高寒地区路基湿度调控的疏水型凝胶材料及制备与应用

本发明属于胶凝材料领域，特别涉及高寒地区路基湿度调控的疏水型凝胶材料及制备与应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、高寒高海拔地区受温度和海拔变化的影响，公路路基建设和运维面临着极大的挑战。高寒地区公路沿线季冻土的活动深度约在4m以内，底部温度约−3.2℃-0℃，冻融循环作用对路基影响强烈。路基结构本身以及富含毛细孔径的路基土，在毛细作用和温度梯度的共同作用下，路基内部发生水分迁移，冻结形成片状的冰透镜体，路基发生冻胀分离，同时，其融化后造成路基富水翻浆等病害。路基的冻融循环严重影响了地区道路的使用寿命，增加了道路养护成本。传统改良方法主要以提高路基强度为目的，采用填料改良、施工优化等方法来进行改善，但高寒地区生态系统敏感脆弱，一旦遭到破坏将极难恢复，大范围的碎石换填难以规避对周围环境影响。

3、因此，急需解决高寒地区公路路基服役期间受干湿循环及冻融循环的影响出现的病害问题。

技术实现思路

1、为了解决高寒地区公路路基服役期间受干湿循环及冻融循环的影响出现的病害问题，本发明提出了一种高寒地区路基湿度调控的疏水型凝胶材料及其应用方法。本发明在高寒地区填筑路基缺少料石等材料的情况下，就地取材，从路基疏水方面开展减小路基冻害的研究，深入分析了高寒地区公路路基服役性能损伤演化机理，提出路基全生命周期服役韧性提升技术。本发明将有机硅材料的疏水性能与固废胶凝材料的粘合性相结合，用于改良路基土壤性质，有机硅材料与土颗粒接触时形成一种超疏水膜，钢渣基岩土固化剂又使膜与土颗粒紧密连接形成致密稳定结构，可以在路基外部水分试图流入路基时将其排开，实现“平衡湿度”的主动调控，这也就减少了路基内部土壤的自由水补给，确保了地区路基不受干湿循环及冻融循环的影响，同时提高了地区路基土内部结构的稳定性，使得地区路基始终处于合理健康的服役状态，进而减少了地区公路病害的发生。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面，提供了一种高寒地区路基湿度调控的疏水型凝胶材料，由如下重量份的原料组成：纳米型疏水材料0.5-1份、钢渣基岩土固化剂90-95份；

4、纳米型疏水材料0.5-1份、钢渣基岩土固化剂90-95份；

5、所述纳米型疏水材料由如下重量份的原料组成：甲基硅酸钠溶液5-8份、硅烷改性剂6-20份、乙二醇0.5-1份、纳米硅溶胶50-100份；

6、所述钢渣基岩土固化剂由如下重量份的原料组成：钢渣微粉14-16份、矿渣5-7份、脱硫石膏7-9份。

7、其中，甲基硅酸钠溶液中的主要成分是甲基硅酸钠，甲基硅酸钠是一种有机化合物，分子式为ch5sio3na，为无色液体，相对密度1.23-1.26，是刚性建筑防水材料，具有良好的渗透结晶性。其分子结构中的硅醇基可与硅酸盐材料中的硅醇基反应脱水交联，从而实现“反毛细管效应”形成优异的憎水层，同时具有微膨胀、增加密实度功能。常用作混凝土、石灰石、石膏制品、红砖、砂石、粉刷、灰泥、砖瓦等材料的防水剂。

8、硅烷改性剂是含有硅键的有机化合物，其分子结构在一端含有活性基团，可以与材料表面活性基团发生化学反应，将硅烷分子与材料表面结合在一起，形成化学键。在另一端，则含有疏水基团，能够使材料表面产生疏水性改变，从而影响材料的特性。

9、硅烷改性剂的改性原理为：硅烷改性剂通过在材料表面形成疏水性层，能够提高材料的耐水性、耐高温性和耐磨性等性能。硅烷改性剂广泛应用于建筑材料、塑料、橡胶、涂料等领域。在建筑材料领域，硅烷改性剂可以用于改善水泥的抗渗性、减少龟裂和提高耐久性。

10、乙二醇又名甘醇、1,2-亚乙基二醇。化学式为(ch2oh)2，是最简单的二元醇。乙二醇是无色无臭、有甜味液体，对动物有低毒性，乙二醇能与水、丙酮互溶，但在醚类中溶解度较小。用作溶剂、防冻剂。

11、乙二醇在防冻剂中的作用原理主要基于：乙二醇具有降低水的冰点温度的特性，通过与水混合，乙二醇能够降低水从液态转化到固态所需的温度，从而防止水在低温下结冰。具体来说，乙二醇与水相互作用，降低了水的自由度，使其更难以形成冰晶。例如，20%的乙二醇溶液能够降低水的冰点温度至-9℃，而30%v/v的乙二醇溶液能够降低水的冰点温度至-20℃。当乙二醇的含量为68%v/v时，冰点可降低至-68℃。

12、纳米硅溶胶属胶体溶液，无臭、无毒。硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液。硅溶胶中的sio2（二氧化硅）含有大量的水及羟基。制备硅溶胶有不同的途径。最常用的方法有离子交换法、硅粉一步水解法、硅烷水解法等。硅溶胶具有一定量成膜溶解的特性，其耐水性、耐热性能明显优于有机涂料。涂膜致密且较硬，不产生静电，空气中各种尘埃难粘附。纳米硅溶胶中细微的颗粒，对基层有较强的渗透力，能通过毛细管渗透到基层内部，并能与混凝土基层中的氢氧化钙反应生成硅酸钙，具有较强的粘结力。

13、本发明的钢渣基岩土固化剂为全固废胶凝材料。其中，钢渣是炼钢过程中的一种副产品。它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。钢渣含有多种有用成分（以质量百分数计）：金属铁2%-8%，氧化钙40%-60%，氧化镁3%-10%，氧化锰1%-8%，故可作为钢铁冶金原料使用。钢渣的矿物组成以硅酸三钙为主，其次是硅酸二钙、铁酸二钙和游离氧化钙。钢渣为熟料，是重熔相，熔化温度低。重新熔化时，液相形成早，流动性好。钢渣分为电炉钢渣、平炉钢渣和转炉钢渣。

14、钢渣通过磨细加工，使工业废渣的活性提高并作为一种混凝土用掺合料进入混凝土的第6组分——矿物细掺料。细磨加工不仅使渣粉颗粒减小，增大其比表面积，使渣粉中的f-cao（游离氧化钙）进一步水化以提高渣粉稳定性，还伴随着钢渣晶格结构及表面物化性能变化，使粉磨能量转化为渣粉的内能和表面能，提升钢渣胶凝性。

15、矿渣是在高炉炼铁过程中的副产品。在炼铁过程中，氧化铁在高温下还原成金属铁，铁矿石中的二氧化硅、氧化铝等杂质与石灰等反应生成以硅酸盐和硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经过淬冷成质地疏松、多孔的粒状物，即为高炉矿渣，简称矿渣。

16、矿渣的化学成分有cao（氧化钙）、sio2、al2o3（三氧化二铝）、mgo（氧化镁）、mno（氧化锰）、fe2o3（三氧化二铁）等氧化物和少量硫化物如cas（硫化钙）、mns（硫化锰）等，一般来说，cao、sio2和al2o3的含量占90%以上。矿渣的化学成分与水泥的化学成分基本相同，只不过cao含量较低，而sio2含量偏高，另外，在cao含量较高的碱性矿渣中还含有硅酸二钙等成分，所以矿渣本身具有微弱水硬性。

17、脱硫石膏又称排烟脱硫石膏、硫石膏，主要成分和天然石膏一样，为caso4·2h2o（二水硫酸钙），含量≥93wt%。脱硫石膏是fgd（烟道气脱硫）过程的副产品，fgd过程是一项采用石灰-石灰石回收燃煤或油的烟气中的二氧化硫的技术。该技术是把石灰-石灰石磨碎制成浆液，使经过除尘后的含so2（二氧化硫）的烟气通过浆液洗涤器而除去so2。石灰浆液与so2反应生成硫酸钙及亚硫酸钙，亚硫酸钙经氧化转化成硫酸钙，得到工业副产石膏，称为脱硫石膏，广泛用于建材等行业。

18、脱硫石膏粉与一般石膏粉的区别在于物理成分的不同，脱硫石膏粉中还含有二氧化硅，氧化钠，碳酸钙，亚硫酸钙，石灰石，氯化钙，氯化镁等。与其它石膏粉相比较，脱硫石膏粉具有可再生，粒度小，成分稳定，有害杂质含量少，纯度高等特点。

19、基于上述纳米型疏水材料及钢渣基岩土固化剂，本发明还针对疏水型胶凝材料中所需的硅烷改性剂等成分进行了探究，经验证，所述硅烷改性剂为十七氟癸基三甲氧基硅烷和二甲基二氯硅烷的混合物，二者的质量比为1-5：5-15时，疏水型胶凝材料的疏水性显著提升，产生了协同效果。

20、为了提供一种稳定的甲基硅酸钠溶液，本发明对甲基硅酸钠溶液的制备方法进行了研究，优选的，所述甲基硅酸钠溶液的制备方法包括：

21、将硅酸钠溶于水，使其水解，得到硅酸溶胶；

22、将所述硅酸溶胶与甲醇混合，加热至90℃-95℃进行反应，反应完成后加水，过滤，即得。

23、硅酸钠，俗称泡花碱，是一种无机物，化学式为na2o·nsio2，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿黏合剂。它是一种可溶性的无机硅酸盐，具有广泛的用途。

24、按照物态可分为液态硅酸钠和固态硅酸钠两大类。液态硅酸钠是根据石英砂与碱的不同比例及碱的不同种类加以区分的，外观呈现粘稠液体，不同牌号颜色有明显差异，从无色变化到灰黑。固态硅酸钠是一种中间产品，外观大多呈现淡蓝色。干法浇铸成型的na2o·nsio2为块状且透明，湿法水淬成型的na2o·nsio2为颗粒状，转化成液体na2o·nsio2才能使用。

25、甲醇（methanol）又称羟基甲烷、木醇或木精，是一种有机化合物，是结构最为简单的饱和一元醇，其化学式为ch3oh/ch4o。分子量为32.04，沸点为64.7℃。甲醇有“木醇”与“木精”之名，甲醇很轻、挥发性强、无色、易燃，并有与乙醇（饮用酒）非常相似的气味。但不同于乙醇，甲醇毒性大，不可以饮用。通常用作溶剂、防冻剂、燃料或乙醇变性剂，亦可用于经过酯交换反应生产生物柴油。

26、为了提供一种甲基硅酸钠溶液，本发明对所述硅酸钠与甲醇的比例进行探究。优选的，所述硅酸钠与甲醇的质量比为1-2：4。

27、为了提供一种稳定的纳米硅溶胶，本发明对纳米硅溶胶的制备方法进行了研究，优选的，所述纳米硅溶胶的制备方法包括：

28、将单质硅在氢氧化钠存在下与水进行水化反应，待反应完成后，进行静置处理，过滤，即得。

29、硅是一种化学元素，化学符号是si。原子序数为14，相对原子质量为28.0855。它是一种硬而脆的结晶固体，是四价准金属和半导体。有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，iva族的类金属元素。

30、硅也是极为常见的一种元素，在自然界通常以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。它以各种形式的二氧化硅（硅酸盐）或硅酸盐广泛分布在尘埃，沙粒，类行星和行星中。地壳中90％以上是硅酸盐矿物，使硅成为地壳中含量第二高的元素（按质量计约为28％），仅次于氧。

31、氢氧化钠，也称苛性钠、烧碱、火碱、片碱，是一种无机化合物，化学式naoh，相对分子量为39.9970。

32、氢氧化钠具有强碱性，腐蚀性极强，可作酸中和剂、配合掩蔽剂、沉淀剂、沉淀掩蔽剂、显色剂、皂化剂、去皮剂、洗涤剂等，用途非常广泛。

33、为了提供一种纳米硅溶胶，本发明进一步的对所述单质硅、氢氧化钠和水的比例进行探究。优选的，所述单质硅、氢氧化钠和水的质量比为5-10：10-20：20-30。

34、本发明的第二个方面，提供了一种上述的高寒地区路基湿度调控的疏水型凝胶材料的制备方法，包括：

35、将甲基硅酸钠溶液、硅烷改性剂、乙二醇、纳米硅溶胶混合均匀，得到纳米型疏水材料；

36、将钢渣微粉、矿渣、脱硫石膏混合均匀，得到钢渣基岩土固化剂；

37、将所述纳米型疏水材料与钢渣基岩土固化剂混合均匀，即得。

38、经本发明多次试验验证表明：采用上述方法制备的疏水型胶凝材料与土颗粒接触时形成一种超疏水膜，钢渣基岩土固化剂又使膜与土颗粒紧密连接形成致密稳定结构，致密稳定结构不仅可以减少路表向下渗流，同时可以降低路基底部毛细水上升；从而使得地区路基内部含水率得到有效的控制，进而提高了地区路基的有效应力以及道路服役年限。

39、本发明还对上述各成分的混合方式进行了研究。优选的，所述甲基硅酸钠溶液、硅烷改性剂、乙二醇、纳米硅溶胶在搅拌下混合。

40、为了进一步提高疏水型胶凝材料的疏水效果，本发明对搅拌速度进行了研究，优选的，所述搅拌的速度为100r/min-200r/min。

41、为了进一步提高疏水型胶凝材料的疏水效果，本发明对搅拌时间进行了研究，优选的，所述搅拌的时间为10min-15min。

42、为了进一步提高疏水型胶凝材料的疏水效果，本发明对钢渣微粉的粒径进行了研究，优选的，所述钢渣微粉的粒径范围为1μm-100μm。

43、为了进一步提高疏水型胶凝材料的疏水效果，本发明对矿渣的粒径进行了研究，优选的，所述矿渣的粒径范围为1μm-100μm。

44、为了进一步提高疏水型胶凝材料的疏水效果，本发明对脱硫石膏的粒径进行了研究，优选的，所述脱硫石膏的粒径范围为1μm-100μm。

45、为了进一步提高疏水型胶凝材料的疏水效果，本发明对硅烷改性剂的制备方法进行了研究，优选的，所述硅烷改性剂的制备方法包括：将十七氟癸基三甲氧基硅烷和二甲基二氯硅烷混合均匀，即得。

46、针对高寒地区生态系统敏感脆弱，一旦遭到破坏将极难恢复，大范围的碎石换填难以规避对周围环境影响的问题，本发明的第三个方面，提供了一种上述的高寒地区路基湿度调控的疏水型凝胶材料在路基施工中的应用，包括：

47、对地基表层进行清表、压实处理；

48、将上述的高寒地区路基湿度调控的疏水型凝胶材料与土料混合，形成疏水型胶凝材料改性土料；

49、对路基进行分层铺设，当填筑完第一层路基土时，采用所述疏水型胶凝材料改性土料进行铺设处理，铺设完成后，压实，得到第一层疏水性改良路基；

50、在所述第一层疏水性改良路基的上部继续铺设土料，并对其进行压实处理，直至铺设至路基设计高度，得到土料路基；

51、在所述土料路基顶部表层铺设所述疏水型胶凝材料改性土料，压实，形成第二层疏水改良路基；

52、在公路边坡刷坡完成后，铺设所述疏水型胶凝材料改性土料，压实，得到完整的疏水路基结构。

53、为了更好地提高高寒地区路基平衡湿度主动调控能力，本发明对疏水型胶凝材料的掺量进行了研究，优选的，所述高寒地区路基湿度调控的疏水型凝胶材料的掺量为土料质量的1%-3%。

54、为了更好地提高高寒地区路基平衡湿度主动调控能力，本发明对第一层疏水性改良路基的铺设厚度进行了研究，优选的，所述第一层疏水性改良路基的铺设厚度为10cm-20cm。

55、为了更好地提高高寒地区路基平衡湿度主动调控能力，本发明对第一层疏水性改良路基的压实时间间隔进行了研究，优选的，所述第一层疏水性改良路基铺设过程中，铺设完成后，间隔1-1.5天再进行压实，以确保疏水性改良路基原料充分与路基土反应。

56、为了更好地提高高寒地区路基平衡湿度主动调控能力，本发明对第二层疏水性改良路基的铺设厚度进行了研究，优选的，所述第二层疏水性改良路基的铺设厚度为10cm-20cm。

57、为了更好地提高高寒地区路基平衡湿度主动调控能力，本发明对第一层疏水性改良路基的压实时间间隔进行了研究，优选的，所述第二层疏水性改良路基铺设过程中，铺设完成后，间隔2-2.5天再进行压实。

58、本发明的有益效果

59、(1)本发明制备的纳米型超疏水材料与土颗粒接触时形成一种超疏水膜，钢渣基岩土固化剂又使膜与土颗粒紧密连接形成致密稳定结构，所制备掺有纳米疏水材料的水接触角为145.6°。致密稳定结构不仅可以减少路表向下渗流，同时可以降低路基底部毛细水上升；从而使得地区路基内部含水率得到有效的控制，进而提高了地区路基的有效应力以及道路服役年限。

60、(2)本发明通过路基土与有机硅中的亲水基团紧密连接，此时有机硅中的疏水基团朝向外面，形成了一个以甲基据的相界面，产生了憎水的效果，从而实现路基土表面有效的疏水，保证路基内部含水率的波动范围，进而有效避免路基土体干缩导致路面开裂，以及干湿循环引起的病害，提高服役期路基主体承载力；

61、(3)本发明将有机硅材料的疏水性能与固废胶凝材料的粘合性相结合，改良路基土壤性质，可以在路基外部水分试图流入路基时将其排开，这也就减少了路基内部土壤的自由水补给，确保了地区路基不受干湿循环及冻融循环的影响，同时提高了地区路基土内部结构的稳定性，使得地区路基始终处于合理健康的服役状态，进而减少了地区公路病害的发生。

62、(4)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。