一种环保无机土壤固化外加剂的制作方法
【专利摘要】本发明是一种环保无机土壤固化外加剂，包括以下质量的组成成分：硫酸盐15～65％、卤化盐15～65％、磷酸盐11～40％、硅酸盐5～30％、碳酸盐0～25％、碱性氧化物0～18％、木质素磺酸盐0～10％。本发明材料在土壤里各组分具有直接或间接地发生土粒表面化学改性、土粒间物质的改性、促进胶体凝胶物质的产生和各种晶体结构物质生成的特点。随时间的推移固化土壤逐步出现如钙矾石针状结晶体、磷灰石结晶体等硬化骨架，土壤固化抗压强度、憎水性、透水性、重金属等有害物质稳定性等物理、化学固化等效果好，能适应各种气候、地理、土质，兼容性强，对重金属等有害物质的稳化固化效果明显。
【专利说明】
一种环保无机土壤固化外加剂
技术领域
[0001] 本发明属于土壤固化材料技术领域，具体涉及土壤固化外加剂。
【背景技术】
[0002] 目前的土壤固化外加剂有石灰水泥类无机固化剂、矿渣类干粉土壤固化剂、高聚 类离子土壤固化剂、有机酶蛋白土壤固化剂、有机无机结合的固化剂等，它们的材料组成和 作用原理各自不同，效果差异大。
[0003] 我国的土壤固化剂的研发较国外起步较晚，很多土壤固化剂技术单一地引进美、 日等发达国家，虽然自主或共同研发了很多适合我国国情的土壤固化剂，并取得了一些成 果，但是，目前国内外的土壤固化外加剂在土壤固化剂的研究与应用领域仍然存在着若干 不足的问题。
[0004] 现有的土壤固化剂普遍存在兼容性不够强的问题，大多对粘土的固化效果较好， 由于自然界的土质复杂多变，土壤组成、结构、矿物成分和化学成分往往因成土条件的不同 而不同，导致土壤固化剂的固化性能有很大差异，出现土壤固化剂的使用效果不很理想。目 前各个土壤固化剂的厂家或研发机构没有能研发出明确能适应多种复杂实际情况的土壤 固化外加剂。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种环保无机土壤固化外加剂，通过 其材料组分在土壤里直接作用或间接地发生土粒表面化学改性、土粒间物质的改性、促进 胶体凝胶物质的产生和生成各种晶体结构物质，达到比同类土壤固化剂在土壤固化抗压强 度、憎水性、透水性、重金属等有害物质稳定性等物理、化学固化方面更高的效果，体现其兼 容性强，能适应各种气候、地理、土质，同时可明显减少水泥、石灰等的用量，对重金属等有 害物质的稳化固化效果明显。
[0006] 本发明在研制土壤固化外加时，充分考虑到土壤固化的针对性和兼容性问题，突 出其兼容性强的特点，从而使土壤固化剂具有较大的应用范围和充分发挥土壤固化外加剂 的较好效果。
[0007] 本发明提出的环保无机土壤固化外加剂的技术方案如下：
[0008] -种环保无机土壤固化外加剂，包括以下质量百分比的组分:硫酸盐15~65%、卤 化盐15~65%、磷酸盐11~40%、硅酸盐5~30%、碳酸盐0~25%、碱性氧化物0~18%、木 质素磺酸盐〇~10%。
[0009] 优选地，所述硫酸盐20~40%、卤化盐30~45%、磷酸盐11~15%、硅酸盐5~ 15%、碳酸盐0~5%、碱性氧化物0~15%、木质素磺酸盐0~8%。
[0010] 硫酸盐选自硫酸铁、硫酸铝、硫酸钠、硫酸镁的无水或含水粉状物中的至少一种； 卤化盐选自氯化钙、氯化镁、氯化铁、氯化铵的无水或含水粉状物中的至少一种;磷酸盐选 自磷酸三钠、偏磷酸钠、磷酸二氢钾的无水或含水粉状物中的至少一种;硅酸盐选自硅酸 钠、偏硅酸钠、硅酸钾的无水或含水粉状物中的至少一种。
[0011] 进一步，所述碱性氧化物的质量百分比为1~5%，所述碱性氧化物选自氧化钙、氧 化镁、苦土石灰的无水粉状物中的至少一种。
[0012] 进一步，所述木质素磺酸盐的质量百分比为1~8%，选自木质素磺酸钙和/或木质 素磺酸钠。
[0013] 进一步，所述碳酸盐的质量百分比为2~5%，碳酸盐为无水碳酸钠的粉状物。
[0014] 本发明所述环保土壤固化外加剂通过混合搅拌获得，其物理性质为固体粉状或液 态，固体粉状物的含水量W± 2 · 0%，密度D±0 · 3~0 · 8g/cm3，80μπι方孔筛筛余不大于15%。
[0015] 本发明所述环保土壤固化外加剂在使用时的加入量为0.2~0.6%。
[0016] 优选地，所述土壤固化外加剂在制备时投料要按一定的先后顺序，边搅拌边投料， 投料顺序和搅拌时间为：
[0017] (1)先投入卤化物搅拌3-8分钟；
[0018] (2)再加入硫酸盐搅拌10-15分钟，观测有无升温现象，若有温度升高，待其温度恢 复到摄氏30°C以下进入下列程序；
[0019] (3)进一步加入活性剂木质素磺酸盐，搅拌10-20分钟；
[0020] (4)继续加入碱性氧化物搅拌10-20分钟，观察有无升温现象，如温度升高，待温度 回归30°C以下再进入下列程序；
[0021] (5)再加入硅酸盐搅拌10-25分钟；
[0022] (6)最后加入磷酸盐和碳酸盐，搅拌10-30分钟，待罐内产品沉降稳定后，即得产 品，储存或包装。
[0023]优选地，采用化工粉体搅拌机对原料进行混合搅拌，混合搅拌的方式旋流提升式， 即将原料从下往上旋流式提升，混合料至顶部后自然散落。
[0024]本发明基于考虑不同地区土质不同的现状，同时考虑到土壤重金属污染严重等问 题，提出的环保无机土壤固化外加剂使用地区广，固化土壤种类宽，并且稳化固化重金属效 果好。以下对本发明中各材料的选取和作用机理、效果进行说明：
[0025] 本发明采用的硫酸盐如硫酸铁、硫酸铝等，在土壤中经过水解反应自身水解成胶 凝物质（如氢氧化铁、氢氧化铝等），或与土壤中某一组分的反应生成化学键链接并胶凝土 壤颗粒。并且，硫酸铝水解的氢氧化铝还可以与土壤中的酸或碱发生反应生成盐和水，以两 性氢氧化物的特性调节土壤的酸碱性，这对本发明中其他材料组分的固化有促进作用。另 外，硫酸铁与硫酸铝的水解产物还有极强的络合土壤中重金属的作用，对重金属的稳定化 提供优良环境
[0026] 本发明采用的卤化物如氯化钙、氯化镁、氯化铵等，主要用于改变土粒及胶团表面 的电位，水解后的钙、镁、铵离子等与土粒或胶团表面的负电结合，阻断带有正电位的极性 水分子与土粒等结合，达到消除结合水及减薄双电层的作用，缩小土粒间的距离，易于土粒 结团和增强固化土的密实度。同时，部分钙、镁离子还参与凝胶物质的形成和晶体纤维结构 的组成。使用时，本发明中的氯离子与辅料水泥的某些组分或水泥水化相之间发生化学反 应，生成Friedel盐，Friedel晶体盐(C3ACaC12 · 10H20)具固化作用可提高固化土强度。本 发明中的氯化钙、氯化镁水化时的氯离子可与本发明中的硫酸盐的硫酸根争夺C3A而发生 化学反应生成钙矾石(AFt)，成为固化土的晶体结构框架的重要组成元素。本发明中氯盐还 可促进水泥初期的体积膨胀，由此充填固化土的空隙而提高固化强度。
[0027]本发明的磷酸盐在固化土处于一定碱性状态下发生水合作用，磷酸盐与本发明中 的钙离子、氯离子发生多种反应生成氯基磷石灰、羟基磷石灰、重金属羟基磷石灰等。磷酸 盐与其他材料组分发生的一系列化学反应，不仅加强晶体结构的形成以强化土壤的固化强 度，同时对土壤中的重金属等有害物起到牢固的稳定化效果。
[0028]本发明使用的硅酸盐在土壤固化过程中，与硫酸盐、卤化物等硬化剂发生反应生 成胶凝、再加上与土壤中的沙粒结成固结层而固化。硅酸盐与本发明报的其他组分相互催 化(改性）而加强土壤的固化强度。硅酸钠可以与氯化钙水化反应生成硅酸凝胶，硅酸凝胶 具有吸收土壤中水分的作用，使土壤处于膨胀状态而促使固结。
[0029] 以上的硫酸盐、硅酸盐、磷酸盐复合体可视为本土壤固化外加剂的改性剂，对本发 明中的卤盐起到一定的抗卤作用，能够提高土粒间胶凝物质的生成，和晶体结构网络的形 成，有助于维护固化土及周边环境的保护。
[0030] 进一步，本发明使用的碳酸盐在土壤固化中起碳酸化作用，碳酸盐水解生成的碳 酸与土壤中的游离氢氧化钙、钙离子产生不溶于水的碳酸钙，使得土壤的分散度降低，强度 得到提高，并增加土壤的渗透性，同时具有调节土壤酸碱度的作用。
[0031] 本发明使用的碱性氧化物有加强胶体物质产生和稳定土壤pH值的效果，为本发明 的其他组分的化学改性催化建立适宜的反应环境，直接或间接达到增加土壤固化的目的。
[0032] 本发明使用的木质素磺酸盐在制备时起到分散剂的作用，易于产品搅拌均匀。同 时作为减水剂可大幅度地降低土壤的水化，从而降低空隙率以增强固化土的密实度，提高 固化土的强度和抗渗性。
[0033] 本发明的各种材料水解过程中会释放化学热，在加快各反应速度和效果的同时， 能促进土壤中水分向外蒸发，使土壤水分降低，改善土壤内部的密实度和粒间物质的稠度 而利于颗粒凝结团粒化，增大固化土的密实度和硬度。
[0034]本发明在土壤固化运用过程中，对土壤中的重金属有稳定化固化作用，对放射物 也可降低辐射的作用，可作为处理重金属污染的土壤、固废、建筑垃圾等的重金属稳化固化 剂使用。根据污染物所含重金属的种类，适当调节本发明中各成份的质量百分比，能更有效 的达到稳化固化作用。
[0035]本发明的材料通过各种化学反应，外加剂自身水化生成胶凝性物质，同时与固化 土壤中的不同组分物质发生反应生成化学键链接并胶凝土壤颗粒，对土壤间的胶体微粒流 失严重的灰沙土固化作用明显，具有自身胶体凝胶功能强的优势，固化灰沙土透水保水效 果突出，但抗压强度不及沙土粘土级配的固化土。并且，本发明生成的胶凝物质具有多样化 的特点，相比单一或少样胶凝物质的固化剂其充填效果更明显，凝胶干硬后的孔隙少增强 固化土的物理性能。
[0036]本发明的土壤固化外加剂早期固化强度明显，压实率高，固化土吸水性好。
[0037] 本发明因材料都选择的无机盐类为主，所固化后的固化土没有有机固化剂的降 解、老化、分化的缺点，具有固化稳定性好、寿命长、耐用、后期维护费用低等优点。
[0038] 可见，本发明不管从材料组成或作用机理上都与现在的固化剂在材料种类、配合 和效果上存在显著区别，其优点如下：
[0039] 1、本土壤固化外加剂可以弥补黄河流域、西部、东北部分地区的缺乏土粒间凝胶 物质的灰沙土固化难的不足，本发明可自身产生多种凝胶物质、充当沙粒间流失的胶体的 作用而达到固化功能，提高沙土的固化强度的效果。
[0040] 2、本土壤固化外加剂综合兼容性广，生产简单易控，成本低廉，材料调节性强，环 保性强、性价比高。可适用于对各种砂质土、黏质土、壤土、尾矿、建筑垃圾和各种淤泥等等 的处理。可用做道路建设、护坡、水利、新农村建设、机场基层、平场、景观道路、校园操场、跑 道、夯土建筑、沙雕、土雕，还可用于制作免烧砖、免烧板材、免烧成型件等。还可用于重金属 污染的土壤、废固、淤泥等的重金属稳化固化。另外，适当调节组成成份的配合也可用于对 土壤的修复。
[0041] 3、本土壤固化外加剂采用多种固态粉状材料，使用时在少量的无机结合料如水 泥、石灰、水和空气中的二氧化碳、土壤中固有的化学物质等的参与下，根据材料直接和部 分材料逐级化学改性的原理，逐渐完成化学分解、化合、置换、复分解、氧化还原、水解、水合 等反应，完成土粒及土壤的疏水、粘合、结晶、结块等过程，最终体现土壤改性达到土壤固 化、重金属稳定化等的目的。本土壤固化剂在土壤固化应用时，一剂同时具有如下化学机理 和效果：
[0042] (1)具有离子交换和中和反应的效果。
[0043]本发明的土壤固化剂可以对土壤中土粒矿物的粒子表面发生表面化学改性，消除 或降低土粒粒子之间的互相排斥的状态，本固化剂与水作用后产生的Ca2+、Mg2+、Fe 2+或Al3+ 等正价金属离子能与土胶粒表面吸附层中的Na+、K+等离子进行交换，中和土壤中的负电荷， 从而降低土胶粒电势，减薄土胶粒双电层的厚度，使土颗粒相互靠近产生凝聚。本发明尤其 突出体现通过土粒表面化学改性而改变土粒对极性水分子的结合，达到土粒的疏水效果。
[0044] (2)具有胶凝材料的水解与水化反应效果。
[0045]本土壤固化外加剂中的凝胶材料和土壤等物资中固有的可凝胶化的物质，加入土 壤后在水作用下产生各种连续化学反应生成凝胶状的水化物，如水化硅酸盐、水化铝酸盐、 铁铝酸盐或氢氧化物等相关凝胶物质，这些物质包围土壤颗粒，在这些水化物中有的自行 继续硬化形成骨架，有的与土颗粒作用生成络合物，最终相互连接形成稳定的空间网状结 构，增强土粒间的粘结强度和稳定性。
[0046] (3)本土壤固化外加剂的成份与土壤颗粒的结晶反应。
[0047]本土壤固化外加剂与土壤混合后，其中的部分不溶成分和可溶成分，与辅料水泥 中的组成成份（如硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等）发生化学反应生成 Friedel晶体盐和水化硫铝酸钙(钙矾石AFT)，促进并强化土壤的矿物质结晶反应，形成更 多的细晶结构、隐晶结构和粗晶结构，如生成钙矾石针状结晶体、磷灰石结晶体等。同时也 可将土壤中重金属稳定化、固化与土壤中。也可使少部分自由水以结晶水的形式固定下来。 水化反应生成的结晶体可使土壤材料的体积增加，有效地填充土团粒间的孔隙，使固化土 变得相对致密。此外，多种针状晶体、三维多晶体等交错穿插于土团粒中，起显微加筋的作 用，增加固化土的强度。
【具体实施方式】
[0048]以下通过实施例对本发明的具体组成和使用效果等作进一步说明：
[0049]下表是本环保土壤固化外加剂的具体制备实施例(每例以总量100kg计）
[0051 ]以上实施例在生产时采用化工原料固体粉碎机、化工粉体搅拌机(旋流提升式）、 闭路吸尘器、自动包装机等设置，投入料时要按一定的先后顺序和材料量的准确、边搅拌边 加入。生产环境应该严格控制室内湿度、保持干燥。
[0052]投料顺序和搅拌时间为：
[0053] (1)先投入卤化物搅拌3-8分钟；
[0054] (2)再加入硫酸盐搅拌10-15分钟，观测有无升温现象，若有温度升高，待其温度恢 复到摄氏30°C以下进入下列程序；
[0055] (3)进一步加入活性剂木质素磺酸盐，搅拌10-20分钟；
[0056] (4)继续加入碱性氧化物搅拌10-20分钟，观察有无升温现象，如温度升高，待温度 回归30°C以下再进入下列程序；
[0057] (5)再加入硅酸盐搅拌10-25分钟；
[0058] (6)最后加入磷酸盐和碳酸盐，搅拌10-30分钟，待罐内产品沉降稳定后，即得产 品，储存或包装。
[0059] 以上实施例得到的产品是固态(粉体）。根据需要也可以制作液态产品，其制作方 是按上述顺序，先投入到35质量％的纯净水里，水不溶物禁止使用。同样观察温度的变化， 冷却、沉淀、滤过，最终液态产品组成物质要求均匀状态、不应有沉淀(S ± 2.0 % )。
[0060] 本土壤固化剂的性能指标如下:检测试件凝结时间影响系数比多100%、无侧限抗 压强度比彡120%、水稳系数比彡105%。
[0061 ]使用时，依据国家的CJ/T 486-2015等相关的标准要求加入少许水泥或石灰与土 拌合使用。在实际运用中，本土壤固化外加剂：水泥（石灰）：土壤的质量％如下：0.2~ 0.6% :3~6% :96.7~93.4%。使用中必须严格按照国家相关施工工艺指导准侧实施。 [0062]本土壤固化剂也可以预先按一定比例与各种土壤混合均匀后一起干燥粉碎成各 种粉状土，直接用于道路、平场、墙体、艺术品、装饰材料等。
[0063] 本土壤固化剂按照CJ/T486 - 2015、JTG E51 -2009的标准要求，所作出的土样块及 现场施工的检测均达到或超过上述国家的标准和要求。
[0064]下表是部分实施例的样块抗压试验结果
[0066] 下表是使用本发明后的重金属稳化样块检测结果（云南某环保检测机构协助检 测）
[0067]
[0068]可见，本发明是一种兼容性广、土壤固化物理性强、对所用的主料及辅料(水泥、石 灰等）、土壤中的有害物质的稳化固化效果好的环保土壤固化外加剂。
【主权项】
1. 一种环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，包括以下质量百分比的组分:硫酸盐15 ~65%、卤化盐15~65%、磷酸盐11~40%、娃酸盐5~30%、碳酸盐O~25%、碱性氧化物O ~18%、木质素磺酸盐0~10% ; 所述硫酸盐选自硫酸铁、硫酸铝、硫酸钠、硫酸镁的无水或含水粉状物中的至少一种； 所述卤化盐选自氯化钙、氯化镁、氯化铁、氯化铵的无水或含水粉状物中的至少一种； 所述磷酸盐选自磷酸三钠、偏磷酸钠、磷酸二氢钾的无水或含水粉状物中的至少一种； 所述硅酸盐选自硅酸钠、偏硅酸钠、硅酸钾的无水或含水粉状物中的至少一种。2. 根据权利要求1所述的环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，所述硫酸盐20~ 40%、卤化盐30~45%、磷酸盐11~15%、硅酸盐5~15%、碳酸盐0~5%、碱性氧化物0~ 15%、木质素磺酸盐0~8%。3. 根据权利要求2所述的环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，所述碱性氧化物的质 量百分比为1~15%，所述碱性氧化物选自氧化钙、氧化镁、苦土石灰的无水粉状物中的至 少一种。4. 根据权利要求3所述的环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，所述木质素磺酸盐的 质量百分比为1~8%，选自木质素磺酸钙和/或木质素磺酸钠。5. 根据权利要求4所述的环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，所述碳酸盐的质量百 分比为2~5%，碳酸盐为无水碳酸钠的粉状物。6. 根据权利要求1-5之任意一项所述的环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，所述环 保土壤固化外加剂通过混合搅拌获得，其物理性质为固体粉状或液态，固体粉状物的含水 量W± 2.0%，密度D±0.3~0.8g/cm3，80μπι方孔筛筛余不大于15%。7. 根据权利要求1-5之任意一项所述的环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，所述环 保土壤固化外加剂在使用时的加入量为0.2~0.6%。8. 根据权利要求4所述的环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，所述土壤固化外加剂 在制备时投料要按一定的先后顺序，边搅拌边投料，投料顺序和搅拌时间为： 先投入卤化物搅拌3-8分钟； 再加入硫酸盐搅拌10-15分钟，观测有无升温现象，若有温度升高，待其温度恢复到摄 氏30°C以下进入下列程序； 进一步加入活性剂木质素磺酸盐，搅拌10-20分钟； 继续加入碱性氧化物搅拌10-20分钟，观察有无升温现象，如温度升高，待温度回归30 °(：以下再进入下列程序； 再加入娃酸盐搅拌10-25分钟； 最后加入磷酸盐和碳酸盐，搅拌10-30分钟，待罐内产品沉降稳定后，即得产品，储存或 包装。9. 根据权利要求8之任意一项所述的环保无机土壤固化外加剂，其特征在于，采用化工 粉体搅拌机对原料进行混合搅拌，混合搅拌的方式旋流提升式，即将原料从下往上旋流式 提升，混合料至顶部后自然散落。
【文档编号】C09K17/46GK105950157SQ201610598697
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月27日
【发明人】松田勤
【申请人】松田勤