CN111303895B - 一种防膨型复合土壤固化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防膨型复合土壤固化剂及其制备方法，该土壤固化剂以水泥、石灰和氯化物作为无机改良剂，水性环氧树脂、碱激发剂、偶联剂、分散剂和稳定剂作为有机改良剂。固化剂分为A、B两组分，其中A组分是固体粉末；B组分为溶液。本发明结合无机膨胀土改良剂和有机膨胀土改良剂的特点，制备了防膨性复合土壤固化剂。无机组分石灰通过置换出吸附在土体颗粒周围的低价阳离子，使固定层界面上的电动电位值明显降低，促进土颗粒间的聚集凝结呈整体，使膨胀土水稳定性和强度提高。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，尤其涉及一种防膨型复合土壤固化剂及其制备方法。
背景技术
膨胀土是一种高涨缩性的土，其颗粒组成主要由亲水性较强的矿物伊利石和蒙脱土组成，具有较强的吸湿性，吸湿后土体膨胀软化，失水后收缩开裂，使膨胀土地区的建筑、铁路、公路、机场、水利工程等经常遭受巨大的破坏。我国每年因膨胀土造成的经济损失达1000多亿元，因此改良膨胀土成为亟需解决的问题。目前，国内外出现了多种膨胀土改良方法，主要有物理改良法、化学改良法、保湿法、换土法和生物改良法。其中，化学改良法是通过向膨胀土中掺入化学改良剂，使改良剂与膨胀土内的矿物发生化学反应，从而破坏矿物结构，提高膨胀土强度、减弱膨胀土的涨缩性已达到工程要求。化学改良法又分为无机改性剂改良法和有机改性剂改良法。无机改性剂改良法主要是采用水泥、粉煤灰、石灰、工业废渣等掺入到膨胀土中，使膨胀土双电层厚度降低进而达到膨胀土的涨缩性减弱的效果，但是该方法在拌和过程中费时费力，且容易造成环境污染。有机改良剂改良法是指向膨胀土中添加中和剂、磺化油、丙烯酸盐系列、环氧树脂系列等，使改良剂在土中发生聚合反应，形成不溶于土的高分子聚合物，改善膨胀土的的抗压及涨缩性能，但该方法工程费用往往较高，不适合大规模使用。因此，研究适于推广应用的防膨型土壤固化剂，对减少工程建设损失具有重要的意义。
本发明制备一种防膨型复合土壤固化剂，通过有机改良剂和无机改良剂复配，有效地结合两种改良剂的特点，制备出价格低廉、环境友好、力学性能强、水稳定性好、防膨性高的复合土壤固化剂。无机组分水泥水化反应产生的Ca2+与土颗粒阳离子进行离子交换，使大量的土颗粒形成较大的土团。团粒化的结果使得土体更加密实，颗粒链接更加紧密，使强度也更大。石灰通过置换出吸附在土体颗粒周围的低价阳离子，使固定层界面上的电动电位值明显降低，促进土颗粒间的聚集凝结呈整体，使膨胀土水稳定性和强度提高。膨胀土中蒙脱土是吸水膨胀性最强的组分，但蒙脱土的晶层上下都是氧离子，晶层之间通过“氧桥”连接，这种连接里很弱，水分子和其他阳离子很容易进入从而使晶层间距扩大。氯化物含有大量的阳离子，能嵌入晶层中将水分子挤出，重新形成连接力较强的阳离子键，从而抑制土的水化膨胀作用。有机组分中分散剂分子溶于水发生电离，亲水基团朝向土颗粒，长碳链疏水基团一致朝外，吸附在土颗粒表面的结合水被基础，并在土粒表面形成一层疏水包裹膜。碱激发剂用于激发水泥和石灰与膨胀土颗粒之间离子交换、水化、凝胶团聚等化学反应。稳定剂通过大分子链上正电基团与带负电荷的土颗粒间静电引力来抑制土颗粒分散和运移，起到稳定土颗粒或土微粒的作用。水性环氧乳液长链分子能交换到土颗粒表面产生屏蔽作用，减少土颗粒中的吸附水，提高土颗粒间的粘结力。疏水偶联剂在土颗粒表面形成疏水层，阻隔土颗粒的膨胀吸水。
发明内容
本发明的目的是提供一种防膨型复合土壤固化剂及其制备方法，该土壤固化剂以水泥、石灰和氯化物作为无机改良剂，水性环氧树脂、碱激发剂、偶联剂、分散剂和稳定剂作为有机改良剂。
为了实现上述的发明目的，本发明所提供的具体技术方案如下：
一种防膨性复合土壤固化剂分为A、B两组分，其中A组分是固体粉末，原料配比为水泥：石灰：氯化物质量比为1:0.5～2:0.005～0.01；B组分为溶液，水性环氧树脂40～65份，碱激发剂10～30份，偶联剂0.5～2份，分散剂0.5～1份，稳定剂0.5～5份。
一种防膨性复合土壤固化剂用于固化膨胀土时，配合比为膨胀土90～98份，A组分2～10份，B组分0.02～0.1份。
一种防膨性复合土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.将水泥、石灰和氯化物按配比准确称量后机械搅拌30min；
S2.水性环氧树脂制备：在80～100℃下，将适量的引发剂缓慢滴加到丙烯酸改性环氧中，升温至180℃反应3～5h后加入一定量的环氧树脂继续反应，60～80℃下滴加去离子水，直至变为水性环氧树脂乳液；
S3稳定剂制备：在25～50℃恒温水浴中，向三口烧瓶中加入一定量的环氧氯丙烷，然后缓慢滴加胺溶液。滴加完毕后，将温度升至60～75℃，加入交联剂和引发剂，搅拌反应2～5h。反应完成后降温冷却，与80℃真空干燥箱中干燥；
S4.称步骤S3制备稳定剂溶液缓慢滴加到步骤S2制备水性环氧树脂乳液中，室温搅拌1h后，依次加入碱激发剂、分散剂和偶联剂，继续高速搅拌2～5h，既得防膨性土壤固化剂B组分；
所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中任意一种或多种。
所述石灰为生石灰。
所述氯化物为氯化钾、氯化钠、氯化钙或氯化铝中任意一种或多种。
所述环氧树脂为E51或E44中任意一种。
所述丙烯酸改性环氧丙烯酸环氧共聚乳液。
所述引发剂是过硫酸铵、异丙苯过氧化氢、过硫酸钾、过硫化氢等中的任意一种或多种。
所述胺溶液是甲胺、二甲胺、四乙烯五胺等中的任意一种或多种。
所述交联剂选自乙二胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸丙烯酯、聚乙二醇二缩水甘油醚、二乙烯基苯或二异氰酸酯中任意一种或多种。
所述碱激发剂选自硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝中任意一种或多种。
所述分散剂选自十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵等系列阳离子型表面活性剂中的一种或多种。
所述偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中任意一种或多种含有疏水基团的偶联剂。
本发明结合无机膨胀土改良剂和有机膨胀土改良剂的特点，制备了防膨性复合土壤固化剂。无机组分石灰通过置换出吸附在土体颗粒周围的低价阳离子，使固定层界面上的电动电位值明显降低，促进土颗粒间的聚集凝结呈整体，使膨胀土水稳定性和强度提高。有机组分中分散剂分子溶于水发生电离，亲水基团朝向土颗粒，长碳链疏水基团一致朝外，吸附在土颗粒表面的结合水被基础，并在土粒表面形成一层疏水包裹膜。碱激发剂用于激发水泥和石灰与膨胀土颗粒之间离子交换、水化、凝胶团聚等化学反应。稳定剂通过大分子链上正电基团与带负电荷的土颗粒间静电引力来抑制土颗粒分散和运移，起到稳定土颗粒或土微粒的作用。水性环氧乳液长链分子能交换到土颗粒表面产生屏蔽作用，减少土颗粒中的吸附水，提高土颗粒间的粘结力。疏水偶联剂在土颗粒表面形成疏水层，阻隔土颗粒的膨胀吸水。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
准确称量水泥、石灰和氯化物后机械搅拌30min，其中水泥：石灰：氯化钾的质量比为1:0.5:0.007.
将稳定剂缓慢滴加到水性环氧树脂乳液中，室温搅拌1h后，依次加入碱激发剂、分散剂和偶联剂，继续高速搅拌5h，其中自制水性环氧树脂40份，硅酸钠10份，γ-氨丙基三乙氧基硅烷0.6份，十八烷基三甲基氯化铵0.5份，自制稳定剂0.7份。
实施例2
准确称量水泥、石灰和氯化物后机械搅拌30min，其中水泥：石灰：氯化钾的质量比为1:0.5:0.007.
将稳定剂缓慢滴加到水性环氧树脂乳液中，室温搅拌1h后，依次加入碱激发剂、分散剂和偶联剂，继续高速搅拌5h，其中自制水性环氧树脂50份，硅酸钠15份，γ-氨丙基三乙氧基硅烷0.6份，十六烷基三甲基氯化铵0.5份，自制稳定剂0.7份。
实施例3
准确称量水泥、石灰和氯化物后机械搅拌30min，其中水泥：石灰：氯化钾的质量比为1:0.5:0.007.
将稳定剂缓慢滴加到水性环氧树脂乳液中，室温搅拌1h后，依次加入碱激发剂、分散剂和偶联剂，继续高速搅拌4h，其中自制水性环氧树脂50份，硅酸钙15份，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷0.6份，十六烷基三甲基氯化铵0.8份，自制稳定剂0.7份。
实施例4
准确称量水泥、石灰和氯化物后机械搅拌30min，其中水泥：石灰：氯化钾的质量比为1:0.5:0.007。
将稳定剂缓慢滴加到水性环氧树脂乳液中，室温搅拌1h后，依次加入碱激发剂、分散剂和偶联剂，继续高速搅拌4h，其中自制水性环氧树脂60份，硅酸钙20份，γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷1份，十六烷基三甲基氯化铵0.8份，自制稳定剂1份。
将实施例1～4所得固化土进行自由膨胀率和无侧限抗压强度测试，固化土配合比为：膨胀土96份，固化剂A组分4份，固化剂B组分0.02份。
自由膨胀率测试：取适量的土样置于烘箱中烘至质量恒定，取出碾碎，过5mm筛，分两份，一份作为素膨胀土，另一份添加土壤固化剂。按干土质量百分比计算出所需的土壤固化剂A组分和B组分，均匀拌合后放入塑料袋中密封一昼夜，取出于105～110℃的烘箱中烘干，并置于干燥器中冷却至室温以备试验所用。按《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)进行自由膨胀率试验，试样高度为78mm，直径为39.1mm，每组试验制6组平行试样。
无侧限抗压强度测试：根据《无机结合料稳定材料试验规程》试验操作方法，制作径高比1:1的圆柱形试件。细粒土，试模的直径*高＝50mm*50mm；中粒土，试模的直径*高＝100mm*100mm；粗粒土，试模的直径*高＝150mm*150mm。利用标准养生方法进行7d的标准养生，龄期最后一天浸水。为保证试验结果的可靠性和准确性，每组试件不少于6个。
测试结果如表1所示：
| 测试内容 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例 |
| 自由膨胀率/％ | 18.56 | 20.21 | 11.69 | 9.07 | 41.37 |
| 7d无侧限抗压强度/MPa | 1.26 | 1.24 | 1.52 | 1.68 | 0.83 |
对比例为膨胀土96份，固化剂A组分4份。
从表1可以看出，本发明制备的防膨型复合土壤固化剂具有较好的抑制膨胀土水化膨胀反应的作用，同时能加强固化后土壤的抗压强度。
Claims (3)
1.一种防膨性复合土壤固化剂用于固化膨胀土的应用，其特征在于：防膨性复合土壤固化剂分为A、B两组分，其中A组分是固体粉末，原料配比为水泥：石灰：氯化物质量比为1:0.5~2:0.005~0.01；B组分为溶液，水性环氧树脂40~65份，碱激发剂10~30份，偶联剂0.5~2份，分散剂0.5~1份，稳定剂0.5~5份；
用于固化膨胀土时，配合比为膨胀土90~98份，A组分2~10份，B组分0.02~0.1份；
防膨性土壤固化剂的制备包括以下步骤，
S1. 将水泥、石灰和氯化物按配比准确称量后机械搅拌30min，即得A组分；
S2. 水性环氧树脂制备：在80~100℃下，将适量的引发剂缓慢滴加到丙烯酸改性环氧中，升温至180℃反应3~5h后加入一定量的环氧树脂继续反应，60~80℃下滴加去离子水，直至变为水性环氧树脂乳液；
S3 稳定剂制备：在25~50℃恒温水浴中，向三口烧瓶中加入一定量的环氧氯丙烷，然后缓慢滴加胺溶液；滴加完毕后，将温度升至60~75℃，加入交联剂和引发剂，搅拌反应2~5h；反应完成后降温冷却，于80℃真空干燥箱中干燥；
S4. 将步骤S3制备稳定剂溶液缓慢滴加到步骤S2制备水性环氧树脂乳液中，室温搅拌1h后，依次加入碱激发剂、分散剂和偶联剂，继续高速搅拌2~5h，即得防膨性土壤固化剂B组分；
所述水泥为硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥；
所述石灰为生石灰；
所述氯化物为氯化钾；
所述环氧树脂为E51或E44中任意一种；
所述丙烯酸改性环氧为丙烯酸环氧共聚乳液；
所述引发剂是过硫酸铵、异丙苯过氧化氢、过硫酸钾、过硫化氢中的任意一种或多种；
所述胺溶液是甲胺、二甲胺、四乙烯五胺中的任意一种或多种；
所述交联剂选自乙二胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸丙烯酯、聚乙二醇二缩水甘油醚、二乙烯基苯或二异氰酸酯中任意一种或多种；
偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
2.根据权利要求1所述的一种防膨性复合土壤固化剂用于固化膨胀土的应用，其特征在于：所述碱激发剂选自硅酸钠、硅酸钙、硅酸铝中任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种防膨性复合土壤固化剂用于固化膨胀土的应用，其特征在于：所述分散剂选自十八烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂中的一种或多种。
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