双组份快硬早强型液体土壤固化剂及其应用

摘要

本发明制备一种双组份快硬早强型液体土壤固化剂，适用于预拌流态型固化土施工，包括固化剂A组分和固化剂B组分，其中固化剂B组分为液体状快硬早强类助剂，具有促凝早强激发效果，并利用其制备快硬早强型固化土，具有凝结时间快、早期强度高、流动性好、无需全程摊铺、对基土适应能力强等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其涉及一种双组份快硬早强型液体土壤固化剂和利用其制备的快硬早强型预拌流态固化土及其施工方法。

背景技术

土壤固化剂是指掺入基土后，通过与基土、水、空气的物理或化学反应，改善基土工程性能的材料。用于土壤加固的材料种类繁多，从外观形态上可分为粉体固化材料和液体固化材料，从材料组成上可分为无机类固化材料、有机类固化材料、生物型固化材料和复合型固化材料等，常用的有机类固化材料为高分子材料类，其用量少，运输方便，便于强度控制，常用的无机类固化材料有水泥、矿渣、粉煤灰、石灰、硅酸钠等，施工稳定性好，成本低。随着基础设施建设的不断发展，土壤固化剂被越来越多地被应用。

土壤固化剂由于其性能指标优良、施工便利、工程造价低等特点，被广泛应用与公路工程、水利工程、重金属固化等工程技术领域，通过掺入固化剂与土壤发生一系列物理化学反应，可替代大量传统路基材料，不但满足工程需要，降低工程成本，还有利于环境保护和资源化利用。刘晖利用土壤固化剂对滨海地区软基进行固化处理，改善地质条件；秦雨航采用ISS土壤固化剂对红黏土进行改性，解决红黏土路基胀缩率较大等性能缺陷，增强了其抗剪切性能与无侧限抗压强度；专利文献CN110952409公开了使用土壤固化剂的混凝土道路铺设方法，解决了粘土路基抵抗能力差，容易被坏的问题；CN111205874采用萘、硫酸、甲醛、氢氧化钙、木质素磺酸钠和水制备土壤固化剂，节约筑路成本，缩短施工工期，制备的土壤固化剂抗压强度高，水稳定性好，冻稳定型好，且节能环保，使用方便，易于运输和储存，可延长道路使用寿命。

固化土的施工主要采用原位拌合和机械压实的方法，然而，原位拌合和机械压实往往受到建筑场地限制，存在一定局限性，在面临基坑回填空间狭窄、地下综合管廊体型复杂、施工面多个狭小独立回填段的问题时，原位拌合便受到施工限制，由于拌合土缺乏流动性和操作空间狭窄等问题，大中型压实机械无法使用，仅能采用人工夯实，导致回填土密实度不足，因此需要采用流态化或半流态化的固化土。现有的流态型固化土，通过加入较多的分散组分和提高水土比(0.35～0.5)实现高流动性，因此，造成的影响是固化土凝结时间变长，上强度时间久，需要至少12小时才可以进行下一步的施工操作。

可见，现有的土壤固化剂仍然存在早期强度较低，施工工期长，流动性不高的问题，施工过程中需要大量人工操作，例如摊铺、振捣等，部分土壤固化剂虽然缩短了固化时间，但仍存在流动性较差问题，部分固化土混合料为达到良好的流动性，添加大量分散剂，例如聚羧酸减水剂，但该固化土混合料仍然存在流动性保持性差，容易离析泌浆，导致施工质量存在隐患。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种双组份快硬早强型液体土壤固化剂，以及利用其制备得到的快硬早强型预拌流态固化土及其施工方法，制备得到的快硬早强型预拌流态固化土具有凝结时间快、早期强度高、流动性好、无需全程摊铺、对基土适应能力强等优点。

具体的，本发明双组份快硬早强型液体土壤固化剂，其特征在于，由固化剂A组分和固化剂B组分组成，固化剂A组分由小分子脂肪多元醇、磺酸盐、醇胺、多元醇、磺化油、氯化钙、聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物和水组成，固化剂B组分由氢氧化铝、硫酸铝、氢氧化钠、有机硅类防水剂和水组成。本发明固化剂A组分为液体状，固化剂B组分为液体状快硬早强类助剂，具有促凝早强激发效果。

优选的，按质量百分比计，所述固化剂A组分由小分子脂肪多元醇3-5％、磺酸盐10-12％、醇胺4-6％、多元醇4-6％、磺化油3-6％、氯化钙6-10％、聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物5-10％和水45-65％组成，所述固化剂B组分由氢氧化铝5-10％、硫酸铝5-10％、氢氧化钠15-25％、有机硅类防水剂1-5％和水50-75％组成。

优选的，所述小分子脂肪多元醇包括2-甲基-2,4-戊二醇，2-二甲基-1,3-丙二醇，1,6-已二醇的至少一种，其主要作用为防止收缩，保持体积稳定。

优选的，所述磺酸盐包括木质素磺酸钠、木制素磺酸钙的至少一种，主要起分散作用，增加固化土的流动性。本发明通过添加磺酸盐和聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物并调整其添加量达到固化土混合料的流态效果，提供流动性，通过各原料的相互配合，本发明制备的固化土混合料具备良好的流动性，施工过程无需摊铺，固化土混合料依靠自身粘聚力进行缓慢流动。一般而言，现有技术为提高固化土混合料的流动性需大幅提高减水剂的添加量，但由于土壤颗粒对减水剂具有选择性吸附，尤其对于聚羧酸减水剂影响更为显著，聚羧酸减水剂掺量大幅增加后虽然可提高固化土混合料的坍落度，但对于其流动性并没有更大的促进效果，过量的聚羧酸减水剂还会导致与水泥适应性问题，在施工过程中由于其解吸附作用导致固化土混合料泛黄浆、颗粒沉降，带来严重的质量缺陷，其他品种的减水剂也同样存在仅靠减水剂掺量提高不能促进固化土混合料流动性提高的问题，过量的外加剂同样造成固化土混合料的适应性差导致离析泌浆；本发明通过大量实验，发现聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物更适用于土壤固化剂，采用其作为减水剂制备固化土可降低粘土对减水剂的吸附，与其他类减水剂相比其敏感性明显降低，基本不存在泛黄浆、颗粒沉降等现象，同时添加部分磺酸盐和磺化油，可进一步降低减水剂的用量，同时增加流态型固化土的流动性，与减水剂形成协同。

优选的，所述醇胺为三异丙醇胺、三乙醇胺、二乙醇胺的至少一种。

优选的，所述多元醇选自新戊二醇、二缩二乙二醇、一缩二丙二醇、三羟甲基丙烷和甘油的任意一种；所述醇胺选自三异丙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺的任意一种，若为混合物，多元醇能以任意比例混合。

优选的，本发明添加氯化钙可提高早期强度，同时也适宜土壤固化剂在冬季低温条件使用。

优选的，本发明磺化油属于阴离子表面活性剂，可以使土壤颗粒双电子层结构释放更多的自由水，同时憎水基团进一步阻止外部水源的倾入。

优选的，本发明聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物是通过聚合反应和接枝反应合成一类聚羧酸类减水剂的接枝产物，同时具有增加固化土流动性和分散性与体积稳定性的作用，可与磺酸盐和磺化油协同提高固化土流动性，实现施工过程不摊铺。

本发明固化剂B组分作为快硬早强型助剂，复合了多种促凝组分，氢氧化铝与氢氧化钠生成的铝酸钠组分能够进一步缩短土壤固化剂胶凝组分的凝结时间，组分A中引入的多元醇、醇胺组分能够加速胶凝材料和活性混合材料中钙离子的溶出速度，可溶性硫酸盐为钙矾石的生长提供了充足的硫酸根来源，同时，B组分中过量的氢氧化钠溶液会对固化土中胶结料和土体氧化硅铝起到激发活性、促凝、增强作用，特别是在A组分含有多元醇和醇胺的情况下，这种增强效果更为显著。本发明固化剂B组分和固化剂A组分有协同反应，固化剂A可以单独使用，但在B组分的作用下，会很大程度上缩短固化时间并提高早期强度。

本发明还涉及上述双组份快硬早强型液体土壤固化剂的应用，尤其涉及该土壤固化剂在制备固化土混合料和固化土中的应用。

具体的，本发明涉及快硬早强型预拌流态固化土，包括上述的快硬早强型液体土壤固化剂。

优选的，本发明快硬早强型预拌流态固化土，由土、水、胶结料、固化剂A组分和固化剂B组分组成。

优选的，快硬早强型预拌流态固化土，按质量百分比计，配合比为：每吨土外掺胶结料，所述胶结料为水泥、生石灰的至少一种，且水泥掺量不小于6％，生石灰掺量不小于8％，固化剂A组分：每吨土外掺量0.8-1.2％，固化剂B组分：每吨土外掺量为0.2-0.5％，水土比为0.35-0.40，土以干基计算。

本发明可适用的土包括天然土(包括：淤泥、黏土、粉质粘土、粉土、砂土、细沙、中沙等)，或建筑垃圾再生粉，或上述成分混合物。

本发明还涉及述快硬早强型预拌流态固化土的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)按比例称取各原料，分别混合均匀得到固化剂A组分和固化剂B组分；

2)按照施工要求，按比例将固化剂A组分、水与胶结料混合均匀，按比例添加到土中，机械搅拌均匀后采用混凝土罐车运输至施工地点，在进行浇筑回填前向混凝土罐车中加入固化剂B组分，快速搅拌均匀，即得快硬早强型预拌流态固化土；

3)将快硬早强型预拌流态固化土进行浇筑回填。

优选的，固化剂A组分的制备方法：

将磺酸盐和氯化钙用部分水溶解，得到溶液，在其中加入多元醇、醇胺，加热(65℃作业条件下)，加入小分子脂肪多元醇，搅拌，冷却至30℃，然后边搅拌边缓慢滴入聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物，转速控制在60转/min，最后将磺化油和剩余水依次加入，升温至40～45℃，搅拌1h，得到固化剂A组分。

优选的，固化剂B组分的制备方法：首先将氢氧化铝溶解到氢氧化钠的水溶液中，反应温度为95℃，反应2h，制得铝酸钠溶液，然后将硫酸铝溶解到铝酸钠溶液中，搅拌至溶解，最后，添加有机硅类防水剂复合成固化剂B组分。

本发明如果仅添加固化剂A组分，不加固化剂B组分，也可以正常固化，该做法同现有技术中的流态型土壤固化剂一样，初凝时间在4～5h左右，12h左右可以形成强度，然后才可以进行下一步施工，部分现有技术土壤固化剂甚至需要更长的硬化时间。本发明在掺入固化剂B组分后，可以实现快硬早强的目的，2h左右，甚至1h便可硬化，并且具有一定的强度。本发明的优点是固化土混合料在硬化前，仍保持很好的流动性，可以浇筑到指定部位，而且，可以尽快进行下一步施工工序，很大程度上缩短工期。因此，本发明固化剂B组分可以看做是添加有激发剂等助剂固化剂A组分的助剂，与A组分的比例相适应，并非现有技术中广泛应用于其他类型的土壤固化剂。

本发明制备得到的快硬早强型预拌流态固化土可以应用于地基加固、沟槽回填、道路路基、基坑支护帷幕墙、矿山采空区回填等工程领域。就实际工程应用现状而言，流态型的固化土在全国使用较少，在北京这样环保要求比较严格的地区目前开始逐步应用。本发明可解决现有技术中固化土的技术不足，可为工程施工提供高质量产品，固化土的使用一方面可消耗基坑回填土和部分建筑垃圾等，另一方面由于其流态型，可以用于狭窄基坑等施工条件作业。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例选择北京地区普通黄土进行试验，固化土均采用采用土100份，42.5普通硅酸盐水泥7份，固化剂A组分1份，固化剂B组分0.2份，水土比0.4，通过调整固化剂A组分和固化剂B组分的组成，按照T/BGEA001-2019《预拌流态土填筑工程技术标准》进行试验。

实施例1

固化剂A组分：2-甲基-2,4-戊二醇4％，木质素磺酸钠10％，三乙醇胺6％，二缩二乙二醇5％，磺化油5％，氯化钙10％，聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物5％，水55％；

固化剂B组分：氢氧化铝8％，硫酸铝7％，氢氧化钠20％，有机硅类防水剂5％，水60％。经测试，固化土混合料初始流动度540mm，呈现高流态，施工过程无需人工摊铺，凝结硬化时间：1.5h，6h硬化强度0.76MPa。

实施例2

固化剂A组分：1,6-已二醇5％，木质素磺酸钠10％，三异丙醇胺5％，甘油5％，磺化油6％，氯化钙6％，聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物8％，水55％；

固化剂B组分：氢氧化铝5％，硫酸铝6％，氢氧化钠17％，有机硅类防水剂4％，水68％。

经测试，固化土混合料初始流动度530mm，呈现高流态，施工过程无需人工摊铺，凝结硬化时间：2.0h，6h硬化强度0.71MPa。

实施例3

固化剂A组分：2-二甲基-1,3-丙二醇4％，木质素磺酸钠12％，二乙醇胺6％，新戊二醇5％，磺化油5％，氯化钙9％，聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物9％，水50％；

固化剂B组分：氢氧化铝7％，硫酸铝8％，氢氧化钠20％，有机硅类防水剂4％，水21％。

经测试，固化土混合料初始流动度560mm，呈现高流态，施工过程无需人工摊铺，凝结硬化时间：1.5h，6h硬化强度0.78MPa。

实施例4

固化剂A组分：2-甲基-2,4-戊二醇5％，木质素磺酸钠12％，三乙醇胺6％，新戊二醇6％，磺化油6％，氯化钙10％，聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物9％，水46％；

固化剂B组分：氢氧化铝10％，硫酸铝10％，氢氧化钠25％，有机硅类防水剂4％，水51％。

经测试，固化土混合料初始流动度570mm，呈现高流态，施工过程无需人工摊铺，凝结硬化时间：1.0h，6h硬化强度0.82MPa。

对比例1

固化剂A组分：2-甲基-2,4-戊二醇5％，三乙醇胺6％，新戊二醇6％，氯化钙10％，BASF-410聚羧酸减水剂27％，水46％；

固化剂B组分：氢氧化铝10％，硫酸铝10％，氢氧化钠25％，有机硅类防水剂4％，水51％。

经测试，固化土混合料初始流动度520mm，离析，泌黄浆，施工过程出现板结，凝结硬化时间：4.5h，6h硬化强度无，3d硬化强度0.64MPa，凝结后的固化土表面出现微裂纹。

对比例2

固化剂A组分：2-甲基-2,4-戊二醇5％，三乙醇胺6％，新戊二醇6％，氯化钙10％，聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物27％，水46％；

固化剂B组分：氢氧化铝10％，硫酸铝10％，氢氧化钠25％，有机硅类防水剂4％，水51％。

经测试，固化土混合料初始流动度490mm，需人工辅助摊铺，凝结硬化时间：4.0h，6h硬化强度无，3d硬化强度0.66MPa。

对比例3

固化剂A组分：2-甲基-2,4-戊二醇5％，木质素磺酸钠12％，三乙醇胺6％，新戊二醇6％，磺化油6％，氯化钙10％，聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物9％，水46％；

经测试，固化土混合料初始流动度520mm，凝结硬化时间：4.5h，6h硬化强度无，3d硬化强度0.62MPa。

对比例4

固化剂A组分：2-甲基-2,4-戊二醇5％，三乙醇胺6％，新戊二醇6％，磺化油12％，氯化钙10％，聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物15％，水46％；

固化剂B组分：氢氧化铝10％，硫酸铝10％，氢氧化钠25％，有机硅类防水剂4％，水51％。

经测试，固化土混合料初始流动度470mm，凝结硬化时间：4.0h，6h硬化强度无，3d硬化强度0.58MPa。

对比例5

固化剂A组分：2-甲基-2,4-戊二醇5％，木质素磺酸钠15％，三乙醇胺6％，新戊二醇6％，氯化钙10％，聚氧化丙烯聚羧酸接枝共聚物12％，水46％；

固化剂B组分：氢氧化铝10％，硫酸铝10％，氢氧化钠25％，有机硅类防水剂4％，水51％。

经测试，固化土混合料初始流动度460mm，凝结硬化时间：3.5h，6h硬化强度0.52MPa。