CN117603707B - 一种固废基土壤固化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土壤固化技术领域且公开了一种固废基土壤固化剂及其制备方法和应用，按照质量百分比计算包括50%‑80%的复合料D和余量的复合颗粒C；其中，复合颗粒C为包覆结构且其包括喷涂颗粒A以及微纳米复合粒子B；复合料D包括硅酸钠粉末、氯化钙粉末以及微纳米复合粒子B；喷涂颗粒A包括球形吸水树脂以及硅烷偶联剂；微纳米复合粒子B包括尾矿渣、磷石膏、飞灰、木灰以及废弃混凝土微粉；本发明与现有技术相比，球形吸水树脂配合氯化钙粉末以及硅酸钠粉末等来减小固化土壤密度并增强强度，且配合尾矿渣、磷石膏、飞灰、木灰以及废弃混凝土微粉这些固废粉末，来提高固化土壤的抗渗性能、水稳性能和抗干燥收缩性能，减少了助剂的使用，更加环保。
Description
技术领域
本发明涉及土壤固化技术领域，具体涉及一种固废基土壤固化剂及其制备方法和应用。
背景技术
土壤固化剂是指掺入基土后，通过与基土、水、空气的物理或化学反应，改善基土工程性能的材料。用于土壤加固的材料种类繁多，从外观形态上可分为粉体固化材料和液体固化材料，从材料组成上可分为无机类固化材料、有机类固化材料、生物型固化材料和复合型固化材料等，常用的有机类固化材料为高分子材料类，其用量少，运输方便，便于强度控制，常用的无机类固化材料有水泥、矿渣、粉煤灰、石灰、硅酸钠等，施工稳定性好，成本低。随着基础设施建设的不断发展，土壤固化剂被越来越多地被应用。
土壤固化剂由于其性能指标优良、施工便利、工程造价低等特点，被广泛应用于公路工程、水利工程、重金属固化等工程技术领域，通过掺入固化剂与土壤发生一系列物理化学反应，可替代大量传统路基材料，不但满足工程需要，降低工程成本，还有利于环境保护和资源化利用。
申请号为CN201810233721.5的专利文件公开了一种高效土壤固化剂，包括沥青，粘结树脂，辅助树脂，强化剂，增稠剂，以及减水剂，其中所述沥青为中温沥青，分子量为1650-1820，软化点为72-84℃。
上述中的高效土壤固化剂是通过添加强化剂、增稠剂以及减水剂等助剂来提高性能。
申请号为CN201811379646.X的专利文件公开了一种飞灰基土壤固化剂，由以下重量份的原料制成：飞灰60-70份，树脂10-15份，水15-25份，电荷调节剂2-5份，表面活性剂1-1.5份，树脂固化剂1-1.5份。
上述飞灰基土壤固化剂中是通过电荷调节剂、表面活性剂以及树脂固化剂等助剂来提高性能。
综述，现有的很多固化剂是通过加入大量的助剂来对其性能进行提升，相对不是很环保。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明的目的在于提供一种固废基土壤固化剂及其制备方法和应用，以解决现有技术中，现有的很多固化剂是通过加入大量的助剂来对其性能进行提升，相对不是很环保的问题。
为实现上述目的，本发明一方面采用了如下的技术方案：一种固废基土壤固化剂，按照质量百分比计算包括50%-80%的复合料D和余量的复合颗粒C；
其中，所述复合颗粒C为包覆结构且其包括喷涂颗粒A以及微纳米复合粒子B；
所述复合料D包括硅酸钠粉末、氯化钙粉末以及微纳米复合粒子B；
所述喷涂颗粒A包括球形吸水树脂以及硅烷偶联剂；
所述微纳米复合粒子B包括尾矿渣、磷石膏、飞灰、木灰以及废弃混凝土微粉。
作用机理：
本固废基土壤固化剂加入到土壤中并加入水后，球形吸水树脂具有滚珠效益，提高拌合物和易性；在固化时，吸水后的球形吸水树脂因体积膨胀到几十倍（膨胀倍率由氯化钙粉末中的钙离子控制），释水后留下球形微孔结构，可减小固化土壤密度；同时因球形微孔结构的圆顶作用传递压力载荷，且球形吸水树脂表面包覆的微纳米复合粒子B经水相中的硅酸钠粉末激发固化，对球形微孔结构的圆顶进行补强，以减少因密度下降导致的强度降低；另外，球形吸水树脂吸水后对固化土壤起内养护作用，促进固废粉末（固废粉末即为尾矿渣、磷石膏、飞灰、木灰以及废弃混凝土微粉）水化产物的形成，阻塞土壤内部的连通孔和微裂纹，提高固化土壤的抗渗性能、水稳性能和抗干燥收缩性能。
进一步，所述球形吸水树脂包括丙烯酸胺-丙烯酸共聚物和淀粉-丙烯腈接枝共聚物中的其中一种。
进一步，所述球形吸水树脂与硅烷偶联剂的质量比为10000:3-7。
进一步，所述球形吸水树脂的粒径为100-200微米。
进一步，所述复合料D按照质量百分比计算包括2%-5%的硅酸钠粉末、2%-5%的氯化钙粉末以及90%-96%的微纳米复合粒子B。
进一步，所述微纳米复合粒子B按照质量百分比计算包括20%-45%的尾矿渣、15%-30%的磷石膏、10%-20%的飞灰、10%-20%的木灰以及10%-20%的废弃混凝土微粉。
本发明另一方面还采用了如下的技术方案：一种固废基土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
将球形吸水树脂真空干燥，后与硅烷偶联剂-乙醇溶液搅拌混合，再采用真空旋蒸法回收乙醇，获得喷涂颗粒A；
将尾矿渣、磷石膏、飞灰、木灰以及废弃混凝土微粉混合并研磨来获得微纳米复合粒子B；
将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B混合搅拌均匀，后过筛来获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B；
在微纳米复合粒子B中加入硅酸钠粉末和氯化钙粉末来搅拌均匀来获得复合料D；
将复合颗粒C与复合料D混合形成固废基土壤固化剂E。
进一步，所述获得喷涂颗粒A的过程中先是将球形吸水树脂在60℃的真空烘箱中真空干燥24h，然后将其放于60℃的搅拌器中来与硅烷偶联剂-乙醇溶液搅拌混合。
进一步，所述获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B的过程中是将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B放于搅拌器中，并在80℃下混合搅拌1h，然后采用500目的振动筛过筛。
本发明另一方面还采用了如下的技术方案：一种固废基土壤固化剂的应用，所述固废基土壤固化剂应用于土壤固化。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本固废基土壤固化剂中通过喷涂颗粒A和微纳米复合粒子B来形成包裹结构，硅烷偶联剂来提高树脂表面的活性，提高其与无机粒子表面的粘接强度；球形吸水树脂配合氯化钙粉末以及硅酸钠粉末等来减小固化土壤密度并增强强度，且配合尾矿渣、磷石膏、飞灰、木灰以及废弃混凝土微粉这些固废粉末，来提高固化土壤的抗渗性能、水稳性能和抗干燥收缩性能，减少了助剂的使用，更加环保；
2、本固废基土壤固化剂的制备方法是根据固废基土壤固化剂的结构来进行特定设计，来制备符合需求的固废基土壤固化剂。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
本发明中的固废基土壤固化剂及其制备方法的具体实施过程如下：
S1，将一定量粒径为100微米-200微米的球形吸水树脂（丙烯酸胺-丙烯酸共聚物、淀粉-丙烯腈接枝共聚物之间的一种）在60℃的真空烘箱中真空干燥24h，然后将其放于60℃的搅拌器中，并向搅拌器中用喷雾器喷洒质量分数为球形吸水树脂的3%-7%且质量浓度为1%的硅烷偶联剂-乙醇溶液；硅烷偶联剂提高树脂表面的活性，提高与无机粒子表面的粘接强度；完成后采用真空旋蒸法回收乙醇，获得喷涂颗粒A；
S2，将质量分数为20%-45%尾矿渣、15%-30%磷石膏、10%-20%飞灰、10%-20%木灰、10%-20%废弃混凝土微粉混合并研磨成粒径小于1微米的微纳米复合粒子B；
S3，将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B放于搅拌器中，并在80℃下混合搅拌1h，然后过500目的振动筛，获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B；
S4，将质量分数为90%-96%微纳米复合粒子B、2%-5%硅酸钠粉末和2%-5%氯化钙粉末，放于干粉搅拌器中，搅拌10min，获得复合料D；
S5，将质量分数为20%-50%的复合颗粒C与50%-80%的复合料D混合，形成固废基土壤固化剂E。
实施例1
固废基土壤固化剂的制备
S1，将1kg粒径为100微米-200微米的丙烯酸胺-丙烯酸共聚物在60℃的真空烘箱中真空干燥24h，然后将其放于60℃的搅拌器中，并向搅拌器中用喷雾器喷洒质量分数为丙烯酸胺-丙烯酸共聚物的5%且质量浓度为1%的硅烷偶联剂-乙醇溶液，完成后采用真空旋蒸法回收乙醇，获得喷涂颗粒A；
S2，将质量分数为20%尾矿渣、30%磷石膏、15%飞灰、15%木灰、20%废弃混凝土微粉混合并研磨成粒径小于1微米的微纳米复合粒子B；
S3，将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B放于搅拌器中，并在80℃下混合搅拌1h，然后过500目的振动筛，获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B；
S4，将质量分数为92%微纳米复合粒子B、3%硅酸钠粉末和5%氯化钙粉末，放于干粉搅拌器中，搅拌10min，获得复合料D；
S5，将质量分数为50%的复合颗粒C与50%的复合料D混合，形成固废基土壤固化剂E。
固废基土壤固化剂E应用于土壤固化
将干燥后的10kg杂填土粉碎为小于10mm的颗粒，然后加入0.5kg上述制备的固废基土壤固化剂E，在搅拌器中拌合均匀后，加入3kg水，继续搅拌5min，形成预拌固化土，并浇筑于100mm×100mm×100mm的三联试块模具中，振动成型，室温静置24h后脱模，并室温覆膜养护28天。
所获得的固化土壤内部存在大量由吸水树脂引起的微孔结构，经检测，其密度为1320kg/m3，无侧限抗压强度为1.05MPa，水稳系数为0.92，渗透系数为3.23×10-7cm/s，干燥收缩率为0.32%。
实施例2
固废基土壤固化剂的制备
S1，将1kg粒径为100微米-200微米的淀粉-丙烯腈接枝共聚物在60℃的真空烘箱中真空干燥24h，然后将其放于60℃的搅拌器中，并向搅拌器中用喷雾器喷洒质量分数为淀粉-丙烯腈接枝共聚物的3%且质量浓度为1%的硅烷偶联剂-乙醇溶液，完成后采用真空旋蒸法回收乙醇，获得喷涂颗粒A；
S2，将质量分数为45%尾矿渣、15%磷石膏、20%飞灰、10%木灰、10%废弃混凝土微粉混合并研磨成粒径小于1微米的微纳米复合粒子B；
S3，将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B放于搅拌器中，并在80℃下混合搅拌1h，然后过500目的振动筛，获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B；
S4，将质量分数为96%微纳米复合粒子B、2%硅酸钠粉末和2%氯化钙粉末，放于干粉搅拌器中，搅拌10min，获得复合料D；
S5，将质量分数为40%的复合颗粒C与60%的复合料D混合，形成固废基土壤固化剂E。
固废基土壤固化剂E应用于土壤固化
将干燥后的10kg杂填土粉碎为小于10mm的颗粒，然后加入0.5kg上述制备的固废基土壤固化剂E，在搅拌器中拌合均匀后，加入3kg水，继续搅拌5min，形成预拌固化土，并浇筑于100mm×100mm×100mm的三联试块模具中，振动成型，室温静置24h后脱模，并室温覆膜养护28天。
所获得的固化土壤内部存在大量由吸水树脂引起的微孔结构，经检测，其密度为1460kg/m3，无侧限抗压强度为1.21MPa，水稳系数为0.86，渗透系数为8.47×10-7cm/s，干燥收缩率为0.48%。
实施例3
固废基土壤固化剂的制备
S1，将1kg粒径为100微米-200微米的丙烯酸胺-丙烯酸共聚物在60℃的真空烘箱中真空干燥24h，然后将其放于60℃的搅拌器中，并向搅拌器中用喷雾器喷洒质量分数为丙烯酸胺-丙烯酸共聚物的7%且质量浓度为1%的硅烷偶联剂-乙醇溶液，完成后采用真空旋蒸法回收乙醇，获得喷涂颗粒A；
S2，将质量分数为30%尾矿渣、20%磷石膏、10%飞灰、20%木灰、20%废弃混凝土微粉混合并研磨成粒径小于1微米的微纳米复合粒子B；
S3，将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B放于搅拌器中，并在80℃下混合搅拌1h，然后过500目的振动筛，获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B；
S4，将质量分数为96%微纳米复合粒子B、2%硅酸钠粉末和2%氯化钙粉末，放于干粉搅拌器中，搅拌10min，获得复合料D；
S5，将质量分数为30%的复合颗粒C与70%的复合料D混合，形成固废基土壤固化剂E。
固废基土壤固化剂E应用于土壤固化
将干燥后的10kg杂填土粉碎为小于10mm的颗粒，然后加入0.5kg上述制备的固废基土壤固化剂E，在搅拌器中拌合均匀后，加入3kg水，继续搅拌5min，形成预拌固化土，并浇筑于100mm×100mm×100mm的三联试块模具中，振动成型，室温静置24h后脱模，并室温覆膜养护28天。
所获得的固化土壤内部存在大量由吸水树脂引起的微孔结构，经检测，其密度为1520kg/m3，无侧限抗压强度为1.35MPa，水稳系数为0.82，渗透系数为9.76×10-7cm/s，干燥收缩率为0.83%。
实施例4
固废基土壤固化剂的制备
S1，将1kg粒径为100微米-200微米的淀粉-丙烯腈接枝共聚物在60℃的真空烘箱中真空干燥24h，然后将其放于60℃的搅拌器中，并向搅拌器中用喷雾器喷洒质量分数为淀粉-丙烯腈接枝共聚物的5%且质量浓度为1%的硅烷偶联剂-乙醇溶液，完成后采用真空旋蒸法回收乙醇，获得喷涂颗粒A；
S2，将质量分数为20%尾矿渣、30%磷石膏、15%飞灰、15%木灰、20%废弃混凝土微粉混合并研磨成粒径小于1微米的微纳米复合粒子B；
S3，将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B放于搅拌器中，并在80℃下混合搅拌1h，然后过500目的振动筛，获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B；
S4，将质量分数为90%微纳米复合粒子B、5%硅酸钠粉末和5%氯化钙粉末，放于干粉搅拌器中，搅拌10min，获得复合料D；
S5，将质量分数为20%的复合颗粒C与80%的复合料D混合，形成固废基土壤固化剂E。
固废基土壤固化剂E应用于土壤固化
将干燥后的10kg杂填土粉碎为小于10mm的颗粒，然后加入0.5kg上述制备的固废基土壤固化剂E，在搅拌器中拌合均匀后，加入3kg水，继续搅拌5min，形成预拌固化土，并浇筑于100mm×100mm×100mm的三联试块模具中，振动成型，室温静置24h后脱模，并室温覆膜养护28天。
所获得的固化土壤内部存在大量由吸水树脂引起的微孔结构，经检测，其密度为1520kg/m3，无侧限抗压强度为1.43MPa，水稳系数为0.74，渗透系数为4.69×10-6cm/s，干燥收缩率为1.08%。
对比例1
与实施例2的区别在于：杂填土中是加入0.5kg复合料D。
所获得的固化土壤，其密度为1750kg/m3，无侧限抗压强度为1.12MPa，水稳系数为0.69，渗透系数为8.58×10-6cm/s，干燥收缩率为2.15%。
对比例2
与实施例2的区别在于：所述喷涂颗粒A的制备是将1kg粒径为100微米-200微米的丙烯酸胺-丙烯酸共聚物在60℃的真空烘箱中真空干燥24h，然后将其放于60℃的搅拌器搅拌后获得，未添加喷洒硅烷偶联剂-乙醇溶液。
所获得的固化土壤内部存在大量由吸水树脂引起的微孔结构，经检测，其密度为1520kg/m3，无侧限抗压强度为0.98MPa，水稳系数为0.78，渗透系数为9.85×10-7cm/s，干燥收缩率为0.65%。
对比例3
与实施例2的区别在于：固废基土壤固化剂的制备方法，是将所有原料组分直接加入至搅拌机中，在25℃温度下搅拌混合后来制得固废基土壤固化剂E。（其中，硅烷偶联剂-乙醇溶液这一原料需要先采用真空旋蒸法回收乙醇）。
所获得的固化土壤内部存在大量由吸水树脂引起的微孔结构，经检测，其密度为1350kg/m3，无侧限抗压强度为0.68MPa，水稳系数为0.65，渗透系数为7.69×10-6cm/s，干燥收缩率为1.23%。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种固废基土壤固化剂，其特征在于，按照质量百分比计算包括50%-80%的复合料D和余量的复合颗粒C；
其中，所述复合颗粒C为包覆结构且其包括喷涂颗粒A以及微纳米复合粒子B；
所述复合料D包括硅酸钠粉末、氯化钙粉末以及微纳米复合粒子B；
所述喷涂颗粒A包括球形吸水树脂以及硅烷偶联剂；
所述微纳米复合粒子B包括尾矿渣、磷石膏、飞灰、木灰以及废弃混凝土微粉。
2.根据权利要求1所述的固废基土壤固化剂，其特征在于：所述球形吸水树脂包括丙烯酸胺-丙烯酸共聚物和淀粉-丙烯腈接枝共聚物中的其中一种。
3.根据权利要求1所述的固废基土壤固化剂，其特征在于：所述球形吸水树脂与硅烷偶联剂的质量比为10000:3-7。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的固废基土壤固化剂，其特征在于：所述球形吸水树脂的粒径为100-200微米。
5.根据权利要求1所述的固废基土壤固化剂，其特征在于：所述复合料D按照质量百分比计算包括2%-5%的硅酸钠粉末、2%-5%的氯化钙粉末以及90%-96%的微纳米复合粒子B。
6.根据权利要求1或5所述的固废基土壤固化剂，其特征在于：所述微纳米复合粒子B按照质量百分比计算包括20%-45%的尾矿渣、15%-30%的磷石膏、10%-20%的飞灰、10%-20%的木灰以及10%-20%的废弃混凝土微粉。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的固废基土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将球形吸水树脂真空干燥，后与硅烷偶联剂-乙醇溶液搅拌混合，再采用真空旋蒸法回收乙醇，获得喷涂颗粒A；
将尾矿渣、磷石膏、飞灰、木灰以及废弃混凝土微粉混合并研磨来获得微纳米复合粒子B；
将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B混合搅拌均匀，后过筛来获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B；
在微纳米复合粒子B中加入硅酸钠粉末和氯化钙粉末来搅拌均匀来获得复合料D；
将复合颗粒C与复合料D混合形成固废基土壤固化剂E。
8.如权利要求7所述的固废基土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述获得喷涂颗粒A的过程中先是将球形吸水树脂在60℃的真空烘箱中真空干燥24h，然后将其放于60℃的搅拌器中来与硅烷偶联剂-乙醇溶液搅拌混合。
9.如权利要求7所述的固废基土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述获得未过筛的具有包覆结构的复合颗粒C和过筛的微纳米复合粒子B的过程中是将喷涂颗粒A与过量的微纳米复合粒子B放于搅拌器中，并在80℃下混合搅拌1h，然后采用500目的振动筛过筛。
10.一种如权利要求1-6中任一项所述的固废基土壤固化剂的应用，其特征在于，所述固废基土壤固化剂应用于土壤固化。
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