一种环保型土壤固化剂.pdf

一种环保型土壤固化剂，属于市政和建筑工程技术领域。为解决目前在市政基础设施建设中，所使用的土壤固化剂普遍呈强碱性，这种强碱性的土壤固化剂会使周边的土壤盐碱化，污染地表水和地下水，影响生态环境和功能单一，强度低，抗渗性能和耐久性较差等问题。它是由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、矿渣、碳酸钙六种化工原料中的四种或五种与硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠五种化工原料中的至少二种，组成复合型技术配方制备而成。其用量小，环保效果好，主要原材料均为无毒、无害、无污染，对动植物安全可靠。其就地取材，工程造价低，适用于路基加固和市政道路结构层及软土地基处理，适合机械化施工作业。

1、  一种环保型土壤固化剂，其特征是：它是由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、矿渣、碳酸钙六种化工原料中的四种或五种与硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠五种化工原料中的至少二种，经优化复配精制而成，其技术配方中各组分的重量份组分为：
硅酸三钙：     45～65          硅酸二钙：     15～30
铝酸三钙：     3～15           铁铝酸四钙：   8～25
矿渣：         5～65           碳酸钙：       6～15
硫酸钙：       1～10           硫酸铝：       2～8
硫酸钠：       1～9            木质素磺酸钙： 0.1～3
木质素磺酸钠： 0.1～3。

2、  根据权利要求1所述的一种环保型土壤固化剂，其特征是由下列技术配方组成：
技术配方一：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与碳酸钙与硫酸钙与硫酸铝与硫酸钠与木质素磺酸钙
技术配方二：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与矿渣与硫酸钙与硫酸钠与木质素磺酸钙
技术配方三：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与碳酸钙与硫酸钙与硫酸铝与硫酸钠
技术配方四：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与矿渣与硫酸钙与硫酸钠与木质素磺酸钠
技术配方五：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与硫酸钙与硫酸钠与木质素磺酸钠
本发明一种环保型土壤固化剂为勃氏比表面积400m²-800m²/kg的固体颗粒状，使用时土壤与土壤固化剂的技术配比是按重量份组分100：6～18，适合于大规模机械化施工作业。

一种环保型土壤固化剂
一种环保型土壤固化剂，固化土壤效果显著，适用范围广泛，制备方法简捷，符合环保要求。
一、技术领域
属于市政和建筑工程范畴，为精细化工技术领域。
二、背景技术
1、对发明“一种环保型土壤固化剂”的理解
当土壤固化剂与含有一定水分的土壤混合后，即发生一系列物理化学反应。首先，在土壤中大量形成富含结晶水的针状结晶体，穿插在土壤颗粒孔隙间形成强度骨架。其次，硅酸盐类水化物填充在强度骨架之中使固化体系进一步密实。最后，在激发剂的作用下土壤固化剂和部分土壤颗粒进行化学反应，使加固土具有不可逆的良好的耐久性。土壤强度因素的研究，从固化角度来分析，土壤固化程度和承载能力的大小成正比，主要决定于土的强度，研究土的强度问题，实质上就是研究土的抗剪强度问题。
我们把土对剪切破坏的极限抵抗能力称为土的抗剪强度，由于土粒之间的联结远小于土粒本身的强度，故在外力作用下，土的破坏主要是由于土粒之间发生相对剪切位移所引起的。所以从固化角度分析，研究土的强度问题就是要研究土的抗剪强度问题，这个抗剪强度却与交通量载重，土壤类别，气候，水文条件等有着密切的关系。
当外力在通过土中某点的任意面上所引起的剪应力T等于土所具有的抗剪强度T_f时，该点处在破坏的临界状态，称为极限平衡状态，如果T<T_f，则土中该点处于弹性平衡状态，如T>T_f，则该点剪破。确定土的极限平衡状态是研究路面，路基以及构造物的稳定性所必须解决的问题。土壤固化剂就是通过提高土的抗剪强度，来提高土壤的路用性能的目的的。
构成土的抗剪强度的因素，主要有土粒之间的表面摩擦力和土粒之间咬合力，统称为摩阻力，以及由土粒之间的结合水和胶结物等所形成的凝聚力，构成粗粒土的抗剪强度的因素以摩阻力为主，而对细粒上，尤其是纯粘土则以凝聚力为主。
凝聚力可分三种
第一种原始凝聚力，它主要是由于土粒间薄膜水，受到相邻土粒之间的电分子引力作用而成的，故其强度随土粒间距增大而变小。土的原始凝聚力和土的成分与密度有关，对一定成分的土来说，原始凝聚力的强度主要取决于土的密度和含水量。在土层沉积的初始阶段，土粒间便开始具有原始凝聚力。在压密过程中，土粒接近处于土粒之间的薄膜水变薄，其粘带性增强，原始凝聚力便因而增大。土在膨胀时这个力就会减小，当土粒间距大于土粒电分子引力作用半径以后，这个力才消失。因而土粒薄膜水厚度变化将土粒间距改变，土的原始凝聚力也随之有所变化，粘性土的原有结构被破坏时，这个力将会受到削弱，但如土的原有密度与含水量有所恢复，这个力也会随而增强。
诸如，若将砂或粘土直接用作路面。
①、在潮湿条件下，由于毛细应力使得砂有适当的粘聚力，碾压后有良好的内摩擦角而具有足够的承载力，然而在干燥的气候条件下，他的颗粒是分离的，在整个路表面土壤的承载力几乎为零，此时它不能承受荷载。
②、在干燥的条件下，粘土产生很大的粘结力，具有较高的承载能力，然而随着含水量的增加，粘土的承载力将迅速降低。所以在潮湿的气候条件下，由于水分和车轮的搓揉作用，其结果粘土将变成稀软的泥浆。以后当粘土再度变干时就会变硬有强度。这样看来砂和粘土都是不稳定的，不能单独修建永久的土路。但是若把砂铺在粘土上或把砂和粘土混合起来组成一种新的材料，泥结砂砾，在充分的压实情况下，由于两种材料中有利成分特性的联合作用，较好地解决凝聚力的问题，故两者的承载能力均得到提高，可提供全天候的中等交通的通行，这就是古典的最简单的土壤固化形式。
第二种固化凝聚力，在土中遇水后起化学反应生成不溶于水的胶凝物质，能将土粒胶结起来，使土获得一定的强度，这就是土的固化凝聚力。当土的结构受到破坏时，大部分土粒间胶结构也被破坏，这个力便丧失而且不能恢复，所以对粘土颗粒的粉碎至关重要，颗粒粒径愈小愈好。
诸如，在水泥土中由于水泥对粘土颗粒的分散能力差，粘土粒径一般均较大，此时的水泥团粒径也很大。强度取决于粘土团粒径的破损而降低甚至为零。
第三种假凝聚力，它是由毛细压力所引起的，毛细作用使水从土的细微通道上升到高出自由水面以上，这是毛细水悬挂在其所接触的粘土上，所以水的重量便由土粒负担，以致使土粒间的接触压力增大，当土粒间的局部孔隙为毛细水占据时，在水和空气的分界面上产生表面张力，其反力使土粒挤紧，这个力就是毛细压力。在土体的压密过程中，或水化反应中，由于生成物的体积膨胀，温度的升高等原因，均会出现毛细压力。砂土在干燥时原是松散的，但有一定含水量时，可因此使颗粒之间表现出有粘结能力。
上壤固化技术的基本特征：
第一个特征：机械法，也称为物理力学法
机械法就是利用各种机械对物料粉碎，拌合和压实的方法，其效能为促进土体的基本单位在外力作用下彼此靠近，从而减少土体的孔隙率，密实度增大强度提高。这就是最简单，最基本的加固方法，然而这种加固过程是物理力学的过程，所以是可逆的，土体的强度随着外界条件的改变会发生变化的。
第二个特征是化学法
化学法就是采用土壤固化剂，无机或有机结合料，加催化剂，表面活性剂或活性基因，拌入土中后，利用自身的水化反应产生不溶于水的胶凝新物质，胶结土颗粒填充土体的空隙，达到土体固化提高强度的目的，我们把此类土壤固化剂称之胶凝填充型的固化剂，常见的固体固化剂水泥类的固化剂均属此类型。
第三个特征，物理化学法
物理化学法就是采用高分子有机结合料，利用其自身的聚合与缩聚反应，使土壤颗粒与固化剂中的有关组分产生离子交换吸附过程，通过土颗粒间的联结加强。水膜厚度的变化来提高土体的强度，从而达到土体的固化目的，我们把此类土壤固化剂称之水膜处治型的固化剂，常见的液体固化剂，石灰类固化剂均属此类型。
第四个特征，放热
土壤固化剂放热，其热量来自水化热，沉淀热且随固化剂组分的不同而不同，并和气温有直接的联系。
上述四大特征是相互联系的，相互促进的，只有化学过程的物理化学过程能使土体力学性能得以改善。而物理力学过程是保证化学过程和物理化学过程更好地发挥作用。利用好大量的热能是促进化学过程和物理化学过程的加快与有效固化，否则上述各种反应十分迟缓，甚至停止，固化效果肯定是欠佳的。
胶凝填充型—水泥类固化剂固化机理与特点：
1)水泥的水化反应
a.硅酸三钙：3CaO·SiO₂，在水泥中含量最高，约占全重的50％左右，是决定水泥强度、粘结和体积变化的主要因素。
2(3CaO·SiO₂)+6H₂O＝3CaO·2SiO₂·3H₂O+3Ca(OH)₂
b.硅酸二钙：2CaO·SiO₂，在水泥中含量较高，约占全重的25％左右，是产生后期强度的主要因素。
2(2CaO·SiO₂)+4H₂O＝3CaO·2SiO₂·3H₂O+Ca(OH)₂
c.铝酸三钙：3CaO·Al₂O₃，在水泥中含量约占全重的10％左右，其水化速度最快，是促进早凝的主要因素。
①3CaO·Al₂O₃+6H₂O＝3CaO·Al₂O₃·6H₂O
②3CaO·Al₂O₃+12H₂O+Ca(OH)₂＝3CaO·Al₂O₃·Ca(OH)₂·12H₂O
d.铁铝酸四钙：4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃，在水泥中含量约占全重的10％左右，是促进早强的主要因素。
①4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃+2Ca(OH)₂+10H₂O＝3CaO·Al₂O₃·6H₂O+3CaO·Fe₂O₃·6H₂O
②4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃+2Ca(OH)₂+10H₂O＝6CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃·12H₂O
e.硫酸钙：CaSO₄，在水泥中含量约占全重的3％左右，但它与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称为水泥杆菌的化合物——钙矾石。
①3CaSO₄+3CaO·Al₂O₃+32H₂O＝3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O
②CaSO₄·2H₂O+3CaO·Al₂O₃+10H₂O＝3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O
水泥杆菌最初以针状结晶的形式，在比较短的时间内析出，这种反应迅速，把大量的自用水吸收并以结晶的形式固定下来，这对含水量高的软土地基强度的增长具有重要意义。生成线状和链状的水泥纤维，其一端像植物根部那样从某一微粒出发，另一端像植物茎那样生长，沿着土的颗粒表面缠绕形成水泥纤维网格，这就是出现碳酸化作用之前促进固化土具有强度之后，继续增强的另一个原因。
2)土颗粒与水泥水化物的作用
a.凝硬作用
水泥与水发生水化反应析出大量的钙离子，这些钙离子与粘土中的活性矿物质，二氧化硅SiO₂、三氧化二铝Al₂O₃，在碱性环境中的激发下，与CaO进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，含水硅酸钙，含水铝酸钙等凝胶物质，其化学反应式如下：
①CaO+H₂O＝Ca(OH)₂
②SiO₂+Ca(OH)₂+nH₂O＝CaO·SiO₂·(n+1)H₂O
③Al₂O₃+Ca(OH)₂+nH₂O＝CaO·Al₂O₃·(n+1)H₂O
这些新形成的凝胶物质在水中和空气中逐渐硬化，从而增大了水泥土的强度和稳定性，从扫描电子显微镜的观察可见，天然土颗粒之间无任何有机联系，并且具有很多孔隙，拌入水泥7d后，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥结晶体，一个月后，水泥土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到土颗粒的孔隙中形成网状构造，增加了土的强度和水稳性能。
b.离子交换与团粒化作用
土中含有多种矿物质，且在土粒表面带有游离一价钠离子Na⁺和钾离子K⁺，一方面它们能和水泥水化生成物的二价钙离子Ca⁺，进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的团粒，从而改善了土的物理性能，使土体强度提高，另一方面，向土粒内浸蚀，使土粒中的SiO₂和Al₂O₃活性化，并溶解强碱介质中，PH＝10～12与Ca(OH)₂反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，这些晶体之间的化学键结合成晶体结构形成强度，使土体强度再次提高。
3)碳酸化作用
水泥水化物中的游离氢氧化钙Ca(OH)₂不断吸收水中HCO₃^-和空气中的二氧化碳反应生成不溶于水的碳酸钙组成结晶格架后结硬，也能提高土体强度。
Ca(OH)₂+CO₂＝CaCO₃↓+H₂O
这种反应要比上述的凝硬反应的作用差一些，它增长速度慢，幅度变化也较小。
4)水泥石的骨架作用
在上述反应过程中的同时，水泥的水化物自行硬化形成水泥石的骨架，从而把土颗粒胶结成整体，使其形成强度，并提高其水稳性。由于在固化土中的水泥剂量甚少，因此不能形成连续的水泥石网，而是很薄的连续夹层，故其强度、稳定性均较之水泥混凝土差得很远。
5)水化热
上述所有化学反应均与温度有关，除了气温外主要来自固化剂本身的水化反应，这和水化高，沉淀热有密切关系。
水泥类固化剂水化作用所需水量约为水泥重量的15％，体积约膨胀3％在这个过程中放出90卡/kg的热，能蒸发约为水泥重量的15％水分，使土的含水量降低。然而由于水泥的导热性差，约需要水泥重量3倍的水份来养生。否则易开裂，这说明在施工中必须掌握好最佳施工含水率，这是保证固化土固化效果的关键，经计算，总的含水量约为水泥重量的4-6倍。
水膜处治型—石灰类固化剂固化机理的特点：
目前国内外常见的液体固化剂，均为石灰稳定类固化剂，其石灰稳定类强度形成机理简述如下：固化土强度形成与白灰土、二灰砂砾的强度形成机理相同，都是通过离子交换，使集料形成板体，具有较高的强度。但固化剂更好的解决了土颗粒中结构水的问题，使离子交换速度加快，可以更好的提高板体的早期强度。土中水，一般可划分为三类：
(1)结晶水和化合水——这类水在矿物质里面，要在很高温度之下才能从矿物质中析出，因此束缚于土壤矿物粒子晶格的水，从土力学观点把它们视作矿物质的一部分，不予考虑；
(2)吸附水或吸湿水或薄膜水。吸湿水——凝结在土颗粒表面上的水，如果将干的土放在湿的空气中，土的质量将增大，一直到增大值相当于土的最大吸湿率为止。吸湿率的大小决定于土的比表面积数值。粗砂的最大吸湿率在1～2％以下，粘土的最大吸湿率可达10％以上。吸湿水的性质与普通液态水的性质有很大的区别。由于在颗粒表面上有很大的电分子力作用可达到一力个大气压力，这部分水极其牢固的吸着在土粒表面上，被静电引力吸附于土壤表面，它以薄膜形成包覆着土壤胶体，厚度一般不超过0.003微米，性质接近于固态物体，它的比重大于1。大部分吸湿水即使在温度为-78℃的时候也不冻结，吸湿水在作用于土的压力影响之下，仅靠机械作用无法排出，在105℃温度下将土烤干使达恒重，才有可能将吸湿水排除。砂类土只含有松散状态。粘类土只含有吸湿水时，呈或密或松的状态，经过人工磨碎即为干的粉末。薄膜水——小于0.5μm，吸湿水以外，由于电分子力而拘束在土粒周围的称为薄膜水。薄膜水居于吸湿水和自由水之间，随着离开颗粒表面距离的增加，电分子力很快减小，因而薄膜水的性质随着离开土粒表面而逐渐改变，从接近于固态变成接近于胶液粘性，最后减低到自由水的粘性，最终转变为自由水。
(3)自由水——自由水存在于颗粒表面分子力作用半径大于0.5μm以外的土孔隙中，能够在重力作用之下，也能在表面张力作用之下，在土内流动。自由水是以各种形式存在于天然土体孔隙中的水，包括表面张力水、毛细水和在空隙中自由流动的重力水。在这三类水中吸附水是影响土壤膨胀特性的主要因素。
根据电化学原理，水分子具有双极性，即在氧的一端带有负电荷，在氢的一端带有正电荷。顺而，每个水分了就像一根磁棒，在磁场作用下重新排列，被静电引力吸附到土粒表面的电荷上。粘性土，由于其面积非常大，能够吸附大量的水，在土粒和水膜之间的静电引力可高达10000个大气压，如果在自由水供给充足的条件下，吸附水膜还会不断变厚，不仅造成土质松软，而且产生巨大的膨胀力，如果土基在干缩湿胀的反复作用，以及寒冷地区冻融循环的作用下，势必造成道路的隆起、断裂、拥包、沉陷、翻浆等严重病害变形与损坏。所以，有效的减少吸附水膜厚度或将它排除，是防治道路病害，并延长其使用寿命的根本性环节。最新的研究成果表明，减少与消除吸附水，最经济有效的方法就是电化学土壤离子技术。它从原子结构上根本改变了土壤性能，使土壤粒子重新排列而具有憎水性和高致密性。
从岩土工程角度来说，土的矿物组成主要是指土中的粘土矿物及伴存的其他矿物。它们是土中物理、化学性质活跃的物质，对粘土的工程性质由较显著的影响。土中的粘土矿物往往是多种类型混合存在的，它们的晶格构造比较相似，而且结晶既细小又不规则。表面活性强的结晶矿物就是粘土矿物，它实质上就是属于含水铝硅酸盐矿物并含有少量的金属氧化物杂质，如氧化铁、氧化镁等大约还有18种矿物组成，最主要的是高岭土、蒙脱土和伊利土。高岭土矿物是相当稳定的，具有低的收缩性和膨胀性，而且水分子不能贯入它的层中。而在各个蒙脱土矿物颗粒表面，只有离子相互作用和微弱的范德瓦尔斯力提供结合力，所以水分子容易嵌入两个元素之间，在这种情况下产生相当大的膨胀。伊利土似于蒙脱土，但它的硅层中，许多硅原子被铅原子取代。这些粘土矿物出现在土中，会显著的影响它的物理性质。
沈阳地区的粘土，主要是由岩石经过多次风化，流失掉Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺等离子成分最终形成，而固化剂的原理就是在粘土中在加入流失掉的营养成分，使其恢复一定的坚固性。固化剂是一种强电离剂，它含有的表面活性剂可以增加电离剂渗透土壤的能力，催化水分裂解，产生氢离子H⁺、氢氧根离子OH^-，诱导粘土粒子表面的阳离子Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、H⁺等进行离子交换。在这一过程中，曾因静电引力而吸附在粘粒表面的水就被离子所取代，吸附水膜逐渐变薄而转化为自由水，伴随着土壤的压力被挤压排出，土的粒子得以重新排列，从而迅速提高了土体的密实程度。与此同时，固化剂中含有的凝固剂，在土粒中产生化学结晶反应，使土粒胶体粘合成为几乎不透水的坚实整体。这样，原来具有分散性、湿坍性、粘附性、亲水性、胀缩性的粘性土，通过固化剂的催化作用、离子交换作用、脱水作用、凝固作用和不断拌合碾压的施工工艺，变成了质地密实的稳定土，其抗压抗剪强度、刚度、水稳性和承载能力都极大提高，CBR值可达到250％。应当指出，固化剂在土中的作用，是一个长期持续和不可逆的过程，随着时间的推移，稳定土的后期强度还会不断提高，这无疑可以更加延长道路的使用寿命。
石灰类固化剂固化机理
离子交换反应
生石灰遇水就开始消解，同时发出大量的热量。
CaO+H₂O＝Ca(OH)₂+64058J
由于熟石灰溶于水以后，易离解Ca²⁺和(OH^-)离子即
Ca(OH)₂→Ca²⁺+2(OH^-)
所以根据质量作用定律，熟石灰中的二价Ca²⁺与土中的低价阳离子Na⁺、K⁺等一价离子进行交换反映，其反应式
X⁺+Ca⁺⁺Ca⁺⁺+X⁺
X⁺+Ca(OH)₂Ca⁺⁺+2X(OH)
由于Ca⁺⁺的结合水膜厚度比土吸附的一价碱金属离子(Na⁺、K⁺)要薄，并且(Ca⁺⁺)结合水膜受外界水分影响的变化不大，导致土的分散性，粘附性降低，从而表现出良好的水稳定性，结果改善了土的物理性能
氢氧化钙的结晶反应
熟石灰Ca(OH)₂在土中由于水分较少，又有少部分分离解还有一部分会吸取土中的水份后形成含水氢氧化钙结晶体，其反应式
Ca(OH)₂+nH₂O＝Ca(OH)·nH₂O
能把土粒胶结成整体形成一定的强度，而晶体Ca(OH)₂的溶解度比非晶体的Ca(OH)₂相比几乎小一半，因而石灰土的水稳性也得到提高。
3.碳酸化反应
就是熟石灰吸取空气中或土中CO₂生成CaCO₃其反应式：
Ca(OH)₂+CO₂＝CaCO₃+H₂O
试验表明，碳酸化学反应只是在有水的条件下，才能进行，当用于干燥碳酸作用于完全干燥的石灰粉末时，这反应几乎完全停止进行，为此碳酸化时，石灰和碳酸气的作用需要水。生成碳酸钙是坚硬的结晶体，具有较高的强度和水浮性，它对土的胶结作用使土得到了加固。由于CO₂可能由混合料的孔隙渗入也可能由本身产生，当石灰土得表面碳酸化后，则形成一层硬壳，而阻碍CO₂进一步的渗入，因而Ca(OH)₂的碳化是个相当长的反应过程，这也是形成石灰上后期强度的主要原因之一。
火山灰反应
石灰与土中的活性硅铝矿物反应后，生成含水硅酸能和铝酸，在水份的作用下，逐渐结硬形成早期强度。
其反应式：X Ca(OH)₂+SiO₂+(n-1)H₂O＝X CaO·SiO₂·n H₂O
X Ca(OH)₂+Al₂O₃+(n-1)H₂O＝X CaO·SiO₂·(n-1)H₂O
式中X表示：火山灰反映是在不断吸收水分的情况下，逐渐发生的因而具有水硬性质。它是构成石灰土早期改变的主要原因。
水化热
生石灰吸收了其本身重量约32.1％的水产生水化，体积大约膨胀为两倍。变为熟石灰：Ca(OH)₂，在这个过程中放出280千卡/KG的热，热量促进水分蒸发，蒸发生石灰重量的47％由此使土的含水量降低，与此同时。由于体积的膨胀还有挤密作用，生产的毛细应力作用，均能消耗水分。所以在施工中必须控制好最家施工含水率，非常必要，这是保证固化土固化效果的关键，经计算，总的用水量约为生石灰重量的2-4倍。综上所述，土壤固化剂的固化机理应概括为物理力学过程、化学过程和物理化学过程等三个过程。物理力学过程是土壤固化剂在固化土壤时，土壤经过粉碎、筛选、拌和和碾压等施工工艺流程后，土体的基本单元在外力的作用下彼此贴近和相互契合，从而减少土体的孔隙率，增大密实度，降低渗水性，这种过程是可逆的，土体的强度会随着外界条件的改变而发生变化。物理力学过程是任何类型的土壤固化剂在固化土壤时所必须的，因为固化土壤的密度和土壤固化剂在土体中的均匀性，对强度的形成具有非常重要的作用。实际上，物理力学过程是固化土体的一种最简单和最基本的方法。而化学过程是指土壤固化剂在固化土壤的过程中，其本身组分发生的化学反应和土壤与土壤固化剂中的某些组分发生的化学反应等。前者包括无机类土壤固化剂材料本身的水解与水化反应和空气中二氧化碳的碳酸化反应，有机类土壤固化剂的聚合与缩聚反应等。后者土壤固化剂中的组分与土壤颗粒之间的火山灰反应，有机高分子与土壤颗粒表面间的络合反应等。物理化学过程主要是指土壤颗粒与土壤固化剂中各组分的吸附过程，包括物理吸附、化学吸附和物理化学吸附。物理吸附是指在分子力的作用下，土体的基本单元将土壤固化剂中的某些组分吸附在其表面，使其表面自由能得以降低。化学吸附是指吸附剂与被吸附物质之间发生化学反应而生成新的不溶性物质，并在吸附剂与被吸附物质之间形成化学键。物理化学吸附是指土壤固化剂中的某些离子与土体基本单元表面的离子发生了离子交换吸附。在土壤固化剂与土体的物理化学作用过程中，无机类土壤固化剂主要是物理化学吸附。诸如无机类土壤固化剂中的钙盐和镁盐溶解后，钙离子和镁离子与土体基本单元所吸附的钠离子发生交换反应，可以增加土壤颗粒的团聚作用。有机类土壤固化剂主要是物理吸附和化学吸附过程，诸如高分子材料的某些基团与土壤颗粒之间的物理吸附，高分子材料与土壤颗粒之间的化学吸附等。以上三种过程因土壤固化剂的成分不同而不同，但这三种过程并不是相互孤立的，而是相互联系和相互促进的。在这三种过程中，只有化学过程和物理化学过程能使土体的力学性能、抗渗性能、耐久性能等工程性能得以改善，而物理力学过程则是保证化学过程和物理化学过程更好的发挥作用。
2、一种环保型土壤固化剂所选用的主要原料
一种环保型土壤固化剂它是由：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、矿渣、碳酸钙、硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠等化工原料，按各自属性组成多种最佳技术配方，经优化复配精制而成。矿渣是冶炼钢铁的废渣。它经水或空气急冷处理成为粒状颗粒，称为粒化高炉矿渣。其主要化学成分是CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO等。经水淬急冷后的矿渣，玻璃体含量较多，但是颗粒较粗，与水不发生反应。但是经球磨机研磨后，在激发剂的存在下，矿渣中的SiO₂和Al₂O₃成分与水反应形成凝胶物质，而具有水硬活性。矿渣中的SiO₂和Al₂O₃成分形成凝胶物质的反应机理有两种。一种机理是在碱性条件下SiO₂和Al₂O₃从矿渣中溶解出来，进入水溶液，然后与溶解在水溶液中的阳离子结合，形成硅酸基和铝酸基凝胶物质。因此，当高炉矿渣经球磨机研磨成勃氏比表面积为400m²-800m²/kg的超细粉时，其水硬活性可更充分发挥出来。能促使矿渣呈现胶凝能力的物质称为激发剂。激发剂可分为碱类激发剂和盐类激发剂两种。碱类激发剂有熟石灰、水泥熟料、氢氧化钠、氢氧化钾等。盐类激发剂有硫酸钙、硫酸钠、碳酸钠、碳酸钾等。
3、对环保型土壤固化剂的原料进行定性分量分析
1)采样：我们采用了随机取样法，取其原料各不少于10千克，平摊在白色的塑料布上，用四分法多次缩减到1000—2000克，装入取样瓶内，写好标签，封口，添好日期，记录，备检。
2)样品名称：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、矿渣、碳酸钙、硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠等。
3)关于样品说明：环保型土壤固化剂所需的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、矿渣、碳酸钙六种主要原材料均为大批量生产；而硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠等均为小批量生产，它们用做环保型土壤固化剂的活性剂和激发剂及元素组分的材料。
4)分析项目：外观：固体颗粒为超细粉。主要成分：3Ca.SiO₂、2Ca.SiO₂、3Ca.Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、Al₂(SO₄)₃、CaSO₄、Na₂SO₄等。
5)备检样品的制备：各检样品各称1000克，精确到0.01克，装入容量瓶中，其中硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、矿渣、碳酸钙为勃氏比表面积400m²-800m²/kg的超细粉。
4、环保型土壤固化剂的实验及分析
我们从土壤固化剂的主要原材料的分析中得知：主材以硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、矿渣、碳酸钙六种化工原料中的四种或五种与硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠五种化工原料中的至少二种按其各自属性及不同的比例组成最佳复合型技术配方。为此，我们做了土壤固化剂的真实土壤固化实验。
5、环保型土壤固化剂的土壤固化效果实验
实验目的：各种环保型土壤固化剂的技术配方对土壤固化效果情况实际比较。
实验指标：用等量材料在相等的时间内，采用不同的技术配方对土壤进行固化，以细度：粉状土壤固化剂的细度为0.074mm标准筛筛余量不得超过15％；凝结实间：固化剂掺入土在最佳含水量状态下施工作业，其初凝时间应大于4h，即用固化土混合料停放4h，制试件，抗压强度损失不大于10％；安定性：固化土试件经65℃蒸养24h后，在蒸煮箱中自然冷却，试件表面不得裂纹；无侧限抗压强度MPa：以7天、14天和28天无侧限抗压强度及固化土抗冻试验来判定其固化效果的好坏。
环保型土壤固化剂对土壤的固化效果


3、本发明适用范围广泛且固化土壤效果显著
一种环保型土壤固化剂为勃氏比表面积400m²-800m²/kg的固体颗粒状，其具有固化土壤的属性。它主要适用于其适用于防风固沙；渠道防渗处理及固化土预制块生产；堤防和岸坡加固；路基加固及市政道路结构层和软土地基处理，适合于大规模机械化施工作业。
三、发明内容
1、发明“一种环保型土壤固化剂”的目的
为解决目前在建筑工程和市政基础设施建设中，所使用的土壤固化剂普遍呈强碱性。由于自然界多种因素的影响，诸如雨水的冲刷等。这种强碱性的土壤固化剂会使周边的土壤盐碱化，并污染地表水和地下水，严重影响生态环境。并解决其在使用时功能单一，抗渗性能和强度低，固土效果和耐久性较差。本发明提供了一种环保型土壤固化剂。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案
一种环保型土壤固化剂它是由：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、矿渣、碳酸钙六种化工原料中的四种或五种与硫酸钙、硫酸铝、硫酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠五种化工原料中的至少二种，按各自属性组成多种最佳复合型技术配方，经优化复配精制而成，其技术配方中各组分的重量份组分为：
硅酸三钙：         45～65         硅酸二钙：        15～30
铝酸三钙：         3～15          铁铝酸四钙：      8～25
矿渣：             5～65          碳酸钙：          6～15
硫酸钙：           1～10          硫酸铝：          2～8
硫酸钠：           1～9           木质素磺酸钙：    0.1～3
木质素磺酸钠：     0.1～3。
其技术配方组合是：
技术配方一：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与碳酸钙与硫酸钙与硫酸铝与硫酸钠与木质素磺酸钙
技术配方二：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与矿渣与硫酸钙与硫酸钠与木质素磺酸钙
技术配方三：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与碳酸钙与硫酸钙与硫酸铝与硫酸钠
技术配方四：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与矿渣与硫酸钙与硫酸钠与木质素磺酸钠
技术配方五：
硅酸三钙与硅酸二钙与铝酸三钙与铁铝酸四钙与硫酸钙与硫酸钠与木质素磺酸钠
本发明一种环保型土壤固化剂为勃氏比表面积400m²-800m²/kg的固体颗粒状，使用时土壤与土壤固化剂的技术配比是按重量份组分100：6～18，适合于大规模机械化施工作业。
3.、一种环保型土壤固化剂与背景技术相比的有益效果
本发明一种环保型土壤固化剂，环保性能好。其利用天然土壤进行固化，使固化土层可承受较大压力，防渗效果好并具有一定的耐久性，经水浸泡不发生泥化；其利用了大量的工业废弃物，即节约了原材料，减少沙石用量，又解决了大量的工业废弃物排放和环境污染问题，对生态环境的保护具有积极作用；其主要原材料均为无机物，无毒、无害、无污染，对动物和植物都是安全的，同时具有除臭去味、杀菌消毒、净化水质等多项功能。
具体表现在：
1)、环保型土壤固化剂，环保性能好，其利用天然土壤进行固化，就地取材，降低工程造价，与目前使用的市政道路结构层中的水泥稳定结构层相比降低工程造价1/3以上；
2)、环保型土壤固化剂，利用了大量的工业废弃物，解决了工业废弃物排放和环境污染问题；
3)、环保型土壤固化剂，减少了目前使用的市政道路结构中大量的沙石用量，减少了资源的破坏，对生态环境的保护具有积极作用；
4)、土壤固化剂的使用，便于市民出行，节约了大量的人力、物力、事半功倍；
5)、维护了市容市貌以及环境卫生的整洁，提高了城市的整体形象。
我们用多年的时间，对环保型土壤固化剂的使用效果进行了跟踪调查，并进行了可行性分析，在实践中不断地进行总结和改进，最后的结论是：环保型土壤固化剂的使用，特别是对交通不便的乡村土路，偏远地区的交通和住宅小区道路，在资金不足的情况下，是最方便的而且效果较好；在需要防风固沙地方，使用环保型土壤固化剂效果倍增，而且也是十分重要和必要的；其成本低廉，原料供应充足且易于采购，生产工艺简便易行，其适用于防风固沙；渠道防渗处理及固化土预制块生产；堤防和岸坡加固；路基加固及市政道路结构层和软土地基处理，适合于大规模机械化施工作业。
四、具体实施方式
当环保型土壤固化剂为勃氏比表面积为400m²-800m²/kg的固体颗粒状时：
首先，按照环保型土壤固化剂的最佳组合配方，对所需的各种化工原料进行检验。经检验，确定为符合质量标准后，将各物料置放在粉碎机中进行粉碎筛选；而后，将粉碎后的各物料置人到球磨机中进行粉磨，使其达到勃氏比表面积为400m²-800m²/kg的固体颗粒状的质量标准；其次，再将其置放到均化器中进行均化使其均匀；再次，采集成品的环保型土壤固化剂样品进行测试检验；最后，将经测试检验合格的成品装袋、仓储备用，仓储时注意防潮。
实施例一：当土壤为粘性土或亚粘性土时
生产110吨环保型土壤固化剂，其技术配方中各组分的重量份组分为：
硅酸三钙：            50           硅酸二钙：         25
铝酸三钙：            10           铁铝酸四钙：       10
碳酸钙：              6            硫酸钙：           2.5
硫酸铝：              3            硫酸钠：           3
木质素磺酸钙：        0.5
首先，按照环保型土壤固化剂的技术配方，对所需的硅酸三钙：50吨与硅酸二钙：25吨与铝酸三钙：10吨与铁铝酸四钙：10吨与碳酸钙：6吨与硫酸钙：2.5吨与硫酸铝：3吨与硫酸钠：3吨与木质素磺酸钙：0.5吨进行检验。经检验，确定为符合质量标准后，将各物料置放在粉碎机中进行粉碎筛选；而后，将粉碎后的各物料置人到球磨机中进行粉磨，使其达到勃氏比表面积为400m²-800m²/kg的固体颗粒状的质量标准；其次，再将其置放到均化器中进行均化使其均匀；再次，采集成品的环保型土壤固化剂样品进行测试检验，即制成110吨环保型土壤固化剂。
实施例二：当土壤为亚粘性土或亚沙土时
生产110吨环保型土壤固化剂，其技术配方中各组分的重量份组分为：
硅酸三钙：             50            硅酸二钙：          25
铝酸三钙：             10            铁铝酸四钙：        10
矿渣：                 9             硫酸钙：            2.5
硫酸钠：               3             木质素磺酸钙：      0.5
首先，按照环保型土壤固化剂的技术配方，对所需的硅酸三钙：50吨与硅酸二钙：25吨与铝酸三钙：10吨与铁铝酸四钙：10吨与矿渣：9吨与硫酸钙：2.5吨与硫酸钠：3吨与木质素磺酸钙：0.5吨进行检验。经检验，确定为符合质量标准后，将各物料置放在粉碎机中进行粉碎筛选；而后，将粉碎后的各物料置人到球磨机中进行粉磨，使其达到勃氏比表面积为400m²-800m²/kg的固体颗粒状的质量标准；其次，再将其置放到均化器中进行均化使其均匀；再次，采集成品的环保型土壤固化剂样品进行测试检验，即制成110吨环保型土壤固化剂。
实施例三：当土壤为亚沙土或沙土时
生产110吨环保型土壤固化剂，其技术配方中各组分的重量份组分为：
硅酸三钙：              50             硅酸二钙：           25
铝酸三钙：              10             铁铝酸四钙：         10
碳酸钙：                6              硫酸钙：             3
硫酸铝：                3              硫酸钠：             3
首先，按照环保型土壤固化剂的技术配方，对所需的硅酸三钙：50吨与硅酸二钙：25吨与铝酸三钙：10吨与铁铝酸四钙：10吨与碳酸钙：6吨与硫酸钙：3吨与硫酸铝：3吨与硫酸钠：3吨进行检验。经检验，确定为符合质量标准后，将各物料置放在粉碎机中进行粉碎筛选；而后，将粉碎后的各物料置人到球磨机中进行粉磨，使其达到勃氏比表面积为400m²-800m²/kg的固体颗粒状的质量标准；其次，再将其置放到均化器中进行均化使其均匀；再次，采集成品的环保型土壤固化剂样品进行测试检验，即制成110吨环保型土壤固化剂。
实施例四：当土壤为沙土或粉沙土时
生产110吨环保型土壤固化剂，其技术配方中各组分的重量份组分为：
硅酸三钙：            50           硅酸二钙：         25
铝酸三钙：              10            铁铝酸四钙：          10
矿渣：                  9             硫酸钙：              2.5
硫酸钠：                3             木质素磺酸钠：        0.5
首先，按照环保型土壤固化剂的技术配方，对所需的硅酸三钙：50吨与硅酸二钙：25吨与铝酸三钙：10吨与铁铝酸四钙：10吨与矿渣：9吨与硫酸钙：2.5吨与硫酸钠：3吨与木质素磺酸钠：0.5吨进行检验。经检验，确定为符合质量标准后，将各物料置放在粉碎机中进行粉碎筛选；而后，将粉碎后的各物料置人到球磨机中进行粉磨，使其达到勃氏比表面积为400m²-800m²/kg的固体颗粒状的质量标准；其次，再将其置放到均化器中进行均化使其均匀；再次，采集成品的环保型土壤固化剂样品进行测试检验，即制成110吨环保型土壤固化剂
实施例五：当土壤为粉土或风积沙时
生产100吨环保型土壤固化剂，其技术配方中各组分的重量份组分为：
硅酸三钙：               50               硅酸二钙：            25
铝酸三钙：               10               铁铝酸四钙：          10
硫酸钙：                 2.5              硫酸钠：              2
木质素磺酸钠：           0.5
首先，按照环保型土壤固化剂的技术配方，对所需的硅酸三钙：50吨与硅酸二钙：25吨与铝酸三钙：10吨与铁铝酸四钙：10吨与硫酸钙：2.5吨与硫酸钠：2吨与木质素磺酸钠：0.5吨进行检验。经检验，确定为符合质量标准后，将各物料置放在粉碎机中进行粉碎筛选；而后，将粉碎后的各物料置人到球磨机中进行粉磨，使其达到勃氏比表面积为400m²-800m²/kg的固体颗粒状的质量标准；其次，再将其置放到均化器中进行均化使其均匀；再次，采集成品的环保型土壤固化剂样品进行测试检验，即制成100吨环保型土壤固化剂。