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CN111233430B - 一种利用胶凝材料改性生土的方法 - Google Patents

一种利用胶凝材料改性生土的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用胶凝材料改性生土的方法,向生土中加入改性剂，混合均匀同时产生化学反应，最后挤塑成型；改性剂包括生土、水玻璃、明矾、尿素、可再分散性乳胶粉、减水剂及纤维；其改性原理为：水玻璃作为一种气硬性胶凝材料，能够阻止水分的渗透和使土壤固结；可再分散性乳胶粉具有高粘结能力，其作为一种胶凝材料，对土壤固化效果十分明显；水玻璃与明矾反应生成Al(OH)3胶凝沉淀物质，其胶凝物质可有效包裹松散的土粒，粘聚性强；本发明改性后生土材料强度改善，使生土墙体结构的安全承载能力和抗震性能提升；本发明改性剂不会产生隔、镍、铅等重金属元素及对土壤造成重金属污染，生土服役结束后可直接归田使用；具有成本低廉、实用性强、绿色环保的优点。

Description

一种利用胶凝材料改性生土的方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种利用胶凝材料改性生土的方法。
背景技术
生土材料是一种自然、环保、经济的高性价比材料，其制成的土坯砖所建造的房屋具有就地取材、造价低廉、绿色环保、冬暖夏凉等优势,由于受经济条件等因素制约作为民居的一种主要形式在我国农村仍然大量存在，尤其是在中国西北、西南省份的农村地区。但生土材料属于典型的脆性材料，存在抗弯、抗拉及抗剪等力学性能较差的缺点，作为生土建筑中必不可少的材料，其物理、力学性能的强弱直接影响整个房屋的耐久性、舒适度和抗震性能。因此，如何对生土材料进行改性，进一步增强生土材料的力学性能和耐水性，提升房屋的抗震性能显得十分重要。
目前生土材料的改性主要是物理化学复合改性，通常在生土中添加水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等工业材料，而水泥掺量通常超过5％，经改性后可在一定程度上提升生土材料的物理、力学性能，改善体积稳定性、耐水性等；但其不足表现为目前改性掺入的工业材料中可能含有隔、镍等重金属元素对生土造成污染，也对土壤的养分含量、物理结构产生一定的影响，导致改性的土壤恶化纯生土的形态结构，在服役结束后也无法直接归田使用，不符合新时代农村可持续发展的理念，失去了生土建筑的传统优势。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用胶凝材料改性生土的方法，能够提升生土材料的强度及耐水性，具有更好的延性，使生土结构的安全承载能力和抗震性能得到提升；具有成本低廉、实用性强及绿色环保的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用胶凝材料改性生土的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂，生土改性剂的质量组分为：
Figure GDA0003375107510000021
1)将5.896g-58.96g的明矾溶于100g-110g水中，将28.006g-30.954g尿素溶于100g-110g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1465.745g-1567.893g，往其中加入步骤2中第1)步中制得的混合液，再分别加入44.22g-132.66g的可再分散性乳胶粉、17.688g-88.44g的水玻璃、4.422g-8.844g的动植物纤维和13.266g-16.214g的减水剂，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中加入150g-180g水，保证总用水量占干混合物的质量比为23％-25％，然后搅拌至均匀；
步骤3：将步骤2中第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
所述水玻璃为硅酸钠的水溶液，密度为1.36～1.50g/cm3，相当于波美度38.4～48.3。
所述明矾为钾明矾KAl(SO4)2·12H2O或铵明矾NH4Al(SO4)2·12H2O。
所述减水剂为聚羧酸减水剂。
所述可再分散性乳胶粉固含量(wt％)≥98.0，灰分(wt％)10±2％，pH值:6～8，保护胶体为聚乙烯醇。
所述可再分散性乳胶粉可由丁苯乳胶、羟丙基甲基纤维素或聚乙烯醇中的任一种代替。
所述纤维包括动物毛发、植物秸秆纤维、芦苇杆、杂草、麦秆、稻杆、玉米杆、棉花杆及黄豆杆中的一种或几种经纤维化处理后的任意混合物。
所述改性主要化学反应为：
1)水玻璃与明矾的反应：
Na2SiO3+2KAl(SO4)2+3H2O＝2Al(OH)3↓+SiO2+Na2SO4+K2SO4
2)水玻璃吸收空气中二氧化碳，形成无定形硅酸，并逐渐干燥而硬化：
Na2O·nSiO2+CO2+mH2O＝Na2CO3+nSiO2·mH2O
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、改性剂原料为常见材料，价格便宜容易获取，且改性剂的掺量较少，改性剂的掺量占试件的7.9％-22.6％。
2、改性后生土材料的力学性能有不同程度的提升，改性后效果明显，抗压强度最大可提升124％，抗折强度最大可提升52％，耐水性得到改善。
3、本发明主要通过相关化学反应以及胶凝材料提升强度，其产生的胶凝物质可较好的包裹土壤颗粒，从而对土壤进行固化产生强度；因此可改善多种不同类型生土的力学性能，具有一定的广泛应用性。
4、本发明制备的改性剂绿色环保，改性材料掺入不会产生隔、镍、铅等重金属元素，不会对土壤造成重金属污染，在生土服役结束后可以直接归田使用，土壤的养分N、P、K和PH值符合种植土的要求，也可采取在复垦过程中添加农业肥料进行改良；减少环境污染。
5、生土砌块不用烧结，在当下资源日益枯竭、环境污染日益严重的情况下，生土材料绿色环保，用现代化的技术改进而重新利用它，让它重新发挥巨大的优势。
6、本发明的配方可以在较大程度上提高改性生土试块的延性和变形能力,延长试块的破坏时间；在实际中较高的生土砖强度，可提升生土建筑的抗震性能,减少居民的生命和财产损失。
综上所述，该方法具有成本低廉、实用性强及绿色环保的优点。
附图说明
图1为改性生土试块的断面破坏和受压破坏形态图，其中：图1(a)为试块断裂破坏图，图1(b)为试块受压破坏图。
图2为对比例1和实施例1-4各组试块的抗折、抗压强度在不同材料掺量下的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种利用胶凝材料改性生土的方法，具体包括以下步骤：
步骤1:生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂，生土改性剂的质量组分为：
Figure GDA0003375107510000051
1)将5.896g-58.96g的明矾溶于100g-110g水中、将28.006g-30.954g尿素溶于100g-110g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1465.745g-1567.893g，往其中加入步骤2中第1)步中制得的混合液，再分别加入44.22g-132.66g的可再分散性乳胶粉、17.688g-88.44g的水玻璃、4.422g-8.844g的动植物纤维、13.266g-16.214g的减水剂，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中加入150g-180g水，保证总用水量占干混合物的质量比为23％-25％，然后搅拌至均匀；
步骤3：将步骤2中第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
所述水玻璃为硅酸钠的水溶液，密度为1.36～1.50g/cm3，相当于波美度38.4～48.3。
所述明矾为钾明矾KAl(SO4)2·12H2O或铵明矾NH4Al(SO4)2·12H2O。
所述减水剂为聚羧酸减水剂。
所述可再分散性乳胶粉固含量(wt％)≥98.0，灰分(wt％)10±2％，pH值：6-8，保护胶体为聚乙烯醇。
所述可再分散性乳胶粉可由丁苯乳胶、羟丙基甲基纤维素或聚乙烯醇中的任一种代替。
所述纤维因地制宜，包括采用动物毛发、植物秸秆纤维、芦苇杆、杂草、麦秆、稻杆、玉米杆、棉花杆及黄豆杆中的一种或几种经纤维化处理后的任意混合物。
所述改性主要化学反应为：
1)、水玻璃与明矾的反应：
Na2SiO3+2KAl(SO4)2+3H2O＝2Al(OH)3↓+SiO2+Na2SO4+K2SO4
2)、水玻璃吸收空气中二氧化碳，形成无定形硅酸，并逐渐干燥而硬化：
Na2O·nSiO2+CO2+mH2O＝Na2CO3+nSiO2·mH2O
对比例1：素土试块
本对比例给出一种素土试件，将生土过0.5mm筛，除去杂质；以重量单位计，其中生土100份，水23份，拌合至均匀状态后将改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到素土试块。
实施例1：
步骤1：生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂
1)将5.896g的明矾溶于100g水中，将29.48g尿素溶于100g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1567.893g，往其中加入步骤2第1)步中制得的混合液，再分别加入17.688g水玻璃、44.22g可再分散性乳胶粉、14.74g减水剂和4.422g羊毛纤维，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中补充150g的水，然后搅拌均匀；
步骤3：将步骤2第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
实施例2
步骤1：生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂
1)将23.584g的明矾溶于100g水中，将29.48g尿素溶于100g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1533.844g，往其中加入步骤2第1)步中制得的混合液，再分别加入44.22g水玻璃、73.7g可再分散性乳胶粉、14.74g减水剂和5.896g羊毛纤维，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中补充160g的水，然后搅拌均匀；
步骤3：将步骤2第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
实施例3
步骤1：生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂
1)将41.272g的明矾溶于110g水中，将29.48g尿素溶于100g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1499.795g，往其中加入步骤2第1)步中制得的混合液，再分别加入66.33g水玻璃、103.18g可再分散性乳胶粉、14.74g减水剂和7.37g羊毛纤维，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中补充170g的水，然后搅拌均匀；
步骤3：将步骤2第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
实施例4
步骤1：生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂
1)将58.96g的明矾溶于110g水中，将29.48g尿素溶于100g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1465.745g，往其中加入步骤2第1)步中制得的混合液，再分别加入88.44g水玻璃、132.66g可再分散性乳胶粉、14.74g减水剂和8.844g羊毛纤维，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中补充180g的水，然后搅拌均匀；
步骤3：将步骤2第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
本发明所述改性基于以下原理：
生土强度构成分为4个层次：土的固有结构、物理改良、胶结硬化、硬凝反应。其固有结构指生土本身具有的强度；物理改良指采用动植物纤维可较好的改善生土的抗折强度，同时水玻璃中加入尿素，在不改变其粘度的情况下，可以提高粘结力25％左右；水玻璃与明矾反应产生的Al(OH)3胶凝物质和可再分散性乳胶粉作为一种胶体对强度的贡献较大，胶结硬化即指有机聚合物可再分散性乳胶粉作为一种胶凝材料，具有良好的胶合能力和成膜性，可较好的包裹土壤颗粒，形成的聚合物胶膜可增强与生土颗粒的结合,改善生土微观结构；此外，硬凝反应指水玻璃吸收空气中二氧化碳，形成无定形硅酸，并逐渐干燥而硬化从而增加了生土强度。
经测试，本发明对生土改性效果如下：
以上对比例1、实施例1-4的试件进行性能测试,测试试验为抗压、抗折试验，具体参照GBT 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，采用试模尺寸(mm)：160×40×40制作试件，按标准养护方法养护28d天后进行抗折、抗压强度试验，参见下表：
实践物理力学性能测试结果
Figure GDA0003375107510000101
在成型方式和水固比不变的条件下，对比例1素土的抗压强度为3.24MPa，抗折强度为1.21MPa，其破坏为脆性破坏，浸水后试块溃散较快，24h后无强度；
在成型方式和水固比不变的条件下，实施例1养护28d后，其抗压强度为5.20MPa，抗折强度为1.52MPa，其破坏具有一定的延性。浸水后逐渐溃散，24h后无强度；
在成型方式和水固比不变的条件下，实施例2养护28d后，其抗压强度为5.91MPa，抗折强度为1.64MPa，其破坏具有一定的延性；浸水后逐渐溃散，24h后无强度；
在成型方式和水固比不变的条件下，实施例3养护28d后，其抗压强度为6.38MPa，抗折强度为1.77MPa，其破坏具有较好的延性；浸水后缓慢溃散，25h后无强度；
在成型方式和水固比不变的条件下，实施例4养护28d后，其抗压强度为7.27MPa，抗折强度为1.85MPa，其破坏具有较好的延性；浸水后缓慢溃散，25h后无强度；
测试表明：采用本发明的改性方案，最终抗压强度可提高124％，抗折强度提高52％。
不同于现有生土材料的改性通常在生土中添加水泥、石灰、粉煤灰、矿渣等工业材料，而水泥掺量通常超过5％，上述添加的工业材料中大多含有隔、镍等重金属元素对生土造成污染，对土壤的养分含量、物理结构产生一定的影响，导致改性的土壤恶化纯生土的形态结构，在服役结束后也无法直接归田使用；本发明改性后生土材料不会产生隔、镍、铅等重金属元素，经对实施例1土壤委托分析测试中心检测分析，经检测自然生土的PH值为：7.85，改性后生土PH值为：7.80，对土壤的酸碱性影响不大，依然符合种植要求；改性前生土中的N、P、K的含量分别为0.0481％、0.064％、1.35％，改性后土壤的N、P、K分别为0.126％、0.062％、1.48％，改性前后土壤养分N的含量变化较大，对于P、K的养分含量几乎没有影响，在归田使用影响不大，也可采取施加相关肥料进行改良调节。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1：生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂，生土改性剂的质量组分为：
Figure FDA0003375107500000011
1)将5.896g-58.96g的明矾溶于100g-110g水中，将28.006g-30.954g尿素溶于100g-110g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1465.745g-1567.893g，往其中加入步骤2中第1)步中制得的混合液，再分别加入44.22g-132.66g的可再分散性乳胶粉、17.688g-88.44g的水玻璃、4.422g-8.844g的动植物纤维和13.266g-16.214g的减水剂，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中加入150g-180g水，保证总用水量占干混合物的质量比为23％-25％，然后搅拌至均匀；
步骤3：将步骤2中第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
2.根据权利要求1所述的一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：所述水玻璃为硅酸钠的水溶液，密度为1.36～1.50g/cm3，相当于波美度38.4～48.3。
3.根据权利要求1所述的一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：所述明矾为钾明矾KAl(SO4)2·12H2O或铵明矾NH4Al(SO4)2·12H2O。
4.根据权利要求1所述的一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂。
5.根据权利要求1所述的一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：所述可再分散性乳胶粉固含量wt％≥98.0，灰分wt％10±2％，pH值:6～8，保护胶体为聚乙烯醇。
6.根据权利要求1或5所述的一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：所述可再分散性乳胶粉可由丁苯乳胶、羟丙基甲基纤维素或聚乙烯醇中的任一种代替。
7.根据权利要求1所述的一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：所述纤维包括动物毛发、植物秸秆纤维、芦苇杆、杂草、麦秆、稻杆、玉米杆、棉花杆及黄豆杆中的一种或几种经纤维化处理后的任意混合物。
8.根据权利要求1所述的一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1：生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂
1)将5.896g的明矾溶于100g-110g水中，将29.48g尿素溶于100g-110g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1567.893g，往其中加入步骤2第1)步中制得的混合液，再分别加入17.688g水玻璃、44.22g可再分散性乳胶粉、14.74g减水剂和4.422g羊毛纤维，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中补充150g的水，然后搅拌均匀；
步骤3：将步骤2第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
9.根据权利要求1所述的一种利用胶凝材料改性生土的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1：生土预处理
将生土过0.5mm筛，除去杂质，待用；
步骤2：配置生土改性剂
1)将23.584g的明矾溶于100g-110g水中，将29.48g尿素溶于100g-110g水中，然后将两者混合后待用；
2)称取经步骤1预处理后的生土1533.844g，往其中加入步骤2第1)步中制得的混合液，再分别加入44.22g水玻璃、73.7g可再分散性乳胶粉、14.74g减水剂和5.896g羊毛纤维，每加一种材料进行一次拌和，拌和过程中补充160g的水，然后搅拌均匀；
步骤3：将步骤2第2)步搅拌均匀的改性生土料放入到所需模具中，挤塑成型，脱模后在室内养护28d，即得到改性后的生土试块。
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