CN107021716A

CN107021716A - 一种高分子泥浆固化剂及其制备方法

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Publication number: CN107021716A
Application number: CN201710332443.4A
Authority: CN
Inventors: 蒙强; 邵俐; 张雅鑫; 施倩芸; 陈宇轩; 吕沛
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2017-08-08

Abstract

本发明提供了一种高分子泥浆固化剂，具有这样的特征，包括：粉煤灰，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的30～50％；生石灰，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的5～12％；水泥，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的20～30％；三乙醇胺，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.5～0.8％；聚丙烯酰胺，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.3％；聚乙烯醇，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.1％；以及环氧树脂，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.1％。本发明的高分子泥浆固化剂具有固化速率快、强度高、造价低、节能环保等优点，可应用与高含水量泥浆或土壤的固化。

Description

一种高分子泥浆固化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种泥浆固化剂技术研究领域，具体涉及一种高分子泥浆固化剂及其制备方法。

背景技术

随着我国城市现代化的快速发展，地下建筑环境问题日益突出。在城市地下结构建设中，如：地铁隧道盾构开挖，高层建筑桩基施工，市政管道顶进等，产生了大量的废弃泥浆。据不完全统计表明：仅在上海，修建一个地铁车站将产生8.7万m³废弃泥浆，开挖直径6m的地铁隧道每公里产生废弃泥浆6.8万m³，截至2015年底，上海地铁已建成车站366座，隧道总长度617公里，废弃泥浆总产量约7400万m³。目前，国内对于工程废弃泥浆的处置消纳矛盾还没引起足够的重视，以致一些不法单位直接将废弃泥浆排放河道或良田，引发了河道淤堵、破坏耕地等一系列环保问题。一些发达国家如日本、美国等，对废弃泥浆处置已形成了科学模式(即：收集-处理-消纳-再利用)，经过固化剂处理后的泥浆，主要作为建筑材料，林地或耕地开发，垃圾填埋和填海造陆等，其中直接用作建筑材料和土地利用占到70％以上。因此，废弃泥浆固化剂的研发已成为我国城市发展中资源再生和环境友好的重要课题。

当前国内土壤固化剂研制主要集中在水泥-石灰类，矿渣-硅酸盐类等无机材料的混合，适用于含水量低，物理性质单一的土壤。固化机理主要是将土壤中部分自由水转化为结晶水，所生成的结晶水合物不破坏矿物胶凝物质，土壤颗粒通过CAH系和CSH系胶凝成结构骨架。近年来，针对新型高分子泥浆固化剂的研究也在不断发展，其中具有代表性的文献有：《岩土力学》的《高含水率疏浚淤泥新型复合固化材料试验研究》，指出采用水泥、生石灰和高分子材料配制成的固化剂处理含水率120％的淤泥，早期强度超过0.5MPa；《环境科技》的《阴离子型聚丙烯酰胺在废弃桩基泥浆处理中的应用》，说明了APAM在短期内对含泥率低于20％的泥浆具有良好的絮凝分离效果；《科技通报》的《水泥粉煤灰固化滩涂淤泥的强度与固化机理研究》，表明了通过水泥、粉煤灰和三乙醇胺等材料组成的固化剂处理含水率为67％的淤泥，早期强度接近0.7MPa。

目前，传统水泥无机固化剂主要依赖施工经验结合现场试验配制而成，各种材料的选择和掺入量缺乏系统调配，且水泥掺量高达40％以上，矿物资源消耗严重，当泥浆含水量大于100％时，搅拌工作性差，固化时间长，强度低和易干缩开裂等。国外高分子泥浆固化剂受专利技术保护，引进成本高，同时，针对高含水量泥浆的现场固化效果不明显。因此，根据废弃泥浆含水量高，沉淀速率慢，排放总量大等特点，本发明采用高分子聚合物和无机材料相结合的方式，采用正交试验法初步确定固化剂配比，接着利用响应面法进行优化，通过特定的制备方法，得到这种高分子泥浆固化剂。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高分子泥浆固化剂及其制备方法。

本发明提供了一种高分子泥浆固化剂，具有这样的特征，包括：粉煤灰，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的30～50％；生石灰，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的5～12％；水泥，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的20～30％；三乙醇胺，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.5～0.8％；聚丙烯酰胺，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.3％；聚乙烯醇，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.1％；以及环氧树脂，占高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.1％。

在本发明提供的高分子泥浆固化剂中，还可以具有这样的特征：其中，粉煤灰为Ⅰ级高钙型粉煤灰。

在本发明提供的高分子泥浆固化剂中，还可以具有这样的特征：其中，生石灰的规格为粉末状，纯度为98％以上。

在本发明提供的高分子泥浆固化剂中，还可以具有这样的特征：其中，水泥为4.25#普通硅酸盐水泥。

在本发明提供的高分子泥浆固化剂中，还可以具有这样的特征：其中，三乙醇胺的规格为结晶状态，纯度为99％以上。

在本发明提供的高分子泥浆固化剂中，还可以具有这样的特征：其中，聚丙烯酰胺的规格为阴离子聚丙烯酰胺，分子量为1200万。

在本发明提供的高分子泥浆固化剂中，还可以具有这样的特征：其中，述聚乙烯醇为聚乙烯醇AH-26。

在本发明提供的高分子泥浆固化剂中，还可以具有这样的特征：其中，环氧树脂为双酚A型超高分子量，规格为ERS-SMW。

本发明还提供了上述的高分子泥浆固化剂的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，将粉煤灰、生石灰以及水泥进行密封搅拌至均匀，得到混合物一；步骤二，将三乙醇胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及环氧树脂在温度为15～20℃的情况下，进行密封搅拌至均匀，得到混合物二；步骤三，将混合物一以及混合物二在真空条件下进行混合搅拌至均匀，得到高分子泥浆固化剂，并将高分子泥浆固化剂进行密封保存，其中上述步骤的各种物质按照权利要求1的各物质比例进行添加。

在本发明提供的高分子泥浆固化剂的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤三中，搅拌温度为15℃。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的高分子泥浆固化剂，因为采用的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及环氧树脂均为粉末状，使用高分子聚合物与无机矿物材料结合，充分利用了工业废渣粉煤灰，节能环保，使得制备得到的高分子泥浆固化剂不仅强度较高且延展性好，而且造价较低，相对于进口固化剂价格降幅达50％。另外，得到的高分子泥浆固化剂还具有以下特点：和易性好，方便现场机械搅拌施工；固化速率快，24小时即可脱模；致密性好，不会出现干缩开裂等问题；水稳定性好，抗酸能力强；适应范围广，不受泥浆或土壤类型的限制。此外，经过本发明的高分子泥浆固化剂处理后的泥浆的再应用范围也比较大，例如：制砖，路基下垫层材料，江/河道护堤材料等。

附图说明

图1是本发明的实施例中经高分子泥浆固化剂处理后的泥浆标准试样的无侧限抗压强度与龄期的关系图；

图2是本发明的实施例中经高分子泥浆固化剂处理后的泥浆标准试样的含水量与龄期的关系图；以及

图3是本发明的实施例中经高分子泥浆固化剂处理后的泥浆标准试样的e-p关系图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明高分子泥浆固化剂及其制备方法作具体阐述。

步骤一，将粉煤灰、水泥以及生石灰依次加入到搅拌器中密封。在本实施例中，粉煤灰为Ⅰ级高钙型粉煤灰；水泥为4.25^#普通硅酸盐水泥；生石灰的规格为粉末状，细度为120目，纯度为98％以上，厂家为天津市致远化学试剂有限公司。

步骤二，将密封搅拌器进行低速搅拌5min，后高速搅拌10min，之后再低速搅拌5min，得到混合物一。

步骤三，将三乙醇胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及环氧树脂放置在温度为10℃的低温保护型中静置24小时。在本实施例中，三乙醇胺的规格为结晶固态，分子量为149.19，AR，纯度为99.0％以上，厂家为无锡市亚泰联合化工有限公司；聚丙烯酰胺为阴离子聚丙烯酰胺，分子量为1200万；聚乙烯醇AH-26；环氧树脂为双酚A型超高分子量环氧树脂，规格为ERS-SMW。

步骤四，在室温为15℃的实验室中采用防风精准天平(精度为0.001g)对三乙醇胺、聚丙烯胺、聚乙烯醇以及环氧树脂进行称量并放入至搅拌器中密封。

步骤五，将密封搅拌器进行低速搅拌5min后转高速搅拌5min，后再进行低速搅拌2min，得到混合物二。

步骤六，将混合物二加入到混合物一中放置在搅拌器中密封，将密封搅拌器进行抽真空，先低速搅拌5min后转高速搅拌10min，再转低速搅拌5min后进行装袋密封保存，得到高分子泥浆固化剂。

在得到的高分子泥浆固化剂中，粉煤灰，占高分子固化剂的质量百分比的30～50％；生石灰，占高分子固化剂的质量百分比的5～12％；水泥，占高分子固化剂的质量百分比的20～30％；三乙醇胺，占高分子固化剂的质量百分比的0.5～0.8％；聚丙烯酰胺，占高分子固化剂的质量百分比的0.05～0.3％；聚乙烯醇，占高分子固化剂的质量百分比的0.05～0.1％；以及环氧树脂，占高分子固化剂的质量百分比的0.05～0.1％。在本实施例中，步骤六得到的高分子泥浆固化剂中，粉煤灰:生石灰:水泥:三乙醇胺:聚丙烯酰胺:聚乙烯醇:环氧树脂的质量百分比为50％:10％:20％:0.8％:0.2％:0.1％:0.1％。

在本实施例中，各物质之间的配比设计为：利用IBM SPSS Statistics软件设计7因素4水平的正交试验方案，然后进行室内试验，主要测定试样的无侧限抗压强度、含水量、pH、孔隙比等指标，得出各材料掺量范围，接着采用Design Expert软件对配比进行响应面法优化，得到高分子固化剂最优配比，并按此配比制样后进行力学特性和变形特性等指标的测试。

高分子泥浆固化剂的应用过程为：将高分子泥浆固化剂与泥浆以质量比为0.7:1进行泥浆固化，制成标准试样，该试样的尺寸为：高98mm，直径46.5mm，质量为260g。养护温度为20±3℃，相对湿度为90％以上。

对标准试样进行无侧限抗压强度试验，压试速率为5mm/min。

图1是本发明的实施例中经高分子泥浆固化剂处理后的泥浆标准试样的无侧限抗压强度与龄期的关系图。

如图1所示，当龄期为7天时，标准试样的强度已超过2MPa，满足强度要求。

图2是本发明的实施例中经高分子泥浆固化剂处理后的泥浆标准试样的含水量与龄期的关系图。

如图2所示，标准试样7天内含水量降幅近8％，说明该固化剂具有快速减水效果，同时在7天之后的养护中，含水量变化不大，说明具有良好的保水性，也是保证试样不出现干缩开裂现象的前提。

如图3所示，在完全侧限轴向压缩条件下，孔隙比减少量仅为0.03，说明变形量小，内部结构密实。

实施例的作用与效果

根据本实施例中的高分子泥浆固化剂，因为采用的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及环氧树脂均为粉末状，使用高分子聚合物与无机矿物材料结合，充分利用了工业废渣粉煤灰，节能环保，使得制备得到的高分子泥浆固化剂不仅强度较高且延展性好，而且造价较低，相对于进口固化剂价格降幅达50％。另外，得到的高分子泥浆固化剂还具有以下特点：和易性好，方便现场机械搅拌施工；固化速率快，24小时即可脱模；致密性好，不会出现干缩开裂等问题；水稳定性好，抗酸能力强；适应范围广，不受泥浆或土壤类型的限制。此外，经过本发明的高分子泥浆固化剂处理后的泥浆的再应用范围也比较大，例如：制砖，路基下垫层材料，江/河道护堤材料等。

另外，本实施例中高分子泥浆固化剂中各组分的质量比采用正交试验初步拟定，再利用响应面法优化各组分之间的质量比。高分子泥浆固化剂中，粉煤灰:生石灰:水泥:三乙醇胺:聚丙烯酰胺:聚乙烯醇:环氧树脂的质量百分比为50％:10％:20％:0.8％:0.2％:0.1％:0.1％。该质量比为该高分子泥浆固化剂的最佳质量比。

此外，制备过程中采取真空和15～20℃的操作环境，保证高聚物始终处于结晶状态。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims

1.一种高分子泥浆固化剂，其特征在于，包括：

粉煤灰，占所述高分子泥浆固化剂的质量百分比的30～50％；

生石灰，占所述高分子泥浆固化剂的质量百分比的5～12％；

水泥，占所述高分子泥浆固化剂的质量百分比的20～30％；

三乙醇胺，占所述高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.5～0.8％；

聚丙烯酰胺，占所述高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.3％；

聚乙烯醇，占所述高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.1％；以及

环氧树脂，占所述高分子泥浆固化剂的质量百分比的0.05～0.1％。

2.根据权利要求1所述的高分子泥浆固化剂，其特征在于：

其中，所述粉煤灰为Ⅰ级高钙型粉煤灰。

3.根据权利要求1所述的高分子泥浆固化剂，其特征在于：

其中，所述生石灰的规格为粉末状，纯度为98％以上。

4.根据权利要求1所述的高分子泥浆固化剂，其特征在于：

其中，所述水泥为4.25^#普通硅酸盐水泥。

5.根据权利要求1所述的高分子泥浆固化剂，其特征在于：

其中，所述三乙醇胺的规格为结晶状态，纯度为99％以上。

6.根据权利要求1所述的高分子泥浆固化剂，其特征在于：

其中，所述聚丙烯酰胺的规格为阴离子聚丙烯酰胺，分子量为1200万。

7.根据权利要求1所述的高分子泥浆固化剂，其特征在于：

其中，所述聚乙烯醇为聚乙烯醇AH-26。

8.根据权利要求1所述的高分子泥浆固化剂，其特征在于：

其中，所述环氧树脂为双酚A型超高分子量，规格为ERS-SMW。

9.一种如权利要求1所述的高分子泥浆固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将粉煤灰、生石灰以及水泥进行密封搅拌至均匀，得到混合物一；

步骤二，将三乙醇胺、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇以及环氧树脂在温度为15～20℃的情况下，进行密封搅拌至均匀，得到混合物二；

步骤三，将所述混合物一以及所述混合物二在真空条件下进行混合搅拌至均匀，得到所述高分子泥浆固化剂，并将所述高分子泥浆固化剂进行密封保存，

其中上述步骤的各种物质按照权利要求1所述的各物质比例进行添加。

10.根据权利要求9所述的高分子泥浆固化剂的制备方法，其特征在于：

其中，在步骤三中，搅拌温度为15℃。