土基高分子复合抗收缩泥料的制备方法与流程

本发明涉及一种土基高分子复合抗收缩泥料的制备方法，主要应用于辅助工程施工和荒漠化地区节水，属于水土保持技术领域。

背景技术：

黏土泥料在一定温度下干燥时，由于颗粒间水分的排出，颗粒之间相互靠拢以及颗粒间距缩短而引起的体积收缩，称为干燥收缩。干燥后的黏土泥料经过高温煅烧时，由于发生诸如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、石英的晶型转化、易熔杂质的转化以及各类熔融物填充质点间空隙等一系列物理化学变化，使得黏土泥料进一步收缩，称为烧成收缩。成型黏土样品经过干燥和煅烧后的尺寸总变化称为总收缩。由于黏土具有低膨胀、高收缩的特性，使用在路基表面会产生大量的裂缝。裂缝的存在形成了水分入侵与蒸发的良好通道，从而为路基病害的产生埋下隐患。这种膨胀性黏土因自身显著的胀缩特性给建设工程带来了极大的影响，可直接导致全球性的地质灾害。

红土在云南省大部分地区广泛分布，昆明地区红黏土最典型的特征是失水后收缩复浸水膨胀，不能恢复到原位，以收缩变形为主。由于昆明地区曾出现过连续四年干旱的极端气候，蒸发量远大于降水量，导致大气影响深度和急剧层深度不同程度的加深。某送电线路N12号塔、N24号塔基础沉降，通过现场勘测和钻探揭露，以及对不同深度红黏土含水率的测定发现，在2013年雨季之前昆明地区的大气影响急剧层深度大于7.00 m。红黏土在正常的气候状况下其失水量很小，收缩变形量也很小，但受极端干旱气候影响，使得基础底面以下的红黏土含水量大幅降低，红黏土失水后收缩变形，在大气影响急剧层深度范围内，土岩组合地基基础底面以下红黏土厚度相差较大，铁塔基础易产生不均匀沉降，红黏土收缩变形量与基底以下红黏土厚度成正相关关系。因此，在红黏土一定程度上能减少黏土的收缩。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种土基高分子复合抗收缩泥料的制备方法。

一、土基高分子复合抗收缩泥料的制备

本发明制备土基高分子复合抗收缩泥料的方法，是在黄土或黏土中加入聚合物和生物质秸秆，混合均匀后加入自来水，机械搅拌使其充分作用，即得土基高分子复合抗收缩泥料。

所述黏土为坡缕石或红土。

所述生物质秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆和棉花秸秆中的至少一种；秸秆的加入量为黄土或黏土质量的2.0~5.0 %。加入秸秆可以增强土基高分子复合泥料的机械强度，从而在一定程度上降低其收缩面积。

所述聚合物为聚丙烯酸、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇中的至少一种；聚合物的加入量为黄土或黏土质量的0.1~5.0 %。聚合物具有超强的吸水和保水能力，可减少地表径流，防止土壤流失，并具有较好的抑制土壤水分蒸发的能力。由于其可以减少水分的排出，因此，可降低干燥收缩的程度。

自来水的加入量为黄土或黏土质量的60~80%。为了使黄土或黏土与聚合物等能够充分作用并完全反应，上述搅拌转速控制在300~600r/min，搅拌时间为30~60min。

二、土基高分子复合抗收缩泥料的结构与性能

下面对本发明土基高分子复合抗收缩泥料的结构和性能进行分析说明，并与无添加高分子的土基泥料进行比较。

图1为本发明中黄土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的红外光谱图。其中，a曲线（黄土）在3623 cm^-1处的吸收峰为黄土表面-OH的伸缩振动峰，1445 cm^-1处的吸收峰为-OH的弯曲振动峰，这两个特征吸收峰在黄土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的红外光谱图（c）中明显减弱或基本消失；在1029 cm^-1处的强吸收峰为Si-O的伸缩振动峰，在c曲线中也稍有减弱。b曲线（聚丙烯酸）在1704 cm^-1处的吸收峰归属于羰基的伸缩振动；在941 cm^-1处的吸收峰为C-OH的面内弯曲振动，这些特征吸收峰在c曲线中发生偏移且明显减弱。另外，c曲线在469 cm^-1处出现的微弱吸收峰为Si-O弯曲振动峰。以上结果表明红土与聚丙烯酸发生了相互作用。

图2为本发明中黄土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的红外光谱图。其中，a曲线（黄土）在3623 cm^-1处的吸收峰为黄土表面-OH的伸缩振动峰，1445 cm^-1处的吸收峰为-OH的弯曲振动峰，这两个特征吸收峰在黄土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的红外光谱图（c）中明显减弱或基本消失；在1029 cm^-1处的强吸收峰为Si-O的伸缩振动峰，在c曲线中也稍有减弱。b曲线为聚乙烯醇的红外光谱图，其特征吸收峰出现在3441cm^{- 1}（-OH的伸缩振动），这个强吸收峰在c曲线中明显减弱。另外，c曲线在469 cm^-1处出现的微弱吸收峰为Si-O弯曲振动峰。以上结果表明黄土与聚乙烯醇发生了相互作用。

图3为本发明中黄土基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的红外光谱图。其中，a曲线（黄土）在3623 cm^-1处的吸收峰为黄土表面-OH的伸缩振动峰，1445 cm^-1处的吸收峰为-OH的弯曲振动峰，这两个特征吸收峰在黄土基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的红外光谱图（c）中明显减弱或基本消失；在1029 cm^-1处的强吸收峰为Si-O的伸缩振动峰，在c曲线中也稍有减弱。b曲线为聚丙烯酰胺的红外光谱图，在3458cm^-1、3475cm^-1、3415cm^-1处的吸收峰归属于-NH的伸缩振动；1619 cm^-1处的吸收峰为C=O的伸缩振动峰，这些吸收峰在c曲线中明显减弱。另外，c曲线在469 cm^-1处出现的微弱吸收峰为Si-O弯曲振动峰。以上结果表明黄土与聚丙烯酰胺发生了相互作用。

图4为未添加聚合物和添加聚合物后土基复合抗收缩泥料的扫描电镜图。其中，a、b、c、d分别为黄土、黄土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料、黄土基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料、黄土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的扫描电镜图。从图4可以看出，土基高分子复合抗收缩泥料的表面形貌均因聚合物的加入而发生了改变，黄土的表面形貌相对疏松，而添加了聚合物之后，其微观表面形貌变得相对紧密，颗粒之间的粘结性增强，孔隙减小，使得土基高分子复合泥料紧密的粘结在一起，使水分子不易通过，从而降低干燥收缩的程度，来达到抗收缩的效果。

图5为黄土（a）、黄土基聚丙烯胺酰复合抗收缩泥料（b）、黄土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料（c）、黄土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料（d）颗粒的粒径分析图。从图5可以看出，黄土颗粒的粒径主要分布在500~750nm之间；黄土基聚丙烯胺酰复合泥料颗粒的粒径主要分布在800~1600nm之间；黄土基聚丙烯酸复合泥料颗粒的粒径主要分布在500~1100nm之间；黄土基聚乙烯醇复合泥料颗粒的粒径主要分布在1200~1850nm之间。这是由于聚合物与黄土之间通过分子间弱相互作用力形成网状结构，使土粒团聚在一起，增大了黄土颗粒的体积。

三、土基高分子复合泥料的抗收缩性能

取6个规格相同（20.5×13.2×6.5cm）的塑料盒，盒底先平铺一层沙土，然后取等量复合抗收缩材料样品6份（不同剂量聚合物），分别平铺在沙土的上层。然后将其放置于自然条件下，在复合材料表层干燥后，测量其面积。

表1为不同剂量聚合物作用下红土基复合抗收缩泥料的面积。由表1可以看出，添加了聚合物的红土基复合泥料的抗收缩性能明显优于未添加聚合物的红土基复合泥料。添加不同聚合物作用下红土基复合泥料的抗收缩性能为：聚丙烯酰胺>聚乙烯醇>聚丙烯酸。因此，聚丙烯酰胺更适于应用在红土基复合抗收缩泥料中。

表2为不同剂量聚合物作用下黄土基复合抗收缩泥料的面积。由表2可知，添加了聚合物的黄土基复合泥料的抗收缩性能明显优于未添加聚合物的黄土基泥料。添加不同聚合物作用下黄土基复合泥料的抗收缩性能为：聚丙烯酸>聚乙烯醇>聚丙烯酰胺。因此，聚丙烯酸更适于应用在黄土基复合抗收缩泥料中。

表3为不同剂量聚合物作用下坡缕石基复合抗收缩泥料的面积。由表3可知，添加了聚合物的坡缕石基复合泥料的抗收缩性能明显优于未添加聚合物的坡缕石基泥料。添加不同聚合物作用下坡缕石基复合泥料的抗收缩性能为：聚乙烯醇>聚丙烯酸>聚丙烯酰胺，因此，聚乙烯醇更适于应用在坡缕石基复合抗收缩泥料中。

不同种类无机黏土作为原料，在加入的聚合物和生物质秸秆相同的条件下，制备的复合泥料的抗收缩效果为：黄土基复合泥料>红土基复合泥料>坡缕石基复合泥料。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、以天然的黄土或黏土作为原料，其来源广泛、价格低廉；制备工艺简单，成本较低；

2、添加的聚合物作为土壤结构改良剂或稳定剂，可以增加土壤表层颗粒间的凝聚力，防止土壤水分丢失，降低其干燥收缩的程度；

3、添加生物质秸秆可以增强土基高分子复合泥料的机械强度，从而在一定程度上降低其收缩面积，能有效提高泥料的抗收缩性能；

4、土基复合抗收缩泥料性能优异，能有效减少水分流失来达到降低干燥收缩的程度，降低发生地质灾害的可能。

附图说明

图1为本发明中黄土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的红外光谱图。

图2为本发明中黄土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的红外光谱图。

图3为本发明中黄土基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的红外光谱图。

图4为未添加聚合物和添加聚合物后土基复合抗收缩泥料的扫描电镜图。

图5为黄土、黄土基聚合物复合抗收缩泥料颗粒的粒径分析图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的土基高分子复合抗收缩泥料的制备和应用作进一步说明。

实施例1、红土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的红土，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚丙烯酸和2.0%~5.0%的玉米秸秆粉末，混合均匀后加入红土质量60~80%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，得到红土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯红土提高了7.22%。

实施例2、红土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的红土，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚丙烯酸和2.0%~5.0%的玉米秸秆粉末，混合均匀后加入红土质量60~80%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，得到红土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯红土提高了9.36%。

实施例3、红土基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的红土，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚丙烯酰胺和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入红土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到红土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯红土提高了8.03%。

实施例4、红土基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的红土，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚丙烯酰胺和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入红土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到红土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯红土提高了9.64%。

实施例5、红土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的红土，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚乙烯醇和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入红土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到红土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯红土提高了7.63%。

实施例6、红土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的红土，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚乙烯醇和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入红土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到红土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯红土提高了9.42%。

实施例7、黄土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的黄土，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚丙烯酸和2.0%~5.0%的玉米秸秆粉末，混合均匀后加入黄土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，得到黄土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯黄土提高了5.18%。

实施例8、黄土基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的黄土，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚丙烯酸和2.0%~5.0%的玉米秸秆粉末，混合均匀后加入黄土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，得到黄土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯黄土提高了6.04 %。

实施例9、黄土基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的黄土，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚丙烯酰胺和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入黄土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到黄土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯黄土提高了2.78%。

实施例10、黄土基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的黄土，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚丙烯酰胺和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入黄土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到黄土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯黄土提高了3.32 %。

实施例11、黄土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的黄土，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚乙烯醇和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入黄土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到黄土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯黄土提高了3.29%。

实施例12、黄土基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的黄土，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚乙烯醇和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入黄土质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到黄土基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯黄土提高了4.15%。

实施例13、坡缕石基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的坡缕石，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚丙烯酸和2.0%~5.0%的玉米秸秆粉末，混合均匀后加入坡缕石质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，得到坡缕石基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯坡缕石提高了6.38%。

实施例14、坡缕石基聚丙烯酸复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的坡缕石，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚丙烯酸和2.0%~5.0%的玉米秸秆粉末，混合均匀后加入坡缕石质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，得到坡缕石基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯坡缕石提高了8.62%。

实施例15、坡缕石基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的坡缕石，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚丙烯酰胺和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入坡缕石质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到坡缕石基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯坡缕石提高了6.08%。

实施例16、坡缕石基聚丙烯酰胺复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的坡缕石，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚丙烯酰胺和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入坡缕石质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到坡缕石基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯坡缕石提高了7.84%。

实施例17、坡缕石基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的坡缕石，分别加入其质量2.6%~3.5%的聚乙烯醇和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入坡缕石质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到坡缕石基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯坡缕石提高了6.57%。

实施例18、坡缕石基聚乙烯醇复合抗收缩泥料的制备和性能测定

取一定量的坡缕石，分别加入其质量3.6%~5.0%的聚乙烯醇和2.0%~5.0%的玉米秸秆，混合均匀后加入坡缕石质量60~80%的自来水，在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，即得到坡缕石基高分子复合抗收缩泥料。该复合泥料的抗收缩效果比纯坡缕石提高了8.81%。