一种无机高分子聚合物土壤固化剂及制备方法

1.本发明涉及土壤固化剂技术领域，特别涉及一种无机高分子聚合物土壤固化剂及制备方法。


背景技术：

2.越来越多的建设工程需要人工地基来满足建筑对地基的要求。甘肃和青海地区分布着广泛的湿陷黄土和盐渍土等工程性能不良土。对于湿陷性黄土和盐渍土地区的建设项目，需对场坪进行封闭。目前工程中常用的场坪封闭方法是灰土换填法和水泥土换填法处理。近年来，一些工程中因自身缺陷、施工质量或设计不合理等因素，在竣工后的几年时间里就出现不同程度的地基隆起和膨胀现象，对建筑物造成极大的破坏。
3.在对场坪封闭换填中，土壤固化剂发挥着重要作用。根据土壤固化剂主要化学成分的不同，目前市面上的土体固化剂主要分为四种：无机类、有机类、有机无机复合类和生物酶类。无机类固化剂的缺点是：渗透性差，固结施工困难，常常需要固结材料和砂土拌和进行铺设，且固结层容易干缩形成裂缝，厚重的固结层也不利于生态防护，用量比较大，运输成本高，早期强度不高。有机类固化剂的缺点是使用寿命期短、抗水性能差、受环境的影响比较大。生物酶类固化剂的缺点是因生物酶类土壤固化剂具有生物降解的特点，固化土浸水后强度会降低，其使用寿命较短，但对其长期的强度和稳定性仍有待实践检验。
4.地聚合物是一种由alo4和sio4四面体结构单元组成三维缩合氧化物网络结构的无机高分子聚合物。由于地聚合物本身就是稳定的氧化物网络结构体系，所以具有优良的机械性能和耐化学腐蚀性、耐火、耐高温的性能以及抗渗透性。正是因为该材料具有高强、高稳定性和耐久性及常温下反应固化的特点，可以将其用作为一种土壤固化剂。本发明针对上述固化剂存在的缺陷，以硅铝酸盐材料为原料，研制出了一种无机高分子聚合物土壤固化剂，克服了现有土壤固化剂所存在的不足。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种无机高分子聚合物土壤固化剂及制备方法，提高了固化强度和固化土的抗干缩变形性能，解决了长期泡水后强度衰减较大的问题。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种无机高分子聚合物土壤固化剂，包括固体组分原料和液体组分原料；所述固体组分原料包括硅铝酸盐材料；所述液体组分原料包括碱激发剂溶液和磺化油。
8.进一步的，所述固体组分原料与液体组分原料的质量配比为0.9-1.4：1。
9.进一步的，按质量份计，所述硅铝酸盐材料24-28.7份；所述碱激发剂溶液20.5-24.6份，磺化油1/100-1/250份。
10.进一步的，按质量份计，所述硅铝酸盐材料24.6-26.8份；所述碱激发剂溶液24-24.6份，磺化油1/150-1/250份。
11.进一步的，所述硅铝酸盐材料采用1250目偏高岭土粉体，其al：si＝1.04；磺化油为磺化蓖麻油。
12.进一步的，所述碱激发剂溶液为钠水玻璃。
13.一种无机高分子聚合物土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
14.步骤一：将硅铝酸盐材料与所需固化黄土混合后，置于干粉搅拌机中搅拌均匀，获得混合物a；
15.步骤二：将碱激发剂溶液静置活化，密封包装待用；
16.步骤三：将磺化油溶于水形成稳定的水溶液后静置活化，密封包装待用；
17.步骤四：将混合物a和步骤二中包装待用的碱激发剂溶液混合，然后加入步骤三中包装待用的磺化油水溶液；
18.步骤五：充分搅拌混合后，焖料静置至混合料中水份分散均匀。
19.进一步的，所述步骤一中硅铝酸盐材料与所需固化黄土按照质量比为1： 22.1混合。
20.进一步的，所述步骤四中混合物a与步骤二中包装待用的碱激发剂溶液按照7.8:1质量比混合。
21.进一步的，所述碱激发剂溶液的制备方法包括以下步骤：
22.1)将硅酸钠粉末与氢氧化钠按照质量比为2.95-5.97：1的比例混合；
23.2)进行充分搅拌后，加水配制成碱激发剂溶液中硅酸钠浓度为40％、氢氧化钠浓度为4.22mol/l的溶液，然后进行静置活化24h。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.本发明通过在土壤中掺入硅铝酸盐材料、碱激发剂溶液和磺化油，硅铝酸盐材料是具有活性的胶凝无机高分子材料，碱激发剂溶液能够激发其活性，通过碱激发剂溶液将其活性激发，使加固土体获得较高的致密性和强度；添加的磺化油提高了固化土体的抗干缩变形、水稳特性以及耐久性；且采用的硅铝酸盐材料生产过程中二氧化碳释量更低，环境友好。
26.进一步的，在组分配比方面，固体组分原料与液体组分原料的质量配比采用0.9-1.4：1，选用硅铝酸盐材料24-28.7份；碱激发剂溶液20.5-24.6份，磺化油1/100-1/250份，获得了强度更高，耐久性更好的环保土壤固化剂材料；该组分配比获得的无机高分子聚合物材料与土壤颗粒具有良好的胶结力，具有抗压强度更高，防水性、水稳性更强并且干缩变形更小的优点。
27.进一步的，硅铝酸盐材料采用1250目al：si为1.04的偏高岭土粉体，该材料在国内分布广泛，价廉易得，制备工艺简单。偏高岭土作为硅铝酸盐胶凝无机高分子材料，活性更高，通过碱激发剂溶液将其活性激发，使得固化土体在宏观上形成更为致密的结构，显著提高了固化土体的抗压强度，并且在水稳性和抗干缩变形方面相较于传统固化材料具有显著优势。
28.本发明公开的无机高分子聚合物土壤固化剂的制备方法，工法简单，通过此方法能让固化剂在土壤中分布更均匀，最大程度发挥无机高分子聚合物固化效果，该制备方法在工程应用时与现有施工机械能很好兼容。
具体实施方式
29.为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
30.一种无机高分子聚合物土壤固化剂，包括固体组分原料和液体组分原料，固体组分原料与液体组分原料的质量配比为0.9-1.4：1；所述固体组分原料包括硅铝酸盐材料，液体组分原料包括碱激发剂溶液和磺化油，按质量份计，硅铝酸盐材料为24-28.7份，优选的，硅铝酸盐材料24.6-26.8份，进一步优选 1250目偏高岭土粉体，其al：si＝1.04；碱激发剂溶液为20.5-24.6份，优选的，碱激发剂溶液24-24.6份，进一步优选钠水玻璃；磺化油为1/100-1/250 份，优选的，磺化油1/150-1/250份，进一步优选磺化蓖麻油。偏高岭土选用河南省巩义市偏高岭土公司生产的1250目偏高岭土粉体，本发明使用的硅铝酸盐材料不局限于偏高岭土，其来源广泛，工业生产废弃物如煤矸石、尾矿、都可当作原料。磺化油选用山东优索化工科技有限公司的磺化蓖麻油。
31.一种无机高分子聚合物土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
32.步骤一：将硅铝酸盐材料与所需固化黄土混合后，置于干粉搅拌机中搅拌均匀，优选均匀搅拌10分钟，获得混合物a，其中，硅铝酸盐材料与所需固化黄土优选按照质量比为1：22.1混合；
33.步骤二：将碱激发剂溶液静置活化，密封包装待用；碱激发剂溶液的制备方法包括以下步骤：
34.1)将硅酸钠粉末与氢氧化钠按照质量比为2.95-5.97：1的比例混合；
35.2)进行充分搅拌后，加水配制成碱激发剂溶液中硅酸钠浓度为40％、氢氧化钠浓度为4.22mol/l的溶液，然后进行静置活化24h即可。
36.步骤三：将磺化油溶于水形成稳定的水溶液后静置活化，密封包装待用；
37.步骤四：将混合物a和步骤二中包装待用的碱激发剂溶液按照7.8:1质量比混合，然后加入步骤三中包装待用的磺化油水溶液；
38.步骤五：充分搅拌混合后，焖料静置至混合料中水份分散均匀，优选焖料静置10分钟。
39.实施例1
40.取偏高岭土26.8质量份，钠水玻璃22.4质量份，磺化油1/250质量份。将偏高岭土与所需固化黄土按照比例(质量比1：22.1)混合，在干粉搅拌机中搅拌均匀10分钟，获得混合物一；将钠水玻璃溶液喷洒至混合物一表面，混合并加入磺化油的水溶液，调节含水量至最优含水率，进行充分搅拌混合后，然后静置焖料10分钟，待混合液水份分散均匀；开始制件脱模并在标准条件下进行养护。
41.实施例2
42.取偏高岭土24质量份，钠水玻璃24.6质量份，磺化油1/150质量份。将偏高岭土与所需固化黄土按照比例(质量比1：22.1)混合，在干粉搅拌机中搅拌均匀10分钟，获得混合物二；将钠水玻璃溶液喷洒至混合物二表面，混合并加入磺化油的水溶液，调节含水量至最优含水率，进行充分搅拌混合后，然后静置焖料10分钟，待混合液水份分散均匀；开始制件脱模并在标准条件下进行养护。
43.实施例3
44.取偏高岭土28.7质量份，钠水玻璃20.5质量份，磺化油1/100质量份。将偏高岭土与所需固化黄土按照比例(质量比1：22.1)混合，在干粉搅拌机中搅拌均匀10分钟，获得混合物三；将钠水玻璃溶液喷洒至混合物三表面，混合并加入磺化油的水溶液，调节含水量至最优含水率，进行充分搅拌混合后，然后静置焖料10分钟，待混合液水份分散均匀；开始制件脱模并在标准条件下进行养护。
45.实施例4
46.取偏高岭土24.6质量份，钠水玻璃24质量份，磺化油1/200质量份。将偏高岭土与所需固化黄土按照比例(质量比1：22.1)混合，在干粉搅拌机中搅拌均匀10分钟，获得混合物四；将钠水玻璃溶液喷洒至混合物四表面，混合并加入磺化油的水溶液，调节含水量至最优含水率，进行充分搅拌混合后，然后静置焖料10分钟，待混合液水份分散均匀；开始制件脱模并在标准条件下进行养护。
47.实施例5
48.取偏高岭土25质量份，钠水玻璃24.3质量份，磺化油1/180质量份。将偏高岭土与所需固化黄土按照比例(质量比1：22.1)混合，在干粉搅拌机中搅拌均匀10分钟，获得混合物五；将钠水玻璃溶液喷洒至混合物五表面，混合并加入磺化油的水溶液，调节含水量至最优含水率，进行充分搅拌混合后，然后静置焖料10分钟，待混合液水份分散均匀；开始制件脱模并在标准条件下进行养护。
49.为了进一步说明本发明的有益效果，进行了下述对照实验。
50.对比例1
51.按照质量份配比：42.5号普通硅酸盐水泥5质量份，将其与所需固化黄土按照比例(质量比1：22.1)混合，在干粉搅拌机中搅拌均匀10分钟，喷洒去离子水，调节含水量至最优含水率，进行充分搅拌后，然后静置焖料10分钟待混合液水份分散均匀。开始制件脱模并在标准条件下进行养护。
52.对比例2
53.按照质量份配比：消石灰4质量份。将消石灰与所需固化黄土按照比例(质量比1：22.1)混合，在干粉搅拌机中搅拌均匀10分钟，喷洒去离子水，调节含水量至最优含水率，进行充分拌合，然后静置焖料10分钟待混合液水份分散均匀。开始制件脱模并在标准条件下进行养护。
54.为了更好的理解本发明的优异性能，将实施例1-实施例5，以及对比例1
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对比例2进行了性能测试，测试方法如表1所示，测试结果如表2所示。
55.表1为性能测试所用方法及仪器列表
[0056][0057]
表2为性能测试结果
[0058]
[0059][0060]
由表2性能测试结果可见，在无侧限抗压强度性能测试方面，测试方法按照jtg e51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的要求进行抗压测试，采用的仪器为万用压力机。从测试结果可见，对实施例1-实施例5，对比例1-对比例2进行在标准养护条件下养护7天、14天和28天后的性能测试，其中，实施例1-实施例5无侧限抗压强度分布在5.75-6.95mpa区间，对比例 1-对比例2无侧限抗压强度分布在0.96-3.46mpa区间，可见，掺入本发明的无机高分子聚合物土壤固化剂试件抗压强度明显提高。
[0061]
在干缩试验性能测试方面，测试方法按照jc/t 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》的要求进行干缩试验测试，采用的仪器为干缩试验仪，主要测试实施例1-实施例5，对比例1-对比例2在标准养护条件下养护7天后，成型脱模，将其安装在干缩试验仪上试验至第28天后的总干缩应变量。从测试结果可见，实施例1-实施例5试件28天干缩应变在4.11*10-3
至4.43*10-3
间，对比例1
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对比例2试件28天干缩应变均大于实施例1-实施例5的最大应变量。可见，掺入本发明的无机高分子聚合物土壤固化剂试件干缩变形较小。
[0062]
在水稳系数测试方面，对实施例1-实施例5，对比例1-对比例2进行标准养护条件下养护7天，将试件分为两组，一组泡水养护1天、3天、7天；另一组继续标准条件下养护，水稳系数计算方法为：泡水养护试件强度/标准养护试件强度。从测试结果上看，实施例1-实施例5的水稳系数更接近1，此数据越接近1，说明试件强度衰减率越低。可见，掺入本发明的无机高分子聚合物土壤固化剂水稳性增强。
[0063]
综上，本发明以硅铝酸盐材料和碱激发剂溶液为基料，通过掺入固化土体在土壤颗粒之间发挥胶凝材料的作用，使得土体在宏观上形成致密的结构，显著提高固化土体的抗压强度；添加的磺化油使得固化土体在水稳性和抗干缩变形方面相较于传统固化材料具有显著优势。本发明使用的硅铝酸盐材料不局限于偏高岭土，其来源广泛，工业生产废弃物如煤矸石、尾矿、都可以当作原料。而且硅铝酸盐材料生产过程中二氧化碳释量更低，环境友好。
[0064]
然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。