本發(fā)明涉及一種泥漿固化劑技術(shù)研究領(lǐng)域，具體涉及一種高分子泥漿固化劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，地下建筑環(huán)境問(wèn)題日益突出。在城市地下結(jié)構(gòu)建設(shè)中，如：地鐵隧道盾構(gòu)開(kāi)挖，高層建筑樁基施工，市政管道頂進(jìn)等，產(chǎn)生了大量的廢棄泥漿。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)表明：僅在上海，修建一個(gè)地鐵車(chē)站將產(chǎn)生8.7萬(wàn)m3廢棄泥漿，開(kāi)挖直徑6m的地鐵隧道每公里產(chǎn)生廢棄泥漿6.8萬(wàn)m3，截至2015年底，上海地鐵已建成車(chē)站366座，隧道總長(zhǎng)度617公里，廢棄泥漿總產(chǎn)量約7400萬(wàn)m3。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于工程廢棄泥漿的處置消納矛盾還沒(méi)引起足夠的重視，以致一些不法單位直接將廢棄泥漿排放河道或良田，引發(fā)了河道淤堵、破壞耕地等一系列環(huán)保問(wèn)題。一些發(fā)達(dá)國(guó)家如日本、美國(guó)等，對(duì)廢棄泥漿處置已形成了科學(xué)模式(即：收集-處理-消納-再利用)，經(jīng)過(guò)固化劑處理后的泥漿，主要作為建筑材料，林地或耕地開(kāi)發(fā)，垃圾填埋和填海造陸等，其中直接用作建筑材料和土地利用占到70％以上。因此，廢棄泥漿固化劑的研發(fā)已成為我國(guó)城市發(fā)展中資源再生和環(huán)境友好的重要課題。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)土壤固化劑研制主要集中在水泥-石灰類(lèi)，礦渣-硅酸鹽類(lèi)等無(wú)機(jī)材料的混合，適用于含水量低，物理性質(zhì)單一的土壤。固化機(jī)理主要是將土壤中部分自由水轉(zhuǎn)化為結(jié)晶水，所生成的結(jié)晶水合物不破壞礦物膠凝物質(zhì)，土壤顆粒通過(guò)cah系和csh系膠凝成結(jié)構(gòu)骨架。近年來(lái)，針對(duì)新型高分子泥漿固化劑的研究也在不斷發(fā)展，其中具有代表性的文獻(xiàn)有：《巖土力學(xué)》的《高含水率疏浚淤泥新型復(fù)合固化材料試驗(yàn)研究》，指出采用水泥、生石灰和高分子材料配制成的固化劑處理含水率120％的淤泥，早期強(qiáng)度超過(guò)0.5mpa；《環(huán)境科技》的《陰離子型聚丙烯酰胺在廢棄樁基泥漿處理中的應(yīng)用》，說(shuō)明了apam在短期內(nèi)對(duì)含泥率低于20％的泥漿具有良好的絮凝分離效果；《科技通報(bào)》的《水泥粉煤灰固化灘涂淤泥的強(qiáng)度與固化機(jī)理研究》，表明了通過(guò)水泥、粉煤灰和三乙醇胺等材料組成的固化劑處理含水率為67％的淤泥，早期強(qiáng)度接近0.7mpa。
目前，傳統(tǒng)水泥無(wú)機(jī)固化劑主要依賴(lài)施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配制而成，各種材料的選擇和摻入量缺乏系統(tǒng)調(diào)配，且水泥摻量高達(dá)40％以上，礦物資源消耗嚴(yán)重，當(dāng)泥漿含水量大于100％時(shí)，攪拌工作性差，固化時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度低和易干縮開(kāi)裂等。國(guó)外高分子泥漿固化劑受專(zhuān)利技術(shù)保護(hù)，引進(jìn)成本高，同時(shí)，針對(duì)高含水量泥漿的現(xiàn)場(chǎng)固化效果不明顯。因此，根據(jù)廢棄泥漿含水量高，沉淀速率慢，排放總量大等特點(diǎn)，本發(fā)明采用高分子聚合物和無(wú)機(jī)材料相結(jié)合的方式，采用正交試驗(yàn)法初步確定固化劑配比，接著利用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)特定的制備方法，得到這種高分子泥漿固化劑。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題而進(jìn)行的，目的在于提供一種高分子泥漿固化劑及其制備方法。
本發(fā)明提供了一種高分子泥漿固化劑，具有這樣的特征，包括：粉煤灰，占高分子泥漿固化劑的質(zhì)量百分比的30～50％；生石灰，占高分子泥漿固化劑的質(zhì)量百分比的5～12％；水泥，占高分子泥漿固化劑的質(zhì)量百分比的20～30％；三乙醇胺，占高分子泥漿固化劑的質(zhì)量百分比的0.5～0.8％；聚丙烯酰胺，占高分子泥漿固化劑的質(zhì)量百分比的0.05～0.3％；聚乙烯醇，占高分子泥漿固化劑的質(zhì)量百分比的0.05～0.1％；以及環(huán)氧樹(shù)脂，占高分子泥漿固化劑的質(zhì)量百分比的0.05～0.1％。
在本發(fā)明提供的高分子泥漿固化劑中，還可以具有這樣的特征：其中，粉煤灰為ⅰ級(jí)高鈣型粉煤灰。
在本發(fā)明提供的高分子泥漿固化劑中，還可以具有這樣的特征：其中，生石灰的規(guī)格為粉末狀，純度為98％以上。
在本發(fā)明提供的高分子泥漿固化劑中，還可以具有這樣的特征：其中，水泥為4.25#普通硅酸鹽水泥。
在本發(fā)明提供的高分子泥漿固化劑中，還可以具有這樣的特征：其中，三乙醇胺的規(guī)格為結(jié)晶狀態(tài)，純度為99％以上。
在本發(fā)明提供的高分子泥漿固化劑中，還可以具有這樣的特征：其中，聚丙烯酰胺的規(guī)格為陰離子聚丙烯酰胺，分子量為1200萬(wàn)。
在本發(fā)明提供的高分子泥漿固化劑中，還可以具有這樣的特征：其中，述聚乙烯醇為聚乙烯醇ah-26。
在本發(fā)明提供的高分子泥漿固化劑中，還可以具有這樣的特征：其中，環(huán)氧樹(shù)脂為雙酚a型超高分子量，規(guī)格為ers-smw。
本發(fā)明還提供了上述的高分子泥漿固化劑的制備方法，具有這樣的特征，包括以下步驟：步驟一，將粉煤灰、生石灰以及水泥進(jìn)行密封攪拌至均勻，得到混合物一；步驟二，將三乙醇胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及環(huán)氧樹(shù)脂在溫度為15～20℃的情況下，進(jìn)行密封攪拌至均勻，得到混合物二；步驟三，將混合物一以及混合物二在真空條件下進(jìn)行混合攪拌至均勻，得到高分子泥漿固化劑，并將高分子泥漿固化劑進(jìn)行密封保存，其中上述步驟的各種物質(zhì)按照權(quán)利要求1的各物質(zhì)比例進(jìn)行添加。
在本發(fā)明提供的高分子泥漿固化劑的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟三中，攪拌溫度為15℃。
發(fā)明的作用與效果
根據(jù)本發(fā)明所涉及的高分子泥漿固化劑，因?yàn)椴捎玫木郾０?、聚乙烯醇以及環(huán)氧樹(shù)脂均為粉末狀，使用高分子聚合物與無(wú)機(jī)礦物材料結(jié)合，充分利用了工業(yè)廢渣粉煤灰，節(jié)能環(huán)保，使得制備得到的高分子泥漿固化劑不僅強(qiáng)度較高且延展性好，而且造價(jià)較低，相對(duì)于進(jìn)口固化劑價(jià)格降幅達(dá)50％。另外，得到的高分子泥漿固化劑還具有以下特點(diǎn)：和易性好，方便現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械攪拌施工；固化速率快，24小時(shí)即可脫模；致密性好，不會(huì)出現(xiàn)干縮開(kāi)裂等問(wèn)題；水穩(wěn)定性好，抗酸能力強(qiáng)；適應(yīng)范圍廣，不受泥漿或土壤類(lèi)型的限制。此外，經(jīng)過(guò)本發(fā)明的高分子泥漿固化劑處理后的泥漿的再應(yīng)用范圍也比較大，例如：制磚，路基下墊層材料，江/河道護(hù)堤材料等。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例中經(jīng)高分子泥漿固化劑處理后的泥漿標(biāo)準(zhǔn)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系圖；
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例中經(jīng)高分子泥漿固化劑處理后的泥漿標(biāo)準(zhǔn)試樣的含水量與齡期的關(guān)系圖；以及
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例中經(jīng)高分子泥漿固化劑處理后的泥漿標(biāo)準(zhǔn)試樣的e-p關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明高分子泥漿固化劑及其制備方法作具體闡述。
步驟一，將粉煤灰、水泥以及生石灰依次加入到攪拌器中密封。在本實(shí)施例中，粉煤灰為ⅰ級(jí)高鈣型粉煤灰；水泥為4.25#普通硅酸鹽水泥；生石灰的規(guī)格為粉末狀，細(xì)度為120目，純度為98％以上，廠家為天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。
步驟二，將密封攪拌器進(jìn)行低速攪拌5min，后高速攪拌10min，之后再低速攪拌5min，得到混合物一。
步驟三，將三乙醇胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及環(huán)氧樹(shù)脂放置在溫度為10℃的低溫保護(hù)型中靜置24小時(shí)。在本實(shí)施例中，三乙醇胺的規(guī)格為結(jié)晶固態(tài)，分子量為149.19，ar，純度為99.0％以上，廠家為無(wú)錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司；聚丙烯酰胺為陰離子聚丙烯酰胺，分子量為1200萬(wàn)；聚乙烯醇ah-26；環(huán)氧樹(shù)脂為雙酚a型超高分子量環(huán)氧樹(shù)脂，規(guī)格為ers-smw。
步驟四，在室溫為15℃的實(shí)驗(yàn)室中采用防風(fēng)精準(zhǔn)天平(精度為0.001g)對(duì)三乙醇胺、聚丙烯胺、聚乙烯醇以及環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行稱(chēng)量并放入至攪拌器中密封。
步驟五，將密封攪拌器進(jìn)行低速攪拌5min后轉(zhuǎn)高速攪拌5min，后再進(jìn)行低速攪拌2min，得到混合物二。
步驟六，將混合物二加入到混合物一中放置在攪拌器中密封，將密封攪拌器進(jìn)行抽真空，先低速攪拌5min后轉(zhuǎn)高速攪拌10min，再轉(zhuǎn)低速攪拌5min后進(jìn)行裝袋密封保存，得到高分子泥漿固化劑。
在得到的高分子泥漿固化劑中，粉煤灰，占高分子固化劑的質(zhì)量百分比的30～50％；生石灰，占高分子固化劑的質(zhì)量百分比的5～12％；水泥，占高分子固化劑的質(zhì)量百分比的20～30％；三乙醇胺，占高分子固化劑的質(zhì)量百分比的0.5～0.8％；聚丙烯酰胺，占高分子固化劑的質(zhì)量百分比的0.05～0.3％；聚乙烯醇，占高分子固化劑的質(zhì)量百分比的0.05～0.1％；以及環(huán)氧樹(shù)脂，占高分子固化劑的質(zhì)量百分比的0.05～0.1％。在本實(shí)施例中，步驟六得到的高分子泥漿固化劑中，粉煤灰:生石灰:水泥:三乙醇胺:聚丙烯酰胺:聚乙烯醇:環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量百分比為50％:10％:20％:0.8％:0.2％:0.1％:0.1％。
在本實(shí)施例中，各物質(zhì)之間的配比設(shè)計(jì)為：利用ibmspssstatistics軟件設(shè)計(jì)7因素4水平的正交試驗(yàn)方案，然后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，主要測(cè)定試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、含水量、ph、孔隙比等指標(biāo)，得出各材料摻量范圍，接著采用designexpert軟件對(duì)配比進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化，得到高分子固化劑最優(yōu)配比，并按此配比制樣后進(jìn)行力學(xué)特性和變形特性等指標(biāo)的測(cè)試。
高分子泥漿固化劑的應(yīng)用過(guò)程為：將高分子泥漿固化劑與泥漿以質(zhì)量比為0.7:1進(jìn)行泥漿固化，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，該試樣的尺寸為：高98mm，直徑46.5mm，質(zhì)量為260g。養(yǎng)護(hù)溫度為20±3℃，相對(duì)濕度為90％以上。
對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，壓試速率為5mm/min。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例中經(jīng)高分子泥漿固化劑處理后的泥漿標(biāo)準(zhǔn)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系圖。
如圖1所示，當(dāng)齡期為7天時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)試樣的強(qiáng)度已超過(guò)2mpa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例中經(jīng)高分子泥漿固化劑處理后的泥漿標(biāo)準(zhǔn)試樣的含水量與齡期的關(guān)系圖。
如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)試樣7天內(nèi)含水量降幅近8％，說(shuō)明該固化劑具有快速減水效果，同時(shí)在7天之后的養(yǎng)護(hù)中，含水量變化不大，說(shuō)明具有良好的保水性，也是保證試樣不出現(xiàn)干縮開(kāi)裂現(xiàn)象的前提。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例中經(jīng)高分子泥漿固化劑處理后的泥漿標(biāo)準(zhǔn)試樣的e-p關(guān)系圖。
如圖3所示，在完全側(cè)限軸向壓縮條件下，孔隙比減少量?jī)H為0.03，說(shuō)明變形量小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)。
實(shí)施例的作用與效果
根據(jù)本實(shí)施例中的高分子泥漿固化劑，因?yàn)椴捎玫木郾０贰⒕垡蚁┐家约碍h(huán)氧樹(shù)脂均為粉末狀，使用高分子聚合物與無(wú)機(jī)礦物材料結(jié)合，充分利用了工業(yè)廢渣粉煤灰，節(jié)能環(huán)保，使得制備得到的高分子泥漿固化劑不僅強(qiáng)度較高且延展性好，而且造價(jià)較低，相對(duì)于進(jìn)口固化劑價(jià)格降幅達(dá)50％。另外，得到的高分子泥漿固化劑還具有以下特點(diǎn)：和易性好，方便現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械攪拌施工；固化速率快，24小時(shí)即可脫模；致密性好，不會(huì)出現(xiàn)干縮開(kāi)裂等問(wèn)題；水穩(wěn)定性好，抗酸能力強(qiáng)；適應(yīng)范圍廣，不受泥漿或土壤類(lèi)型的限制。此外，經(jīng)過(guò)本發(fā)明的高分子泥漿固化劑處理后的泥漿的再應(yīng)用范圍也比較大，例如：制磚，路基下墊層材料，江/河道護(hù)堤材料等。
另外，本實(shí)施例中高分子泥漿固化劑中各組分的質(zhì)量比采用正交試驗(yàn)初步擬定，再利用響應(yīng)面法優(yōu)化各組分之間的質(zhì)量比。高分子泥漿固化劑中，粉煤灰:生石灰:水泥:三乙醇胺:聚丙烯酰胺:聚乙烯醇:環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量百分比為50％:10％:20％:0.8％:0.2％:0.1％:0.1％。該質(zhì)量比為該高分子泥漿固化劑的最佳質(zhì)量比。
此外，制備過(guò)程中采取真空和15～20℃的操作環(huán)境，保證高聚物始終處于結(jié)晶狀態(tài)。
上述實(shí)施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。