一种含磺化动、植物油的土壤固化剂及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种土壤固化剂，特别涉及一种含磺化动、植物油的土壤固化剂，本发明还涉及这种含磺化动、植物油的土壤固化剂的制备方法。
背景技术
土壤固化剂是指在需加固的土壤中，掺入一定由多种无机、有机材料合成的材料，经过拌匀和压实来达到固化土壤的目的，这种由多种无机、有机材料合成的材料就叫做土壤固化剂。采用土壤固化剂可以替代大量的石灰、水泥、粉煤灰、碎石、砾石等传统筑路材料，不仅能够节省资源、能源，节约土地，保护植被，还能大幅减少二氧化碳等温室气体的排放，有利于生态环境保护，其经济、环境效益特别明显，被美国《工程新闻》称为20世纪最伟大的发明之一，被日本称之为21世纪的新型材料。
土壤固化剂与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的性质。它可以将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，则胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，体积膨胀而进一步填充土壤孔隙，在压实功的作用下，使土壤更易于压实和稳定，从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。经过土壤固化剂处理过的土壤，其性能得到了很大的提高，不仅环保，而且还延长了工程的使用寿命，节省维修成本。
但是目前的土壤固化剂以高聚物为主，不仅成本较高，而且制备工艺繁琐，用于水利工程时的耐久度也不佳。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述不足提供一种成本较低，制备工艺简单，并且使土壤的固化效果和水稳定性都较好的土壤固化剂。
本发明的另一个目的是提供上述土壤固化剂的制备方法。
一种含磺化动、植物油的土壤固化剂，其原料的重量份数为：动、植物油100，浓硫酸150-200，硅油消泡剂2.5-15，乳化剂5-45，碱水溶液加至混合溶液pH至1。
所述动物油为从动物体内取得的油脂，所述植物油为植物种子、果肉、胚芽等细胞中所含的油脂。
所述动、植物油为菜油、蓖麻油、豆油、棕榈油、玉米油、桐油、鱼油、猪油、牛蹄油中的一种。
所述硅油消泡剂为粘度为10-5000cps的甲基硅油或二甲基硅油。
所述乳化剂为NP系列(烷基酚聚氧乙烯醚)、Span(失水山梨醇脂肪酸酯)系列非离子表面活性剂、Tween(聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯)系列非离子表面活性剂中的一种或多种组成的复配物。
所述碱水溶液为浓度为50％wt的烷基醇胺水溶液，或烷基醇胺与氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液。
所述浓硫酸的浓度为95-99％。
一种含磺化动、植物油的土壤固化剂的制备方法，其步骤包括：
1)将重100份的动、植物油加入磺化反应器，在50-70℃条件下边搅拌边滴加重150-200份的98％浓硫酸，反应5-8小时；
2)待磺化反应结束后加入重2.5-15份硅油消泡剂；
3)再向步骤2)的混合物中加入重5-45份乳化剂；
4)向步骤3)的混合物中加入适量碱水溶液至混合物的pH值到1，再搅拌后得到的混合物即为所述的土壤固化剂。
所述动物油为从动物体内取得的油脂，所述植物油为植物种子、果肉、胚芽等细胞中所含的油脂；所述硅油消泡剂为粘度为10-5000cps的甲基硅油或二甲基硅油；所述乳化剂为烷基酚聚氧乙烯醚、Span系列非离子表面活性剂、Tween系列非离子表面活性剂中的一种或多种组成的复配物；所述碱水溶液为浓度为50％wt的烷基醇胺水溶液，或烷基醇胺与氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液。
所述搅拌时间为30分钟。
所述浓硫酸的浓度为95-99％。
本发明利用动、植物油与浓硫酸进行磺化反应，并辅助添加硅油消泡剂、乳化剂及用于调节pH值的碱水溶液，获得液体的强酸性土壤固化剂。该土壤固化剂具有较高的界面活性、强电荷以及强的氢键。加入土壤后，它的强电荷及强氢键极易与土粒表面发生吸附作用，使表面活性剂分子发生扭转，离子交换可以迅速进行，置换出土壤中固有地阳离子，使表面活性剂可以进入土壤胶体扩散层，改善土颗粒表面的电荷性质，提高了土粒自身的凝聚力，降低了土颗粒的水化作用，提高了水稳定性，从而增加了强度。经压实后，表面活性剂的亲油链相互交联为一整体，增强了土壤的力学性能和水稳定性。
本发明的原料采用简单易得的动、植物油，与浓硫酸进行磺化反应之后加入硅油消泡剂与乳化剂，成本低廉，制备工艺也只需要进行简单的磺化反应，然后与硅油消泡剂和乳化剂混合均匀即可，方法简单。本发明达到的效果也能够增强土壤的力学性能和水稳定性，因此可以大量应用于工业，具有很强的实用性。
【具体实施方式】
以下结合具体实施例来说明本发明：
实施例1
将重量份数为100份的菜油加入磺化反应器，在50℃下边搅拌边滴加重量份数为150份的98％wt的浓硫酸。反应5小时后加入重量份数为2.5份的粘度为2000cps的甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为5份的乳化剂，所述乳化剂为20％wt的NP-4(NP为烷基酚聚氧乙烯醚)和80％wt的Tween-80组成的复配物。再向上述混合物中加入浓度为50％wt的三乙醇胺水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌15分钟即得到所述土壤固化剂1。
实施例2
将重量份数为100份的蓖麻油加入磺化反应器，在60℃下边搅拌边滴加重量份数为180份的98％wt的浓硫酸。反应7小时后加入重量份数为5.6份的粘度为1000cps的甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为28份乳化剂，所述乳化剂为10％wt的Span-80和90％wt的Tween-20组成的复配物。再向上述混合物中加入乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌20分钟即得到所述土壤固化剂2。
实施例3
将重量份数为100份的豆油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为9份的粘度为500cps的甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为12份乳化剂，所述乳化剂为30％wt的TX-10(TX为烷基酚与环氧乙烷缩合物)、25％wt的Span-60和45％wt的Tween-60组成的复配物。再向上述混合物中加入浓度为50％wt的二乙醇胺水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌25分钟即得到所述土壤固化剂3。
实施例4
将重量份数为100份的棕榈油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的95％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为12份的粘度为200cps的甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为15份乳化剂，所述乳化剂为50％wt的Span-80和50％wt的Tween-20组成的复配物。再向上述混合物中加入异丙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌30分钟即得到所述土壤固化剂4。
实施例5
将重量份数为100份的玉米油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为15份的粘度为10cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为18份乳化剂，所述乳化剂为40％wt的NP-4和60％wt的NP-15组成的复配物。再向上述混合物中加入二异丙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌35分钟即得到所述土壤固化剂5。
实施例6
将重量份数为100份的桐油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为5000cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为24份乳化剂，所述乳化剂为100％wt的Tween-80。再向上述混合物中加入三异丙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌40分钟即得到所述土壤固化剂6。
实施例7
将重量份数为100份的鱼油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的99％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为9份乳化剂，所述乳化剂为20％wt的TX-4、30％wt的Span-80和50％wt的Tween-20组成的复配物。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌45分钟即得到所述土壤固化剂7。
实施例8
将重量份数为100份的猪油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为30份乳化剂，所述乳化剂为所述乳化剂为10％wt的Span-80和90％wt的Tween-20组成的复配物。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌50分钟即得到所述土壤固化剂8。
实施例9
将重量份数为100份的牛油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为45份乳化剂，所述乳化剂为所述乳化剂为100％wt的Span-20。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌55分钟即得到所述土壤固化剂9。
实施例10
将重量份数为100份的亚麻油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为21份乳化剂，所述乳化剂为50％wt的NP-4和50％wt的NP-12组成的复配物。再向上述混合物中加入浓度为50％wt的乙醇胺水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌60分钟即得到所述土壤固化剂10。
实施例11
将重量份数为100份的葵籽油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为6份的粘度为300cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为18份乳化剂，所述乳化剂为30％wt的Span-80和70％wt的Tween-80成的复配物。再向上述混合物中加入浓度为50％wt的三异丙醇胺水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌10分钟即得到所述土壤固化剂11。
实施例12
将重量份数为100份的棉籽油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为6份的粘度为300cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为27份乳化剂，所述乳化剂为50％wt的Span-60和50％wt的Tween-20组成的复配物。再向上述混合物中加入浓度为50％wt的三异丙醇胺水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌30分钟即得到所述土壤固化剂12。
实施例13
将重量份数为100份的鲸蜡油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为42份乳化剂，所述乳化剂为30％wt的TX-10、25％wt的Span-60和45％wt的Tween-60组成的复配物。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌30分钟即得到所述土壤固化剂13。
实施例14
将重量份数为100份的椰子油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为45份乳化剂，所述乳化剂为45％wt的NP-6和55％wt的OP-10组成的复配物。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌30分钟即得到所述土壤固化剂14。
实施例15
将重量份数为100份的猪油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为39份乳化剂，所述乳化剂为100％wt的NP-10。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌30分钟即得到所述土壤固化剂15。
实施例16
将重量份数为100份的蓖麻油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为21份乳化剂，所述乳化剂为100％wt的Tween-80。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌30分钟即得到所述土壤固化剂16。
实施例17
将重量份数为100份的桐油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为15份的粘度为200cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为24份乳化剂，所述乳化剂为100％wt的Tween-20。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌30分钟即得到所述土壤固化剂17。
实施例18
将重量份数为100份的大麻油加入磺化反应器，在70℃下边搅拌边滴加重量份数为200份的98％wt的浓硫酸。反应8小时后加入重量份数为3份的粘度为500cps的二甲基硅油。再向上述混合物中加入重量份数为21份乳化剂，所述乳化剂为100％wt的Tween-80。再向上述混合物中加入三乙醇胺和氢氧化钠按照质量比1∶1配制的浓度为50％wt的水溶液至混合物的pH值到1，再高速搅拌30分钟即得到所述土壤固化剂18。
将上述实施例1-18中的各土壤固化剂用自来水按照1∶200的体积比稀释。再向土壤样品中加入重量为0.02％的上述稀释土壤固化剂。土壤样品的性质如表1所示。
土壤样品 含水率％ 湿密度g/cm3 孔隙率N％ 液限WL％ 塑性指数IP(％) 土样1 23.5 1.98 0.728 52.4 28.7 土样2 37.5 1.86 1.097 61.4 35.3 土样3 6.8 2.59 0.443 35.19 8.2
表1土壤样品的性质
在室内制备直径为60mm的土壤试件，压实度为96％，采用液压式万能试验机测定无侧限抗压强度，测试结果如表2所示。
配比 最佳含水率％ 最大干密度 g/cm 7d无侧限抗压强 度Mpa 土样1/土壤固化剂1 16.9 1.74 0.6 (4％石灰、96％土样1)/土 壤固化剂1 16.9 1.75 0.9 (5％石灰、95％土样1)/土 壤固化剂1 16.9 1.76 1.0 (2％水泥、3％石灰、95％土 样1)/土壤固化剂1 16.9 1.77 2.8 土样1/土壤固化剂2 16.9 1.74 0.6 土样1/土壤固化剂3 16.9 1.74 0.6 土样1/土壤固化剂4 16.9 1.74 0.7 土样1/土壤固化剂5 16.9 1.74 0.6 土样1/土壤固化剂6 16.9 1.74 0.8 土样1/土壤固化剂7 16.9 1.74 0.6 土样1/土壤固化剂8 16.9 1.74 0.6 土样1/土壤固化剂9 16.9 1.74 0.7 土样2/土壤固化剂6 19.6 1.49 0.7
配比 最佳含水率％ 最大干密度 g/cm 7d无侧限抗压强 度Mpa (4％石灰、96％土样2)/土 壤固化剂6 19.6 1.50 1.0 (5％石灰、95％土样2)/土 壤固化剂6 19.6 1.51 1.2 (2％水泥、3％石灰、95％土 样2)/土壤固化剂6 19.6 1.52 2.6 土样3/土壤固化剂1 14.7 1.8 0.4 土样3/土壤固化剂2 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂3 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂4 14.7 1.8 0.4 土样3/土壤固化剂5 14.7 1.8 0.4 土样3/土壤固化剂6 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂7 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂8 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂9 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂10 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂11 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂12 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂13 14.7 1.8 0.5
配比 最佳含水率％ 最大干密度 g/cm 7d无侧限抗压强 度Mpa 土样3/土壤固化剂14 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂15 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂16 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂17 14.7 1.8 0.5 土样3/土壤固化剂18 14.7 1.8 0.5 (5％石灰、95％土样3)/土 壤固化剂6 14.7 1.8 1.1 (2％水泥、3％石灰、95％土 样3)/土壤固化剂16 14.7 1.81 2.7
表2土壤加入土壤固化剂的性能测试结果
由表1和表2可以看出土壤加入了本发明的土壤固化剂后的力学强度都较好，抗压强度能够达到公路路面基层施工技术规范JTJ034-2000和固化类路面基层和底基层技术规程CJJ/T 80-98的要求，并且水稳定性也较好，适合于公路建筑。