂，硅酸钠和土壤中的无定形氧化硅形成一定的水化硅酸钙，形成一定的强度，同时起到粘结的作用，聚合硫酸铁作为无机高分子絮凝剂，存在多羟基络离子，对微粒或者是对水中的胶体颗粒起多种混凝作用，从而使土壤颗粒之间聚集的更紧密，增强土壤的结构强度，形成固化的土壤。
上述的一种土壤固化剂，其特征在于，该土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺15份～20份，羟丙基甲基纤维素10份～20份，硫酸钙晶须20份～40份，硅酸钠15份～20份，聚合硫酸铁15份～20份。
上述的一种土壤固化剂，其特征在于，该土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺15份，羟丙基甲基纤维素15份，硫酸钙晶须40份，硅酸钠15份，聚合硫酸铁15份。
另外，本发明还提供了一种土壤固化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将聚合硫酸铁在烘箱中进行烘干，得到烘干聚合硫酸铁；所述烘干的温度为50℃～60℃；
步骤二、将步骤一中得到的烘干聚合硫酸铁与聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、硫酸钙晶须、硅酸钠进行混合，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料进行研磨，然后进行过筛，将筛下物密封保存，得到土壤固化剂。
本发明通过烘干处理去除聚合硫酸铁中的水分，防止在后续混合过程中提前引入水发生反应，便于后续的研磨过程，通过控制烘干的温度，在实现水分能够去除的前提下也保证了聚合硫酸铁不会变质；通过过筛去除混合料中的大颗粒，控制了土壤固化剂的粒径，保证了使用的效果。
上述的方法，步骤三中所述过筛采用孔径为80μm的方孔筛。本发明通过控制方孔筛的孔径，保证了得到的土壤固化剂的粒径处于80μm以下，得到的土壤固化剂粒径较小，在后续适用于能够充分与土壤混合均匀，利于固化反应。
另外，本发明还提供了一种土壤固化剂的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将胶凝材料掺加到土壤中，得到掺有胶凝材料的土壤；
步骤二、将土壤固化剂掺加到步骤一中得到的掺有胶凝材料的土壤中，得到掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤；
步骤三、将步骤二中得到的掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤充分混合，得到混合土壤；
步骤四、将步骤三中得到的混合土壤中加入水并搅拌均匀，得到混合物料；
步骤五、将步骤四中得到的混合物料进行压实处理，然后进行养护，得到固化土壤。
本发明先将胶凝材料和土壤固化剂依次添加到土壤中并进行混合，使胶凝材料、土壤固化剂和土壤充分混合均匀，便于后续加水后均匀反应，通过在混合土壤中加入水并搅拌均匀使水与胶凝材料和土壤固化剂充分反应，通过压实处理和养护完成对土壤的固化。
上述的方法，步骤一中所述胶凝材料为粉煤灰、石灰和水泥中的一种或两种。本发明通过控制凝胶材料的成分，使本发明的土壤固化剂适用于不同的要求，增大了土壤固化剂的使用范围，满足施工中的不同要求，本发明通过控制土壤的成分，有效的对淤泥等固体废弃物进行改性，不仅能够保护环境，还能使土壤进行有效固化，提高土壤强度，可用于公路工程中土壤固化、非烧结砖制备工艺等多种应用领域。
上述的方法，步骤一中所述胶凝材料的质量为土壤质量的2％～6％。本发明通过控制胶凝材料的质量与土壤固化剂协同共同固化土壤，具有最优的固化效果，防止了胶凝材料加入量过少固化后的土壤硬度过低不足，也防止了胶凝材料的加入量过多影响土壤固化剂的固化效果，并且成本提高的不足。
上述的方法，步骤二中所述土壤固化剂的质量为土壤质量的0.1％～5％。本发明中通过控制土壤固化剂的质量，使得到的固化后的土壤具有不同的硬度范围，适用于不同的固化情况，增大了土壤固化剂的应用范围。
上述的方法，步骤四中所述混合物料中水的质量为土壤质量的12％～20％。本发明通过控制水的质量，保证了水与胶凝材料和土壤固化剂恰好反应，保证了土壤的固化效果。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的土壤固化剂中聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素可通过形成网状结构，在土壤颗粒中产生絮凝作用，通过粘结和缩小颗粒间距，对土壤进行固化，同时羟丙基甲基纤维素是胶凝材料的缓凝剂，提高土壤后期强度。硫酸钙晶须可增加土壤固化剂的韧性，使得固化的土壤在长期的暴晒中保持不破裂，硅酸钠和土壤中的无定形氧化硅形成一定的水化硅酸钙，形成一定的强度，同时起到粘结的作用，聚合硫酸铁作为无机高分子絮凝剂，存在多羟基络离子，对微粒或者是对水中的胶体颗粒起多种混凝作用，从而使土壤颗粒之间聚集的更紧密。
2、本发明不仅能够对土壤进行改性，并能有效的对淤泥、建筑渣土等固体废弃物进行改性，不仅能够保护环境，还能使土壤进行有效固化，提高土壤强度，可用于公路工程中土壤固化、非烧结砖制备工艺等多种应用领域。
3、本发明通过控制凝胶材料的成分，使本发明的土壤固化剂适用于不同的要求，增大了土壤固化剂的使用范围，满足施工中的不同要求。
4、本发明通过控制胶凝材料的质量与土壤固化剂协同共同固化土壤，具有最优的固化效果，通过控制土壤固化剂的质量，使得到的固化后的土壤具有不同的硬度范围，适用于不同的固化情况，增大了土壤固化剂的应用范围，通过控制水的质量，保证了水与胶凝材料和土壤固化剂恰好反应，保证了土壤的固化效果。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例的土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺15份，羟丙基甲基纤维素15份，硫酸钙晶须40份，硅酸钠15份，聚合硫酸铁15份；
本实施例的土壤固化剂的制备包括以下步骤：
步骤一、将聚合硫酸铁在温度为60℃的烘箱中进行烘干，得到烘干聚合硫酸铁；
步骤二、将步骤一中得到的烘干聚合硫酸铁与聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、硫酸钙晶须、硅酸钠进行混合，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料进行研磨，然后进行过筛，将筛下物密封保存，得到土壤固化剂；所述过筛采用孔径为80μm的方孔筛；
本实施例制备的土壤固化剂的使用方法包括以下步骤：
步骤一、将胶凝材料掺加到土壤中，得到掺有胶凝材料的土壤；所述凝胶材料为水泥，所述土壤为粘土；所述胶凝材料的质量为土壤质量的6％；
所述粘土的化学成分如表1所示；
表1
| 原料 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 | TiO2 | 烧失量 |
| 粘土 | 57.33 | 11.91 | 5.75 | 7.87 | 2.13 | 2.36 | 1.33 | 0.15 | 0.78 | 9.19 |
步骤二、将土壤固化剂掺加到步骤一中得到的掺有胶凝材料的土壤中，得到掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤；所述土壤固化剂的质量为土壤质量的2％；
步骤三、将步骤二中得到的掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤充分混合，得到混合土壤；
步骤四、将步骤三中得到的混合土壤中加入水并搅拌均匀，得到混合物料；所述混合物料中水的质量为土壤质量的15.9％；
步骤五、将步骤四中得到的混合物料进行压实处理，然后进行养护7天，得到固化土壤。
将本实施例制备的固化土壤按照JTG E51-2009(T0843)的成型方法和无侧限抗压强度测试方法执行，制备为直径×高度为50mm×50mm的试件，测得该试件未浸水无侧限抗压强度为5.25MPa。
实施例2
本实施例的土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺20份，羟丙基甲基纤维素20份，硫酸钙晶须20份，硅酸钠20份，聚合硫酸铁20份；
本实施例的土壤固化剂的制备包括以下步骤：
步骤一、将聚合硫酸铁在温度为50℃的烘箱中进行烘干，得到烘干聚合硫酸铁；
步骤二、将步骤一中得到的烘干聚合硫酸铁与聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、硫酸钙晶须、硅酸钠进行混合，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料进行研磨，然后进行过筛，将筛下物密封保存，得到土壤固化剂；所述过筛采用孔径为80μm的方孔筛；
本实施例制备的土壤固化剂的使用方法包括以下步骤：
步骤一、将胶凝材料掺加到土壤中，得到掺有胶凝材料的土壤；所述凝胶材料为水泥，所述土壤为粘土，所述粘土的化学成分如表1所示；所述胶凝材料的质量为土壤质量的5.5％；
步骤二、将土壤固化剂掺加到步骤一中得到的掺有胶凝材料的土壤中，得到掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤；所述土壤固化剂的质量为土壤质量的1％；
步骤三、将步骤二中得到的掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤充分混合，得到混合土壤；
步骤四、将步骤三中得到的混合土壤中加入水并搅拌均匀，得到混合物料；所述混合物料中水的质量为土壤质量的15％；
步骤五、将步骤四中得到的混合物料进行压实处理，然后进行养护7天，得到固化土壤。
将本实施例制备的固化土壤按照JTG E51-2009(T0843)的成型方法和无侧限抗压强度测试方法执行，制备为直径×高度为50mm×50mm的试件，测得该试件未浸水无侧限抗压强度为5.17MPa。
实施例3
本实施例的土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺15份，羟丙基甲基纤维素10份，硫酸钙晶须40份；硅酸钠15份，聚合硫酸铁20份；
本实施例的土壤固化剂的制备包括以下步骤：
步骤一、将聚合硫酸铁在温度为55℃的烘箱中进行烘干，得到烘干聚合硫酸铁；
步骤二、将步骤一中得到的烘干聚合硫酸铁与聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、硫酸钙晶须、硅酸钠进行混合，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料进行研磨，然后进行过筛，将筛下物密封保存，得到土壤固化剂；所述过筛采用孔径为80μm的方孔筛；
本实施例制备的土壤固化剂的使用方法包括以下步骤：
步骤一、将胶凝材料掺加到土壤中，得到掺有胶凝材料的土壤；所述凝胶材料为水泥，所述土壤为淤泥；所述胶凝材料的质量为土壤质量的5％；
所述淤泥化学成分如表2所示；
表2
| 原料 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | SO3 | TiO2 | 烧失量 |
| 淤泥 | 58.73 | 13.97 | 5.93 | 3.82 | 2.04 | 2.55 | 1.42 | 0.49 | 0.74 | 10.56 |
步骤二、将土壤固化剂掺加到步骤一中得到的掺有胶凝材料的土壤中，得到掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤；所述土壤固化剂的质量为土壤质量的1％；
步骤三、将步骤二中得到的掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤充分混合，得到混合土壤；
步骤四、将步骤三中得到的混合土壤中加入水并搅拌均匀，得到混合物料；所述混合物料中水的质量为土壤质量的14.2％；
步骤五、将步骤四中得到的混合物料进行压实处理，然后进行养护7天，得到固化土壤。
将本实施例制备的固化土壤按照JTG E51-2009(T0843)的成型方法和无侧限抗压强度测试方法执行，制备为直径×高度为50mm×50mm的试件，测得该试件未浸水无侧限抗压强度为2.25MPa。
实施例4
本实施例的土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺5份，羟丙基甲基纤维素40份，硫酸钙晶须5份，硅酸钠40份，聚合硫酸铁10份；
本实施例的土壤固化剂的制备包括以下步骤：
步骤一、将聚合硫酸铁在温度为53℃的烘箱中进行烘干，得到烘干聚合硫酸铁；
步骤二、将步骤一中得到的烘干聚合硫酸铁与聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、硫酸钙晶须、硅酸钠进行混合，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料进行研磨，然后进行过筛，将筛下物密封保存，得到土壤固化剂；所述过筛采用孔径为80μm的方孔筛；
本实施例制备的土壤固化剂的使用方法包括以下步骤：
步骤一、将胶凝材料掺加到土壤中，得到掺有胶凝材料的土壤；所述凝胶材料为水泥和石灰，所述土壤为粘土，所述粘土的化学成分如表1所示；所述水泥质量为土壤质量的1.5％，石灰质量为土壤质量的0.5％，所述胶凝材料的质量为土壤质量2％；
步骤二、将土壤固化剂掺加到步骤一中得到的掺有胶凝材料的土壤中，得到掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤；所述土壤固化剂的质量为土壤质量的0.1％；
步骤三、将步骤二中得到的掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤充分混合，得到混合土壤；
步骤四、将步骤三中得到的混合土壤中加入水并搅拌均匀，得到混合物料；所述混合物料中水的质量为土壤质量的12％；
步骤五、将步骤四中得到的混合物料进行压实处理，然后进行养护7天，得到固化土壤。
将本实施例制备的固化土壤按照JTG E51-2009(T0843)的成型方法和无侧限抗压强度测试方法执行，制备为直径×高度为50mm×50mm的试件，测得该试件未浸水无侧限抗压强度为1.03MPa。
实施例5
本实施例的土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺40份，羟丙基甲基纤维素5份，硫酸钙晶须10份，硅酸钠40份，聚合硫酸铁5份；
本实施例的土壤固化剂的制备包括以下步骤：
步骤一、将聚合硫酸铁在温度为58℃的烘箱中进行烘干，得到烘干聚合硫酸铁；
步骤二、将步骤一中得到的烘干聚合硫酸铁与聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、硫酸钙晶须、硅酸钠进行混合，得到混合料；所述混合料中
步骤三、将步骤二中得到的混合料进行研磨，然后进行过筛，将筛下物密封保存，得到土壤固化剂；所述过筛采用孔径为80μm的方孔筛；
本实施例制备的土壤固化剂的使用方法包括以下步骤：
步骤一、将胶凝材料掺加到土壤中，得到掺有胶凝材料的土壤；所述凝胶材料为水泥和粉煤灰，所述土壤为淤泥，所述淤泥化学成分如表2所示；所述水泥的质量为土壤质量的5％，所述水泥的质量为土壤质量的1％，所述胶凝材料的质量为土壤质量6％；
步骤二、将土壤固化剂掺加到步骤一中得到的掺有胶凝材料的土壤中，得到掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤；所述土壤固化剂的质量为土壤质量的5％；
步骤三、将步骤二中得到的掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤充分混合，得到混合土壤；
步骤四、将步骤三中得到的混合土壤中加入水并搅拌均匀，得到混合物料；所述混合物料中水的质量为土壤质量的20％；
步骤五、将步骤四中得到的混合物料进行压实处理，然后进行养护7天，得到固化土壤。
将本实施例制备的固化土壤按照JTG E51-2009(T0843)的成型方法和无侧限抗压强度测试方法执行，制备为直径×高度为50mm×50mm的试件，测得该试件未浸水无侧限抗压强度为5.34MPa。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种土壤固化剂，其特征在于，该土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺5份～40份，羟丙基甲基纤维素5份～40份，硫酸钙晶须5份～40份，硅酸钠5份～40份，聚合硫酸铁5份～40份；
所述土壤固化剂的制备包括以下步骤：
步骤一、将聚合硫酸铁在烘箱中进行烘干，得到烘干聚合硫酸铁；所述烘干的温度为50℃～60℃；
步骤二、将步骤一中得到的烘干聚合硫酸铁与聚丙烯酰胺、羟丙基甲基纤维素、硫酸钙晶须、硅酸钠进行混合，得到混合料；
步骤三、将步骤二中得到的混合料进行研磨，然后进行过筛，将筛下物密封保存，得到土壤固化剂。
2.根据权利要求1所述的一种土壤固化剂，其特征在于，该土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺15份～20份，羟丙基甲基纤维素10份～20份，硫酸钙晶须20份～40份，硅酸钠15份～20份，聚合硫酸铁15份～20份。
3.根据权利要求1所述的一种土壤固化剂，其特征在于，该土壤固化剂由以下质量份数的成分组成：聚丙烯酰胺15份，羟丙基甲基纤维素15份，硫酸钙晶须40份，硅酸钠15份，聚合硫酸铁15份。
4.根据权利要求1所述的一种土壤固化剂，其特征在于，步骤三中所述过筛采用孔径为80μm的方孔筛。
5.一种如权利要求1～3中任一权利要求所述土壤固化剂的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将胶凝材料掺加到土壤中，得到掺有胶凝材料的土壤；
步骤二、将土壤固化剂掺加到步骤一中得到的掺有胶凝材料的土壤中，得到掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤；
步骤三、将步骤二中得到的掺有胶凝材料和土壤固化剂的土壤充分混合，得到混合土壤；
步骤四、将步骤三中得到的混合土壤中加入水并搅拌均匀，得到混合物料；
步骤五、将步骤四中得到的混合物料进行压实处理，然后进行养护，得到固化土壤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤一中所述胶凝材料为粉煤灰、石灰和水泥中的一种或两种。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤一中所述胶凝材料的质量为土壤质量的2％～6％。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤二中所述土壤固化剂的质量为土壤质量的0.1％～5％。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤四中所述混合物料中水的质量为土壤质量的12％～20％。
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