一种有机高分子-生物聚合物土壤固化剂及其制备方法

1.本发明涉及环境岩土工程技术领域，尤其涉及一种有机高分子-生物聚合物土壤固化剂及其制备方法。


背景技术：

2.土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物反应生成胶凝物质的土壤硬化剂。土壤固化剂是一种新型绿色建筑材料，可将其添加到土壤中通过物理、化学或生物作用固结土壤颗粒，来达到工程需要的性能指标，可用于路基、地基以及深层土壤加固工程，已在公路、铁路、水利、建筑等领域被广泛使用。土壤固化剂性能优越，不仅节约了社会资源，减少了工程造价而且保护生态，绿色节能，具有良好的应用前景。
3.土壤固化剂按照其物质组成可分为钙基固化剂和非钙基固化剂。以传统无机固化剂为主的钙基固化剂(如石灰、硅酸盐水泥、粉煤灰等)虽能显著提高土体强度和水稳性，但生态性能较差，碳排放高，施工工艺复杂，往往易造成严重的土壤板结、盐碱化等问题，植物基本不能存活，且对有机质含量较高的土壤固化性能差，因此其主要用于非生态固化的领域，如道路、水利、建筑等场景。随着生态文明建设理念的提出，土壤固化剂的应用场景变得复杂，荒漠化治理、矿山修复、边坡水土保持等领域的需求日益增加，固化剂的性能也应兼顾对土壤工程性能及生态性能的改良。以聚合物、生物酶和离子类为代表的非钙基固化剂得到了广泛的研究与应用。
4.公开号为cn105038806a和cn105602571a，分别名为“一种高分子有机土壤固化剂及其合成方法”和“一种聚合物土壤固化剂”的发明专利，虽以高分子有机或聚合物命名，但均涉及到氧化钙、氯化钙、硅酸盐水泥等钙基材料的使用，且cn105038806a合成温度较高需60～80℃，而cn105602571a还需粘结剂、增强剂、早强剂、防水剂、填充剂、减水剂、表面活性剂、分散剂、引气剂等多种功能成分的使用，使得制备过程繁琐、成本高、环境负荷大。公开号为cn112391170a的“一种有机高分子土壤固化剂及制作方法”的发明专利，虽全以有机物或聚合物为主要成分，但合成过程较为复杂，特别是涉及全能菌王在25℃发酵7天，耗时较长，不利于大规模工业化应用。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种有机高分子-生物聚合物土壤固化剂及其制备方法，用以解决目前的非钙基土壤固化剂制备过程繁琐、成本高、环境负荷大的问题。
6.本发明提供一种有机高分子-生物聚合物土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
7.将丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈和聚乙烯醇加入水中，搅拌得到第一混合浆料；
8.将聚乙烯亚胺、酚醛树脂和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺加入在水中，搅拌得到第二混合浆料；
9.将第二混合浆料均匀滴加进入到第一混合浆料中，得到第三混合浆料；
10.将木质素、沙蒿胶、纤维素和壳聚糖加入水中，搅拌得到第四混合浆料；
11.将过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵加入第四混合浆料，搅拌得到第五混合浆料；
12.将第五混合浆料均匀滴加进入到第三混合浆料中，得到有机高分子-生物聚合物复合土壤固化剂。
13.可选的，丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇的份数比为：丙烯酰胺5～15份、丙烯酸叔丁酯2～10份、聚丙烯腈1～6份、聚乙烯醇3～8份。
14.可选的，聚乙烯亚胺、酚醛树脂、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺的份数比为：聚乙烯亚胺2～6份、酚醛树脂1～5份、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺2～8份。
15.可选的，木质素、沙蒿胶、纤维素、壳聚糖的份数比为：木质素3～9份、沙蒿胶5～10份、纤维素2～6份、壳聚糖3～8份。
16.可选的，过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵的份数比为：过硫酸钾0.5～3份、过硫酸钠0.2～2份、过硫酸铵0.3～2份。
17.可选的，将第二混合浆料均匀滴加进入到第一混合浆料中以及将第五混合浆料均匀滴加进入到第三混合浆料中都是通过蠕动泵进行；蠕动泵的滴加速度为0.5ml/min。
18.可选的，搅拌得到第一混合浆料和搅拌得到第二混合浆料的搅拌速度都为500r/min，搅拌时间都为30min；搅拌得到第四混合浆料和搅拌得到第五混合浆料的搅拌速度都为1000r/min，搅拌时间都为30min。
19.可选的，将第二混合浆料均匀滴加进入到第一混合浆料中，得到第三混合浆料具体包括：
20.通过蠕动泵将第二混合浆料均匀滴加进入到第一混合浆料中；
21.滴加完成后，以500r/min的搅拌速度搅拌30min，最后将混合液在温度30～60℃条件下静置48h，得到第三混合浆料。
22.可选的，将第五混合浆料均匀滴加进入到第三混合浆料中，得到有机高分子-生物聚合物土壤固化剂具体包括：
23.通过蠕动泵将第五混合浆料均匀滴加进入到第三混合浆料中；
24.滴加完成后，保持500r/min的速度搅拌得到有机高分子-生物聚合物土壤固化剂。
25.本发明还提供一种有机高分子-生物聚合物土壤固化剂，由以下重量份数的原料制备而成：
[0026][0027]
本发明的有益效果为：
[0028]
本发明采用有机高分子和生物聚合物复合方式，形成三维立体结构胶结包裹土壤颗粒，使其快速形成具有一定工程力学强度的致密固化体。采用丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈和聚乙烯醇首先合成高分子量有机共聚物，而后加入聚乙烯亚胺、酚醛树脂和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺作为有机交联剂，在一定温度下控制有机交联剂对共聚物进行预交联，形成部分预交联的本体凝胶，预交联本体凝胶几乎不受土壤性质的影响，且不易发生重力分异现象，同时还未后续交联提供了大量成核位点，保证了后续与土壤拌和的适应性、均匀性和胶结性。采用引发剂过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵先对生物聚合物木质素、沙蒿胶、纤维素和壳聚糖进行预处理，引发剂分解生成的自由基可以活化上述生物聚合物中含有的氨基官能团，当经过预处理的生物聚合物加入到部分预交联的有机高分子溶液中，其也可充当有机共聚物的交联剂，进一步促进有机共聚物的交联和聚合性能，同时生物聚合物还可土壤颗粒进行离子交换反应或形成分子间作用力(氢键等)改变土壤原有结构，进一步增强了固化土体的力学强度。本发明的一种有机高分子-生物聚合物复合土壤固化剂本不仅克服了传统钙基固化剂碳排放高、土壤板结、盐碱化、植物难以存活、高有机质土壤固化性能差等问题，同时工艺制备简单，易于施工现场配制和使用，而且生态环保、成本低廉，市场潜力巨大，工程应用前景广阔。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
[0030]
图1为本发明提供的有机高分子-生物聚合物土壤固化剂的制备方法的实施例一的方法流程图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0032]
实施例一
[0033]
结合图1所示，本发明实施例公开的一种有机高分子-生物聚合物土壤固化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0034]
s01、将丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈和聚乙烯醇加入水中，搅拌得到第一混合浆料；在步骤s01中，丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、水的份数比为：丙烯酰胺5～15份、丙烯酸叔丁酯2～10份、聚丙烯腈1～6份、聚乙烯醇3～8份、水50份。并且，将丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈和聚乙烯醇均匀分散在水中，搅拌后得到第一混合浆料的搅拌速度为500r/min，搅拌时间为30min，静置时间为24h。
[0035]
s02、将聚乙烯亚胺、酚醛树脂和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺加入在水中，搅拌得到第二混合浆料；在步骤s02中，聚乙烯亚胺、酚醛树脂、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、水的份数比为：聚乙烯亚胺2～6份、酚醛树脂1～5份、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺2～8份、水50份。并且，其具体的步骤为先将聚乙烯亚胺、酚醛树脂和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺加入到水中，均匀搅拌得到第二混合浆料，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为30min。
[0036]
s03、将第二混合浆料均匀滴加进入到第一混合浆料中，得到第三混合浆料；在步骤s03中，将第二混合浆料均匀滴加进入到第一混合浆料中是通过蠕动泵进行的；蠕动泵的滴加速度为0.5ml/min，此时第一混合浆料保持500r/min的搅拌速度，滴加完成后，继续以500r/min的搅拌速度搅拌30min，最后将混合液在温度30～60℃条件下静置48h，得到第三混合浆料。
[0037]
s04、将木质素、沙蒿胶、纤维素和壳聚糖加入水中，搅拌得到第四混合浆料；在步骤s04中，木质素、沙蒿胶、纤维素、壳聚糖、水的份数比为：木质素3～9份、沙蒿胶5～10份、纤维素2～6份和壳聚糖3～8份、水50份。并且，将木质素、沙蒿胶、纤维素和壳聚糖均匀分散在水中，搅拌后得到第四混合浆料的搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为30min，静置时间为24h。
[0038]
s05、将过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵加入第四混合浆料，搅拌得到第五混合浆料；在步骤s05中，过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵份数比为：过硫酸钾0.5～3份、过硫酸钠0.2～2份和过硫酸铵0.3～2份。其具体的步骤为先将过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵加入重新分散均匀的第四混合浆料中，再次搅拌得到第五混合浆料，搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为30min，静置时间为24h。
[0039]
s06、将第五混合浆料均匀滴加进入到第三混合浆料中，得到有机高分子-生物聚合物复合土壤固化剂；在步骤s06中，将第五混合浆料均匀滴加进入到第三混合浆料中是通过蠕动泵进行的；蠕动泵的滴加速度为0.5ml/min，滴加完成后，此时第三混合浆料保持500r/min的搅拌速度，得到有机高分子-生物聚合物复合土壤固化剂。
[0040]
容易理解的是，本实施例所公开的滴加速度、静置时间、搅拌速度、搅拌时间都是
可以根据实际需要进行选择的，并不限定于本实施例的参数。
[0041]
本发明的实施例一还提供一种有机高分子-生物聚合物复合土壤固化剂，由以下重量份数的原料制备而成：丙烯酰胺5～15份、丙烯酸叔丁酯2～10份、聚丙烯腈1～6份、聚乙烯醇3～8份、聚乙烯亚胺2～6份、酚醛树脂1～5份、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺2～8份、木质素3～9份、沙蒿胶5～10份、纤维素2～6份、壳聚糖3～8份、过硫酸钾0.5～3份、过硫酸钠0.2～2份、过硫酸铵0.3～2份、水150份。
[0042]
实施例二
[0043]
作为本发明的又一实施例，在本实施例中具体提供了一种有机高分子-生物聚合物土壤固化剂及制备方法，包括以下步骤：
[0044]
s01、将丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈和聚乙烯醇加入水中，搅拌得到第一混合浆料；在步骤s01中，丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、水的份数比为：丙烯酰胺10份、丙烯酸叔丁酯6份、聚丙烯腈3份、聚乙烯醇4份、水50份。并且，将丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈和聚乙烯醇均匀分散在水中，搅拌后得到第一混合浆料的搅拌速度为500r/min，搅拌时间为30min，静置时间为24h。
[0045]
s02、将聚乙烯亚胺、酚醛树脂和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺加入在水中，搅拌得到第二混合浆料；在步骤s02中，聚乙烯亚胺、酚醛树脂、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、水的份数比为：聚乙烯亚胺4份、酚醛树脂2份、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺4份、水50份。并且，其具体的步骤为先将聚乙烯亚胺、酚醛树脂和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺加入到水中，均匀搅拌得到第二混合浆料，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为30min。
[0046]
s03、将第二混合浆料均匀滴加进入到第一混合浆料中，得到第三混合浆料；在步骤s03中，将第二混合浆料均匀滴加进入到第一混合浆料中是通过蠕动泵进行的；蠕动泵的滴加速度为0.5ml/min，此时第一混合浆料保持500r/min的搅拌速度，滴加完成后，继续以500r/min的搅拌速度搅拌30min，最后将混合液在温度50℃条件下静置48h，得到第三混合浆料。
[0047]
s04、将木质素、沙蒿胶、纤维素和壳聚糖加入水中，搅拌得到第四混合浆料；在步骤s04中，木质素、沙蒿胶、纤维素、壳聚糖、水的份数比为：木质素5份、沙蒿胶6份、纤维素3份和壳聚糖5份、水50份。并且，将木质素、沙蒿胶、纤维素和壳聚糖均匀分散在水中，搅拌后得到第四混合浆料的搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为30min，静置时间为24h。
[0048]
s05、将过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵加入第四混合浆料，搅拌得到第五混合浆料；在步骤s05中，过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵份数比为：过硫酸钾1.0份、过硫酸钠0.5份和过硫酸铵0.6份。其具体的步骤为先将过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵加入重新分散均匀的第四混合浆料中，再次搅拌得到第五混合浆料，搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为30min，静置时间为24h。
[0049]
s06、将第五混合浆料均匀滴加进入到第三混合浆料中，得到有机高分子-生物聚合物复合土壤固化剂；在步骤s06中，将第五混合浆料均匀滴加进入到第三混合浆料中是通过蠕动泵进行的；蠕动泵的滴加速度为0.5ml/min，滴加完成后，此时第三混合浆料保持500r/min的搅拌速度，得到有机高分子-生物聚合物复合土壤固化剂。
[0050]
实施例三
[0051]
作为本发明的又一实施例，与实施例二不同的是，在本实施例的步骤s01中，丙烯
酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、水的份数比为：丙烯酰胺8份、丙烯酸叔丁酯5份、聚丙烯腈6份、聚乙烯醇6份、水50份。在本实施例的步骤s02中，聚乙烯亚胺、酚醛树脂、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、水的份数比为：聚乙烯亚胺6份、酚醛树脂4份、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺6份、水50份。在本实施例的步骤s03中，木质素、沙蒿胶、纤维素、壳聚糖、水的份数比为：木质素3份、沙蒿胶5份、纤维素5份和壳聚糖3份、水50份，静置温度为40℃。在步骤s04中，过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵份数比为：过硫酸钾0.8份、过硫酸钠1.0份和过硫酸铵0.5份。
[0052]
实施例四
[0053]
作为本发明的又一实施例，与实施例二不同的是，在本实施例的步骤s01中，丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、水的份数比为：丙烯酰胺12份、丙烯酸叔丁酯9份、聚丙烯腈2份、聚乙烯醇3份、水50份。在本实施例的步骤s02中，聚乙烯亚胺、酚醛树脂、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、水的份数比为：聚乙烯亚胺6份、酚醛树脂1份、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺2份、水50份。在本实施例的步骤s03中，木质素、沙蒿胶、纤维素、壳聚糖、水的份数比为：木质素4份、沙蒿胶8份、纤维素3份和壳聚糖7份、水50份，静置温度为40℃。在步骤s04中，过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵份数比为：过硫酸钾1.5份、过硫酸钠0.3份和过硫酸铵1.0份。
[0054]
实施例五
[0055]
作为本发明的又一实施例，与实施例二不同的是，在本实施例的步骤s01中，丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、水的份数比为：丙烯酰胺11份、丙烯酸叔丁酯10份、聚丙烯腈3份、聚乙烯醇5份、水50份。在本实施例的步骤s02中，聚乙烯亚胺、酚醛树脂、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、水的份数比为：聚乙烯亚胺3份、酚醛树脂5份、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺4份、水50份。在本实施例的步骤s03中，木质素、沙蒿胶、纤维素、壳聚糖、水的份数比为：木质素7份、沙蒿胶6份、纤维素6份和壳聚糖5份、水50份，静置温度为55℃。在步骤s04中，过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵份数比为：过硫酸钾0.7份、过硫酸钠0.6份和过硫酸铵0.4份。
[0056]
将实施例二至实施例五所制得的有机高分子-生物聚合物土壤固化剂，根据jtg e40-2007《公路土工试验规程》和cjj/t 286-2018《土壤固化剂应用技术标准》测试固化土试样力学强度、渗透系数、加州承载比(cbr)和水稳系数等参数，固化剂掺量恒定为5％，对比例为现有技术中的高聚物固化剂，主要成分是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物等，测试结果如下表所示：
[0057]
性能参数实施例二实施例三实施例四实施例五对比例7天无侧限强度抗压(mpa)3.522.793.853.271.057天渗透系数(cm/s)0.54
×
10-8
0.63
×
10-8
0.25
×
10-8
0.44
×
10-8
0.49
×
10-7
7天水稳系数(％)93.5191.6695.8393.9782.13抗剪强度(kpa，轴压200kpa)205.10183.52216.74195.3876.21cbr(％)11.512.713.610.53.9
[0058]
由表可知，实施例二至实施例五制备的有机高分子-生物聚合物复合土壤固化土试样的7天无侧限抗压强度均大于2.5mpa，且抗剪强度均接近200kpa，相较对比例强度高出一倍多，同时其渗透系数均小于10-8cm/s，相较对比例低一个数量级左右。此外，有机高分
子-生物聚合物复合土壤固化土试样的7天水稳系数均在90％以上，cbr值均高于10％，满足jtg f10-2006《公路路基施工技术规范》中水稳系数≥90％和cbr≥8％的要求，保障了实际工程应用性能指标的合格。
[0059]
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。