一种提高抗水性的液体土壤固化剂及制备方法与流程

1.本发明涉及土壤固化剂技术领域，特别是涉及一种提高抗水性的液体土壤固化剂及制备方法。


背景技术：

2.可持续发展是当今发展的主题，随着国家对生态、环境建设的日渐重视，建筑、道路等建筑行业的砂、石等资源开始实行管制，使得相关行业的所用材料成本不断增加，因此生物质和土壤如自然淤泥等作为可持续替代材料则受到了青睐。
3.土壤固化剂是一种能与土壤成分发生物理、化学作用而改变土壤性质的新型环保节能型工程材料。它起源于上个世纪五十年代的美国等发达国家，主要是用于替代传统的水泥、石灰和粉煤灰等固化材料，其特点是用量少、效率高和性能可调，已广泛应用于道路、水利、机场跑道和坡道土保持等领域。与传统固化材料相比，它除了有卓越的工程性质外还有通过配方设计可做到与生态和谐统一的优势，能够做到不破坏原有的土壤生态环境，是经济环境上理想的固化材料之一。
4.土壤固化剂从形态上可分为粉体和液体，而从组成上可分为无机型、有机型和生物酶型等三大类，各有优缺点。无机型土壤固化剂是在水泥、石灰石等基础上进行改进而来，粉体型为主，稳定性好成本低但容易干裂，前期强度不够理想；有机型是以大分子为主成分的液体固化剂，用量少，易于强度控制和调变抗水性但通常其适用范围有限，对于高分子型的则易老化；生物酶类固化剂属于生物固化剂，对高塑型黏土固化效果明显但制备成本较高且容易降解而影响寿命。因此，扬长避短，复配性的固化剂成为了当下行业发展的主流。基于综合性能的考量，在寻求固化剂高强度性能的前提下，高抗水性是固化剂强度保持和耐久性使用的重要指标，而廉价可再生的原料如生物质在强度、耐水性和包括材料价格、废物利用和施工便利等经济性上达成满意度是当前土壤固化剂开发的紧迫任务。其中对于关联强度和耐久性使用有较高要求的如道路、河岸工程，有机(尤其是生物质有机物)无机复合固化剂在这方面有着优势。从原理上说，含水和渗入水是影响土壤作为材料使用强度和耐久性的重要因素。因此，高抗水性土壤固化剂的开发是相关工程的急需。从绿色可持续来看，具有疏水性的大分子有机生物质应当成为抗水性固化剂组分的首选组分，因为它的环境友好型将会会成为下一代工程适用的新一代高性能土壤固化剂。
5.因此，基于现实的需求，尽可能降低水泥等传统固化材料的使用和复配生物基有机物和无机物配方，提高与其他如强度和耐久性性能相关的抗水性，便利于绿色工程的实际应用，绿色精细化工建材的制造技术。
6.公开号为cn109135761a的专利公开了一种环保新型土壤固化剂，其公开的组分为烷基金属化合物10-25份、三异丙醇胺5-10份、聚丙烯酸酯6-20份、水溶性纤维素12-25份、磷酸盐5-10份和硫酸亚铁3-8份，其余为溶剂，该申请是利用二价金属离子使土壤固化，对环境不友好，容易造成环境的破坏。
7.公开号为cn105038806b的专利公开了一种高分子有机土壤固化剂及其合成方法，
其公开的组分按重量份数配比为：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，该申请原料中使用了丙烯酰胺、过硫酸铵和过硫酸钾，生产过程中危险性高，且生产出的土壤固化剂容易破坏土壤环境。
8.公开号为cn101525541b的专利公开了土壤稳定固化剂，其由土壤稳定剂和土壤固化剂两个组合物构成，公开了土壤固化剂的组成为聚乙烯醇17-25份，聚乙烯吡咯烷酮4-8份，羟乙基纤维素3-6份，聚乙二醇5-10份，羟丙基甲基纤维素2-4份，水47-69份，该申请利用土壤稳定剂及土壤固化剂使得土壤从亲水性变成憎水性，减小粘土的塑限及液限，原料价格高，工艺步骤繁琐，生产成本高。
9.综上所述，可以看出目前现有技术中，如何建立一种对环境更加友好且具有高抗水性能的液体土壤固化剂及其制备方法是一个有待解决的技术问题。


技术实现要素：

10.为了解决这一问题，本发明提出了一种提高抗水性的液体土壤固化剂及制备方法，通过控制温度为主要参数，改变土壤颗粒的双电层厚度，便于土壤颗粒的胶结，生成沉淀物以提高抗水性。采用水溶性纤维素、对十二烷基磺酸钠和聚羧酸钠，使得有机物大分子中的亲油部分覆盖在土壤颗粒表面，有助于颗粒的整体稳定和游离水的释放，能够提高土壤的疏水性，解决了上述背景技术中提出的问题。
11.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种提高抗水性的液体土壤固化剂，包括如下质量百分比的组分：
12.水溶性生物质纤维素6～16份和有机生物质类，水溶性纤维素包括羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素、木质纤维素和海藻纤维；
13.所述有机生物质类包括甘油、脂肪酸衍生物，其中，甘油5～8份，脂肪酸4～10份，脂肪酸衍生物12～20份；
14.还包括生物基及其衍生物，具体包括对十二烷基磺酸钠和聚羧酸钠，其中，对十二烷基磺酸钠5～12份；聚羧酸钠2～8份；
15.还包括无机物，具体包括锂化物、钙化物和磷铝化物，其中，
16.锂化物0.4～3份，钙化物1.2～1.5份，磷铝化物2～5份；
17.溶剂38份，溶剂为纯水。
18.作为优选，所述生物基及其衍生物具体可以为天然的生物质及其衍生物。
19.作为优选，所述对十二烷基磺酸钠由生物质高级脂肪酸进化学催化转化而成，所述聚羧酸钠由甘油催化转化而成。
20.作为优选，所述脂肪酸衍生物为脂肪酸酯。
21.作为优选，所述锂化物为氢氧化锂，所述钙化物为氢氧化钙，所述磷铝化物为硅酸铝。
22.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种提高抗水性的液体土壤固化剂的制备方法，包括如下步骤：
23.步骤1、制备固化剂原液：向40份蒸馏水中依此加入水溶性纤维素、甘油、脂肪酸，脂肪酸甲酯、对十二烷基磺酸钠和聚羧酸钠，室温下持续搅拌使其溶解，持续搅拌2小时得
到固化剂原液；
24.步骤2、调节原液ph：将步骤1获得的固化剂原液加入钙化物调节溶液体系ph值，调节ph后加热溶液，并持续搅拌2小时以上，得到ph调节后的固化剂原液；
25.步骤3、制备土壤固化剂：向步骤2获得的ph调节后的固化剂原液中顺次加入锂化物和磷铝化物，保持加热温度不变并继续搅拌4小时以上，将搅拌后的溶液冷却至室温得到混合物，所得混合物即为目标土壤固化剂。
26.作为优选，所述步骤2中溶液体系的ph值调节范围为6.5～8。
27.作为优选，步骤2和步骤3中，所述固化剂原液的加热温度为45～70℃。
28.本发明的提高抗水性的液体土壤固化剂及制备方法可达到如下有益效果：
29.本发明使用可再生、环境友好型的生物基和生物基衍生物作为有机组分，具有绿色、再生性的特点，对环境友好，使获得的液体固化剂更亲和自然土壤，可以使固化后的土壤一定程度上保持着原来的生态性质，固化后能够降低对土壤环境的破坏。
30.本发明的制备过程对条件、设备的要求极其简单，工艺步骤简单，能够将原料完全转化至固化剂产品中，原料成本低廉且原料利用率高，生产成本低，液体土壤固化剂的流动性便于绿色精细化工建材进行施工。
31.本发明采用有机物和无机物复合的方法提高土壤固化剂的固化性能，有效提高了土壤固化后的耐水性，延长了使用寿命，能够降低社会成本，节省资源，提高土壤固化效率，适用于道路、机场和农地斜坡处于自然雨水侵蚀的土壤固化处理。
32.本发明的制备方法中采用钙化物调节土壤固化剂的酸碱度，适用于不同酸碱性质土壤的固化，表现出了较好的适应性。
具体实施方式
33.以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
34.下面结合实施例对本发明作进一步说明。
35.实施例1：
36.本实施例提供了一种提高抗水性的液体土壤固化剂及制备方法，具体方法如下：
37.1、原料
38.羧甲基纤维素钠，甘油，脂肪酸，脂肪酸甲酯，对十二烷基磺酸钠，聚羧酸钠，氢氧化锂，氢氧化钙，硅酸铝，蒸馏水。
39.2、制备步骤
40.步骤1、制备固化剂原液：向40份蒸馏水中按质量配比依此加入13份羧甲基纤维素钠、4份甘油、6份脂肪酸，18份脂肪酸甲酯、10份对十二烷基磺酸钠和3份聚羧酸钠，室温下持续搅拌使其溶解，持续搅拌2小时得到固化剂原液；
41.步骤2、调节原液ph：将步骤1获得的固化剂原液加入1.2份氢氧化钙调节溶液体系ph值为7，调节ph后加热溶液至50℃，并持续搅拌2小时以上，得到体系ph为7的固化剂原液；
42.步骤3、制备土壤固化剂：向步骤2获得的ph调节后的固化剂原液中顺次加入1.8份氢氧化锂和3份硅酸铝，保持加热温度为50℃不变，并继续搅拌4小时以上，将搅拌后的溶液冷却至室温得到混合物，所得混合物即为目标土壤固化剂。
43.本实施例还提供了一种由上述制备方法制备出的生物基高抗水性液体土壤固化剂。
44.实施例2：
45.本实施例提供了一种生物基高抗水性液体土壤固化剂的制备方法，具体方法如下：
46.1、原料
47.羟丙基甲基纤维素，甘油，脂肪酸，脂肪酸甲酯，对十二烷基磺酸钠，聚羧酸钠，氢氧化锂，氢氧化钙，硅酸铝，蒸馏水。
48.2、制备步骤
49.步骤1、制备固化剂原液：向40份蒸馏水中按质量配比依此加入13份羟丙基甲基纤维素、4份甘油、6份脂肪酸，18份脂肪酸甲酯、10份对十二烷基磺酸钠和3份聚羧酸钠，室温下持续搅拌使其溶解，持续搅拌2小时得到固化剂原液；
50.步骤2、调节原液ph：将步骤1获得的固化剂原液加入1.2份氢氧化钙调节溶液体系ph值为7，调节ph后加热溶液至50℃，并持续搅拌2小时以上，得到体系ph为7的固化剂原液；
51.步骤3、制备土壤固化剂：向步骤2获得的ph调节后的固化剂原液中顺次加入1.8份氢氧化锂和3份硅酸铝，保持加热温度为50℃不变，并继续搅拌4小时以上，将搅拌后的溶液冷却至室温得到混合物，所得混合物即为目标土壤固化剂。
52.本实施例还提供了一种由上述制备方法制备出的生物基高抗水性液体土壤固化剂。
53.实施例3：
54.本实施例提供了一种生物基高抗水性液体土壤固化剂的制备方法，具体方法如下：
55.1、原料
56.羧甲基纤维素钠，甘油，脂肪酸，脂肪酸甲酯，对十二烷基磺酸钠，聚羧酸钠，氢氧化锂，氢氧化钙，硅酸铝，蒸馏水。
57.2、制备步骤
58.步骤1、制备固化剂原液：向40份蒸馏水中按质量配比依此加入10份羧甲基纤维素钠、4份甘油、6份脂肪酸，18份脂肪酸甲酯、12份对十二烷基磺酸钠和4份聚羧酸钠，室温下持续搅拌使其溶解，持续搅拌2小时得到固化剂原液；
59.步骤2、调节原液ph：将步骤1获得的固化剂原液加入1.2份氢氧化钙调节溶液体系ph值为7，调节ph后加热溶液至50℃，并持续搅拌2小时以上，得到体系ph为7的固化剂原液；
60.步骤3、制备土壤固化剂：向步骤(2)获得的ph调节后的固化剂原液中顺次加入1.8份氢氧化锂和3份硅酸铝，保持加热温度为50℃不变，并继续搅拌4小时以上，将搅拌后的溶液冷却至室温得到混合物，所得混合物即为目标土壤固化剂。
61.本实施例还提供了一种由上述制备方法制备出的生物基高抗水性液体土壤固化剂。
62.实施例4：
63.本实施例提供了一种生物基高抗水性液体土壤固化剂的制备方法，具体方法如下：
64.1、原料
65.羧甲基纤维素钠，甘油，脂肪酸，脂肪酸甲酯，对十二烷基磺酸钠，聚羧酸钠，氢氧化锂，氢氧化钙，硅酸铝，蒸馏水。
66.2、制备步骤
67.步骤1、制备固化剂原液：向40份蒸馏水中按质量配比依此加入13份羧甲基纤维素钠、4份甘油、6份脂肪酸，18份脂肪酸甲酯、10份对十二烷基磺酸钠和3份聚羧酸钠，室温下持续搅拌使其溶解，持续搅拌2小时得到固化剂原液；
68.步骤2、调节原液ph：将步骤1获得的固化剂原液加入1.2份氢氧化钙调节溶液体系ph值为7，调节ph后加热溶液至50℃，并持续搅拌2小时以上，得到体系ph为7的固化剂原液；
69.步骤3、制备土壤固化剂：向步骤2获得的ph调节后的固化剂原液中顺次加入1份氢氧化锂和3.8份硅酸铝，保持加热温度为50℃不变，并继续搅拌4小时以上，将搅拌后的溶液冷却至室温得到混合物，所得混合物即为目标土壤固化剂。
70.本实施例还提供了一种由上述制备方法制备出的生物基高抗水性液体土壤固化剂。
71.实施例5：
72.本实施例提供了一种生物基高抗水性液体土壤固化剂的制备方法，具体方法如下：
73.1、原料
74.羧甲基纤维素钠，甘油，脂肪酸，脂肪酸甲酯，对十二烷基磺酸钠，聚羧酸钠，氢氧化锂，氢氧化钙，硅酸铝，蒸馏水。
75.2、制备步骤
76.步骤1、制备固化剂原液：向40份蒸馏水中按质量配比依此加入13份羧甲基纤维素钠、4份甘油、6份脂肪酸，18份脂肪酸甲酯、10份对十二烷基磺酸钠和3份聚羧酸钠，室温下持续搅拌使其溶解，持续搅拌2小时得到固化剂原液；
77.步骤2、调节原液ph：将步骤1获得的固化剂原液加入1.2份氢氧化钙调节溶液体系ph值为7，调节ph后加热溶液至50℃，并持续搅拌2小时以上，得到体系ph为7的固化剂原液；
78.步骤3、制备土壤固化剂：向步骤2获得的ph调节后的固化剂原液中顺次加入1.8份氢氧化锂和3份硅酸铝，保持加热温度为50℃不变，并继续搅拌4小时以上，将搅拌后的溶液冷却至室温得到混合物，所得混合物即为目标土壤固化剂。
79.本实施例还提供了一种由上述制备方法制备出的生物基高抗水性液体土壤固化剂。
80.按照上述实施例1～5中的制备方法分别制备新鲜的生物基高抗水性液体土壤固化剂，并对新鲜制出的土壤固化剂进行性能测试，空白对照组为不加土壤固化剂的土壤。测试方法为：以黏土为骨料，向黏土中添加3％石灰和3％水泥作为辅料，再将0.05％的土壤固化剂分别添加至对应的骨料中，按照行业标准cjj/t286-2018测试固化剂对土壤的7天浸水吸水率，其测试结果如表1所示。
81.表1-实施例1-5制备出的土壤固化剂的固化性能测试结果
82.固化剂类型实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5空白对照组7天浸水吸收率1.21％1.33％1.36％1.42％1.44％1.70％
83.由上表可知，通过实施例1～5中的制备方法制备出的土壤固化剂按照性能测试标准进行检测，实施例1～5制备出的土壤固化剂均可获得低于1.5％的7天浸水吸收率，实施例1制备出的土壤固化剂可以获得1.21％的7天浸水吸水率，优于现有专利文献报道的同等条件下的土壤固化剂的7天浸水吸水率的性能，由表1的性能测试结果可知，不加固化剂时土壤的吸水率值高达1.70％，表现出了本发明制备出的土壤固化剂具有极佳的抗水性能。
84.根据表1的结果，优选实施例1新鲜制出的土壤固化剂进行性能测试，测试方法为：分别以黏土、粉土和砂土为骨料，每项骨料中均添加3％石灰和3％水泥作为辅料，分别向骨料中添加0.05％的固化剂，按照行业标准cjj/t286-2018测试添加固化剂后土壤的7天无侧限抗压强度和浸水吸水率，测试结果如表2所示。
85.表2-实施例5制备出的土壤固化剂对不同土壤的固化性能测试结果
86.土壤类别黏土亚粉土粉沙土7天无侧限抗压强度5.70mpa4.31mpa3.75mpa7天浸水吸水率1.21％0.51％1.56％
87.从绿色环保的角度来看，当前固化剂的强度不够理想，现有专利文献报道的同等条件下，添加了同等比例的水泥和生石灰后土壤固化剂的7天无侧限抗压强度普遍在1.8-2.5mpa。由表2可知，本发明实施例1制备出的土壤固化剂对于不同类型的土壤，表现出了不同的物理、化学性质，但均优于添加现有专利文献报道的土壤固化剂后的土壤的7天无侧限抗压强度，黏土添加实施例5制备出的土壤固化剂后，7天无侧限抗压强度值高达5.70mpa。加入土壤固化剂的亚粉土7天浸水吸水率仅为0.51％，说明实施例1制备出的土壤固化剂对亚粉土表出极强的抗水性。说明有机物和无机物复合生成的土壤固化剂对土壤的物理、化学作用提高了土壤的强度和抗水性，由于土壤的性质不同，与固化剂的反应过程存在差异，从而能够表现出固化剂不同的性能。
88.以上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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。