專利名稱：聚乙烯醇水溶液膨脹土改良劑和配制方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種膨脹土改良劑，特別是一種涉及降低膨脹土脹縮性的聚乙烯 醇水溶液膨脹土改良劑和配制方法及其應(yīng)用。屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在我國(guó)大部分地區(qū)都已發(fā)現(xiàn)膨脹土，當(dāng)使用膨脹土作為工程用土?xí)r，由于其較大 的膨脹性，必須對(duì)它進(jìn)行進(jìn)一步的處理。降低膨脹土的脹縮性，增加膨脹土地基和邊坡穩(wěn)定 性的方法有物理方法和化學(xué)方法兩大類。物理方法有(1)表水防護(hù)設(shè)置各種排水溝，建立地表排水網(wǎng)系，使得地表水不易滲入土體 中；(2)坡面防護(hù)，目前主要的加固措施為植被防護(hù)、骨架防護(hù)、片石護(hù)坡和全封閉 護(hù)坡等；(3)支擋和加固防護(hù)常用的有擋土墻、抗滑樁和土釘加固等；(4)換土法將影響工程安全的膨脹土層全部或部分挖除，用非膨脹黏性土或粗 粒土換填。缺點(diǎn)是施工麻煩，需要以好土換壞土，操作不方便；(5)濕度控制法包括預(yù)濕和保持含水率穩(wěn)定。為了控制膨脹土含水率的變化，保 持邊坡或地基土的含水率少受蒸發(fā)及防止運(yùn)行期地表水的滲入而采取的一些必要措施。如 施工過程中預(yù)留保護(hù)層，襯砌前浸泡膨脹土控制臨界濕度等，有時(shí)采用復(fù)合土工膜或浙青 蓋在膨脹土的坡面上；(6)樁基礎(chǔ)法通過在膨脹土地基中打樁穿透膨脹土層，將荷載傳遞到膨脹土層 以下，消除膨脹土膨脹變形和膨脹力對(duì)建筑物的直接影響。化學(xué)方法有向膨脹土中摻入無機(jī)鹽類或有機(jī)化合物，通過催化活化土粒表面反 應(yīng)來改善水和土之間的相互作用，使土的性質(zhì)在水的影響下仍能達(dá)到既定指標(biāo)，改善膨脹 土的工程性質(zhì)。對(duì)于膨脹土填料，化學(xué)改良法可以通過以下方法加以改良(1)石灰類改良劑，石灰是一種無機(jī)的膠結(jié)材料，既能在空氣中硬化，也能在水中 硬化。石灰的性質(zhì)取決于活性CaO和MgO的含量，其含量越高，活性越大，膠結(jié)能力越強(qiáng)。 石灰改良膨脹土的過程既有物理作用又有化學(xué)反應(yīng)，兩方面共同作用促使土體性質(zhì)發(fā)生根 本改變。改良膨脹土的石灰摻量有一個(gè)最佳范圍，針對(duì)不同膨脹土參數(shù)得出石灰的最佳摻 量不同。研究表明膨脹土中摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的石灰對(duì)膨脹性能最為有效。超過2%時(shí)，對(duì) 膨脹性改良有可能起反作用；但根據(jù)塑性指數(shù)和PH值變化來看，最佳摻量應(yīng)大于4%;根據(jù) 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，最佳摻量應(yīng)大于8%。而對(duì)于天然膨脹土層，完全采用挖填改良后回 填的施工方法有時(shí)難以開展或者經(jīng)濟(jì)性差，從而不能像填土一樣通過摻加石灰的方法來改 良。所以對(duì)于天然膨脹土層，改良劑的水溶性和改良方法對(duì)改良效果至關(guān)重要。(2)水泥類改良劑，水泥對(duì)膨脹土的改良，主要有以下幾個(gè)方面的作用首先， 水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H和C-A-H凝膠附著在顆粒表面，具有較強(qiáng)的膠結(jié)力并形成了Ca(OH)2 ；其次，Ca2+與土顆粒表面吸附離子發(fā)生陽離子交換反應(yīng)，使土顆粒吸水性能改進(jìn)和 團(tuán)?；?，增加膨脹土的水穩(wěn)定性；最后，Ca2+，OF滲透進(jìn)入土顆粒內(nèi)部，與黏土礦物發(fā)生物理 化學(xué)反應(yīng)，繼續(xù)生成上述凝膠物質(zhì)，可減少親水凝粘土礦物的含量，并提高土顆粒間的連接 強(qiáng)度。(3)工業(yè)廢渣類改良劑，由于工業(yè)廢渣在石灰，水泥水化物的堿性環(huán)境中具有潛在 水化活性，人們從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度出發(fā)，用其來改良，穩(wěn)定土體，其改良機(jī)理與石灰類，水泥 類改良劑類似。此方法的最大優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保性好且比較經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是早期強(qiáng)度不高，而且通常 需要較大的摻量。(4)水玻璃類改良劑，水玻璃改良劑是由水玻璃和酸性反應(yīng)劑構(gòu)成的，在強(qiáng)堿條件 下發(fā)生膠凝固 結(jié)。由于膠凝時(shí)間不能延長(zhǎng)，改良反應(yīng)不完全，會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的堿性影響，使生 成的SiO2膠體逐漸溶出，大大降低了耐久性。(5)有機(jī)類改良劑，有機(jī)類改良劑由于聚合物與土顆粒中黏土礦物一般不發(fā)生反 應(yīng)，其改良膨脹土的作用主要是通過包裹，機(jī)械嚙合等物理作用來提高土顆粒間的黏接作 用，因此在減少土的膨脹性和增加土的強(qiáng)度方面作用要小。而且有機(jī)物的聚合過程不吸收 水分，土顆粒表明吸附水膜的存在會(huì)更影響聚合物網(wǎng)絡(luò)對(duì)土顆粒連接的加強(qiáng)作用。要使有 機(jī)改良劑在土中形成一定的均勻聚合物網(wǎng)絡(luò)，常需要加大其摻量，而有機(jī)改良劑的成本通 常較高，因此，常常因經(jīng)濟(jì)成本，加固效果等方面的原因而限制了有機(jī)改良劑的應(yīng)用。(6)無機(jī)改良劑和有機(jī)改良劑結(jié)合，原理是在膨脹土中按一定比例摻入石灰， 水泥，粉煤灰，礦渣及其混合料，再加上一定量的活性催化劑促進(jìn)改良劑與土的反應(yīng)，如 CTMAB, AFS, FTY, CHJ, QJ, SGL, SSS等穩(wěn)定土。但無機(jī)改良劑和有機(jī)改良劑結(jié)合改良膨脹土 的方法到目前為止還沒有在實(shí)際工程中得到推廣應(yīng)用，成果停留在室內(nèi)試驗(yàn)階段，這除了 和試驗(yàn)成果還不太完善有關(guān)以外，施工復(fù)雜或價(jià)格偏高也是主要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種聚乙烯醇水溶液膨脹土改良劑和制法及其在膨脹土 改良中的應(yīng)用。本發(fā)明的目的是通過以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種膨脹土改良劑，其特征在于它是由聚乙烯醇與水按質(zhì)量比為0.8 1.2 100 所制成的溶液。本發(fā)明的膨脹土改良劑的制備方法，其特征在于制備步驟為(1)取聚乙烯醇質(zhì) 量與水質(zhì)量比為0.8 1.2 100，并摻入體積為水的體積的1/10的無水乙醇；(2)將該混 合物水浴加熱至95°C 100°C，充分?jǐn)嚢?，使聚乙烯醇溶解于水中?3)水浴90 95分鐘 后，取上層清液，即聚乙烯醇的飽和水溶液作為改良劑。因?yàn)槿绻芙庖洪L(zhǎng)時(shí)間放置，其性 能將會(huì)視水質(zhì)的情況而逐漸降低，所以在水溶液調(diào)制好之后，請(qǐng)?jiān)谝欢〞r(shí)間內(nèi)加以使用。改 良劑儲(chǔ)存于通風(fēng)、陰涼干燥處，遠(yuǎn)離火源。注意在溶解的時(shí)候，要一邊攪拌溶解槽中的水， 一邊嚴(yán)格注意加入聚乙烯醇，使之均勻分散在水中，不要讓它形成疙瘩，膠結(jié)在容器底部。所述的改良劑對(duì)膨脹土改良的步驟為(1)將改良劑噴灑在干燥的膨脹土表面 后，膨脹土由于其吸力作用將溶液迅速吸入，表層的土體飽和后，未被土體吸收的溶液沿著 裂隙下滲進(jìn)入內(nèi)部，然后向裂隙兩側(cè)滲入，直至整個(gè)風(fēng)化層被浸濕，(2)待膨脹土表面干燥后再進(jìn)行第二次噴灑，經(jīng)過多次這樣的噴灑，就能夠形成一定厚度的表面改良層，消除或降 低改良層內(nèi)土體的脹縮性。 所述改良劑對(duì)膨脹土的改良原理為聚乙烯醇(簡(jiǎn)稱PVA)外觀為白色粉末，是一 種用途相當(dāng)廣泛的水溶性高分子聚合物，性能介于塑料和橡膠之間，是由聚乙烯酸和金屬 離子結(jié)合組成的有機(jī)電解質(zhì)，在未聚合之前可溶于水，是由聚乙烯醇與堿土金屬的反應(yīng)制 得。當(dāng)采用聚乙烯醇進(jìn)行膨脹土改良時(shí)，聚乙烯醇單體加入到土中，在土中進(jìn)行聚合反應(yīng)， 經(jīng)過鏈的引發(fā)、鏈的增長(zhǎng)等過程，使液狀聚乙烯醇聚合成不溶于水的網(wǎng)狀高分子凝膠體，這 樣土顆粒就被強(qiáng)度高、有塑性的鏈包圍，形成一個(gè)空間網(wǎng)，形成土顆粒-聚乙烯醇凝膠-土 顆粒的結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可提高土顆粒間連結(jié)強(qiáng)度，使土體具有較高強(qiáng)度和變形率，表現(xiàn)為土 的抗拉、抗剪和單軸抗壓強(qiáng)度提高。另外，有機(jī)網(wǎng)狀高分子凝膠體具有憎水作用，可減少水 的滲出和滲入，有利于膨脹土的改良。聚乙烯醇樹脂系列產(chǎn)品均可以在95°C以下的熱水中溶解，但由于聚合度、醇解度 高低的不同，醇解方式的不同等在溶解時(shí)間、溫度上有一定的差異，因此在使用不同品牌聚 乙烯醇樹脂時(shí)，溶解方法和時(shí)間需要進(jìn)行摸索。溶解時(shí)，可一邊攪拌(攪拌速度70 100 轉(zhuǎn)/分，升溫時(shí)，可采用夾套、水浴等間接加熱方式，也可采用水蒸汽直接加熱)一邊將本品 緩緩加入20°C左右的冷水中充分溶脹、分散和揮發(fā)性物質(zhì)的逸出。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)改良劑滲透效果好，經(jīng)試驗(yàn)，至少可改良至土表以下1米；(2) 改良時(shí)僅需噴灑即可，無需將待改良土壤挖出攪拌后重新填埋，方便適用；(3)改良劑適用 于中低性膨脹土，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室噴灑實(shí)驗(yàn)，距土表90厘米處的膨脹土原來的自由膨脹率為50， 經(jīng)改良后的自由膨脹率為37，工程規(guī)范要求膨脹土的自由膨脹率為40以下，基本滿足工程 應(yīng)用要求。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例利用聚乙烯醇水溶液改良劑對(duì)膨脹土改良的試驗(yàn)改良施工步驟為(1)從江蘇省淮安市取質(zhì)量為200kg的膨脹土樣，將其放在高度 為Im直徑為30cm的圓柱體玻璃器皿中，并取出距表面深度為90cm處的土樣100克，碾細(xì) 全部過0. 55篩；將過篩的試樣拌勻，在105°C -110°C下烘制恒重，在干燥器內(nèi)冷卻至室溫； 將無頸漏斗放在支架上，漏斗下口離量土杯距離保持IOmm;用勺子取試樣倒入漏斗，邊倒 邊攪動(dòng)。當(dāng)試樣裝滿量土杯并開始流出時(shí)，停止倒土，移開漏斗刮去杯口多余的土并稱量。 重復(fù)以上操作進(jìn)行第二次量土和稱量，要求兩次稱量的差值不得大于0. 1克。在量筒內(nèi)注 入30ml純水，并加入5ml濃度為5%的純NaCl溶液，將量土杯里的試樣倒入量筒內(nèi)，用攪拌 器上下攪拌懸液十次，用純水清洗攪拌器及量筒壁，使懸液達(dá)50ml。待懸液澄清后，每隔5h 測(cè)一次土面高度(估讀0. Iml)直至讀數(shù)差值不大于0. 2ml，可認(rèn)為膨脹穩(wěn)定，若土面傾斜， 讀數(shù)可取中值。測(cè)得未加入改良劑的距表面90cm處的膨脹土的自由膨脹率為50。(2)取聚乙烯醇質(zhì)量10g，水質(zhì)量lOOOg，并摻入IOOml無水乙醇以加速溶解，再將 該混合物水浴加熱至95°C 100°C，使聚乙烯醇溶解于水中，在溶解的時(shí)候，一邊攪拌一邊 倒入，使之均勻且充分溶解，在水浴中90 95分鐘后，取上層清液1000ml，即聚乙烯醇的飽 和水溶液作為改良劑，重復(fù)以上步驟三次，取得改良劑3000ml。(3)將配制好的改良劑噴灑在干燥的膨脹土表面，第一次噴灑1000ml，待目測(cè)表面干燥后第二次噴灑1000ml，再待目測(cè)表面干燥后第三次噴灑1000ml，就能夠形成一定厚 度的表面改良層，消除或降低改良層土體的脹縮性。待目測(cè)表面干燥后，取出距土表90厘 米處的膨脹土，經(jīng)自由膨脹率實(shí)驗(yàn)可見，其自由膨脹率降低到37，工程規(guī)范 要求膨脹土的自 由膨脹率為40以下，所以基本滿足工程要求。
權(quán)利要求
一種膨脹土改良劑，其特征在于它是由聚乙烯醇與水按質(zhì)量比為0.8～1.2∶100所制成的溶液。
2.一種制備權(quán)利要求1所述膨脹土改良劑的方法，其特征在于制備步驟如下(1)取聚乙烯醇質(zhì)量與水質(zhì)量比為0.8 1.2 100，并摻入體積為水的體積的1/10 的無水乙醇；(2)將該混合物水浴加熱至95°C 100°C，充分?jǐn)嚢?，使聚乙烯醇溶解于水中?3)在水浴中90 95分鐘后，取上層清液，即聚乙烯醇的飽和水溶液為改良劑。
3.如權(quán)利要求1所述的膨脹土改良劑在膨脹土改良中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種膨脹土改良劑，它是由聚乙烯醇與水按一定的質(zhì)量比配制成的溶液；其配制方法為取聚乙烯醇與水按一定質(zhì)量比，并摻入適量的無水乙醇，將該混合物水浴加熱，充分?jǐn)嚢瑁咕垡蚁┐既芙馀c水中，在水浴中一定時(shí)間后，取上層清液，即為聚乙烯醇的飽和水溶液作為改良劑；將上述改良劑噴灑在干燥的膨脹土表面，待膨脹土表面干燥后在噴灑第二次改良劑，經(jīng)數(shù)次噴灑改良劑，就能夠形成一定厚度的表面改良層，消除或降低改良層內(nèi)土體的膨縮性，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果表明取出距土表90cm處的膨脹土，經(jīng)自由膨脹測(cè)試其自由膨脹率由原來的50降到37，滿足了工程施工的要求。
文檔編號(hào)C04B14/12GK101844887SQ20101017556
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者張福海, 洪望曦, 潘雨辰, 譚欣, 趙辰洋, 邱雪蓮 申請(qǐng)人:河海大學(xué)