一种土壤固化剂及其使用方法与流程

本发明涉及固化剂技术领域，尤其涉及一种土壤固化剂及其使用方法。

背景技术：

随着社会的发展，人们对创新性、环保性、节能性材料的要求越来越高。而由于资源的匮乏，国家对环保的要求不断提高，砂、石、石灰等材料价格持续上涨，使得工程施工成本不断增加。

土壤固化剂是一种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，以达到提高土质强度、改善土壤压实性的目的。土壤固化剂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，是当前理想的筑路材料选择。

当前国内市场上的土壤固化剂类型有聚合物型、离子型、生物酶型。但现有的土壤固化剂在性能上不能满足所有土壤或一些固废物的固化，比如湿陷性黄土、高液限土、风积沙、各种矿渣等完全固化不了。此外，现有的土壤固化剂需要加一定比例的水泥和生石灰，不符合环保、节能的新要求，且固化强度不够高，7天无侧限抗压强度在1.8～2.0mp，后期强度会逐渐减弱，满足不了国家道路标准的要求。因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种土壤固化剂及其使用方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种土壤固化剂，按照重量比包括55-90％的煅烧后的固废材料、0.3-8％的偏硅酸钠、5-20％的木质素、0.5-8％的萘磺酸钠甲醛缩合物、0.5-5％的聚丙烯酰胺、0.1-5％的羟甲基纤维素。

本发明的一实施例中，所述固废材料包括粉煤灰、钢厂飞灰、熟石灰以及赤泥。

本发明的一实施例中，所述土壤固化剂按照重量比包括20-27％的粉煤灰、30-45％的钢厂飞灰、1-3％的熟石灰、10-15％的赤泥、0.5-2％的偏硅酸钠、5-10％的木质素、0.5-5％的萘磺酸钠甲醛缩合物、0.5-5％的聚丙烯酰胺、0.1-5％的羟甲基纤维素。

本发明的一实施例中，所述土壤固化剂按照重量比包括10-25％的粉煤灰、25-60％的钢厂飞灰、1.25-3.5％的熟石灰、20-25％的赤泥、0.3-4％的偏硅酸钠、5-12％的木质素、0.5-3％的萘磺酸钠甲醛缩合物、0.5-2.5％的聚丙烯酰胺、0.1-2％的羟甲基纤维素。

本发明的一实施例中，所述固废材料的粒径为300-400目。

本发明的一实施例中，所述偏硅酸钠为九水偏硅酸钠。

本发明的一实施例中，所述聚丙烯酰胺为阴离子型聚丙烯酰胺。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种如上述任一项所述的土壤固化剂的使用方法，将所述土壤固化剂掺入待固化的材料中，加入水分搅拌均匀，夯压密实后得到固化土；

其中，所述土壤固化剂的掺入量为所述待固化材料质量的3-15％。

本发明的一实施例中，所述固化土的含水量为15-18％。

本发明的一实施例中，所述待固化的材料包括矿渣、风积砂、高液限土以及湿陷性黄土。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供的土壤固化剂，其成分中含有大量煅烧后的固废材料，一方面对固废材料进行了二次利用，环保节能。另一方面，固废材料加上偏硅酸钠、木质素、萘磺酸钠甲醛缩合物、聚丙烯酰胺以及羟甲基纤维素的综合作用，对矿渣、风积砂、高液限土以及湿陷性黄土起到了良好的固化效果，其固化后的材料强度高于2mp，且使用该土壤固化剂进行固化的过程中无需添加水泥等有机结合料，施工方式更简单、也节约了更多的施工时间。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明示例性实施例中土壤固化剂固化土壤的原理示意图；

图2示出本发明示例性实施例中土壤未被固化前的结构示意图；

图3示出本发明示例性实施例中土壤被固化后的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。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范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

本示例实施方式中首先提供了一种土壤固化剂，该土壤固化剂按照重量比包括55-90％的煅烧后的固废材料、0.3-8％的偏硅酸钠、5-20％的木质素、0.5-8％的萘磺酸钠甲醛缩合物、0.5-5％的聚丙烯酰胺、0.1-5％的羟甲基纤维素。

本发明提供的土壤固化剂，其成分中含有大量煅烧后的固废材料，一方面对固废材料进行了二次利用，环保节能。另一方面，固废材料加上偏硅酸钠、木质素、萘磺酸钠甲醛缩合物、聚丙烯酰胺以及羟甲基纤维素的综合作用，对矿渣、风积砂、高液限土以及湿陷性黄土起到了良好的固化效果，其固化后的材料强度高于2mp，且使用该土壤固化剂进行固化的过程中无需添加水泥等有机结合料，施工方式更简单、也节约了更多的施工时间。

下面，对本示例实施方式中的上述土壤固化剂进行更详细的说明。

固废材料又称固体废物建筑材料，固废材料中含有大量的硅、铝、钙、镁等成分，具有水硬胶凝性。将该土壤固化剂与土壤混合后，固废材料会为土壤提供钙、镁离子，同时这些钙、镁离子与同土壤固化剂中的其他低价离子发生交换，使钙、镁离子更加均匀分布，并以钙、镁离子为中心产生化学反应，生成化学键，在土壤中形成坚固的网状结构。本发明提供的土壤固化剂中，使用固废材料作为原料的一部分，既达到了废弃资源再利用的效果，又利用其化学性能提高了固化后的材料的强度。

偏硅酸钠具有强碱性，其所含的硅酸根阴离子能同泥浆中的钙、镁离子生成难溶物，促进钠离子的交换作用，使泥浆的粘度减小，而流动性增加，以使待固化材料在固化中与土壤固化剂作用更加完全。

木质素成本很低，其与待固化的材料反应可生成衍生物木质素磺酸盐，而木质素磺酸盐具有分散生物粘泥、氧化铁垢、磷酸钙垢的能力，又能与锌离子、钙离子生成稳定的络合物。例如，木质素磺酸钠和木质素磺酸钙常作为减水剂使用，减水剂多为表面活性剂，减水剂的憎水基团定向吸附于颗粒表面，亲水基团指向水溶液，组成了单分子或多分子的吸附膜，使颗粒因表面相同电荷相互排斥而被分散，从颗粒间释放出多余的水分，以达到减水的目的。与此同时，由于降低了水的表面张力以及颗粒间的界面张力，在保持同样流动度的情况下，相应减少用水量，从而也起到减水的作用。它可大幅度地降低固化剂的水化，降低孔隙率，增加固化剂密实性，从而大大提高固化剂的强度和抗渗性。

萘磺酸钠甲醛缩合物属于阴离子型表面活性剂，是水硬胶凝原料的分散剂，可以增强土壤固化剂中固废材料在土壤中的分散性、流动性以及扩散性，让固废材料与土壤进行充分的反应。

聚丙烯酰胺是一种线状的有机高分子聚合物，同时也是一种高分子水处理絮凝剂产品，专门可以吸附水中的悬浮颗粒，在颗粒之间起链接架桥作用，使细颗粒形成比较大的絮团，并且加快了沉淀的速度，可以加快其固化速度，并增加抗压强度。

具体的，聚丙烯酰胺可分为为阴离子型，阳离子型以及非离子型。在一个实施例中，聚丙烯酰胺可选用阴离子型，即水解后使部分酰胺基变为羧基，可以降低土壤中的水相渗透率，降低渗透性，进一步增强抗压强度。

羟甲基纤维素易溶于水，主要起增稠和保水的作用，可以有效提高浆料的粘结力和抗垂性。具体的，羟甲基纤维素会包裹所有的固态颗粒，且形成一层润湿膜，其中的水分在相当长时间逐步释放，与凝胶材料发生水合反应，从而保证了材料的粘结强度和抗压强度。

综上，上述土壤固化剂中的各个原料与待固化的材料以及水混合后，以特定的比例进行相互作用、相互促进，如图1所示，将待固化的材料内部的大团粒散解成细小的团粒结构，并使得带有正电荷的离子与带有负电荷的离子相互作用，使团粒的带电性降低，团粒间排斥力大幅度减少。参考图2和图3，最终形成致密的、水稳的、有较高强度和超强耐久性的类钙矾石结构，同时，还具有良好的抗冻融性和抗开裂性。

在一个实施例中，偏硅酸钠可选用九水偏硅酸钠。九水偏硅酸钠与五水偏硅酸钠相比，有促进瓷胚成型的作用，而固废材料例如矿渣中就有瓷成分，九水偏硅酸钠还可以进一步增加其固化强度。

在一个实施例中，上述固废材料包括粉煤灰、钢厂飞灰、熟石灰以及赤泥，这些固废材料经过特定比例的组合，可以使其水硬胶凝性达到最大。

具体的，在一个实施例中，该土壤固化剂按照重量比包括20-27％的粉煤灰、30-45％的钢厂飞灰、1-3％的熟石灰、10-15％的赤泥、0.5-2％的偏硅酸钠、5-10％的木质素、0.5-5％的萘磺酸钠甲醛缩合物、0.5-5％的聚丙烯酰胺、0.1-5％的羟甲基纤维素。

在另一个实施例中，该土壤固化剂按照重量比包括10-25％的粉煤灰、25-60％的钢厂飞灰、1.25-3.5％的熟石灰、20-25％的赤泥、0.3-4％的偏硅酸钠、5-12％的木质素、0.5-3％的萘磺酸钠甲醛缩合物、0.5-2.5％的聚丙烯酰胺、0.1-2％的羟甲基纤维素。

在一个实施例中，上述固废材料的粒径为300-400目，已达到最佳的融合效果，粒径太大反应不充分，粒径过小又增加生产成本。

本示例实施方式中还提供了一种土壤固化剂的使用方法，该方法包括将上述土壤固化剂掺入待固化的材料中，加入水分搅拌均匀，夯压密实后得到固化土；其中，土壤固化剂的掺入量为待固化材料质量的3-15％。土壤固化剂的掺入量过少，固化效果不好，抗压强度等指标不合格。而土壤固化剂的掺入量过多，又增加了成本，且易造成最终得到的固化土固化不均匀。

在一个实施例中，最终得到的固化土的含水量为15-18％。当固化土的含水量在该范围内时，固化土的夯实效果最好，密实度最大。含水量低于该范围会使固化土夯不实，密度低，而含水量高于该范围会使固化土的干缩裂缝较多。

在上述实施例中，待固化的材料包括矿渣、风积砂、高液限土、湿陷性黄土，经过多种试验证明，本发明提供的土壤固化剂对以上不良土质或固废物的固化效果良好，且各项指标均有提高。具体的，其7天、14天以及28天的无侧限抗压强度均大于2mp；其抗弯拉(劈裂)强度大于0.5mp；其水稳定系数大于80；其抗压回弹模量大于1500mp；其耐冻指数大于0.65。

实施例1——固化矿渣土

将重量比为27％的粉煤灰、30％的钢厂飞灰、3％的熟石灰、15％的赤泥、2％的偏硅酸钠、10％的木质素、3％的萘磺酸钠甲醛缩合物、5％的聚丙烯酰胺、5％的羟甲基纤维素的土壤固化剂，分别以3％、10％以及15％的掺入量加入矿渣中，并加入适量的水分搅拌均匀，夯压密实后得到固化后的矿渣土，对固化后的矿渣土的各项性能进行测试并与普通固化剂固化后的性能进行比较，结果如下：

1.无侧限抗压强度试验(7天、14天、28天)

2.抗压回弹模量试验

3.冻融试验

4.水稳定性试验

5.抗弯拉(劈裂)强度

实施例2——固化风积沙

将重量比为20％的粉煤灰、45％的钢厂飞灰、1％的熟石灰、10％的赤泥、1％的偏硅酸钠、8％的木质素、5％的萘磺酸钠甲醛缩合物、5％的聚丙烯酰胺、5％的羟甲基纤维素的土壤固化剂，分别以3％、10％以及15％的掺入量加入风积沙中，并加入适量的水分搅拌均匀，夯压密实后得到固化后的风积沙土，对固化后的风积沙土的各项性能进行测试并与普通固化剂固化后的性能进行比较，结果如下：

1.无侧限抗压强度试验(7天、14天、28天)

2.抗压回弹模量试验

3.冻融试验

4.水稳定性试验

5.抗弯拉(劈裂)强度

实施例3——固化高液限土

将重量比为10％的粉煤灰、60％的钢厂飞灰、3.5％的熟石灰、20％的赤泥、0.3％的偏硅酸钠、5％的木质素、0.5％的萘磺酸钠甲醛缩合物、0.6％的聚丙烯酰胺、0.1％的羟甲基纤维素的土壤固化剂，分别以3％、10％以及15％的掺入量加入高液限土中，并加入适量的水分搅拌均匀，夯压密实后得到固化后的高液限土，对固化后的高液限土的各项性能进行测试并与普通固化剂固化后的性能进行比较，结果如下：

1.无侧限抗压强度试验(7天、14天、28天)

2.抗压回弹模量试验

3.冻融试验

4.水稳定性试验

5.抗弯拉(劈裂)强度

实施例4——固化湿限性黄土

将重量比为27％的粉煤灰、25％的钢厂飞灰、1.25％的熟石灰、25％的赤泥、4％的偏硅酸钠、12％的木质素、2.25％的萘磺酸钠甲醛缩合物、1.5％的聚丙烯酰胺、2％的羟甲基纤维素的土壤固化剂，分别以3％、10％以及15％的掺入量加入湿限性黄土中，并加入适量的水分搅拌均匀，夯压密实后得到固化后的湿限性黄土，对固化后的湿限性黄土的各项性能进行测试并与普通固化剂固化后的性能进行比较，结果如下：

1.无侧限抗压强度试验(7天、14天、28天)

2.抗压回弹模量试验

3.冻融试验

4.水稳定性试验

5.抗弯拉(劈裂)强度

综上，通过上述试验可看出，本发明提供的土壤固化剂，相比普通的固化剂，对矿渣、风积砂、高液限土以及湿陷性黄土起到了良好的固化效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

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