专利名称：一种水利堤顶、堤坝土质固化剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及胶结材料，尤其涉及一种水利堤顶、堤坝土质固化剂及其制备方法。
背景技术：
水利工程是涉及民生的一项大工程，是我国经济社会发展的有力支撑，水利工程的质量关系到国家和人民的生命、财产、安全。水利工程中的堤顶、堤坝、护坡等建设质量也是防汛减灾的一个重要环节，因此在堤顶、堤坝、护坡的建设中防渗、防水、抗冻融等方面的技术要求至关重要。在水利工程的堤顶、堤坝、护坡建设中，工程需要大量的固化剂，常用的固化剂多 为石灰、水泥等，这类传统的固化剂的缺点是固化土壤的早期强度不高，固化剂加入量较大，固化土容易干缩，形成裂缝，破坏结构，影响水稳定性，很难得到高质量的路基。而且这些传统施工材料在生产加工、运输、储存、使用中粉尘严重，污染周围环境，石灰石的煅烧要释放大量的CO2气体，加重温室效应。而且使用这类传统的固化剂也很难得到高质量的路基。近代虽然也出现了电离子溶液、生物酶固化剂，但该类固化剂对土壤成分选择性较强，限制了产品的推广应用。面对天然固化剂资源的日趋短缺，无法满足水利交通建设的资源供给，对水利交通的建设造成制约，并且采用传统的固化剂会对生态环境造成污染的现状，如何解决固化剂的供给短缺、减少水利交通建设对生态环境的负面影响，已成为亟待研究的问题。因此，现有技术有待于完善和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对土壤的成份要求低、施工用量少、抗压强度高且环保的水利堤顶、堤坝土质固化剂及其制备方法。本发明的技术方案如下
一种水利堤顶、堤坝土质固化剂，其中，各组分的重量百分比为氨基磺酸15%-20%，水溶性有机硅5%-25%，三乙醇胺5%-8%，聚羧酸化合物2%-6%，Na2SO4 4%_6%，脂肪族磺酸盐10%-30%，壬基酚聚氧乙烯醚2-6%，山梨醇单月桂酸酯1-3%以及水20- 40%。所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂，其中，各组分的重量百分比为氨基磺酸15%，水溶性有机硅5%，三乙醇胺5%，聚羧酸化合物2%，Na2SO4 6%，脂肪族磺酸盐30%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水31%。所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂，其中，各组分的重量百分比为氨基磺酸20%，水溶性有机硅25%，三乙醇胺8%，聚羧酸化合物6%，Na2SO4 4%，脂肪族磺酸盐10%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水21%。所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂，其中，各组分的重量百分比为氨基磺酸18%，水溶性有机硅5%，三乙醇胺5%，聚羧酸化合物4%，Na2SO4 4%，脂肪族磺酸盐20%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水38%。
所述水利堤顶、堤坝土质固化剂的制备方法，包括以下步骤
A，在釜中依次加入甲醛和引发剂，同时搅拌，混匀至澄清后，加入丙酮，搅拌均匀后获得中间溶液；
B，在另一反应器中依次加入水和无水亚硫酸钠，同时搅拌；
C，通过加入氢氧化钠调节PH值为10 12，再加入甲醛；
D，将步骤C所得产物加热至50-70°C，然后依次滴加所述中间溶液和甲醛；
E，滴加完后，将步骤D所得产物升温至85-90°C，并恒温至少I小时；
F，降温至50°C以下，冷凝得到脂肪族磺酸盐；
G，将所述脂肪族磺酸盐与聚羧酸化合物混合，并搅拌均匀；
H，依次加入氨基磺酸、三乙醇胺、水溶性有机硅、壬基酚聚氧乙烯醚、Na2SO4和山梨醇单月桂酸酯，并搅拌均匀；
I，反应结束，所得物为水溶性良好的红褐色液体，即为成品。所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂的制备方法，其中，步骤A中所述甲醛为50份，所述引发剂为0. 34摩尔，所述丙酮为58份。所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂的制备方法，其中，步骤B中所述水为150份，所述无水亚硫酸钠为0. 6摩尔。所述的制备方法，其中，步骤C和步骤D中所述甲醛分别为50份和100份。所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂的制备方法，其中，步骤D中滴加所述中间溶液和甲醛的时间控制在2 3小时，步骤E中所述恒温时间为3小时。本发明的一种水利堤顶、堤坝土质固化剂及其制备方法，主要采用水溶性有机硅，配有三乙醇胺，以及如脂肪族磺酸盐、聚羧酸化合物等表面活性剂组分，形成了固化剂。本发明的土质固化剂抗压强度高，施工用量少，一般情况下用量只占固化灰土总量的万分之一至万分之三，运输费用低，对工程造价影响都很小。用其建成的堤顶、堤坝、道路具有抗压、耐久、防水和高适应性。在无罩面情况下，可减少灰尘60%左右，是一种环保型材料。而且本发明的土质固化剂是人工合成材料，可替代或部分替代天然材料筑顶护坡，满足水利、交通可持续发展的迫切需求。
具体实施例方式本发明提供了一种水利堤顶、堤坝土质固化剂及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明公开了一种水利堤顶、堤坝土质固化剂(简称“土质固化剂”)，各组分的重量百分比为氨基磺酸15%-20%，水溶性有机硅5%-25%，三乙醇胺5%-8%，聚羧酸化合物2%-6%，Na2SO4 4%-6%，脂肪族磺酸盐10%_30%，壬基酚聚氧乙烯醚2_6%，山梨醇单月桂酸酯1-3% 以及水 20- 40%。所述聚羧酸化合物可以是以马来酸-烯烃为主要成分的高分子化合物，也可以是萘系高分子化合物。聚羧酸化合物是一种高效减水剂，可大大减少土壤颗粒表面的吸水性，提高土壤压实后的密度。所述壬基酚聚氧乙烯醚、山梨醇单月桂酸酯为现有的公开产品，均可到山东德州华联助剂厂购买。
针对不同塑性指数的粉土，可适当调整所述土质固化剂的各组分的重量百分比。具体请看下述的三个实施例。实施一(针对塑性指数为11. 0的粉土)
各组分的重量百分比为氨基磺酸15%，水溶性有机硅5%，三乙醇胺5%，聚羧酸化合物2%，Na2SO4 6%，脂肪族磺酸盐30%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水31%。实施二 (针对塑性指数为9. 5的粉土)
各组分的重量百分比为氨基磺酸20%，水溶性有机硅25%，三乙醇胺8%，聚羧酸化合物6%，Na2SO4 4%，脂肪族磺酸盐10%，壬基酚聚 氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水21%。实施三(针对塑性指数为7. 0的粉土)
各组分的重量百分比为氨基磺酸18%，水溶性有机硅5%，三乙醇胺5%，聚羧酸化合物4%，Na2SO4 4%，脂肪族磺酸盐20%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水38%。本发明的土质固化剂与土壤混合后通过一系列物理化学反应改变了土壤的工程性质，在碱性石灰以及土质固化剂自身引发的作用下，土质固化剂与粘土矿物发生反应，结合成新的化学物质，使土壤粒子间发生“胶结”作用，形成了高强度的化学键和网络结构。土质固化剂通过表面活性剂改变土粒表面亲水性质，使土壤颗粒趋于凝聚，缩小土壤颗粒的间隙，孔隙间游离水分子易于排除。在压实功的作用下，大大提高了路基的固结强度。另夕卜，土质固化剂加入土壤后在水和二氧化碳作用下，能形成高分子防水膜，实现“反毛细管效应”，具有高效防水作用。以针对塑性指数为9. 5的砂性粉土为例，加入本发明实例二中的土质固化剂200PPm，各参数测试结果如下
I.力学性能实验
体系土质固饱水抗压强度 ^1I_；_ /1, !(MPa)i/l弯tii强度航压回弹模里
聆抻材料十( ^——^ (MPa)(MPa)
膨口材科:土 W 7天28天90天
1石灰土=12:88 - 0.98 1.96 2.4------0.2-0.25 400-700
2石灰土 =8:92 - 0.96 1.86 2.5
3石灰:土=6:94 0.02 1.26 2.4 2.9 0.521360
4石灰:土 =4:96 0.02 0.88 1.86 2.1 0.511228
「 df> _L._n nnn ^0.4~0.6 1300—1T00
5水泥土二6:92 - 2.6 6.9 4.3 (水扼碎石)(水泥碎石)
6水泥:±=6:94 0.02 2.8 4 7 7.8 0.691662
7水泥土 =4:96 0.02 2.1 2.3 5.6 0.561484
(表I)水泥、石灰、土质固化剂稳定土实验结果。由表I的数据可以看出，石灰体系加入本发明的土质固化剂后，在石灰量为4%的情况下(序列4)抗压强度为0. 88，而现行规范中石灰土、二灰土的指标0. 8 MPa,即使用本发明的土质固化剂，即使只用4%的石灰量也能满足工程需求，与序列2的现有体系相比，节省了 50%的石灰量。在石灰体系中，序列I与添加本发明的土质固化剂后的序列3中，7天、28天的饱水抗压强度比原石灰类体系提高了 29%。序列5与序列7中，水泥体系在减少50%的水泥量的情况下，随着龄期的增长，强度增长也较快，4%水泥量90天抗压强度比原体系提高了30%。石灰类体系加入本发明的土质固化剂后的回弹模量达到了 1200-1300 MPa，是原体系的I. 5-2. 5倍；水泥类加入本发明的土质固化剂后的回弹模量达到了 1400-1600MPa，是目前常用的细粒土半刚性材料中抗压回弹模量较高的一种新材料，接近半刚性基层材料二灰碎石、水泥砂砾的抗压回弹模量值。表I中抗弯拉强度数据显示，在石灰类、水泥类体系中加入本发明的土质固化剂后，抗弯拉强度都高于原体系，高达155%。并且水泥体系中添加本发明的土质固化剂后的抗弯拉强度比水泥砂砾高，接近二灰碎石。可见体系中加入本发明的土质固化剂后，固结土半 刚性基层的抗弯拉性能很好。2.冻稳定性实验
按照现行规范进行了冻融循环实验，结果如下
石灰类90dl0次冻融抗压强度最小值0. 70 Mpa 水泥类90dl0次冻融抗压强度最小值2. 05 Mpa
经过多次冻融后，剩余抗压强度高，与二灰土持平，水泥类体系比二灰碎石高，因此完全满足工程的性能要求。3.水稳性
常温下浸水180d无散解现象，水稳定系数在90%-95%之间。石灰类体系水稳定系数为80%;水泥类体系水稳定系数为90%，由此可见，加入本发明的土质固化剂后大大提高了体系水稳定性。同时，随着龄期的增长，水稳定性系数逐渐增大，水稳定性就越好。通过以上实验及数据分析可以看出，经过土质固化剂处理过的土壤，其抗压强度、压实密度、回弹模量等性能都得到了很大的提高。使用本发明的土质固化剂建成的堤顶、堤坝、护坡、道路具有抗压、耐久、防水和高适应性。稀释的固化剂不会伤害皮肤、衣物、机械和金属制品，不会影响植物生长，不会污染地下水，是一种无毒、无害、无污染的环保型固结材料。在工程使用中土质固化剂固结土壤不需要深挖土层，填充大量石料，仅需就地取土，与筑路材料(石灰或水泥)拌和后，将土质固化剂稀释液均匀喷洒充分拌和压实即可。施工时也不需要特别的施工设备，仅需几种常备的筑路机械，工程造价低、施工方便。用土质固化剂替代或部分替代石灰、水泥、碎石、砾石等传统胶结材料，节省资源，节约土地，保护植被，有利于生态环境保护，经济环境效益显著。本发明还公开了一种制备所述土质固化剂的制备方法，包括以下步骤
步骤A，在釜中依次加入50份甲醛和0. 34摩尔引发剂，所述引发剂可采用氧化还原体系，在加入甲醛和引发剂的过程中同时搅拌，混匀至澄清后，加入58份丙酮，控温35°C，搅拌30分钟，搅拌均匀后获得中间溶液。步骤B，在另一反应器中依次加入水和无水亚硫酸钠，同时搅拌；所述水为150份，所述无水亚硫酸钠为0. 6摩尔。步骤C，通过加入氢氧化钠调节PH值为10 12，再加入50份甲醛。步骤D，将步骤C所得产物加热至50_70°C，经试验得出，当温度低于50°C时，不容易发生聚合反应，当高于70°C时会容易出现老化现象，因此在50 70°C的范围是最优选的方案。然后依次滴加所述中间溶液和100份甲醛；滴加所述中间溶液和甲醛的时间控制在2 3小时，目的是为了保证聚合时间，彻底反应，不致于老化。步骤E，滴加完后，将步骤D所得产物升温至85_90°C，并恒温至少I小时；优选恒温时间为3小时，经试验得出，这个时间可以实现最高的单体转化效率。步骤F，降温至50°C以下，冷凝得到脂肪族磺酸盐。步骤G，将所述脂肪族磺酸盐与聚羧酸化合物混合，并搅拌均匀。 步骤H，依次加入氨基磺酸、三乙醇胺、水溶性有机硅、壬基酚聚氧乙烯醚、Na2SO4和山梨醇单月桂酸酯，并搅拌均匀。步骤I，反应结束，所得物为水溶性良好的红褐色液体，即为成品。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种水利堤顶、堤坝土质固化剂，其特征在于，各组分的重量百分比为氨基磺酸.15%-20%，水溶性有机硅5%-25%，三乙醇胺5%-8%，聚羧酸化合物2%_6%，Na2SO4 4%_6%，脂肪族磺酸盐10%-30%，壬基酚聚氧乙烯醚2-6%，山梨醇单月桂酸酯1-3%以及水20- 40%。
2.如权利要求I所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂，其特征在于，各组分的重量百分比为氨基磺酸15%，水溶性有机硅5%，三乙醇胺5%，聚羧酸化合物2%，Na2SO4 6%，脂肪族磺酸盐30%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水31%。
3.如权利要求I所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂，其特征在于，各组分的重量百分比为氨基磺酸20%，水溶性有机硅25%，三乙醇胺8%，聚羧酸化合物6%，Na2SO4 4%，脂肪族磺酸盐10%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水21%。
4.如权利要求I所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂，其特征在于，各组分的重量百分比为氨基磺酸18%，水溶性有机硅5%，三乙醇胺5%，聚羧酸化合物4%，Na2SO4 4%，脂肪族磺酸盐20%，壬基酚聚氧乙烯醚4%，山梨醇单月桂酸酯2%以及水38%。
5.一种制备如权利要求I所述水利堤顶、堤坝土质固化剂的制备方法，包括以下步骤 A，在釜中依次加入甲醛和引发剂，同时搅拌，混匀至澄清后，加入丙酮，搅拌均匀后获得中间溶液； B，在另一反应器中依次加入水和无水亚硫酸钠，同时搅拌； C，通过加入氢氧化钠调节PH值为10 12，再加入甲醛； D，将步骤C所得产物加热至50-70°C，然后依次滴加所述中间溶液和甲醛； E，滴加完后，将步骤D所得产物升温至85-90°C，并恒温至少I小时； F，降温至50°C以下，冷凝得到脂肪族磺酸盐； G，将所述脂肪族磺酸盐与聚羧酸化合物混合，并搅拌均匀； H，依次加入氨基磺酸、三乙醇胺、水溶性有机硅、壬基酚聚氧乙烯醚、Na2SO4和山梨醇单月桂酸酯，并搅拌均匀； I，反应结束，所得物为水溶性良好的红褐色液体，即为成品。
6.如权利要求5所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂的制备方法，其特征在于，步骤A中所述甲醛为50份，所述引发剂为0. 34摩尔，所述丙酮为58份。
7.如权利要求6所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂的制备方法，其特征在于，步骤B中所述水为150份,所述无水亚硫酸钠为0. 6摩尔。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤C和步骤D中所述甲醛分别为50份和100份。
9.如权利要求8所述的水利堤顶、堤坝土质固化剂的制备方法，其特征在于，步骤D中滴加所述中间溶液和甲醛的时间控制在2 3小时，步骤E中所述恒温时间为3小时。
全文摘要
本发明公开了一种水利堤顶、堤坝土质固化剂及其制备方法，包括一种土质固化剂，其中，各组分的重量百分比为氨基磺酸15%-20%，水溶性有机硅5%-25%，三乙醇胺5%-8%，聚羧酸化合物2%-6%，Na2SO44%-6%，脂肪族磺酸盐10%-30%，壬基酚聚氧乙烯醚2-6%，山梨醇单月桂酸酯1-3%以及水20-40%，本发明的土质固化剂抗压强度高，施工用量少，一般情况下用量只占固化灰土总量的万分之一至万分之三，运输费用低，对工程造价影响都很小。用其建成的堤顶、堤坝、道路具有抗压、耐久、防水和高适应性。在无罩面情况下，可减少灰尘60％左右，是一种环保型材料。
文档编号C04B24/40GK102701636SQ201210196190
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者轩景泉, 轩诣雄 申请人:吉林中路新材料有限责任公司