一種分散性土改性劑及其制備與應(yīng)用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分散性改性劑及其制備與應(yīng)用，制得的分散性土改性劑由以下原料及其質(zhì)量百分比制成：鋁鹽：15%～25%，固體酸：20%～60%，水溶性高分子聚合物：20%～60%，上述原料的百分數(shù)之和為100%，可制成粉狀和液狀兩種。鋁鹽選擇氯化鋁、硫酸鋁或硫酸鋁鉀等；固體酸選擇三氯乙酸、高碘酸、二硝基苯甲酸或乙二胺四乙酸等；高分子聚合物選擇聚丙烯酰胺或改性纖維素等。該改性劑可降低土體中鈉離子含量和酸堿度，增加顆粒間的膠結(jié)物，改善土體分散性，增強土體的抗沖蝕性，提高土體的抗拉強度，滿足工程建設(shè)的需求。可以廣泛應(yīng)用于采用分散性土修建的各類水利工程和道路工程等。
【專利說明】一種分散性土改性劑及其制備與應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木建筑材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及在分散性土分布地區(qū)修建水庫大壩、渠道防滲、堤防加固、道路路基、水土保持、邊坡防護等水利工程、道路工程的土體改性材料，特別是一種分散性土改性劑及其制備與應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分散性土是近年來巖土工程界比較關(guān)注的特殊土類之一，它在低含鹽量水中(或純凈水中)離子間相互的排斥力超過相互吸引力，細顆粒之間的黏聚力大部分甚至全部喪失，導(dǎo)致土體顆粒自行分散。工程實踐表明，分散性土的抗沖蝕能力很低，容易造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)等工程事故的發(fā)生，因此危害性極大。美國俄克拉荷馬州Wister大壩、澳大利亞西部的一些均質(zhì)壩、西班牙的San Juan水庫大壩、黑龍江的引嫩工程、海南省的嶺落水庫等壩體或擋水建筑物發(fā)生破壞，均是由于采用分散性土而造成的。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，分散性土的分散機制主要在于土體中含有較多的鈉離子，土體酸堿度呈強堿性(pH大于8.5)，以及土顆粒間沒有足以抑制膨脹的膠結(jié)物(如黏粒)。
[0003]我國分散性土分布廣泛，從南到北有海南的嶺落水庫、黑龍江的引嫩工程，從東到西有山東的官路水庫、新疆的引額濟克(烏)水利工程均是采用改性后的分散性土，因此使用分散性土作為堤壩等工程的填筑土料不可避免。實踐證明，盡管分散性土?xí)o工程帶來嚴重危害，但只要采取科學(xué)合理的措施，就能有效地防止分散性土的破壞作用。目前，工程中一般采用添加外加劑的方法來改善土的分散性，外加劑可以選用石灰、水泥、粉煤灰、硫酸鋁、氯化鈣、氯化鋁等多種材料，但多采用石灰處理分散性土。由于石灰摻入土體后，與土體顆?；蜃陨頃l(fā)生一系 列的物理化學(xué)反應(yīng)，如火山灰反應(yīng)、交換吸附反應(yīng)、水解反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)等，能夠提高土體顆粒之間的引力，有效克服分散性土的分散作用。但是工程實踐表明，采用石灰改性分散性土，造成土體的脆性增加，PH升高，而且石灰摻入土體由于攪拌不均勻而影響改性效果，導(dǎo)致其應(yīng)用和推廣受到一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種分散性土改性劑及其制備與應(yīng)用方法，制得的分散性土改性劑能夠顯著降低分散性土的分散性，改善分散性土的工程性能，使其能夠滿足各類工程對土體抗沖蝕性能及力學(xué)性能的要求。
[0005]為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:
[0006]一種分散性土改性劑，其特征在于，制得的該分散性土改性劑由以下原料按照質(zhì)量百分比組成:鋁鹽:15%~25%，固體酸:20%~60%，水溶性高分子聚合物:20%~60%，上述原料的百分數(shù)之和為100%。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，上述鋁鹽選擇氯化鋁、硫酸鋁或硫酸鋁鉀。固體酸選擇三氯乙酸、高碘酸、二硝基苯甲酸或乙二胺四乙酸。水溶性高分子聚合物選擇聚丙烯酰胺或改性纖維素。
[0008]上述分散性土改性劑的制備方法，根據(jù)形態(tài)不同，可將制備方法分為兩種，即粉狀和液狀。
[0009]粉狀分散性土改性劑的制備方法是，將上述原料按照一定的比例放入攪拌容器中進行拌合，攪拌容器須采用防酸腐蝕材料，拌勻后密封于防酸腐蝕容器內(nèi)保存，形成粉狀改性劑；
[0010]液狀分散性土改性劑的制備方法是，將上述原料放入防酸腐蝕容器內(nèi)，按照一定的濃度摻入水加熱至50°c~60°C進行液化處理，放入防酸腐蝕容器內(nèi)密封保存，形成液狀改性劑。
[0011]本發(fā)明制備的分散性土改性劑，具有施工方便、經(jīng)濟高效、環(huán)保節(jié)能的特點，它適用于物理性分散性土和化學(xué)性分散性土等不同類別的分散性土。通過改性劑與土體發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，增強土體顆粒之間的黏結(jié)力，提高土體的抗沖蝕性，改善土體的強度特性，使其滿足工程性能的要求。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于采用分散性土修建的水庫大壩、渠道防滲、堤防加固、道路路基、水土保持、邊坡防護等工程，對保證工程質(zhì)量、減少能源消耗、降低工程造價和合理利用資源具有重要的意義。
【具體實施方式】 [0012]以下結(jié)合本發(fā)明的原理以及發(fā)明人給出的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0013]本發(fā)明制備的分散性土改性劑作用機制主要在于:鋁鹽中的鋁離子可以置換出土顆粒吸附的鈉離子，提高土體中的高價陽離子含量，降低土體中鈉離子的相對含量，土體顆粒的雙電層厚度變薄，顆粒間的斥力減小引力增大，使得土顆粒絮凝。固體酸呈酸性，可降低土體堿性，抑制羥基的離解度，使得凈負電荷數(shù)減少，也可使雙電層厚度變薄，土顆粒絮凝。此外，固體酸和鋁鹽水解后產(chǎn)生的氫離子與土體中碳酸鹽反應(yīng)，生成鈣離子，這也增加了土體中二價鈣離子含量，抑制化學(xué)性分散。水溶性高分子聚合物黏結(jié)于土顆粒之間，通過接枝或交聯(lián)得到支鏈或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成，改善物理性分散。將鋁鹽(氯化鋁、硫酸鋁、硫酸鋁鉀等)、固體酸(三氯乙酸、高碘酸、二硝基苯甲酸、乙二胺四乙酸等)和水溶性高分子聚合物(聚丙烯酰胺、改性纖維素等)按照一定的比例混勻，制成分散性土改性劑。分散性改性劑加入土體后，與土顆粒之間發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，增加土體中的高價陽離子含量，降低土體的堿性，增加顆粒間的膠結(jié)物含量，從而促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，增強土顆粒之間的黏結(jié)力，提高土體的抗沖蝕性，使分散性土的工程性能得以改善。
[0014]本實施例給出一種分散性土改性劑，其質(zhì)量百分數(shù)組成為:鋁鹽:15%~25%，固體酸:20%~60%，水溶性高分子聚合物:20%~60%，上述原料的百分數(shù)之和為100%。
[0015]上述分散性土改性劑可以制成粉狀改性劑或液狀改性劑，即:
[0016]將上述材料按照一定的比例放入攪拌機中進行拌合，攪拌容器須采用防酸腐蝕材料，拌勻后密封于防酸腐蝕容器內(nèi)保存，形成粉狀改性劑；或者
[0017]將上述材料放入防酸腐蝕容器內(nèi)，按照一定的濃度摻入水加熱至50°C~60°C進行液化處理，放入防酸腐蝕容器內(nèi)密封保存，形成液狀改性劑。
[0018]使用方法:
[0019]粉狀改性劑在使用時將改性劑在現(xiàn)場溶解于水中，攪拌均勻形成溶液，噴灑于土體中，拌勻，按照工程施工程序進行操作；液狀改性劑按照一定的濃度稀釋，噴灑于土體中，拌勻，按照工程施工程序進行操作。[0020]以下是發(fā)明人給出的實施例，需要說明的是，本發(fā)明不限于這些實施例。在試驗的基礎(chǔ)上，可根據(jù)不同的土質(zhì)在正交試驗的基礎(chǔ)上進行各組分含量調(diào)整，形成適合不同類別分散性土的改性劑。
[0021]實施例1:分散性土改性劑的配制及分散性判別試驗
[0022]分散性土樣1:選自青海某大壩的筑壩土料。分散性土樣I的顆粒機械組成以粉粒(0.075~0.005mm)為主，其含量為63.0%,黏粒(〈0.005mm)含量16.0%,砂粒含量(>
0.075mm) 21.0%,屬于粉質(zhì)黏土。該土料屬于物理性分散性土。
[0023]分散性土改性劑的組成與制備(質(zhì)量百分比):鋁鹽(氯化鋁):20%,固體酸(三氯乙酸):20%，水溶性高分子聚合物(聚丙烯酰胺):60%。
[0024]將上述原料放入攪拌容器中進行拌合，攪拌容器采用防酸腐蝕材料，拌勻后密封于防酸腐蝕容器內(nèi)密閉保存，形成粉狀的改性劑。
[0025]使用方法:按照質(zhì)量比為1:100的濃度(分散性土改性劑:分散性土樣I)將粉狀改性劑溶解于水中，可采用攪拌、加熱等方式增加溶解速率。
[0026]試驗方法:將上述改性劑的溶液均勻噴灑于分散性土樣I中，放置8小時以上，使其充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。將分散性土樣I配制到最優(yōu)含水率，壓實度取為0.98，采用針孔試驗、碎塊試驗和雙比重計試驗綜合判別土體的分散性。針孔試驗主要量測不同水頭下流經(jīng)針孔的水流流量、試驗結(jié)束后的針孔孔徑以及觀察水流顏色；碎塊試驗主要觀察土塊在水中顆粒的分散形狀和燒杯中水的渾濁情況；雙比重計試驗主要通過分散度反映土樣不加分散劑和不煮沸的條件下測定的黏粒含量與標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測定土樣的黏粒含量的比值。
[0027]試驗結(jié)果:沒有加入分散性土改性劑的分散性土樣1，針孔試驗在50mm水頭下沖蝕土體5分鐘，出水水流渾濁，針孔沖蝕約3_ ;碎塊試驗中分散性土樣I很快崩解，并且燒杯底部出現(xiàn)大量的黏土膠粒；雙比重計試驗測定分散性土樣I的分散度在60%以上。但是，在該分散性土樣I中加入上述方法制備的分散性改性劑后，針孔試驗在1020mm水頭下沖蝕土體5分鐘，出水水流清澈，針孔保持不變，依舊為1_ ;碎塊試驗中分散性土樣I崩解速度明顯減慢，并且燒杯底部沒有出現(xiàn)黏土膠粒；雙比重計試驗測定土體的分散度30%以下。由此表明，分散性土樣I中加入分散性土改性劑，分散性土樣I由分散性土轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠稚⑿酝?。此外，沒有加入分散性土改性劑的分散性土樣I的抗拉強度為5.85kPa,當(dāng)加入分散性土改性劑后，分散性土樣I的抗拉強度升高到7.58kPa，抗拉強度提高29.6%。
[0028]實施例2:分散性土改性劑的配制及分散性判別試驗
[0029]分散性土樣2:分散化處理的楊凌黃土，即在楊凌黃土中摻加0.16%的碳酸鈉,使其具有化學(xué)分散性。分散性土樣2的顆粒機械組成以粉粒(0.075~0.005mm)為主，其含量為74.0%，黏粒(〈0.005mm)含量25.4%，砂粒含量(> 0.075mm) 0.7%，屬于粉質(zhì)黏土。該分散性土樣2屬于化學(xué)性分散性土。
[0030]分散性土改性劑的組成與制備(質(zhì)量百分比):鋁鹽(氯化鋁):20%,固體酸(三氯乙酸):60%，水溶性高分子聚合物(聚丙烯酰胺):20%。
[0031]將上述材料放入防酸腐蝕容器內(nèi)，按照一定的濃度摻入水加熱至50°C~60°C進行液化處理，放入防酸腐蝕容器內(nèi)密封保存，形成液狀改性劑。
[0032]使用方法:按照質(zhì)量比為1:100的濃度(分散性土改性劑干物質(zhì):分散性土樣2)將液狀改性劑溶解于水中，可采用攪拌、加熱等方式增加溶解速率。[0033]試驗方法:將上述改性劑的溶液均勻噴灑于分散性土樣2中，放置8小時以上，使其充分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。將分散性土樣2配制到最優(yōu)含水率，壓實度取為0.98，采用針孔試驗、碎塊試驗和雙比重計試驗綜合判別土體的分散性。針孔試驗主要量測不同水頭下流經(jīng)針孔的水流流量、試驗結(jié)束后的針孔孔徑以及觀察水流顏色；碎塊試驗主要觀察土塊在水中顆粒的分散形狀和燒杯中水的渾濁情況；雙比重計試驗主要通過分散度反映土樣不加分散劑和不煮沸的條件下測定的黏粒含量與標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測定土樣的黏粒含量的比值。
[0034]試驗結(jié)果:沒有加入分散性土改性劑的分散性土樣2,針孔試驗在50mm水頭下沖蝕土體5分鐘，出水水流渾濁，針孔沖蝕約3_ ;碎塊試驗中分散性土樣2很快崩解，并且燒杯底部出現(xiàn)大量的黏土膠粒；雙比重計試驗測定土體的分散度在60%以上。但是，在該分散性土樣2中加入上述方法制備的改性劑后，針孔試驗在1020mm水頭下沖蝕土體5分鐘，出水水流清澈，針孔保持不變，依舊為1mm ;碎塊試驗中分散性土樣2崩解速度明顯減慢，并且燒杯底部沒有出現(xiàn)黏土膠粒；雙比重計試驗測定分散性土樣2的分散度30%以下。由此表明，分散性土樣2中加入分散性土改性劑，分散性土樣2由分散性土轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠稚⑿酝?。此外，沒有加分散性土改性劑的分散性土樣2的抗拉強度為20.08kPa,當(dāng)加入分散性土改性劑后，分散性土樣2的抗拉強度升高到33.41kPa，抗拉強度提高66.4%。
[0035]上述實施例僅僅是較佳的實施例，當(dāng)然，分散性土改性劑的組成還可以在本發(fā)明的配方范圍內(nèi)進行選 擇，即鋁鹽在15%~25%之間選擇，固體酸在20%~60%之間選擇，水溶性高分子聚合物在20%~60%間選擇，均可以得到分散性土改性劑。
【權(quán)利要求】
1.一種分散性土改性劑，其特征在于，制得的該分散性土改性劑由以下原料按質(zhì)量百分比組成:鋁鹽:15%~25%，固體酸:20%~60%，水溶性高分子聚合物:20%~60%，上述原料的百分數(shù)之和為100%。
2.如權(quán)利要求1所述的分散性土改性劑，其特征在于，鋁鹽選擇氯化鋁、硫酸鋁或硫酸鋁鉀。
3.如權(quán)利要求1所述的分散性土改性劑，其特征在于，固體酸選擇三氯乙酸、高碘酸、二硝基苯甲酸或乙二胺四乙酸。
4.如權(quán)利要求1所述的分散性土改性劑，其特征在于，水溶性高分子聚合物選擇聚丙烯酰胺或改性纖維素。
5.權(quán)利要求1~4其中之一所述的分散性土改性劑的制備方法，其特征在于，將配方量的原料放入攪拌機中進行拌合，攪拌容器須采用防酸腐蝕材料，拌勻后密封于防酸腐蝕容器內(nèi)保存，形成粉狀改性劑；或者 將配方量的原料放入防酸腐蝕容器內(nèi)，按照一定的濃度摻入水，加熱至50°C~60°C進行液化處理，然后放入防酸腐蝕容器內(nèi)密封保存，形成液狀改性劑。
6.權(quán)利要求1~4其中之一所述的分散性土改性劑用于各類分散性土改性的應(yīng)用。
7.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于，將分散性土改性劑在施工現(xiàn)場按照一定的比例溶解于水中，攪拌形成均勻的溶液，噴灑于土體中，拌合均勻，按照施工程序進行操作。
【文檔編號】C04B24/24GK103979822SQ201410178731
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】樊恒輝, 王中妮, 聶勇, 賀智強 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)