一种土壤固化剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种土壤固化剂及其制备方法和应用。

背景技术

土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化各类土壤的新型节能环保工程材料。它与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质，能将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，体积膨胀而进一步填充土壤孔隙，在压实功的作用下，使固化土易于压实和稳定，从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。经过土壤固化剂处理过的土壤，其强度、密实度、回弹模量、弯沉值、CBR、剪切强度等性能都得到了很大的提高，从而延长了道路的使用寿命，节省了工程维修成本，经济环境效益俱佳，是理想的筑路材料。

随着土壤固化剂的广泛使用，对土壤固化剂的研究也越来越多，如发明专利CN105038806A记载了一种高分子有机土壤固化剂及其合成方法，其采用2～6份氯化镁，4～8份氯化钙，0.3～0.8份氧化钙，0.3～0.8份氧化镁，3～8份丙烯酰胺，0.1～0.4份过硫酸铵，0.2～0.6份过硫酸钾，10～20份可溶性纤维素，5～15份羧甲基纤维素钠，0.5～1份氢氧化钠，50～70份水来制备土壤固化剂，虽然其具有制备方法简单，成本低廉，见效快，绿色环保和抗压能力强的优点，但是由于其在砂质粉土中的渗透深度不理想，容易被雨水冲破固化层，导致砂质粉土的抗压强度和耐水性能降低，进而影响固化效果。

因此，亟需对土壤固化剂进行改进来提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能，进而提高砂质粉土的固化效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤固化剂及其制备方法和应用。本发明提供的土壤固化剂能够显著提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种土壤固化剂，由包括以下质量份数的原料制备得到：水玻璃25～55份，磷酸硅铝或三聚磷酸铝5～15份，稳定剂1～5份，有机硅润湿分散剂0.1～1份，催化剂0.2～3份，缓凝剂2～9份和水35～55份。

优选地，由包括以下质量份数的原料制备得到：水玻璃30～50份，磷酸硅铝或三聚磷酸铝6～10份，稳定剂2～4份，有机硅润湿分散剂0.4～0.6份，催化剂0.8～1.5份，缓凝剂4～7份和水40～50份。

优选地，所述水玻璃的模数≥3。

优选地，所述稳定剂为三乙醇胺、乙二胺、二乙醇胺和丙二醇中的至少一种。

优选地，所述有机硅润湿分散剂为聚醚改性硅油。

优选地，所述有机硅润湿分散剂为IOTA245。

优选地，所述缓凝剂为三聚磷酸钠或多聚磷酸钠。

本发明还提供了上述技术方案所述土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将稳定剂、有机硅润湿分散剂、催化剂、缓凝剂与部分水混合，得到初混料；

(2)将所述步骤(1)得到的初混料与水玻璃混合，得到预混料；

(3)将所述步骤(2)得到的预混料与磷酸硅铝或三聚磷酸铝以及剩余部分水混合，进行复分解反应，得到土壤固化剂。

优选地，以水的总量为35～55份计，所述步骤(1)中部分水的质量份数为15～20份。

本发明还提供了上述技术方案所述土壤固化剂或所述制备方法制备得到的土壤固化剂在公路和铁路工程中的应用。

本发明提供了一种土壤固化剂，由包括以下质量份数的原料制备得到：水玻璃25～55份，磷酸硅铝或三聚磷酸铝5～15份，稳定剂1～5份，有机硅润湿分散剂0.1～1份，催化剂0.2～3份，缓凝剂2～9份和水35～55份。本发明提供的土壤固化剂利用磷酸硅铝或三聚磷酸铝与水玻璃反应生成不溶于水的固结体，在与砂质粉土混合后，不溶于水的固结体能够紧缩土体毛孔，密封土体固结体，增强土体固结体密度，在催化剂的作用下还能与土体固结体中的二氧化硅发生反应，生成不溶于水的硅酸盐凝胶体，充填在砂的空隙或岩石的裂隙内，通过上述的自固化以及与土体的反应固化，使砂质粉土之间形成整体稳定结构，达到显著提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能的目的。实施例的结果显示，本发明提供的土壤固化剂添加到砂质粉土中固化7天的CBR值为18.8～28.28；十次冻融循环后CBR值为14.3～24.4，强度损失率为13.72～23.94％；7天浸水吸水率为18～22％。

具体实施方式

本发明提供了一种土壤固化剂，由包括以下质量份数的原料制备得到：水玻璃25～55份，磷酸硅铝或三聚磷酸铝5～15份，稳定剂1～5份，有机硅润湿分散剂0.1～1份，催化剂0.2～3份，缓凝剂2～9份和水35～55份。

以质量份数计，本发明提供的土壤固化剂的原料包括水玻璃25～55份，进一步优选为30～50份，更优选为35～40份。在本发明中，所述水玻璃的模数优选≥3，进一步优选为3～5，更优选为3.2～3.4。本发明对所述水玻璃的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述水玻璃能够与磷酸硅铝或三聚磷酸铝反应生成不溶于水的固结体，在与砂质粉土混合后，能够紧缩土体毛孔，密封土体固结体，增强土体固结体密度，同时还能在催化剂的作用下与土体固结体中的二氧化硅发生反应，生成不溶于水的硅酸盐凝胶体，充填在砂的空隙或岩石的裂隙内，达到显著提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能的目的。在本发明中，所述水玻璃的模数在上述范围内时，能够减小水玻璃吸水的相对含量，进一步提高耐水性能。

以水玻璃的质量为25～55份计，本发明提供的土壤固化剂的原料包括磷酸硅铝或三聚磷酸铝5～15份，进一步优选为6～10份，更优选为9～10份。本发明对所述磷酸硅铝或三聚磷酸铝的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述磷酸硅铝或三聚磷酸铝在碱性环境下，能缓慢水解释放出氢离子，与碱性环境中的氢氧根结合，在固化过程中水分会蒸发减少，体系中大量的硅酸凝胶会逐渐缩合成“-Si-O-Si-”的网状结构，从而将粉料包裹在网状结构中，同时释放出氢离子的磷酸硅铝或三聚磷酸铝和水玻璃中游离的碱金属离子生成一种不溶于水的固结体，将游离的碱金属离子包裹固定，形成坚硬且耐水的胶泥，进而提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能。

以水玻璃的质量为25～55份计，本发明提供的土壤固化剂的原料包括稳定剂1～5份，进一步优选为2～4份，更优选为2.6～3份。在本发明中，所述稳定剂优选为三乙醇胺、乙二胺、二乙醇胺和丙二醇中的至少一种，更优选为三乙醇胺和乙二胺。在本发明中，所述稳定剂为三乙醇胺和乙二胺时，所述三乙醇胺和乙二胺的质量比为1:1。本发明对所述稳定剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述稳定剂能够保持土壤固化剂的电荷平衡，防止凝胶。

以水玻璃的质量为25～55份计，本发明提供的土壤固化剂的原料包括有机硅润湿分散剂0.1～1份，进一步优选为0.4～0.6份，更优选为0.5份。在本发明中，所述有机硅润湿分散剂优选为聚醚改性硅油，更优选为IOTA245。本发明对所述有机硅润湿分散剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述有机硅润湿分散剂不仅能够使原料均匀分散，还能够使砂质粉土的颗粒呈高度悬浮的稳定状态，进而使固化剂的固化反应更充分。

以水玻璃的质量为25～55份计，本发明提供的土壤固化剂的原料包括催化剂0.2～3份，进一步优选为0.8～1.5份，更优选为1～1.2份。在本发明中，所述催化剂优选为偏铝酸钠。本发明对所述催化剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述催化剂不仅能够加快水玻璃与磷酸硅铝或三聚磷酸铝反应生成不溶于水的固溶体的速度，还能够促进此固溶体与土体固结体中的二氧化硅发生反应，生成不溶于水的硅酸盐凝胶体，充填在砂的空隙或岩石的裂隙内，达到显著提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能的目的。

以水玻璃的质量为25～55份计，本发明提供的土壤固化剂的原料包括缓凝剂2～9份，进一步优选为4～7份，更优选为5～6份。在本发明中，所述缓凝剂优选为三聚磷酸钠或多聚磷酸钠，更优选为四聚磷酸钠。本发明对所述缓凝剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述缓凝剂能够延长施工时间，防止快速凝胶。

以水玻璃的质量为25～55份计，本发明提供的土壤固化剂的原料包括水35～55份，进一步优选为40～50份，更优选为41.5～47.5份。本发明对所述水的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述水为溶剂，用于原料的溶解。

本发明提供的土壤固化剂利用磷酸硅铝或三聚磷酸铝与水玻璃反应生成不溶于水的固结体，在与砂质粉土混合后，不溶于水的固结体能够紧缩土体毛孔，密封土体固结体，增强土体固结体密度，在催化剂的作用下还能与土体固结体中的二氧化硅发生反应，生成不溶于水的硅酸盐凝胶体，充填在砂的空隙或岩石的裂隙内，通过上述的自固化以及与土体的反应固化，使砂质粉土之间形成整体稳定结构，达到显著提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能的目的，进而提高土壤固化剂的耐久性能。

本发明提供的土壤固化剂中磷酸硅铝或三聚磷酸铝在碱性环境下，能缓慢水解释放出氢离子，与碱性环境中的氢氧根结合，在固化过程中水分会蒸发减少，体系中大量的硅酸凝胶会逐渐缩合成“-Si-O-Si-”的网状结构，从而将粉料包裹在网状结构中，同时释放出氢离子的磷酸硅铝或三聚磷酸铝和水玻璃中游离的碱金属离子生成一种不溶于水的固结体，将游离的碱金属离子包裹固定，形成坚硬且耐水的胶泥，在与土壤混合形成硅酸盐凝胶体时，土壤中游离的水已经大幅度减少，使得土壤孔隙之间形成坚硬且耐水的胶泥，能够有效降低冻融循环对土壤内部的影响。

本发明还提供了上述技术方案所述土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将稳定剂、有机硅润湿分散剂、催化剂、缓凝剂与部分水混合，得到初混料；

(2)将所述步骤(1)得到的初混料与水玻璃混合，得到预混料；

(3)将所述步骤(2)得到的预混料与磷酸硅铝或三聚磷酸铝以及剩余部分水混合，进行复分解反应，得到土壤固化剂。

本发明将稳定剂、有机硅润湿分散剂、催化剂、缓凝剂与部分水混合，得到初混料。本发明对所述稳定剂、有机硅润湿分散剂、催化剂、缓凝剂与部分水混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。在本发明中，以水的总量为35～55份计，所述部分水的质量份数优选为15～20份。在本发明中，先将所述稳定剂、有机硅润湿分散剂、催化剂、缓凝剂与部分水混合，能够避免有机硅润湿分散剂、催化剂和缓凝剂对主剂产生电荷吸附生成凝胶。

得到初混料后，本发明将所述初混料与水玻璃混合，得到预混料。本发明对所述初混料与水玻璃混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合物料的技术方案即可。

得到预混料后，本发明将所述预混料与磷酸硅铝或三聚磷酸铝以及剩余部分水混合，进行复分解反应，得到土壤固化剂。在本发明中，所述预混料与磷酸硅铝或三聚磷酸铝以及剩余部分水的混合优选在搅拌条件下进行。在本发明中，所述搅拌的速率优选为100～500r/min；所述搅拌的温度优选为25～40℃；所述搅拌的时间优选为5～10min。在本发明中，将预混料与磷酸硅铝或三聚磷酸铝混合后，磷酸硅铝或三聚磷酸铝能够与预混料中的水玻璃反应生成不溶于水的固结体，在与砂质粉土混合后，不溶于水的固结体能够紧缩土体毛孔，密封土体固结体，增强土体固结体密度，进而提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能。

本发明提供的制备方法工艺简单，综合成本低，适合工业化生产。

本发明还提供了上述技术方案所述土壤固化剂或所述制备方法制备得到的土壤固化剂在公路和铁路工程中的应用。本发明对所述土壤固化剂在公路和铁路工程中的应用的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例1

(1)将2份三乙醇胺、0.5份IOTA245、1份偏铝酸钠、4份三聚磷酸钠与20份水混合，得到初混料；

(2)将所述步骤(1)得到的初混料与模数为3.0的35份水玻璃混合，得到预混料；

(3)将所述步骤(2)得到的预混料与10份磷酸硅铝以及剩余27.5份水在25℃下以300r/min的转速搅拌8分钟，得到土壤固化剂。

实施例2

(1)将3份乙二胺、0.5份IOTA245、1份偏铝酸钠、5份四聚磷酸钠与20份水混合，得到初混料；

(2)将所述步骤(1)得到的初混料与模数为3.2的40份水玻璃混合，得到预混料；

(3)将所述步骤(2)得到的预混料与9份三聚磷酸铝以及剩余21.5份水在25℃下以350r/min的转速搅拌8分钟，得到土壤固化剂。

实施例3

(1)将1.3份三乙醇胺、1.3份乙二胺、0.4份IOTA245、1份偏铝酸钠、5份三聚磷酸钠与20份水混合，得到初混料；

(2)将所述步骤(1)得到的初混料与模数为3.4的40份水玻璃混合，得到预混料；

(3)将所述步骤(2)得到的预混料与9份三聚磷酸铝以及剩余22份水在25℃下以400r/min的转速搅拌8分钟，得到土壤固化剂。

抗压强度和浸水吸收率性能测试：采用砂性土作为基本土样，使用前过2.36mm圆孔筛，将本发明实施例1～3和对比例1(采用普通硅酸盐水泥32.5为固化剂)按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程JTGE51-2009)进行7天CBR值和7天浸水吸水率的测试，测试结果见表1。

表1实施例1～3和对比例1的固化剂抗压强度和浸水吸收率性能测试结果

从表1中可以看出，实施例1～3相比于对比例1具有更高的CBR值，更低的浸水吸水率，这表明本发明所提供的土壤固化剂能够显著提高土壤的强度和耐水性能。

抗冻性能测试：对本发明实施例1～3和对比例1(采用普通硅酸盐水泥32.5为固化剂)按照《水工混凝土试验规程(SL352-2006)》中混凝土抗冻性能试验方法进行测试，测试结果见表2。

表2实施例1～3和对比例1的固化剂的抗冻性检测结果

从表2可以看出，实施例1～3相比于对比例1在十次冻融循环后具有更高的CBR值，即具有更低的强度损失率，表明本发明所提供的土壤固化剂具有良好的抗冻性能。

从以上对比例和实施例可以看出，本发明提供的土壤固化剂能够显著提高砂质粉土的抗压强度和耐水性能，且具备优异的抗冻性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。