CN121127561A - 稳定土壤的方法 - Google Patents

Abstract

含有高含量粘土的土壤可以通过施加稳定剂水溶液来稳定，该稳定剂水溶液含有溶解的聚丙烯酸聚合物，不含有机胺，该溶解的聚丙烯酸聚合物(a)具有10,000Da至500,000Da的重均分子量（Mw）；并且(b)含有至少60重量%的衍生自丙烯酸的重复单元。

Description

稳定土壤的方法

技术领域

本发明涉及稳定土壤的技术。

背景技术

土壤通常包括沙子、淤泥、粘土和有机材料的混合物。不同的土壤类型为道路和结构提供不同程度的支撑。含有高含量沙子的土壤通常提供良好的支撑。另一方面，含有高含量淤泥或粘土的土壤可能提供较少的支撑。具体地，含有高含量粘土的土壤在被水饱和时可能会变成塑性的或甚至是液态的，从而提供较差的支撑。

通常对必须支撑道路或其他铺砌表面的土壤进行分类并测试承载能力，并且然后在添加基底和铺砌表面之前根据需要进行稳定。

不同国家使用不同的系统来对土壤进行分类。在美国，三个系统被普遍使用。美国国家公路和运输官员协会（AASHTO）的系统经常用于建筑项目。也使用统一（USCS）分类系统和USDA分类系统。在诸如以下等出版物中概述了这三种美国分类系统：由威斯康星州（美国）交通部出版的《岩土工程手册（Geotechnical Manual）》，第3章，第3节“土壤分类系统（Soil Classification Systems）”(2017)。其他国家也可以使用这些系统或者可以使用它们自己的系统进行分类。

测量土壤承载能力的标准测试是加州承载比测试（ASTM D1883），其测量活塞在土壤样品中的渗透度。结果以理想化样品的承载能力的百分比报告，因此百分比越高越好。

许多稳定土壤的技术是已知，从简单的压实到添加稳定化合物，诸如水泥、石灰、飞灰或聚合物或基于酶的稳定剂。参见例如，Firoozi等人，土壤稳定基础（Fundamentalsof Soil Stabilization）, 8《地质工程（Geo-Engineering）》26 (2017) (https:// doi.org/10.1186/s40703-017-0064-9)和Khan等人，不同的土壤稳定技术（DifferentSoil Stabilization Techniques）, 29(9)《国际先进科学技术杂志（Int'l J. Adv. Sci. & Tech.）》7778-7791 (2020)。AASHTO分类A-1、A-2和A-3中的土壤可能仅需要压实。另一方面，AASHTO分类A-4至A-7的土壤除了压实以外，大多需要化学稳定化。通常通过添加水泥来稳定高粘土土壤，但是水泥是昂贵的稳定剂。根据土壤和其预期用途，所添加的水泥可以占土壤的1重量%至10重量%。

确定可以在高粘土土壤中代替水泥使用的替代性稳定剂将是有用的。

发明内容

本发明的一个方面是一种稳定含有高含量粘土的土壤层的方法，该土壤被称为“高粘土土壤”，该方法包括以下步骤：

(a)将该高粘土土壤的疏松层与稳定剂水溶液混合在一起，该稳定剂水溶液含有(1)每100份高粘土土壤少于0.05份有机胺；和(2)溶解的聚丙烯酸聚合物，该溶解的聚丙烯酸聚合物：

(i)具有10,000Da至500,000Da的重均分子量（M_w）；并且

(ii)含有至少60重量%的衍生自丙烯酸的重复单元；以及

(b)压实该疏松高粘土土壤层。

本发明的第二方面是一种经压实的土壤层，该经压实的土壤层包含：

(a)至少95重量%的含有高含量粘土的土壤，该土壤被称为“高粘土土壤”；和

(b)水溶性聚丙烯酸聚合物，该水溶性聚丙烯酸聚合物的浓度适于稳定该高粘土土壤，该水溶性聚丙烯酸：

(i)具有10,000Da至500,000Da的重均分子量（M_w）；并且

(ii)含有至少60重量%的衍生自丙烯酸的重复单元；并且

(c)每100份高粘土土壤0至少于0.05份有机胺。

我们已经发现，上述聚丙烯酸聚合物可以显著增加高粘土土壤的稳定性。我们假设，但不打算受束缚，聚丙烯酸聚合物上的酸性基团与高粘土土壤中的阴离子组分之间的相互作用可能有助于稳定高粘土土壤。此外，聚合物可以形成粘附到粘土颗粒上的涂层，该涂层保护粘土颗粒免受水的影响。

具体实施方式

本发明稳定含有高含量粘土的土壤，该土壤被称为“高粘土土壤”。在一些实施方案中，高粘土土壤含有至少35重量%的粘土或至少40重量%的粘土或至少50重量%的粘土或至少60重量%的粘土。在一些实施方案中，高粘土土壤含有不超过65重量%的砂或不超过60重量%的砂或不超过50重量%的砂或不超过40重量%的砂或不超过30重量%的砂。

在一些实施方案中，高粘土土壤符合AASHTO分类A-6或A-7。在一些实施方案中，高粘土土壤符合AASHTO分类A-6。在一些实施方案中，高粘土土壤符合AASHTO分类A-7。

在一些实施方案中，高粘土土壤符合USCS分类SC、CL、CH或OH。在一些实施方案中，高粘土土壤符合USCS分类CH或OH。

在一些实施方案中，高粘土土壤符合USDA粘土、砂质粘土、粘壤土、粉质粘壤土或粉质粘土分类。在一些实施方案中，高粘土土壤符合USDA粘土分类。在一些实施方案中，高粘土土壤符合USDA粉质粘壤土或粉质粘土分类。

在一些实施方案中，至少36重量%或至少40重量%或至少45重量%或至少50重量%或至少55重量%的高粘土土壤颗粒穿过200目筛。在一些实施方案中，不超过90重量%或不超过80重量%或不超过70重量%的高粘土土壤颗粒穿过200目筛。

在一些实施方案中，高粘土土壤的液限为至少20%或至少30%或至少40%或至少50%。在一些实施方案中，高粘土土壤的液限为最多80%或最多70%或最多60%。在一些实施方案中，高粘土土壤的液限为40%至60%。

在一些实施方案中，高粘土土壤的塑性指数为至少11%或至少15%或至少20%或至少25%。在一些实施方案中，高粘土土壤的塑性指数为最多50%或最多40%或最多30%。

高粘土土壤的稳定性可以根据ASTM D1883测量的加州承载比（CBR）测试来评定。在一些实施方案中，不稳定的高粘土土壤具有不超过30%或不超过25%或不超过20%的CBR。在一些实施方案中，不稳定的高粘土土壤具有至少10%或至少12%或至少14%或至少16%的CBR。

将高粘土土壤在疏松的土壤层中与含有溶解的聚丙烯酸（PAA）聚合物的稳定剂水溶液混合。聚丙烯酸聚合物含有衍生自丙烯酸的重复单元，如式1所示：

在用于本发明的PAA聚合物中，至少60重量%的重复单元衍生自丙烯酸。

在一些实施方案中，PAA聚合物是均聚物，其中基本上所有重复单元衍生自丙烯酸。

在一些实施方案中，PAA聚合物是共聚物，其中至少60重量%的重复单元衍生自丙烯酸，并且至多40重量%的重复单元衍生自共聚单体。在一些实施方案中，PAA聚合物中至少65重量%或至少70重量%或至少75重量%或至少80重量%或至少85重量%或至少88重量%或至少90重量%的重复单元衍生自丙烯酸。在一些实施方案中，PAA聚合物中至多100重量%或最多99重量%或最多95重量%或最多92重量%或最多90重量%的重复单元衍生自丙烯酸。在一些实施方案中，PAA聚合物中至少1重量%或至少5重量%或至少8重量%或至少10重量%的重复单元衍生自共聚单体。在一些实施方案中，PAA聚合物中至多35重量%或至多30重量%或至多25重量%或至多20重量%或至多15重量%或至多12重量%或至多10重量%的重复单元衍生自共聚单体。

合适的共聚单体包括能够自由基聚合的不饱和单体。合适的共聚单体的示例包括甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯、丙烯和苯乙烯。在一些实施方案中，共聚单体是丙烯酸乙酯。在一些实施方案中，PAA聚合物含有衍生自88重量%至100重量%的丙烯酸和0重量%至12重量%的丙烯酸乙酯的重复单元。在一些实施方案中，选择共聚单体及其在聚合物中的浓度，使得PAA聚合物可以溶解在稳定剂水溶液中，同时在其使用条件下保持有用的粘度，这可能需要在如下所述的低pH溶液中的高浓度PAA聚合物。

PAA聚合物具有10,000Da至500,000Da的重均分子量。在一些实施方案中，PAA聚合物具有至少15,000Da或至少20,000Da或至少30,000Da或至少40,000Da或至少50,000Da或至少60,000Da或至少70,000Da或至少80,000Da或至少90,000Da的重均分子量。在一些实施方案中，PAA聚合物具有最多400,000Da或最多300,000Da或最多260,000Da或最多200,000Da或最多150,000Da的重均分子量。

在一些实施方案中，PAA聚合物中至少50%或至少60%或至少70%或至少80%或至少90%的酸性基团保持处于酸性状态（即，氢尚未被碱中和或以其他方式被另一取代基替代）。在一些实施方案中，PAA聚合物中基本上所有酸性基团（至多100%）保持处于酸性状态。

将PAA聚合物溶解在水中以形成稳定剂水溶液。在一些实施方案中，稳定剂水溶液含有至少5重量%的PAA聚合物或至少10重量%的PAA聚合物或至少15重量%的PAA聚合物或至少20重量%的PAA聚合物或至少22重量%的PAA聚合物或至少24重量%的PAA聚合物。没有PAA聚合物的最大期望浓度，但是含有超过40重量%的PAA聚合物或30重量%的PAA聚合物的稳定剂水溶液可能难以制备成具有有用的粘度。

PAA聚合物是酸性的，并且因此含有高负载量PAA聚合物的稳定剂水溶液可能具有低pH。在一些实施方案中，稳定剂水溶液具有不超过4或不超过3或不超过2.5或不超过2.3或不超过2.1的pH。在一些实施方案中，稳定剂水溶液具有至少1.5或至少1.7或至少1.9或至少2的pH。

一些PAA聚合物可以增加稳定剂水溶液的粘度，尤其是在高聚合物含量和/或低pH的情况下。在一些实施方案中，含有稳定剂的稳定剂水溶液具有不超过2000cP或不超过1000cP或不超过800cP或不超过600cP或不超过400cP或不超过300cP的粘度。在一些实施方案中，稳定剂水溶液的粘度为至少10cP或50cP或90cP。

合适的PAA聚合物及其水溶液是可商购的。其他PAA聚合物可以根据已知方法通过丙烯酸任选地与共聚单体的自由基聚合来制备。参见例如，美国专利2,289,540和Zahran等人，《聚丙烯酸：合成、水性性质及其作为阻垢剂的应用（Poly Acrylic Acid: Synthesis,Aqueous Properties and their Applications as scale Inhibitor）》，由KGKRubberpoint在https://www.kgk-rubberpoint.de/wp-content/uploads/2016/08/KGK_7- 8_2016_53-58.pdf公开。

可以使用已知方法将稳定剂水溶液与疏松土壤层混合。将土壤与稳定剂混合的方法是已知的，并且设备是可商购的。在一些实施方案中，混合是就地进行的；并且在一些实施方案中，混合是远程进行的，并且混合物沉积在需要的地方。

对于就地混合，设备可以同时疏松土壤和施加稳定剂水溶液。可替代地，对于就地混合，可以通过使用已知设备诸如松土机、粉碎机和具有松土刀片的平地机翻松（打碎和翻起）现有表面来疏松土壤。然后，可以通过已知的方式，诸如喷洒或倾倒，将稳定剂水溶液添加到疏松土壤层中。如果需要，可以使用已知的土壤混合设备将稳定剂水溶液进一步混合到疏松土壤层中。

混合到高粘土土壤中的稳定剂水溶液的量应足够高以在压实后稳定疏松高粘土土壤层。在一些实施方案中，PAA聚合物与疏松高粘土土壤的重量比为至少0.1重量%或至少0.3重量%或至少0.5重量%或至少0.7重量%或至少0.9重量%。在一些实施方案中，PAA聚合物与疏松高粘土土壤的重量比为最多8重量%或5重量%或4重量%或3重量%或2重量%或1.5重量%或1.2重量%。

与一些稳定添加剂相反，有机胺不是本发明中稳定添加剂的关键部分，并且不添加到高粘土土壤中。稳定剂水溶液含有每100份高粘土土壤少于0.05份有机胺。在一些实施方案中，稳定剂水溶液含有每100份高粘土土壤不超过0.045份有机胺或每100份高粘土土壤不超过0.040份有机胺或每100份高粘土土壤不超过0.03份有机胺或每100份高粘土土壤不超过0.02份有机胺或每100份高粘土土壤不超过0.01份有机胺。在一些实施方案中，稳定剂水溶液基本上不含有机胺（每100份高粘土土壤0份有机胺）。

在一些实施方案中，如果其他稳定添加剂不干扰PAA聚合物，则也可以将这些其他添加剂添加到高粘土土壤中以进一步使其稳定。其他稳定添加剂的示例在背景技术中讨论。

在一些实施方案中，不向高粘土土壤中添加大量水泥稳定剂。例如，在一些实施方案中，添加到高粘土土壤中的水泥的量为0重量%至不超过2重量%或不超过1重量%或不超过0.9重量%或不超过0.8重量%或不超过0.7重量%或不超过0.5重量%或不超过0.3重量%或不超过0.1重量%。

无论其如何进行，混合步骤都会产生与稳定剂水溶液混合的疏松的土壤层。在一些实施方案中，疏松高粘土土壤层的深度为至少5cm或至少10cm或至少12cm或至少15cm或至少18cm或至少20cm。在一些实施方案中，疏松高粘土土壤层的深度为最多100cm或最多80cm或最多60cm或最多50cm或最多40cm或最多30cm或最多25cm或最多20cm。

在一些实施方案中，在将稳定剂水溶液混合之后且在将土壤压实之前，将疏松土壤层铺开、分级和/或整平，以产生期望形状和等级。这可以用已知的犁、推土机和平地机来完成。

在将疏松高粘土土壤层与稳定剂水溶液混合并对其进行分级（如果进行了任何分级）之后，将土壤压实。压实可以通过已知的方式实现，诸如用压路机、夯土机或振动压实机。在一些实施方案中，使用压路机实现压实。期望压实水平可以根据场地的预期用途而变化。在一些应用中，至少80%至85%最大干密度的压实是期望的。在一些应用中，至少90%或95%最大干密度的压实是期望的。

该方法产生稳定的高粘土土壤层，其含有PAA聚合物和任选地前述量的其他添加剂。PAA聚合物的描述和浓度如前所述。如前所述，稳定的高粘土土壤层含有每100份高粘土土壤少于0.05份有机胺。

在一些实施方案中，稳定的高粘土土壤层具有至少20%或至少25%或至少30%或至少35%或至少40%或至少45%的CBR。

在一些实施方案中，当根据测试方法测量时，使用本发明稳定的土壤的CBR是未稳定土壤的CBR的至少1.5倍或未稳定土壤的CBR的至少2.0倍或未稳定土壤的CBR的至少2.5倍或未稳定土壤的CBR的至少3倍。CBR没有最大的期望改善，但是可能没有必要寻求比未稳定土壤的CBR高5倍的CBR改善。

测试方法

除非另有说明，否则本申请中列出的测量使用以下测试方法进行：

聚合物分子量：使用凝胶渗透色谱法（GPC），也称为尺寸排阻色谱法（SEC）来测量分子量（Mw）。该技术利用包含填充有多孔珠的柱子、洗脱溶剂和检测器的仪器来分离不同大小的聚合物分子。通过SEC测量分子量在本领域中是熟知的，并且在以下文献中进行了更详细地讨论：例如Slade, P. E.编辑，《聚合物分子量第二部分（Polymer MolecularWeights Part II）》，纽约的马塞尔德克尔公司（Marcel Dekker, Inc., NY）, (1975)287-368；Rodriguez, F.,《聚合物系统原理（Principles of Polymer Systems）》第3版，纽约的半球出版公司（Hemisphere Pub. Corp., NY）, (1989) 155-160；美国专利第4,540,753号；和Verstrate等人，《大分子（Macromolecules）》，第21卷，(1988) 3360；T. Sun等人，《大分子》，第34卷，(2001) 6812-6820；和美国专利9,670,345B2 (第20-21栏)。

实施例

以下实施例说明了本发明的具体实施方案，但不限制本发明的最宽范围。

表1中的材料用于实施例：

*TDCC=陶氏化学公司（The Dow Chemical Company）

酸性聚合物的制备：

5升4颈圆底玻璃反应器配备有C形搅拌轴、冷凝器、热电偶、氮气适配器以及单体和催化剂进料的进料口。向该反应器中装入1768g去离子水（DI）并用氮气覆盖。将该反应器加热至90℃，并在反应期间保持在90℃+/- 2℃。将由溶解在46g DI中的5.7g过硫酸铵（APS）组成的初始催化剂进料添加到反应器中。将986g表1所示量的单体以每小时657克的速率进给到反应器中。与单体进料同时，将由溶解在277g DI中的8.2g APS组成的催化剂共进料以每小时190克的速率进给到反应器中。在单体进料期间，还将196g DI的稀释进料进给到反应器中。将稀释水以每小时130克进给。一旦所有进料完成，将反应温度保持在90℃+/- 2℃下持续15分钟，然后冷却至室温，并且将407g DI的最终进料添加到反应器中。产物是聚丙烯酸水溶液，其含有25.4%固体，具有2.1的pH，具有128cp的粘度（布鲁克菲尔德#2，在30rpm下）并且具有99732Da的聚合物重均分子量（M_w）。将溶液标记为本发明的稳定剂1（IS1）。

使用表1所示的不同含量的APS重复反应，以制备表2所示的不同的丙烯酸聚合物水溶液。IS 1至IS 6是本发明范围内的本发明稳定剂。CS 1至CS 3是在本发明范围之外的比较稳定剂。

*AA=丙烯酸。EA=丙烯酸乙酯。MAA=甲基丙烯酸。

土壤样品的制备和测试：

将表2中的稳定剂溶液与疏松土壤样品以使得土壤与稳定剂的比率满足表3所示的比率的量混合。使用在ASTM D698-12中描述的方法：使用标准工作的土壤的实验室压实特性的标准测试方法，由每种混合土壤制备两个经压实的土壤样品。

使用水泥、商业酸性聚合物或商业稳定剂制备另外的混合土壤样品和经压实的样品，如表3所示。IE1至IE7是本发明范围内的发明实施例。CE1至CE10是在本发明范围之外的比较例。

根据ASTM D1883：用于实验室经压实的土壤的加州承载比（CBR）的标准测试方法，测试每个经压实的样品的土壤强度和土壤膨胀。结果显示于表3中。

Claims (15)

1.一种稳定含有高含量粘土的土壤层的方法，所述土壤被称为“高粘土土壤”，所述方法包括以下步骤：

(a)将所述高粘土土壤的疏松层与稳定剂水溶液混合在一起，所述稳定剂水溶液含有(1)每100份高粘土土壤少于0.05份有机胺；和(2)溶解的聚丙烯酸聚合物，所述溶解的聚丙烯酸聚合物：

(i)具有10,000Da至500,000Da的重均分子量（M_w）；并且

(ii)基于所述聚丙烯酸聚合物的总重量，含有至少60重量%的衍生自丙烯酸的重复单元；以及

(b)压实疏松高粘土土壤层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高粘土土壤符合AASHTO分类A-6或A-7。

3.根据权利要求1所述的方法，其中70重量%至100重量%的重复单元衍生自丙烯酸，并且0重量%至30重量%的重复单元衍生自共聚单体。

4.根据权利要求1所述的方法，其中与所述高粘土土壤的疏松层混合的所述稳定剂水溶液中聚丙烯酸的量为所述高粘土土壤的疏松层的0.1重量%至4重量%。

5.根据权利要求1所述的方法，其中与所述高粘土土壤的疏松层混合的所述稳定剂水溶液中聚丙烯酸的量为所述高粘土土壤的疏松层的0.5重量%至3重量%。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定剂水溶液含有10重量%至40重量%的聚丙烯酸聚合物。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定剂水溶液具有1.9至3.0的pH。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述稳定剂水溶液具有50cP至500cP的粘度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚丙烯酸聚合物具有15,000Da至300,000Da的重均分子量（M_w）。

10.根据权利要求1所述的方法，其中

(a)所述稳定剂水溶液含有10重量%至40重量%的聚丙烯酸聚合物并且具有1.9至3.0的pH；

(b)所述聚丙烯酸聚合物是均聚物或共聚物，其中70重量%至100重量%的重复单元衍生自丙烯酸，并且0重量%至30重量%的重复单元衍生自甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯、丙烯或苯乙烯；并且

(c)与所述高粘土土壤的疏松层混合的所述稳定剂水溶液中聚丙烯酸的量为所述高粘土土壤的疏松层的0.5重量%至3重量%。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述聚丙烯酸聚合物是均聚物。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述聚丙烯酸聚合物是共聚物，其中70重量%至99重量%的重复单元衍生自丙烯酸，并且1重量%至30重量%的重复单元衍生自丙烯酸乙酯。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中步骤(b)中的所述压实产生经压实的稳定的高粘土土壤层，当根据测试方法测量时，所述经压实的稳定的高粘土土壤层具有至少30%的加州承载比。

14.根据权利要求13所述的方法，其中步骤(b)中的所述压实产生经压实的稳定的高粘土土壤层，当根据测试方法测量时，所述经压实的稳定的高粘土土壤层的加州承载比为不含所述聚丙烯酸聚合物的类似压实的高粘土土壤的加州承载比的至少2倍。

15.一种经压实的土壤层，所述经压实的土壤层包含：

(a)至少95重量%的含有高含量粘土的土壤，所述土壤被称为“高粘土土壤”；和

(b)水溶性聚丙烯酸聚合物，所述水溶性聚丙烯酸聚合物的浓度适于稳定所述高粘土土壤，所述聚丙烯酸聚合物：

(i)具有10,000Da至500,000Da的重均分子量（M_w）；并且

(ii)含有至少70重量%的衍生自丙烯酸的重复单元；并且

(c)每100份高粘土土壤0至少于0.05份有机胺。