CN111620648A - 一种土壤固化材料及其土壤固化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤固化材料及土壤固化方法，土壤固化材料由主固剂和助固剂组成，以重量份计，所述主固剂由以下材料组成：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4～6份、硅灰12～14份、熟石灰22～24份；所述助固剂由以下材料组成：三乙醇胺0.4～0.8份、硫酸钾6～8份、硝酸铁1～3份、石膏2～6份。本发明公开的土壤固化材料凝结速度快、早期强度高，且制备方法简单、施工流程简便，具有快凝快硬高强的特点，可广泛应用于工程防护、抢险救灾应急通道的快速铺设等领域。
Description
技术领域
本发明涉及土壤固化材料，尤其是涉及一种具有良好固化效果的早期强度型土壤固化材料以及使用该土壤固化材料进行土壤固化的方法。
背景技术
土壤固化技术被广泛地应用于建筑基础、公路建设、防洪堤坝、渠道衬砌、雨水集流等许多领域。为满足战时机场快速抢修的需要，美国研制出了一系列与之相关的土壤固化材料和施工技术。日本松树综合科学研究所研究开发了“速特硬”特殊土壤固化剂，用此种固化剂现场原位固化的土壤固结体基本达到了低强度标准路面混凝土材料的性能。这些材料军事应用特征明显，并能在工程抢险救灾中发挥重要作用。
当前，我国以土壤固化和强化为目的的土壤固化材料只能在要求不高的情况下，作为土壤固化、强化改性材料用于地基基层土壤处理，而无法满足某些特殊应用中快凝快硬高强的要求，在早期强度性、干缩性和水稳性方面性能亟待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快凝快硬高强土壤固化材料以及采用该土壤固化材料进行土壤固化的方法，以解决现有土壤固化材料强度低、凝结慢等问题。
根据本发明的一个方面，公开了一种土壤固化材料，由主固剂和助固剂组成，以重量份计，所述主固剂由以下材料组成：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4～6份、硅灰12～14份、熟石灰22～24份；所述助固剂由以下材料组成：三乙醇胺0.4～0.8份、硫酸钾6～8份、硝酸铁1～3份、石膏2～6份。
优选地，所述助固剂由以下材料组成：三乙醇胺0.6～0.8份、硫酸钾6～8份、硝酸铁2～3份、石膏2～4份。
进一步地，所述助固剂由以下材料组成：三乙醇胺0.8份、硫酸钾8份、硝酸铁2份、石膏2份。
可选地，所述主固剂由以下材料组成：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4份、硅灰12份、熟石灰24份。
根据本发明的另一方面，公开了一种土壤固化方法，包括采用混料设备将所述主固剂和助固剂按照预定配比混合，并搅拌均匀制成土壤固化材料；将上述土壤固化材料、预定量的水与土壤进行充分拌合。
其中，可选地，所述土壤固化材料以粉末状态或在水中分散的悬浮液状态向待固化土壤中添加。以重量计，土壤固化材料掺量为待固化土壤的16％～20％，优选为18％。
采用上述技术方案，本发明具有如下的显著技术效果：
本发明提供的土壤固化材料凝结速度快、早期强度高，且制备方法简单、施工流程简便，具有快凝快硬高强的特点，可广泛应用于工程防护、抢险救灾应急通道的快速铺设等领域。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下的示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明的土壤固化材料由主固剂和助固剂组成。
所述主固剂为复合水泥材料，由硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅灰和熟石灰组成。
硫铝酸盐水泥例如可以通过生料煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，与少量石灰石、适量石膏一起磨细制成的水硬性胶凝材料，其中，石灰石掺加量应不大于水泥质量的15％。优选地，本发明采用的硫铝酸盐水泥强度等级为42.5。
普通硅酸盐水泥为由硅酸盐水泥熟料、5％-20％的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。优选地，本发明采用的普通硅酸盐水泥强度等级为32.5或42.5。
硅粉能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体。本发明中选择的硅灰中SiO2含量在95％以上。
本发明采用硫铝酸盐水泥作为土壤固化材料的主体材料，用于实现土壤的快凝快硬固化。同时，掺加普通硅酸盐水泥、硅灰和熟石灰等含硅、钙含量高的无机材料，通过采用优化配比的混料，可以提高土壤固化体强度。
所述助固剂由早期强度组分、板结组分、减薄双电层结构组分以及膨胀组分组成。本发明中，优选地，早期强度组分为三乙醇胺，板结组分为硫酸钾，减薄双电层结构组分为硝酸盐，更优选地，该硝酸盐为硝酸铁，膨胀组分为石膏。
本发明通过在助固剂中加入三乙醇胺，由于三乙醇胺中具有不稳定的氮原子，稳定性差，具有很好的活性，容易与金属离子发生络合反应。络合反应产生的络合物能够提供一定量的可溶区，从而有利于主固剂水化产物的扩散，加快主固剂水化反应和凝结硬化。同时，络合反应可以在一定程度上促进钙矾石的快速生成，从而提高固化土早期强度。
本发明通过在助固剂中加入硫酸钾，能够破坏土壤内部团粒结构，降低土壤内部保存自由水能力，提高内聚硬化作用，并生成高强难溶、具有一定膨胀性的矿物晶体，提高固化土早期强度。
可选地，硫酸钾可用碳酸钾代替，碳酸钾中含有促使土壤板结的钾离子，同时碳酸钾溶于水后呈碱性，有利于土壤固化材料发生水化反应。
本发明通过在助固剂中加入硝酸盐，尤其是硝酸铁，其中的三价铁离子具有强交换能力，其可以快速与土壤颗粒表面阳离子进行离子交换，形成减薄双电层结构，释放结合水，降低动电电位，进而促进土壤颗粒自身凝聚，提高固化土强度。同时，作为金属离子与三乙醇胺发生络合反应，能够进一步加快主固剂水化反应和凝结硬化，以及提高固化土早期强度。此外，可选地，硝酸铁也可以由氯化铁材料代替。
石膏中的钙离子和硫酸钾中的硫酸根离子能够有效促进钙矾石的快速生长。分析发现，尽管一定量的石膏掺入有利于提高固化土早期强度，但掺量过多会导致钙矾石集中生成，从而发生膨胀，破坏内部结构。
本发明的土壤固化材料，以重量份计，主固剂：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4～6份、硅灰12～14份、熟石灰22～24份；助固剂掺量：三乙醇胺0.4～0.8份、硫酸钾6～8份、硝酸铁1～3份、石膏2～6份。
优选地，上述土壤固化材料，以重量份计，主固剂：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4～6份、硅灰12～14份、熟石灰22～24份；助固剂掺量：三乙醇胺0.6～0.8份、硫酸钾6～8份、硝酸铁2～3份、石膏2～4份。
进一步优选地，上述土壤固化材料，以重量份计，主固剂：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4份、硅灰12份、熟石灰24份；助固剂掺量：三乙醇胺0.8份、硫酸钾8份、硝酸铁2份、石膏2份。
本发明的土壤固化材料可以通过例如将上述各成分使用混合机等公知的混合装置制备。
本发明的土壤固化材料可以以粉末的状态向固化对象的土壤中添加，也可以在水中分散的悬浮液的状态下添加。
下面结合实例对采用本发明提供的土壤固化材料进行土壤固化的方法进行说明。
本发明示例性地选取西南某地区红粘土作为固化对象，固化对象土样性质如表1所示：
表1
| 土壤类型 | 液限/％ | 塑限/％ | 塑性指数/％ | 最佳含水率/％ | 最大干密度/g·cm<sup>-3</sup> |
| 红粘土 | 33.6 | 21.2 | 12.4 | 17.2 | 1.92 |
该种红粘土在干燥条件下强度较高，遇水后易发生吸水膨胀、软化，固化难度相对较大。同时，在实际工程中，由于其不良的物理性质与胀缩性，容易导致道路发生不均匀变形、开裂等问题。
将本发明提供的土壤固化材料按下表所示的重量百分比混合，制备土壤固化材料，表中各组分的重量百分比以土壤重量为参照。
采用上述土壤固化材料进行土壤固化时，首先，采用混料设备将各原料按照预定配比混合，并搅拌均匀制成土壤固化材料。然后，将上述土壤固化材料、预定量的水与土壤进行充分拌合。其中，水的掺水量为土壤最优含水量的90％～100％。以重量计，土壤固化材料掺量为待固化土壤的16％～20％，优选为18％。针对该种红粘土，以下表2～表4的各实施例及比较例在进行土壤固化时，掺水量均为17％。
以下表2～表4中各实施例或比较例所测得的无侧限抗压强度，均为经过标准养护3天以后测量得到的强度值。
表2
| 材料成分 | 实施例1 | 实施例2 | 比较例1 |
| 硫铝酸盐水泥 | 12％ | 12％ | 12％ |
| 普通硅酸盐水泥 | 0.4％ | 0.4％ | 0.4％ |
| 硅灰 | 1.2％ | 1.2％ | 1.2％ |
| 熟石灰 | 2.4％ | 2.4％ | 2.4％ |
| 三乙醇胺 | 0.04％ | 0.04％ | 0.04％ |
| 硫酸钾 | 0.6％ | 0.6％ | -- |
| 硝酸铁 | 0.1％ | 0.2％ | 0.2％ |
| 石膏 | 0.2％ | 0.4％ | 0.4％ |
| 无侧限抗压强度(Mpa) | 7.32 | 7.44 | 6.62 |
以实施例1为例，相当于在进行土壤固化时，加入的土壤固化材料(以重量份计)为，主固化剂：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4份、硅灰12份、熟石灰24份；助固化剂：三乙醇胺0.4份、硫酸钾6份、硝酸铁1份、石膏2份。实施例2、比较例1以及以下其他各实施例、比较例中的土壤固化材料组分均可以上述方式理解。
通过表2可以发现，实施例1、实施例2的无侧限抗压强度均达到了7Mpa以上，能够满足土壤固化要求。其中，实施例2相对于实施例1增加了助固化剂中的硝酸铁及石膏的含量，导致无侧限抗压强度小幅增加。
同时，在其他材料组分配比相同的条件下，与实施例2相比，比较例1未添加硫酸钾。通过分析土样发现，土样中团粒结构明显，且未见生成高强难溶、具有一定膨胀性的矿物晶体，致使固化土早期强度较低。经测量，该比较例2测得的无侧限抗压强度相对实施例2下降约11％。
由此可见，本发明通过在助固剂中加入硫酸钾，能够破坏土壤内部团粒结构，降低土壤内部保存自由水能力，提高内聚硬化作用，并生成高强难溶、具有一定膨胀性的矿物晶体，提高固化土早期强度。
表3
| 材料成分 | 实施例3 | 实施例4 | 比较例2 |
| 硫铝酸盐水泥 | 12％ | 12％ | 12％ |
| 普通硅酸盐水泥 | 0.4％ | 0.4％ | 0.4％ |
| 硅灰 | 1.2％ | 1.2％ | 1.2％ |
| 熟石灰 | 2.4％ | 2.4％ | 2.4％ |
| 三乙醇胺 | 0.08％ | 0.08％ | 0.08％ |
| 硫酸钾 | 0.8％ | 0.8％ | 0.8％ |
| 硝酸铁 | 0.1％ | 0.2％ | -- |
| 石膏 | 0.4％ | 0.2％ | 0.4％ |
| 无侧限抗压强度(Mpa) | 7.49 | 8.12 | 6.91 |
通过表3可以发现，实施例3、实施例4的无侧限抗压强度均达到了约7.5Mpa以上，能够满足土壤固化要求。其中，实施例4相对于实施例3增加了助固化剂中的硝酸铁含量，但降低了石膏的掺入量，导致无侧限抗压强度大幅增加约8％。
其原因主要是由于石膏中的钙离子和硫酸钾中的硫酸根离子能够有效促进钙矾石的快速生长，有利于提高固化土早期强度，但随着掺量增多，可能会导致钙矾石集中生成，从而发生膨胀，破坏土壤内部结构。
同时，固化剂中的硝酸铁利用三价铁离子能够快速与土壤颗粒表面阳离子进行离子交换，形成减薄双电层结构，释放结合水，降低动电电位，进而促进土壤颗粒自身凝聚。同时，铁离子与三乙醇胺发生络合反应，能够进一步加快主固剂水化反应和凝结硬化。
而在其他材料组分配比相同的条件下，与实施例3相比，比较例2未添加硝酸铁。通过分析土样发现，土样中的颗粒自身凝聚度较低，主固化剂水化反应不充分。经测量，该比较例2测得的无侧限抗压强度相对实施例3下降约6.6％。
表4
| 材料成分 | 实施例5 | 实施例6 | 比较例3 |
| 硫铝酸盐水泥 | 12％ | 12％ | 12％ |
| 普通硅酸盐水泥 | 0.4％ | 0.4％ | 0.4％ |
| 硅灰 | 1.2％ | 1.2％ | 1.2％ |
| 熟石灰 | 2.4％ | 2.4％ | 2.4％ |
| 三乙醇胺 | 0.06％ | 0.06％ | -- |
| 硫酸钾 | 0.8％ | 0.6％ | 0.6％ |
| 硝酸铁 | 0.2％ | 0.2％ | 0.2％ |
| 石膏 | 0.3％ | 0.2％ | 0.4％ |
| 无侧限抗压强度(Mpa) | 7.79 | 7.59 | 7.11 |
分析表4可以发现，实施例5、实施例6的无侧限抗压强度均达到了约7.5Mpa以上，能够满足土壤固化要求。其中，实施例5相对于实施例6少量增加了助固化剂中的硫酸钾及石膏含量，导致无侧限抗压强度产生小幅增加。由此可以看出，在适量范围内，增加石膏掺量有助于增加土壤固化强度。
而在其他材料组分配比相同的条件下，与实施例5、6相比，比较例3未添加三乙醇胺。通过分析土样发现，土样中主固化剂水化反应率与实施例5、6相比有所降低。尽管如此，比较例3测得的无侧限抗压强度仍达到了7Mpa以上，说明三乙醇胺对土壤固化强度的影响与硫酸钾、硝酸铁相比相对较弱。
表5
| 材料成分 | 实施例7 | 比较例4 | 比较例5 |
| 硫铝酸盐水泥 | 12％ | 12％ | 12％ |
| 普通硅酸盐水泥 | 0.4％ | 0.4％ | 0.4％ |
| 硅灰 | 1.2％ | 1.2％ | 1.2％ |
| 熟石灰 | 2.4％ | 2.4％ | 2.4％ |
| 三乙醇胺 | 0.06％ | 0.06％ | 0.06％ |
| 硫酸钾 | 0.8％ | 0.6％ | 0.8％ |
| 硝酸铁 | 0.2％ | 0.2％ | 0.2％ |
| 石膏 | 0.6％ | 0.8％ | -- |
| 无侧限抗压强度(Mpa) | 7.59 | 6.87 | 7.32 |
根据表5，实施例7与实施例5相比，增加了石膏掺量。根据测得的无侧限抗压强度，实施例7的土壤固化强度较实施例5小幅降低。
比较例4进一步增加了石膏掺量，可以发现，测得的无侧限抗压强度相对于实施例5、7大幅下降至小于7Mpa，其原因是当石膏掺量大于一定范围时，导致钙矾石集中生成，从而发生膨胀，破坏土壤内部结构，从而降低了土壤固化强度。
比较例5相对于实施例5、7以及比较例4，为掺入石膏，可以发现，测得的无侧限抗压强度相对于实施例5、7小幅下降，但仍高于7Mpa，即相对于未掺入石膏的比较例，能够获得更好的土壤固化效果。
本发明提供的土壤固化材料以硫铝酸盐水泥等组成复合水泥体系为主要成分，并结合水化加速早期强度、土壤板结硬化、双电层减弱和膨胀理论添加相应组分，实现了土壤固化材料的快硬和早期强度。针对低液限粘土，土壤固结体3天无侧限抗压强度可达7MPa以上，优于大部分普通土壤固化材料。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种土壤固化材料，由主固剂和助固剂组成，其特征在于，以重量份计，所述主固剂由以下材料组成：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4～6份、硅灰12～14份、熟石灰22～24份；所述助固剂由以下材料组成：三乙醇胺0.4～0.8份、硫酸钾6～8份、硝酸铁1～3份、石膏2～6份。
2.根据权利要求1所述的土壤固化材料，其特征在于，所述助固剂由以下材料组成：三乙醇胺0.6～0.8份、硫酸钾6～8份、硝酸铁2～3份、石膏2～4份。
3.根据权利要求2所述的土壤固化材料，其特征在于，所述助固剂由以下材料组成：三乙醇胺0.8份、硫酸钾8份、硝酸铁2份、石膏2份。
4.根据权利要求1-3任一项所述的土壤固化材料，其特征在于，所述主固剂由以下材料组成：硫铝酸盐水泥120份、普通硅酸盐水泥4份、硅灰12份、熟石灰24份。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述的土壤固化材料进行土壤固化的方法，其特征在于，该方法包括：采用混料设备将所述主固剂和助固剂按照预定配比混合，并搅拌均匀制成土壤固化材料；将上述土壤固化材料、预定量的水与土壤进行充分拌合。
6.根据权利要求5所述的土壤固化方法，其特征在于，所述土壤固化材料以粉末状态或在水中分散的悬浮液状态向待固化土壤中添加。
7.根据权利要求5或6所述的土壤固化方法，其特征在于，以重量计，土壤固化材料掺量为土壤的16％～20％，优选为18％。
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