一种分散性土改性剂及其制备与应用方法
【专利摘要】本发明公开了一种分散性改性剂及其制备与应用，制得的分散性土改性剂由以下原料及其质量百分比制成：铝盐：15%～25%，固体酸：20%～60%，水溶性高分子聚合物：20%～60%，上述原料的百分数之和为100%，可制成粉状和液状两种。铝盐选择氯化铝、硫酸铝或硫酸铝钾等；固体酸选择三氯乙酸、高碘酸、二硝基苯甲酸或乙二胺四乙酸等；高分子聚合物选择聚丙烯酰胺或改性纤维素等。该改性剂可降低土体中钠离子含量和酸碱度，增加颗粒间的胶结物，改善土体分散性，增强土体的抗冲蚀性，提高土体的抗拉强度，满足工程建设的需求。可以广泛应用于采用分散性土修建的各类水利工程和道路工程等。
【专利说明】一种分散性土改性剂及其制备与应用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土木建筑材料【技术领域】，涉及在分散性土分布地区修建水库大坝、渠道防渗、堤防加固、道路路基、水土保持、边坡防护等水利工程、道路工程的土体改性材料，特别是一种分散性土改性剂及其制备与应用方法。
【背景技术】
[0002]分散性土是近年来岩土工程界比较关注的特殊土类之一，它在低含盐量水中(或纯净水中)离子间相互的排斥力超过相互吸引力，细颗粒之间的黏聚力大部分甚至全部丧失，导致土体颗粒自行分散。工程实践表明，分散性土的抗冲蚀能力很低，容易造成堤坝管涌、路基失稳等工程事故的发生，因此危害性极大。美国俄克拉荷马州Wister大坝、澳大利亚西部的一些均质坝、西班牙的San Juan水库大坝、黑龙江的引嫩工程、海南省的岭落水库等坝体或挡水建筑物发生破坏，均是由于采用分散性土而造成的。经过研究发现，分散性土的分散机制主要在于土体中含有较多的钠离子，土体酸碱度呈强碱性(pH大于8.5)，以及土颗粒间没有足以抑制膨胀的胶结物(如黏粒)。
[0003]我国分散性土分布广泛，从南到北有海南的岭落水库、黑龙江的引嫩工程，从东到西有山东的官路水库、新疆的引额济克(乌)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为堤坝等工程的填筑土料不可避免。实践证明，尽管分散性土会给工程带来严重危害，但只要采取科学合理的措施，就能有效地防止分散性土的破坏作用。目前，工程中一般采用添加外加剂的方法来改善土的分散性，外加剂可以选用石灰、水泥、粉煤灰、硫酸铝、氯化钙、氯化铝等多种材料，但多采用石灰处理分散性土。由于石灰掺入土体后，与土体颗粒或自身会发生一系 列的物理化学反应，如火山灰反应、交换吸附反应、水解反应、碳酸化反应等，能够提高土体颗粒之间的引力，有效克服分散性土的分散作用。但是工程实践表明，采用石灰改性分散性土，造成土体的脆性增加，PH升高，而且石灰掺入土体由于搅拌不均匀而影响改性效果，导致其应用和推广受到一定的限制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种分散性土改性剂及其制备与应用方法，制得的分散性土改性剂能够显著降低分散性土的分散性，改善分散性土的工程性能，使其能够满足各类工程对土体抗冲蚀性能及力学性能的要求。
[0005]为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案:
[0006]一种分散性土改性剂，其特征在于，制得的该分散性土改性剂由以下原料按照质量百分比组成:铝盐:15%~25%，固体酸:20%~60%，水溶性高分子聚合物:20%~60%，上述原料的百分数之和为100%。
[0007]根据本发明，上述铝盐选择氯化铝、硫酸铝或硫酸铝钾。固体酸选择三氯乙酸、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选择聚丙烯酰胺或改性纤维素。
[0008]上述分散性土改性剂的制备方法，根据形态不同，可将制备方法分为两种，即粉状和液状。
[0009]粉状分散性土改性剂的制备方法是，将上述原料按照一定的比例放入搅拌容器中进行拌合，搅拌容器须采用防酸腐蚀材料，拌匀后密封于防酸腐蚀容器内保存，形成粉状改性剂；
[0010]液状分散性土改性剂的制备方法是，将上述原料放入防酸腐蚀容器内，按照一定的浓度掺入水加热至50°c~60°C进行液化处理，放入防酸腐蚀容器内密封保存，形成液状改性剂。
[0011]本发明制备的分散性土改性剂，具有施工方便、经济高效、环保节能的特点，它适用于物理性分散性土和化学性分散性土等不同类别的分散性土。通过改性剂与土体发生一系列物理化学反应，增强土体颗粒之间的黏结力，提高土体的抗冲蚀性，改善土体的强度特性，使其满足工程性能的要求。本发明可广泛应用于采用分散性土修建的水库大坝、渠道防渗、堤防加固、道路路基、水土保持、边坡防护等工程，对保证工程质量、减少能源消耗、降低工程造价和合理利用资源具有重要的意义。
【具体实施方式】 [0012]以下结合本发明的原理以及发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0013]本发明制备的分散性土改性剂作用机制主要在于:铝盐中的铝离子可以置换出土颗粒吸附的钠离子，提高土体中的高价阳离子含量，降低土体中钠离子的相对含量，土体颗粒的双电层厚度变薄，颗粒间的斥力减小引力增大，使得土颗粒絮凝。固体酸呈酸性，可降低土体碱性，抑制羟基的离解度，使得净负电荷数减少，也可使双电层厚度变薄，土颗粒絮凝。此外，固体酸和铝盐水解后产生的氢离子与土体中碳酸盐反应，生成钙离子，这也增加了土体中二价钙离子含量，抑制化学性分散。水溶性高分子聚合物黏结于土颗粒之间，通过接枝或交联得到支链或网状结构，促进土壤团粒结构形成，改善物理性分散。将铝盐(氯化铝、硫酸铝、硫酸铝钾等)、固体酸(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、改性纤维素等)按照一定的比例混匀，制成分散性土改性剂。分散性改性剂加入土体后，与土颗粒之间发生一系列物理化学反应，增加土体中的高价阳离子含量，降低土体的碱性，增加颗粒间的胶结物含量，从而促进土壤团粒结构的形成，增强土颗粒之间的黏结力，提高土体的抗冲蚀性，使分散性土的工程性能得以改善。
[0014]本实施例给出一种分散性土改性剂，其质量百分数组成为:铝盐:15%~25%，固体酸:20%~60%，水溶性高分子聚合物:20%~60%，上述原料的百分数之和为100%。
[0015]上述分散性土改性剂可以制成粉状改性剂或液状改性剂，即:
[0016]将上述材料按照一定的比例放入搅拌机中进行拌合，搅拌容器须采用防酸腐蚀材料，拌匀后密封于防酸腐蚀容器内保存，形成粉状改性剂；或者
[0017]将上述材料放入防酸腐蚀容器内，按照一定的浓度掺入水加热至50°C~60°C进行液化处理，放入防酸腐蚀容器内密封保存，形成液状改性剂。
[0018]使用方法:
[0019]粉状改性剂在使用时将改性剂在现场溶解于水中，搅拌均匀形成溶液，喷洒于土体中，拌匀，按照工程施工程序进行操作；液状改性剂按照一定的浓度稀释，喷洒于土体中，拌匀，按照工程施工程序进行操作。[0020]以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，本发明不限于这些实施例。在试验的基础上，可根据不同的土质在正交试验的基础上进行各组分含量调整，形成适合不同类别分散性土的改性剂。
[0021]实施例1:分散性土改性剂的配制及分散性判别试验
[0022]分散性土样1:选自青海某大坝的筑坝土料。分散性土样I的颗粒机械组成以粉粒(0.075~0.005mm)为主，其含量为63.0%,黏粒(〈0.005mm)含量16.0%,砂粒含量(>
0.075mm) 21.0%,属于粉质黏土。该土料属于物理性分散性土。
[0023]分散性土改性剂的组成与制备(质量百分比):铝盐(氯化铝):20%,固体酸(三氯乙酸):20%，水溶性高分子聚合物(聚丙烯酰胺):60%。
[0024]将上述原料放入搅拌容器中进行拌合，搅拌容器采用防酸腐蚀材料，拌匀后密封于防酸腐蚀容器内密闭保存，形成粉状的改性剂。
[0025]使用方法:按照质量比为1:100的浓度(分散性土改性剂:分散性土样I)将粉状改性剂溶解于水中，可采用搅拌、加热等方式增加溶解速率。
[0026]试验方法:将上述改性剂的溶液均匀喷洒于分散性土样I中，放置8小时以上，使其充分发生物理化学反应。将分散性土样I配制到最优含水率，压实度取为0.98，采用针孔试验、碎块试验和双比重计试验综合判别土体的分散性。针孔试验主要量测不同水头下流经针孔的水流流量、试验结束后的针孔孔径以及观察水流颜色；碎块试验主要观察土块在水中颗粒的分散形状和烧杯中水的浑浊情况；双比重计试验主要通过分散度反映土样不加分散剂和不煮沸的条件下测定的黏粒含量与标准试验方法测定土样的黏粒含量的比值。
[0027]试验结果:没有加入分散性土改性剂的分散性土样1，针孔试验在50mm水头下冲蚀土体5分钟，出水水流浑浊，针孔冲蚀约3_ ;碎块试验中分散性土样I很快崩解，并且烧杯底部出现大量的黏土胶粒；双比重计试验测定分散性土样I的分散度在60%以上。但是，在该分散性土样I中加入上述方法制备的分散性改性剂后，针孔试验在1020mm水头下冲蚀土体5分钟，出水水流清澈，针孔保持不变，依旧为1_ ;碎块试验中分散性土样I崩解速度明显减慢，并且烧杯底部没有出现黏土胶粒；双比重计试验测定土体的分散度30%以下。由此表明，分散性土样I中加入分散性土改性剂，分散性土样I由分散性土转变为非分散性土。此外，没有加入分散性土改性剂的分散性土样I的抗拉强度为5.85kPa,当加入分散性土改性剂后，分散性土样I的抗拉强度升高到7.58kPa，抗拉强度提高29.6%。
[0028]实施例2:分散性土改性剂的配制及分散性判别试验
[0029]分散性土样2:分散化处理的杨凌黄土，即在杨凌黄土中掺加0.16%的碳酸钠,使其具有化学分散性。分散性土样2的颗粒机械组成以粉粒(0.075~0.005mm)为主，其含量为74.0%，黏粒(〈0.005mm)含量25.4%，砂粒含量(> 0.075mm) 0.7%，属于粉质黏土。该分散性土样2属于化学性分散性土。
[0030]分散性土改性剂的组成与制备(质量百分比):铝盐(氯化铝):20%,固体酸(三氯乙酸):60%，水溶性高分子聚合物(聚丙烯酰胺):20%。
[0031]将上述材料放入防酸腐蚀容器内，按照一定的浓度掺入水加热至50°C~60°C进行液化处理，放入防酸腐蚀容器内密封保存，形成液状改性剂。
[0032]使用方法:按照质量比为1:100的浓度(分散性土改性剂干物质:分散性土样2)将液状改性剂溶解于水中，可采用搅拌、加热等方式增加溶解速率。[0033]试验方法:将上述改性剂的溶液均匀喷洒于分散性土样2中，放置8小时以上，使其充分发生物理化学反应。将分散性土样2配制到最优含水率，压实度取为0.98，采用针孔试验、碎块试验和双比重计试验综合判别土体的分散性。针孔试验主要量测不同水头下流经针孔的水流流量、试验结束后的针孔孔径以及观察水流颜色；碎块试验主要观察土块在水中颗粒的分散形状和烧杯中水的浑浊情况；双比重计试验主要通过分散度反映土样不加分散剂和不煮沸的条件下测定的黏粒含量与标准试验方法测定土样的黏粒含量的比值。
[0034]试验结果:没有加入分散性土改性剂的分散性土样2,针孔试验在50mm水头下冲蚀土体5分钟，出水水流浑浊，针孔冲蚀约3_ ;碎块试验中分散性土样2很快崩解，并且烧杯底部出现大量的黏土胶粒；双比重计试验测定土体的分散度在60%以上。但是，在该分散性土样2中加入上述方法制备的改性剂后，针孔试验在1020mm水头下冲蚀土体5分钟，出水水流清澈，针孔保持不变，依旧为1mm ;碎块试验中分散性土样2崩解速度明显减慢，并且烧杯底部没有出现黏土胶粒；双比重计试验测定分散性土样2的分散度30%以下。由此表明，分散性土样2中加入分散性土改性剂，分散性土样2由分散性土转变为非分散性土。此外，没有加分散性土改性剂的分散性土样2的抗拉强度为20.08kPa,当加入分散性土改性剂后，分散性土样2的抗拉强度升高到33.41kPa，抗拉强度提高66.4%。
[0035]上述实施例仅仅是较佳的实施例，当然，分散性土改性剂的组成还可以在本发明的配方范围内进行选 择，即铝盐在15%~25%之间选择，固体酸在20%~60%之间选择，水溶性高分子聚合物在20%~60%间选择，均可以得到分散性土改性剂。
【权利要求】
1.一种分散性土改性剂，其特征在于，制得的该分散性土改性剂由以下原料按质量百分比组成:铝盐:15%~25%，固体酸:20%~60%，水溶性高分子聚合物:20%~60%，上述原料的百分数之和为100%。
2.如权利要求1所述的分散性土改性剂，其特征在于，铝盐选择氯化铝、硫酸铝或硫酸铝钾。
3.如权利要求1所述的分散性土改性剂，其特征在于，固体酸选择三氯乙酸、高碘酸、二硝基苯甲酸或乙二胺四乙酸。
4.如权利要求1所述的分散性土改性剂，其特征在于，水溶性高分子聚合物选择聚丙烯酰胺或改性纤维素。
5.权利要求1~4其中之一所述的分散性土改性剂的制备方法，其特征在于，将配方量的原料放入搅拌机中进行拌合，搅拌容器须采用防酸腐蚀材料，拌匀后密封于防酸腐蚀容器内保存，形成粉状改性剂；或者 将配方量的原料放入防酸腐蚀容器内，按照一定的浓度掺入水，加热至50°C~60°C进行液化处理，然后放入防酸腐蚀容器内密封保存，形成液状改性剂。
6.权利要求1~4其中之一所述的分散性土改性剂用于各类分散性土改性的应用。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，将分散性土改性剂在施工现场按照一定的比例溶解于水中，搅拌形成均匀的溶液，喷洒于土体中，拌合均匀，按照施工程序进行操作。
【文档编号】C04B24/24GK103979822SQ201410178731
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】樊恒辉, 王中妮, 聂勇, 贺智强 申请人:西北农林科技大学