低温固化:催化剂（共7篇）
低温固化:催化剂 篇1
随着社会的发展,环境污染和生态问题已经越来越受人们的重视,人们对环保型产品以及节能型产品越来越青睐,而低温固化阴极电泳涂料就是一种环保与节能共存的涂料。低温固化阴极电泳涂料以水作为溶剂,无有机物的挥发,能够有效控制污染;低温固化阴极电泳涂料烘干温度低,烘干时间短,烘干时不会产生烟及烟油,可大大降低燃料成本;阴极电泳涂料的涂料利用率高,漆料损失小,涂料的利用率可达90%—95%,而且漆膜不溶于水,无流痕、不垂滴、不流挂。这些优越性是传统的溶剂型涂料和其它浸涂、喷涂水性烘烤漆无法比拟的。由于传统的阴极电泳涂料的烘烤温度一般为170 ℃—180 ℃对于高温下烘烤易变形的材料不适合,因此近年来低温固化型阴极电泳涂料的研究已经成为阴极电泳涂料行业中最有代表性的研究方向。它不但能减少能量消耗、降低成本、减少环境污染,而且可以减少漆膜因烘烤而变色,从而提高涂膜质量。低温固化型阴极电泳涂料适用于橡胶塑料材质的零部件、汽车用钢板、铸件等。这类涂料的技术关键是寻求新型交联剂或改进固化方式,同时还要解决低温固化和槽液稳定性的矛盾[2,3,4]。目前已推出150 ℃固化的阴极电泳涂料,但对这方面的研究还不成熟,对固化温度为120 ℃—140 ℃以至更低的阴极电泳涂料的开发虽做了很多工作,但成熟的产品还不多见。开发低温固化阴极电泳涂料的技术关键是寻求新型的固化剂,开发低温固化交联剂,使树脂可以在较低温度下固化交联,但同时又要考虑在该温度下树脂的流平性[5]。
本实验通过乙二醇单丁醚作为溶剂,己内酰胺作为封闭剂封闭TDI,并将得到的产物与TMP反应得到TMP-TDI预聚体。
1 实验部分
1.1 实验试剂与仪器
TDI,分析纯,(上海化学试剂站工厂);乙二醇单丁醚,分析纯,(天津广成化学试剂有限公司);己内酰胺,分析纯,(上海埃彼化学试剂有限公司);二月桂酸二丁基锡,化学纯,(南开大学特种试剂厂);无水甲醇,分析纯,(上海埃彼化学试剂有限公司);三羟甲基丙烷,工业级,(上海埃彼化学试剂有限公司)。FTLA2000傅里叶变换型红外光,美国Nicolet公司; TGA—2050型热失质量仪, 深圳初创应用材料有限公司
1.2 实验步骤[1,7]
(1)在装有温度计、搅拌器、冷凝管的250mL三口烧瓶中加入甲苯二异氰酸酯( TDI)及少量的催化剂二月桂酸二丁基锡,将三口烧瓶置于恒温水浴槽内,温度控制在50 ℃到55 ℃之间;
(2)在50℃到55 ℃下向三口烧瓶中缓慢滴加无水甲醇、乙二醇单丁醚、己内酰胺的混合溶液,30 min内滴加完,升温到70 ℃并保温3 h。
(3)3 h后向三口烧瓶中加入定量的三羟甲基丙烷,升温至90℃并保温2 h。用二正丁胺法测定—NCO的含量,达到要求降温出料[6]。
1.3 分析方法
通过控制不同的变量利用二正丁胺法测定—NCO的含量,得出—NCO的封闭率,从而得出最佳实验条件;通过红外测试得出反应后产物种类;利用热失重法测定预聚物得解封温度。
(1) 以己内酰胺作为封闭剂,以甲苯为溶剂,分别在活性氢与异氰酸酯基团(—NCO)的摩尔比为0.9, 1.0,1.1,1.2 反应4 h,测量反应产物的—NCO质量分数,考察在活性氢与异氰酸酯基团(—NCO)的摩尔比对封闭反应速率的影响。其中反应温度为90 ℃。如图1-1。
(2) 以己内酰胺作为封闭剂,以甲苯为溶剂,NCO与OH的摩尔比为1∶1.2,分别在60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃反应4 h,测量反应产物的NCO质量分数,考察温度对封闭反应速率的影响。
(3) 以己内酰胺作为封闭剂,以甲苯为溶剂,反应温度为90 ℃时,反应时间分别为2.5 h、3 h、3.5 h、4 h,测量反应产物的—NCO质量分数,考察反应时间对TDI封闭反应的影响。
(4) 以己内酰胺为封闭剂的单组份固化剂热失重分析如图4。
2 结果讨论
(1) 从图1中可以看出,随着n(活泼H)∶n(—NCO)的不断提高,产物的封闭率也不断加大,小于0.9 时,预聚体封闭不完全;当n(活泼H) / n( —NCO) 为1. 0～1. 1时,预聚体封闭较完全;当n(活泼H) / n( —NCO) 大于1.2时,预聚体封闭完全。产物中的游离—NCO被基本完全封闭,因此,最佳的n(活泼H)∶n(—NCO)为1.2。因此,可以通过调节己内酰胺的用量来制备所需的全封闭型或部分封闭型异氰酸酯。
(2) 从图2可以看出,反应温度越高,—NCO的封闭率越高。由阿仑尼乌斯方程
可知:随着温度的升高,反应速率常数变大,反应速率也随之变大。因此,在相同反应时间内,反应温度越高,—NCO 封闭率就越高。但是, 90 ℃和100 ℃时—NCO封闭率差别不是很大,这是因为己内酰胺和异氰酸酯的封闭反应不但是可逆反应,而且是放热反应。升高温度,反应速率常数k1、k-1,都增大,在反应初期, k1 远大于k-1 ,为影响速率的主导因素,反应平衡常数K = k1 / k-1变大, 甲乙酮肟和异氰酸酯封闭反应的封闭率也就升高。但是升高温度,有利于向吸热反应即解封反应方向进行,温度升高对k1的影响变大,反应平衡常数K = k1 / k-1变小,反应的封闭率降低。所以温度升高到一定程度,再升温就有利于解封反应进行,一般封闭反应温度控制在90 ℃左右为宜。
(3) 由图3可见,在一定的反应温度下,随着反应时间的增加,TDI反应的封闭率增加, 根据封闭率与反应时间的关系式
对于同一反应来说, k’和cA 0是不变的常数,即随着时间延长,封闭率xA是增加的,也就是说己内酰胺与TDI封闭反应的封闭率是随着时间的增加而增大。但是到了一定的时间后,随着时间的增加,封闭率变化不大,表明封闭反应基本达到平衡。己内酰胺封闭TDI所需时间为4 h为宜。
(4) 封闭后产物的红外光谱分析见异氰酸酯基(—NCO)基团是异氰酸酯化合物中最具有特征的基团,此基团有三个红外特征吸收频率区域。鉴定—NCO基最有效的特征峰是在2 260 cm-1—2 280 cm-1处产生的—NCO不对称伸缩振动峰,此区域内峰的吸收强度最大, TDI的—NCO的不对称伸缩吸收峰为2 270 cm-1。在1 375 cm- 1—1 395 cm-1处和600 cm-1—650 cm-1区域中的—NCO峰的吸收强度较弱。这两个区域内的吸收峰对于—NCO鉴定价值一般不大;经红外光谱分析可知:己内酰胺封闭TDI得到的预聚物中观察不到—NCO基团在2 270 cm-1的特征吸收峰,表明体系中不存在游离的TDI,或游离TDI含量极低,封闭基本完全。
(5) 产物的解封温度及其热重分析见将上述封闭剂封闭的异氰酸酯固化剂进行的热重分析 ,得出的解封温度与红外光谱分析相符。其中己内酰胺封闭异氰酸酯固化剂的热重分析见谱图,无论是从TG曲线还是DTG曲线都可以看出当温度达到140 ℃时,开始出现失重的现象,这是因为封闭型异氰酸酯固化剂升高到一定温度,封闭剂小分子从大分子上脱落下来 ,产生失重 ,释放出—NCO基团造成失重。故己内酰胺封闭异氰酸酯固化剂的解封温度为140 ℃。
3 结论
(1) 己内酰胺与异氰酸酯的封端反应合成异氰酸酯预聚体的最佳的n(活泼H)∶n(—NCO)为1.2,最佳反应时间为4 h,最佳反应温度为90 ℃。
(2) 红外光谱显示固化剂的初始解封温度为110 ℃最佳解封温度为140 ℃时 ,解封时间为 20 min。
摘要：以乙二醇单丁醚为溶剂,己内酰胺为封闭剂对TDI进行封闭,得到单组份固化剂。通过红外测试、热失重测试对得到的单组份固化剂进行表征,探讨了在不同条件下—NCO的封闭率,进而确定最佳实验条件为n(活泼H)∶n(—NCO)为1.2,封闭反应温度控制在90℃左右为宜,反应时间为4 h。
关键词：乙二醇单丁醚,己内酰胺,TDI,单组份固化剂,红外,热失重
参考文献
[1]张春华.TMP/异氰酸酯封端反应的研究.化学与粘合,1998;(4):199—201
[2]方基祥.低温固化阴极电泳涂料的固化行为研究.涂料工业,2010;40(5):23—25
[3]周晓谦.阴极电泳涂料的研究现状及发展趋势.现代涂料与涂装,2007;10(4):45—47
[4]刘海军.环保型低温固化阴极电泳涂料的研制.电镀与涂饰,2008;27(7):46—49
[5]汪琛.ε-己内酰胺双封端异氰酸酯的合成及鉴定.北京化工大学学报,2007;34(4):432—436
[6]杨梅.降低TDI-TMP预聚物中游离—NCO含量的方法.化学工业与工程,2004;21(6):429—431
[7]丁永涛.异氰酸酯功能单体的封闭与解封闭.精细石油化工,2008;25(6):21—33
低温固化高性能复合材料技术 篇2
先进树脂基复合材料的成本构成主要包括三个方面:材料成本、设计和制造成本以及使用维护成本。据统计,在复合材料研制阶段,制造成本高达85%以上,即使在小批量生产阶段,制造成本也高达60%～70%。因此,解决先进树脂基复合材料成本过高的关键是降低制造成本[1,2,3]。而造成复合材料制造成本过高的主要原因是由于复合材料在高温固化带来的高能耗,必须应用耐高温工装模具和耐高温成型辅助材料。
通过降低复合材料的固化成型温度,可以降低复合材料固化成型的能耗,使用耐热要求低价格便宜的工装模具和成型辅助材料,从而实现明显降低复合材料的制造成本。此外,低温固化树脂基复合材料构件的尺寸精度较高,内应力低,也是复合材料提高综合性能的一个重要途径。
本文主要介绍低温固化高性能环氧复合材料和低温固化耐高温复合材料技术的发展及其应用现状。
1 低温固化高性能环氧复合材料技术
高性能环氧复合材料主要包括中温固化(120℃)和高温固化(180℃)环氧复合材料,具有优异的工艺性和力学性能,是航空航天等领域最常用的复合材料之一。低温固化高性能环氧复合材料一般是指固化温度低于80℃,但使用温度、力学性能和中高温固化环氧复合材料性能相当的一类环氧复合材料。低温固化高性能环氧复合材料目前已经初步形成系列,并已从非承力结构应用发展到承力结构应用。表1所列为国内外部分高性能低温固化环氧复合材料主要特性[1,4,5]。
1.1 低温固化环氧复合材料固化剂技术
低温固化剂是低温固化环氧复合材料技术的关键之一。一般来说,环氧复合材料的固化温度越低,预浸料在室温下的适用期就越短。由于复合材料构件制造周期较长,一般要求预浸料在室温能够有10d左右的适用期。因此低温固化环氧复合材料首先要解决的关键是低温快速固化和室温长适用期的矛盾。这就需要在室温下反应活性很低,而在固化温度(80℃以下)具有较高反应活性的低温固化剂。
低温固化剂的反应活性可以通过化学改性和物理形态控制实现调控。改性咪唑类低温固化剂是常用的低温固化剂。咪唑化合物是具有两个N原子的五元环,一个N原子构成仲胺,一个N原子构成叔胺,所以咪唑类化合物和环氧树脂反应,可以通过咪唑分子的未共用电子对进攻环氧基上的Cδ+原子,形成氧阴离子和通过咪唑分子仲胺原子上的活泼氢与环氧基发生加成反应而进行固化反应。通过对咪唑类化合物的仲胺原子上的活泼氢采用不同取代基取代,可以改变咪唑类固化剂的电负性、碱性和增大位阻效应,实现咪唑类固化剂反应活性的“钝化”,同时控制“钝化”的咪唑固化剂形成在室温下不溶于环氧树脂固体颗粒,减小反应面积,可进一步延长树脂体系的室温适用期。
酰亚胺类化合物分子结构中含有α,β不饱和酮结构,多官能度环氧树脂含有多个环氧活性基团,这两种化合物可和咪唑发生1,4加成反应,形成酰亚胺类化合物和多官能度环氧树脂“钝化”咪唑固化剂。由于酰亚胺类结构是耐热性很好的结构,多官能度环氧树脂可以提高固化物交联密度,因此酰亚胺类化合物和多官能度环氧树脂“钝化”咪唑固化剂的应用可以提高复合材料的耐热性。表2为酰亚胺类化合物和多官能度环氧树脂“钝化”咪唑固化剂的分子结构、形态和反应特性。从表2可以看到,酰亚胺类化合物和多官能度环氧树脂“钝化”咪唑固化剂可以满足室温长适用期和固化温度下快速固化的要求[1,6,7]。
微胶囊技术[1,8]也开始在低温固化复合材料领域得到应用,其基本原理是用热塑性树脂将固化剂包覆起来形成微胶囊,室温下微胶囊隔绝固化体系与环氧树脂的接触,在固化温度下热塑性树脂溶解于环氧树脂而释放出活性剂实现复合材料固化。采用微胶囊技术可有效实现低温固化和室温储存稳定性。目前采用微胶囊技术制备低温固化复合材料树脂体系,主要存在的问题仍是难以制备颗粒度小(小于5μm)的微胶囊颗粒。
双氰胺衍生物、硼胺络合物/有机酰肼类、有机酸酐、脂肪胺类和芳香类等都可以作为低温固化环氧树脂的固化剂使用,但也往往需要进一步改性,或添加相应的促进剂或催化剂等[1,9,10,11]。
1.2 低温固化环氧复合材料的固化特性和性能
低温固化环氧复合材料的固化特性明显不同于常规复合材料。低温固化环氧复合材料一般在低温下固化,达到一定固化度后在自由状态下进行后处理,获得最终性能。因此了解低温固化复合材料的固化特性对于制定复合材料构件的成型工艺参数是非常重要的。
图1是LT-03低温固化复合材料树脂基体在不同固化温度下固化度随时间的变化情况。从图1可以发现,对于LT-03低温固化复合材料,在经历75℃/5h,80℃/3h或85℃/2h后,固化度可以达到0.75～0.80,复合材料具有了一定的强度和刚度,可以进行脱模操作和在自由状态下进行后处理[1]。
图2是LT-03低温固化复合材料体系固化度和玻璃化转变温度之间的关系。从图2可以看到,LT-03低温固化复合材料固化度可达到0.75～0.80,玻璃化转变温度可达到100℃左右。为了保证自由状态后处理时构件不变形,应该控制在后处理升温过程中其处理温度始终低于复合材料的玻璃化转变温度。
图3是在后处理过程中不同升温速率下LT-03复合材料玻璃化温度的变化。当后处理过程中升温速率低于0.2℃/min时,LT-03低温固化复合材料的玻璃化转变温度提高的速率大于或等于后处理温度的升高速率,在这样的后处理条件下,构件在自由状态下后处理不会发生明显的变形。过快的升温速率会使后处理温度高于复合材料的玻璃化转变温度,导致在自由状态下后处理的复合材料构件发生严重变形。
表3为不同低温固化环氧复合材料的主要力学性能,从表3可以看到,低温固化环氧复合材料的力学性能达到和中高温固化环氧复合材料相当的水平。
复合材料构件固化变形除了和铺层与结构对称性有关外,树脂和增强材料的热膨胀不匹配是引起变形的重要因素。低温固化复合材料的应用可以明显降低复合材料构件的固化变形。表4是不同固化温度下不对称铺层复合材料平板的固化变形情况,由表4可以看出,在其他条件相同的情况下,高温固化复合材料体系的变形比中温固化复合材料体系的变形大,低温固化复合材料体系的变形最小。因此,低温固化复合材料尺寸稳定性最高,特别适宜制造大型或高尺寸精度复合材料构件。
Note:a)LTM45-1 resin was developed by ACG;b)5228A and 3234 are high temperature epoxy and middling temperature cure resin systems, respectively.
2 耐高温低温固化复合材料技术
耐高温复合材料在航空发动机、高超声速飞行器具有广泛的应用前景。目前得到应用的耐高温复合材料主要是PMR聚酰亚胺复合材料。耐高温聚酰亚胺复合材料存在的主要问题是固化温度高(300℃以上)、成型压力大和工艺窗口窄,因此耐高温聚酰亚胺复合材料构件成型必须在高温高压罐中进行,设备投资大、能耗高、合格率低。通过设计和合成新的分子结构降低固化温度,改善工艺性是耐高温树脂基复合材料扩大应用的关键。本文主要介绍低温固化但可在高温环境长期使用的新型聚酰亚胺复合材料。
为了降低聚酰亚胺复合材料的固化温度,Gulf Oil公司研制了牌号为Thermid 600的乙炔封端聚酰亚胺,树脂化学结构见图4。Thermid 600树脂基复合材料可以在较低的温度下固化,具有较好的力学性能,长期使用温度达到288℃。存在的问题是工艺性差:树脂溶解性不好,凝胶时间短、固化工艺窗口窄。
为了改善复合材料的工艺性,采取的措施之一是引入异酰亚胺结构,商业化的树脂牌号为Thermid IP-600,分子结构如图5所示。Thermid IP-600与Thermid 600树脂性能的对比分析表明,与酰亚胺结构相比,异酰亚胺结构不仅能提高树脂低聚物在溶剂中的溶解性,而且还使树脂低聚物具有更低的熔融温度和更低的熔体黏度,树脂的工艺窗口可以增加到约30min,但对于大型或复杂的复合材料制件其工艺窗口仍然不够。
为了进一步改善乙炔封端聚酰亚胺树脂和复合材料的工艺性与耐热性能,设计合成了以非对称联苯二酐和非对称二胺为单体的异酰亚胺低聚物LH300,分子结构如图6所示。LH300树脂在N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、丙酮中都具有良好的溶解性,树脂低聚物熔融温度为120℃,120℃时的熔体黏度为2000mPa·s,固化温度为200℃,工艺性较Thermid IP-600乙炔封端聚酰亚胺有进一步的改善。
图7是LH300树脂固化物分别在氮气和空气中的热失重试验结果,由图7可以看到树脂固化物在氮气中达到5%失重时的温度在460℃以上,而在空气中失重达到5%的温度在450℃以上,表明LH300乙炔封端聚异酰亚胺树脂体系具有良好的耐热性和高温稳定性。
以G803和G827碳布作为增强材料,分别制备了LH300/G803和LH300/G827复合材料,复合材料在200℃预固化,经300℃后处理后玻璃化转变温度为358℃,力学性能优异(见表5)。为考察复合材料的热老化性能,测试了树脂、纤维和复合材料在300℃空气中老化100h后的失重结果如图8所示。由图8可以看到,LH300树脂粉末在老化过程中失重呈现平缓和连续的变化,老化100h后失重达到4%,而LH300/G803和LH300/G827两种复合材料的失重则较小,300℃老化100h后失重分别为1.24%和1.26%,说明复合材料具有良好的高温稳定性。
3低温固化复合材料在航空领域的应用[1,12,13]
低温固化复合材料从20世纪80年代开始得到了推广应用,最初主要应用于复合材料工装和汽车领域,20世纪90年代早期,低温固化复合材料开始应用于航空结构件。1996年,NASA和麦道公司采用LTM10低温固化复合材料制造了X-36无人战斗机蒙皮。1998年,AWV采用LTM45低温固化复合材料研制了X-34的机翼,机翼长度8.5m左右,构件面积超过20m2,质量达到680kg。
SCHIEBEL 公司分别采用MTM49和LTM212低温固化复合材料制造了COMCOPTERS-100 UAV的机身蒙皮和复合材料成型模具。AESIR公司使用MTM28中低温固化复合材料制备该公司的ODIN,HODER和VIDAR等垂直起落(VTOL)UAV的机身。美国加州的SWIFT Engineering Inc采用LTM12低温固化复合材料制备KILLER BEE 和FIRE SCOUT UAV构件。
2009年6月,美国空军研究试验室和洛马公司联合完成了“先进复合材料货运飞机”(ACCA)的首次验证飞行。ACCA是基于道尼尔328J飞机经过升级改造而来,其主要变化包括采用先进低温固化复合材料制造机身尾段和垂尾。道尼尔328J原本有3000个金属零件和30000个紧固件,洛马公司在ACCA上减少了近90%,只用了300个金属零件和不到4000个紧固件。如果这项计划能达到预期目标,将可能在未来10年内对航空制造业产生革命性影响。
除了航空航天复合材料结构件和模具构件外,低温固化复合材料在汽车和舰船等领域也得到较广泛应用。如福特MUSTANG汽车50%的外部和内部结构采用低温固化LTM26EL预浸料制造,包括引擎盖、前格栅板、前后底裙、后尾灯板、顶部侧板等。RIBA、C-QUIP公司、JEREMY ROGERS游艇公司、TREND海上用品公司等多家单位应用低温固化复合材料制备了海上游艇的梯子、桅杆、壳体等多种结构,应用十分广泛,如ERICSSON3和ERICSSON4赛艇以及IRC60轻舟就是采用VTM264预浸料制备桅杆、船体和甲板。VTM267FRB已经得到许可应用于搜救工作飞行器结构中。
国内低温固化复合材料同样得到一定的应用。LT-01低温固化复合材料已经用于制造大型飞机复合材料腹鳍、歼击机S型蒙皮、卫星百叶窗和反射镜等,LT-03A低温固化复合材料已经应用于直升机和无人机构件。和采用中温固化复合材料相比,低温固化复合材料腹鳍制造成本降低26%,低温固化无人机复合材料副翼制造成本降低42%。LT-02低温固化模具材料成功应用于高结构效率的新型复合材料模具结构,成功制备了刚度高、质量轻的无人机复合材料机翼盒段成型模具。
4 结束语
低温固化高性能复合材料技术具有如下优点:1)制备构件时可以使用低成本工装模具;2)适于制备大尺寸复合材料构件,尤其是低温真空压力成型体系,无需使用热压罐,复合材料构件的尺寸可以不受热压罐大小的限制;3)固化温度低,复合材料构件尺寸变形小,可明显提高复合材料构件的尺寸精度;4)低能耗。由于固化温度低,尤其是低温真空压力成型复合材料,不使用热压罐,能耗降低。
低温固化高性能复合材料在军民两用领域具有良好的应用前景。低温固化高性能复合材料技术进一步的发展方向:1)加强已有低温固化高性能环氧复合材料的扩大应用,充分发挥低温固化高性能环氧复合材料的性能优势和成本优势,加强其在无人机、直升机、通用飞机以及汽车和舰船领域的应用;2)除低温固化高性能环氧复合材料外,重点发展低温固化耐高温复合材料及其应用技术,扩大低温固化复合材料的应用领域,实现低温固化耐高温复合材料在航空发动机等领域的应用;3)进一步提高低温固化复合材料的性能以及发展和低成本制造技术相匹配的低温固化复合材料技术,进一步提高低温固化高性能复合材料的应用效能。
摘要：主要综述了低温固化高性能环氧复合材料技术和低温固化耐高温复合材料技术的发展及其应用现状。对于低温固化环氧复合材料,主要介绍了环氧复合材料的低温固化剂技术、低温固化环氧复合材料固化特性、力学性能和低温固化环氧复合材料的应用等。对于低温固化耐高温复合材料,主要介绍了可在高温环境下长期使用的低温固化聚酰亚胺复合材料。
浅析新型筑路材料土壤固化剂 篇3
新型筑路材料土壤固化剂材料是筑路工程的物质基础, 其质量的把关和控制, 关系到建筑物的安全性、适用性、耐久性和经济性等, 这种材料的质量把关, 需要满足以下几方面的要求。
(1) 安全性要求。新型筑路材料土壤固化剂材料的安全性特征, 表现为材料能够达到一定的强度标准, 具备足够的抗变形等能力, 譬如路基施工, 为了满足道路承载力施工需求, 必须具备足够的强度。
(2) 适用性要求。新型筑路材料土壤固化剂材料用于建筑施工当中, 在道路竣工之后, 将为人们营造良好的道路交通环境, 因此, 通常会提出新型筑路材料土壤固化剂材料提出各种性能要求。
(3) 耐久性要求。道路筑工程一旦竣工, 必须满足在长时间交通荷载环境中, 具备一定抗压强度环境中长时间使用, 并应对各种环境灾害问题的能力, 正面要求新型筑路材料土壤固化剂具备一定的耐久性。
从新型筑路材料土壤固化剂的质量要求可以看出, 新型筑路材料土壤固化剂的质量把关将关系到道路的安全使用, 如果材料的质量不过关, 不仅无法实现道路的功能要求, 而且可能危及人们的生命财产安全。
2 新型筑路材料土壤固化剂质量的把关思路
新型筑路材料土壤固化剂的质量把关, 是一项复杂的工程任务, 我们必须在确定质量控制目标的基础上, 制定质量把关的标准和方法, 并按照质量控制的基本程序, 形成对材料质量的科学控制思路。
2.1 质量把关的目标
进场之后, 要根据规定检查合格证书和技术说明文件, 及时试验和检验新型筑路材料土壤固化剂材料的性能是否符合规范要求, 譬如通过抽查检验, 确保材料的质量等级与合同的附属说明一致, 或者不会存在太大的差距。在此基础上, 加强材料的存储、使用等质量管理, 在施工作业之前, 根据材料的计划方案严格审核其供应计划, 并做好相关的备案工作, 藉此制定相应的质量管理程序和制度, 以便在采购、存储、使用等过程中进行质量把关。另外在工程进行的过程中, 材料要合理应用, 包括类型的甄选和数量的控制等, 这些都是材料质量把关的关键性目标内容。
2.2 质量把关的标准
新型筑路材料土壤固化剂材料的质量把关, 要求围绕工程的设计方案要求进行, 如果设计规范对材料的质量没有特殊要求, 则要以国家的相关规范文件为准。一方面是坚决不使用质量不过关的新型筑路材料土壤固化剂, 不得出现违背质量控制标准的情况。另一方面考虑到新型筑路材料土壤固化剂具有等级要求, 必须达到该等级的最低质量标准, 譬如公路桥梁施工的材料强度要求具有很大的差别, 如果将质量等级较低的新型筑路材料土壤固化剂混用, 将被视为违背质量控制标准的表现。
2.3 建设质量检测系统
随着各种新型建筑材料的推出, 材料的种类越来越多, 性能越来越复杂, 单单依靠传统的检测仪器、手段和方法, 是很难全面满足材料检测需求的。为此, 我们需要尽快建设和完善材料的质量检测系统, 对相关的工程检测管理软件功能进行完善, 提高检测的效率。关于材料质量检测系统功能的开发, 作者认为一方面要能够将各级工程质量控制的标准体现出来, 这一点可以参考质量监督管理部门所提供的检验项目数据, 其中包括各种类型材料的质量基本标准和不合格的基本依据, 并以信息系统的渠道及时更新这些数据信息, 另一方面是将每项材料检测的信息进行详细登记, 包括工程名称、材料类型、材料数量、检测过程、检测结果等, 然后通过信息渠道共享处理。
2.4 进场的质量检测
新型筑路材料土壤固化剂在进场的时候, 需要进行严格的质量检测, 需要由建设单位、监理单位和施工单位共同配合进行检测, 主要检测的内容是新型筑路材料土壤固化剂的型号、尺寸、数量、性能等是否符合规定要求, 检测的方法是将检查的结果和材料质量证明文件一一对比, 常见的检测方法有普通送检、取样送检、监督抽检等。作者认为材料第一次检验经常采用取样送检方法, 但这种检测方法可能会存在漏洞。因此, 需要在监理单位、施工单位、建设单位的共同见证下, 进行重新取样复检。在检测的过程中, 如果发现存在质量问题的新型筑路材料土壤固化剂, 要禁止进入施工现场, 由建设单位、监理单位和施工单位共同签字, 然后就地封存处理。材料进场的抽样检测, 除了要控制取样的数量, 还要重视取样方法, 以免造成检测偏差。因此, 取样的样品要具有代表性, 以准确检测出材料质量性能。
2.5 进场后质量检测
施工现场的新型筑路材料土壤固化剂材料, 在使用之前必须进行复检, 一方面是存储材料的质量检测, 根据新型筑路材料土壤固化剂材料首次检测的质量报告, 检查报告的内容是否真实, 并根据材料存储状况, 分析材料是否存在受到外界不良因素影响的风险, 譬如堆放是否合理, 材料防护措施是否到位, 专人管理是否科学等。另一方面是新型筑路材料土壤固化剂材料使用之前的质量检测, 即将投入施工的材料, 要进行简单的抽样检测, 如果发现材料质量出现隐患, 要进行更换处理。新型筑路材料土壤固化剂材料的质量控制方法由材料试验、验收、管理等方法组成, 首先是材料使用之前, 对材料的质量要求进行规定, 并制定严密的采购和供应计划, 以确保材料能够在规定的时间内容按质按量供应。其次是材料的试验, 需要利用各种先进的技术手段, 检测材料的技术性能, 以此推断出材料的质量水平, 并出具可靠的试验结果;再次是材料的验收, 包括检查材料的品种、规格、强度等, 这是比较直观的质量把关方式, 譬如数量和外观质量的检验, 通常是在检查产品合格证和技术说明书的基础上, 试验和检验材料, 以防变质或者性能不符合要求的材料进入施工现场。最后是材料进场之后的控制管理, 尤其是在保管方面, 要确保材料的质量不会出现变化。
3 结束语
综上所述, 新型筑路材料土壤固化剂的质量把关将关系到道路的安全使用, 如果材料的质量不过关, 不仅无法实现道路的功能要求, 而且可能危及人们的生命财产安全, 其质量的把关和控制, 关系到建筑物的安全性、适用性、耐久性和经济性等, 这种材料的质量把关, 需要满足“安全性要求、适用性要求、耐久性要求”, 必须在确定质量控制目标的基础上, 制定质量把关的标准和方法, 并按照质量控制的基本程序, 形成对材料质量的科学控制思路。文章通过研究, 基本明确了新型筑路材料土壤固化剂材料的控制方法, 其他材料质量控制工作可藉此作为参考借鉴, 但考虑到不同材料用途和性能的差异性, 以上方法在实际工程中, 需要紧扣工程的具体情况, 予以灵活地参考借鉴。
摘要：道路工程质量的控制工作, 材料质量的把关起到了关键性的作用, 其中新型筑路材料土壤固化剂的应用, 是在生产材料之后, 在投入工程施工之前对其质量进行严格控制, 以便为工程施工提供有利的条件, 新型筑路材料土壤固化剂材料质量的控制, 包括材料的采购、加工、检验、堆放、保管、使用等工作步骤, 具有很强的专业性要求。文章将在分析新型筑路材料土壤固化剂材料质量控制必要性分析的基础上, 从各个角度探讨如何把关这种材料的质量。
关键词：筑路工程,新型材料,土壤固化剂
参考文献
[1]陈亚沛, 邢艳如.浅谈土壤固化剂的固化原理及工程应用现状[J].科教导刊:电子版, 2013 (10) :129.
[2]任永强.筑路工程用土壤固化剂的研究进展[J].甘肃科技, 2006 (8) :185-188.
[3]朱伯存.新型筑路材料土壤固化剂[J].城市管理与科技, 2003 (2) :82-83.
[4]陈实, 陈印.新型道路固化剂的分析与应用[J].华东公路, 1998 (4) :68-70.
生物酶土壤固化剂应用分析 篇4
1 材 料
1.1 试验用土
试验时,在距地表1.5～3.0 m范围内取得试验用土,土样颜色略呈黄色,文献[2]中对它的物理、化学性质的各项指标进行检测,分析结果如表1所示。
1.2 水泥
试验选用天鹅牌P.O32.5#普通硅酸盐水泥,各项物理及力学指标如表2所示。
1.3 固化剂
试验时土壤固化剂选用生物酶固化剂——派酶固化剂,由美国生产。
2 试验方案和试验方法
2.1 试验方案
保持土质不变,研究派酶固化剂用量对加固土力学性能的影响,采用正交试验优化设计法进行各因素及水平的组合(见表3)。
2.2 试验方法
采用压实法对试件进行成型处理。按照重型击实标准来确定最佳含水量以及最大干密度(见表4)。
3 力学性能评价
3.1 无侧限抗压强度
随着剂量的增加,各种配比的被加固土7 d无侧限抗压强度均有一定幅度的升高(见图1),在不改变水泥剂量的情况下,将派酶用量不断提高,被加固土的强度则表现出先期随派酶用量增加而增加,而后反而随派酶用量增加而降低。
3.2 抗拉强度
容许拉应力是路面设计的主要控制指标,结构设计时材料抗拉强度不易直接测试,通常由试验得出劈裂强度和抗弯拉强度来代替。
3.2.1 劈裂强度
如图2所示,派酶加固土劈裂强度较高,水泥剂量不变,随着派酶剂量的增加,劈裂强度逐渐提高,当剂量达到0.05%后,派酶加固土劈裂强度随剂量增加反而呈下降趋势。
以上试验数据可以看出,掺入派酶土壤固化剂的水泥加固土的间接抗拉性要优于普通的水泥加固土,并存在一个最佳用量。
3.2.2 抗弯拉强度
抗弯拉强度的测试在电液压伺服材料试验机上进行,加载方式为三分点加载。
如图3所示,保持水泥剂量不变,派酶用量在0.05%最佳用量时,被加固土的抗弯拉强度达到最大值,相比较未掺派酶的加固土,抗弯拉强度最小,因此,可以得出这样的结论,派酶固化剂可提高被加固土的抗弯拉强度。
3.3 派酶加固土的模量
3.3.1 抗压回弹模量
对6%水泥剂量的派酶加固土试件进行抗压回弹模量试验。养生龄期分别为7 d和90 d,试验前将试件饱水24 h。试验试件抗压回弹模量的测试使用路基路面材料强度试验系统,试验中加载板的计算单位压力采用0.6 MPa(见图4)。
试验结果可知,派酶用量为0.05%时,养生龄期为7 d时,被加固土的抗压回弹模量为372 MPa;派酶固化剂用量为0.1%时,相同龄期试件的抗压回弹模量为366 MPa,而同龄期普通水泥加固土抗压回弹模量为343 MPa,随龄期增长,对比7d养护龄期的抗压回弹模量,两种派酶用量(0.05%和0.1%)在90 d养护龄期时的抗压回弹模量分别提高了88%、89%,分别达到701 MPa、679 MPa与同龄期没有掺入派酶的加固土(仅加入普通水泥)相比,90 d抗压回弹模量提高了70%。通过对比分析可知,派酶固化剂可提高土体的抗压回弹模量,并能够增强路面结构层的强度。
3.3.2 抗弯拉模量
通过对水泥混凝土抗弯拉弹性模量进行测试(间接获得抗弯拉模量),试验时将千分表固定在试件跨中截面,测试跨中挠度。
抗弯拉模量试验结果表明(见图5),水泥剂量对派酶加固土抗弯拉模量影响较大,6%水泥剂量的3组试件的抗弯拉强度比4%水泥剂量的试件分别提高了836 MPa、913 MPa、1 029 MPa;保持水泥用量不变,0.05%的派酶用量使得被加固土抗弯拉模量最高,由此可知,派酶固化剂对加固土的抗弯拉模量有一定影响。
4 结束语
派酶固化剂对加固土的无侧限抗压强度、抗弯拉性能、抗压及抗弯拉模量都具有较大影响,派酶固化剂剂量为0.05%时是最佳用量,可作为公路基层材料使用。
摘要：在不改变土质条件的前提下,通过无侧限抗压、劈裂、抗弯拉强度以及抗压、抗弯拉模量等试验,分析不同派酶剂量对加固土力学性能的影响,并提出合理的配比。研究表明,派酶土壤固化剂对被加固土的无侧限抗压强度、抗弯拉性能、抗压及抗弯拉模量等方面的力学性能都有较大影响,试验得出的最佳派酶固化剂掺量为0.05%。
关键词：派酶固化剂,加固土,力学性能,最佳掺量
参考文献
[1]邓学钧.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2004.
[2]中华人民共和国行业标准.JTG E40-2007公路土工试验规程[S].北京:人民交通出版社,2007.
[3]高大钊,袁聚云.土质学与土力学[M].北京:人民交通出版社,2002.
[4]程培峰,李国栋.正交设计在加固土试验研究中的应用[J].低温建筑技术,2008,2(3):72-73.
[5]中华人民共和国行业标准.JTJ057-94公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京:人民交通出版社,1994.
[6]中华人民共和国交通部.JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].北京:人民交通出版社,2005.
土壤固化剂的作用机理及应用现状 篇5
随着社会的不断发展, 各行业的工程建设需求也越来越大, 而传统的工程建设需要大量的自然资源, 炸山碎石、挖河采砂, 不仅破坏了自然环境, 而且原有的砂石材料已经远远不能满足日益增长的工程建设的需求。这造成了严重的自然环境破坏、资源大量投入且浪费严重、社会生存环境质量下降, 工程建设的快速增长使整个社会付出了太多的代价。节约资源、保护环境成为世界各国共同关心的重大课题。
土壤固化剂是由多种无机材料或有机材料经过一定的生产工艺处理后, 用以固化各类土壤的新型工程材料。对于需加固的土壤, 根据不同土壤的物理和化学性质, 只需掺入一定量的固化剂, 经拌匀、压实处理, 即可达到需要的性能指标。20世纪70年代, 美国等发达国家对土壤固化技术进行了深入的研究开发, 逐步替代了单一的石灰、水泥、粉煤灰的固化材料, 成为一种覆盖胶体化学、表面化学、力学结构理论等学科的高新技术产品, 现在在国外已大量应用于公路、水利工程、机场跑道等领域。由于土壤固化剂固化土具有就地取材、施工工艺简单、工程造价低等方面优点, 并且可以大幅度提高土壤的抗压强度, 经济效益和环境效益显著, 被美国《工程新闻》称为20世纪的伟大发明创造之一。本文介绍了土壤固化剂的种类、作用机理, 土壤固化剂的制备研究现状以及对土壤固化剂未来的展望, 并提出几点建议, 为今后土壤固化剂的研究推广提供参考。
1 土壤固化剂的种类
土壤固化剂依据不同的作用机理可以分为:生物酶类和化学类。其中生物酶类土壤固化剂是一种由有机质发酵而成的高科技液态复合酶制品, 可以通过生物酶素催化土壤固化、改变土壤结构, 经压实后产生一定的强度。化学类土壤固化剂是目前使用较多的一类土壤固化剂, 其中包括无机化学类、有机化学类和离子类。无机化学类固化剂是通过石灰、水泥、粉煤灰和矿渣等无机材料, 加一些激发剂 (各种酸碱类、硫酸盐类或其他无机盐) 配制而成, 固化土的性能比较稳定, 由于使用了一些工业废料, 还具有环保和节能意义。有机化学类固化剂多为液体, 一般通过离子交换原理或材料本身聚合来加固土壤, 如改性水玻璃类、环氧树脂和高分子材料类。离子类固化剂是一种由多个强离子组合而成的化学物质, p H值为强酸性, 此类固化剂对土壤有较强的选择性和针对性, 不适用p H值大于7.5的碱性土壤。
2 土壤固化剂的作用机理
2.1 生物酶类土壤固化剂作用机理
通过生物霉素的催化作用, 经外力挤压密实后, 使土壤中有机和无机物质以较快的速度产生密实的、坚硬的结构层, 土壤结构变得紧密从而产生屏蔽作用, 防止水分的蒸发, 降低土壤的膨胀系数, 从而形成牢固的不渗透性结构。
2.2 化学类土壤固化剂作用机理
2.2.1 无机类土壤固化剂作用机理
(1) 胶凝材料的水解与水化反应。固化剂中的凝胶材料在水作用下产生各种化学反应生成凝胶状的水化物, 如水化硅酸钙、水化铝酸钙或氢氧化钙, 包围土壤颗粒, 在这些水化物中有的自行继续硬化形成骨架, 有的与土颗粒作用生成络合物, 最终相互连接形成稳定的空间网状结构, 从而增强土粒间的粘结强度和稳定性。
(2) 离子交换和中和反应。土壤中矿物的粒子表面带有负电子, 粒子之间处在互相排斥的状态下, 固化剂与水作用后产生的Ca2+、Mg2+或Al3+能与土胶粒吸附层中的Na+、K+离子进行交换, 并且中和土壤中的负电荷, 从而降低土胶粒ξ电势, 减薄土胶粒双电层的厚度, 使土颗粒相互靠近产生凝聚, 如图1。
(3) 土壤固化剂的组分与土壤颗粒的火山灰反应。固化剂与土壤混合后, 反应生成含32个结晶水的钙矾石针状结晶体 (3Ca O·Al2O3·3Ca SO4·32H2O) , 将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。这种水化反应生成的结晶体使材料的体积增加, 它有效地填充土团粒间的孔隙, 使固化土变得致密起来。此外, 钙矾石晶体为针状, 它交错穿插于土团粒中, 起“显微加筋”的作用, 增加固化土的强度。
2.2.2 有机类土壤固化剂作用机理
其原理是在常温、常压条件下通过催化剂催化和引发剂引发, 使有机高分子在土中发生聚合或者缩聚反应, 形成网状或空间结构, 从而把土壤颗粒胶结在一起, 并且填充土中孔隙, 由于反应后的高分子的极性大大小于水的极性, 从而把土壤中的水排出, 通过外力辗压形成密实的整体, 具有一定的强度和水稳性;或者通过高分子自身的空间网络结构的特点, 充分利用高分子末端大量的活性羟基或羧基等官能团与土壤颗粒表面基团络合, 并发生物理化学反应将土壤粘结成网络状的结构整体, 提高其强度。
2.2.3 离子类土壤固化剂作用机理
离子类固化剂是由多个强离子组合而成的化学物质, 具有很好的化学稳定性和强大的离解能力。其利用强离子来破坏土壤颗粒表面的双电层结构, 减弱土壤表面与水的化学作用力, 并且从根本上改变土壤颗粒的表面性质, 将土体的亲水性永久地改变为疏水性。离子类土壤固化剂溶于水后会迅速离子化, 释放出大量氢离子, 随着和土壤中水混合, 氢离子浓度下降, 氢离子浓度的减少能够有效地促进土壤中粘土矿物结构中其他离子的渗透, 该反应在一定程度上受钠离子和钾离子亲和力驱动。在粘土晶格中, 环状阴离子和铝离子反应导致晶格结构的解体, 成为带氢离子粘土, 氢离子和土壤晶格中的铝离子进一步交换形成铝离子粘土, 强度进而得到提高。由于氢离子不和较弱的钠离子和钾离子交换, 粘土就不能够在恢复到其初始状态, 从而促进土壤固化的稳定。
3 土壤固化剂的制备研究以及工程中的应用
3.1 国外土壤固化剂的制备研究以及工程应用
20世纪70年代, 国外由于工程建设的需要, 开始对土壤固化剂进行深入的研究。Nene等[1]科学家, 通过研究自然界白蚁用粘土的固化筑巢技术, 提出了岩土昆虫类土壤固化剂概念。Zalihe等[2]用粉煤灰和石灰来加固含有石灰质的膨胀性粘土。Tomohisa等[3]提出用混凝土粉末、纸渣灰、粉煤灰和具有活性的粘土, 可以提高淤泥的固化强度, 其中掺粉煤灰的固化强度提高最大。Kamon等[4]的研究表明用Fe2O3工业废渣和熟石灰加固土壤时, 掺入适量的含铝煤泥可以提高固化土的早期强度。Merritt公开了一种由硫酸和柑橘植物油通过化学反应合成的液体固化剂的专利[5], 其掺量为干土重的0.01%时, 28d抗压强度达3.65MPa。Attom等[6]报道用550℃燃烧过的橄榄废弃物, 可以作为一种新的土壤固化剂。Sivapullaiah等[7]认为在粉煤灰中加入活性硅粉可以提高固化土的无侧限抗压强度。Sivapullaiah P.V.等[8]研究表明, 用20%的膨润土和1%水泥或者石灰, 可以提高印度红壤的抗压强度, 掺水泥固化土的早期强度增长显著, 掺粉煤灰固化土的后期强度增长显著。
目前工程已应用的产品有:美国开发研制的ISS2500电离子稳定剂 (俗称固路宝) , 是一种水溶剂, 呈棕黑色, 具粘滞性, 密度为2.2g/cm3, p H值约为1.25;美国国际酶制品有限公司研制的"帕尔玛土壤固化酶"是一种棕色、无菌的液态复合生物酶浓浆, 用来催化土体固化反应, 改变粘土原有的结构, 是一种高效的生物酶类固化剂;美国C.S.S公司生产的EN-1道路固化剂, 由强氧化剂、强溶解剂和分散剂组成。具有不挥发、不可燃, 稀释后安全、环保的特点。通过激发土粒活性、胶结、离子交换作用, 增强土粒间的吸附力, 减少孔隙, 固化土体强度可提高40%~60%;CBR PLUS North America Inc.生产的CBR PLUS固化剂, 是深褐色粘稠状浓缩液体, 具有无腐蚀、无毒、环保的特点。它在粘土表面生成油状层, 与土粒表面形成化学键, 固定具有高移动性的离子, 通过离子交换, 使土粒中的吸附水慢慢排出, 能永久改变粘土的亲水性, 碾压后形成致密土体。另外, 由加拿大开发研制的Road Packer Plus通过离子交换作用加固粘土, 使土体密实, 含水量降低, 永久改变粘土的亲水性。
3.2 国内土壤固化剂的制备研究以及工程应用
20世纪90年代起, 我国也开始研制土壤固化剂, 徐渊博等[9]采用高分子表面活性材料进行土壤固化的研究, 研制出的PAMCATS土壤固化剂能大幅增加土的无侧限抗压强度和路基填料强度 (CBR值) , 具备良好的水稳定性, 具有推广价值。Wu Chao[10]对水玻璃和Ca Cl2现场加固软基土体进行了研究。罗逸等[11]研制出了一种以含N有机阳离子化合物为主要成分的膨胀土稳定剂 (简称:H24) , 对膨胀土的膨胀性具有较强的抑制作用, 并可能具备工程应用价值。郭印[12]通过单掺试验, 研究了水泥、苛性钠、三乙醇胺、高效减水剂FDN、水玻璃、生石膏、高锰酸钾和生石灰等添加剂, 对淤泥质土固化效果的影响。唐明等[13]研究了新型ASC土壤固化剂在道路底基层的应用, 其以水泥、高钙粉煤灰、石灰和活性激发剂作为原料, 复合出新型ASC土壤固化剂, 有利于公路底基层抗压强度、抗冻融性、承载能力等性能的提高。梁文泉等[14]研制了一种由特殊二氧化硅及活性铝、铁等组成的灰白色粉末状无机胶结材料-GA新型土壤固化剂, 其能固结粘土、淤泥、工业废渣以及粉砂、风化砂等。刘顺妮等[15]对石灰固化土的外加剂进行了研究, 认为Na2SO4、石膏和Al2 (SO4) 3对稳定石灰土有较明显的增强效果。黄晓明等[16]以石灰、矿渣、水泥等一种或几种互配物作主固化剂, 选用马来酸、胡马酸、碳酸钠、氟化钠、氢氧化钠、硫酸铝钾、三乙醇胺和胺基磺酸盐等为助固化剂, 配制了一种TR型土壤固化剂, 具有良好的路用性能。蔡晓凌等[17]在汤河水库库区道路中用ASC土壤固化剂替代水泥体现出了其巨大的优越性, 取得了良好的经济、环保效益。黄雨等[18]以广州某软土地基处理工程为基础, 研究了水泥和石膏对软土的固化效果, 结果表明适量加入石膏可以大幅度提高软土的固化强度。此外, 北京亿路特通新材料有限责任公司公开了一种由浓硫酸或浓盐酸、硫酸钠、磺酸盐、早强剂、硫酸铁或氯化铁、YW型氟类表面活性剂混合制备而成的土质固化剂专利, 其便于路基路面施工, 各项技术指标均达到国家规定的标准[19]。
目前工程已应用的产品有:交通部公路科学研究所开发的NCS系列固化剂, 由石灰、水泥和含硫、铝、钙的无机添加剂组成, 其固化后具有较强的吸水性, 较好的水稳性;沈阳毓泰环保应用技术有限公司开发的SC系列固化剂, 由水泥、石灰、粉煤灰和无机添加剂组成, 其固化后早期强度高, 水稳定性好;辽宁北四达无机复合材料有限公司开发的PSS系列固化剂, 由水泥、石灰、粉煤灰、石膏和激发剂组成, 其固化后早期强度高, 后期强度大, 水稳性良好;四川省青神县天马公路公司开发的QJ型固化剂, 由水泥、石灰、羧基化合物和氨基碘酸类高聚物组成, 其固化后有较好的物理力学性能和抗冻融能力;大连麦克文化学有限责任公司开发的168麦道固化剂, 由碱金属和碱土金属等各族元素组成的无机系统化合物, 其对各类土壤均能固化, 性能可靠;武汉理工大学硅酸盐工程研究中心开发的SGL无机结合料, 由矿渣、氟石膏、石灰和少量碱性激发剂组成, 其固化后早期强度高, 后期强度增长快, 对各种土料适应性强;湖南路捷能源科技有限公司开发的土固精 (Toogood) , 是一种离子类土壤固化剂, 性能优异, 经济效益和环境效益显著。
4 建议与展望
如果能在工程建设中直接取用地球上最经济、来源最广泛的工程材料“土壤”, 就可以大大节省砂石的用量, 保证了国家工程建设的发展需要的同时, 由于减少了砂石用料, 也就减少了对自然资源的破坏开采, 对自然生态环境起到了保护作用, 同时减少对良田土地资源的严重破坏。
土壤固化剂可以快速而显著地改变土壤的物理力学性能, 使之具有工程特性的相对强度高、收缩量小、颗粒间空隙减小、压实度高、不会出现“再次泥化现象”。由于固化剂加固土是利用就地取材的工程材料“土”, 作为主要建筑材料, 然而土的开采和加工都比较容易, 且就地取材不需要长途运输, 因而采用土壤固化剂加固土在技术上和经济上都具有重要的意义。以下是几点建议:
(1) 加强对土壤固化剂基础理论和固化机理的研究。为制备高性能土壤固化剂打下坚实的理论基础。
(2) 土壤固化剂的研制应具有针对性或兼容性, 应针对于不同地区、不同气候条件制备特种高强耐久型土壤固化剂, 或者制备可以应用于各种土壤的万能型土壤固化剂。
(3) 加强对固化土的性能和固化剂施工工艺的研究, 促进多学科联合, 进一步拓展土壤固化剂的应用领域。
603消光固化剂干燥收料技术 篇6
旋转闪蒸干燥机广泛适用于化工、医药、建材、食品等行业的颗粒、粉状、膏糊状和滤饼状假团聚物料的分散和干燥。具有占地面积小、能源消耗低、热效率高可连续大批量生产的优点。在实际生产过程中, 603消光固化剂由于本身物料特性, 生产中十分容易堵料, 影响生产的正常连续运行, 而且会产生一定比例的不合格品, 造成经济效益的降低。因此对旋转闪蒸干燥机的收料方式进行优化改进显得十分迫切和必要。
2 603消光固化剂干燥收料过程及其存在的问题
2.1 603消光固化剂干燥收料方式及过程
603消光固化剂作为粉末涂料的助剂, 在反应釜中反应完成后, 进离心脱水机脱水, 输送到干燥机中烘干, 然后成包。在生产过程中物料的烘干采用的是旋转闪蒸干燥机。物料经剪切、旋转、碰撞、摩擦等作用, 使物料粉碎细化, 呈高度分散状, 达到高效快速蒸发水份的效果。该机设置旋风分离收料, 另外增加了布袋除尘收料, 以此提高物料回收率, 提高企业经济效益。
旋转闪蒸干燥机分别由干燥主机、加料器热源装置、空气过滤器、鼓风机、旋风分离器、布袋除尘器、引风机等关键部件组成。干燥主机内设旋转切削装置, 对滤饼状假团聚物料以及大颗粒物料切削粉碎。随着旋切装置的运转使被干燥物料经旋转呈旋粉状, 加快了对湿物料的水份蒸发, 提高干燥效果。干燥物料经分级器进入旋风分离器进行收料, 粉尘物料随引风进入布袋除尘器, 由除尘器设置布袋对粉尘物料的捕集, 经脉冲收料, 湿热空气由引风机排出机外, 以此完成干燥的全过程。
2.2 生产过程中存在的主要问题
603消光固化剂物料的特性:易吸潮、有粘性、易堆积、流动性差。在实际生产过程中, 因为采用的是旋风+布袋的两点出料, 在旋风下料处, 由于旋风器内有一定的负压, 且生产的物料有一定的粘性、易堆积、流动性又差, 所以在锥形料斗的下部出料口上方十分容易造成架桥堵塞情况, 下料成包不畅, 影响生产的正常进行。
干燥物料进入旋风分离器时绝大部分物料被分离收集, 而有少部分物料随引风进入布袋除尘器, 经脉冲反吹进行收料回收。这一部分物料的粒径较小, 一般小于5微米, 俗称为细粉。该设备细粉的产生量为8%左右, 比原设计要求的5%高出较多。产生细粉较多的原因主要是引风机未满足工作要求, 物料在旋转干燥机内未及时排出, 停留的时间延长, 多次碰撞摩擦使物料进一步破碎, 造成物料粒径减小, 细粉增多。产生的细粉需人工单独收集, 成批后再用蒸汽烘箱进行烘干包装, 这一部分细粉的产生, 不仅增加了后道工序和工作量, 而且细粉的价格比正品要低每吨8000元。采用这种旋风分离器收料的方式, 不能避免细粉的产生, 细粉的产生量约为8%左右。
公司的年产量为1500吨, 细粉的产生量约为120吨, 由此减少经济效益每年为96万元。原设备经济效益的减少和劳动工作量的增加是显而易见的。
2.3 对603消光固化剂收料方式的改进
针对原设备存在的问题, 经过对生产、工艺和产品质量指标的深入了解研究, 把8%的粒径小于5微米的细粉均匀的混合到正品中去, 经过试验分析, 混合后的物料完全能达到正品的合格指标。人工混合既费时费力, 而且混合不均匀易导致不合格产品。为实现均匀而省力地进行混合。对该套设备的收料系统进行了针对性的改造。
把原有旋风+布袋两点出料, 改成大布袋除尘器一点出料, 以解决物料分级现象, 整体收料, 粗细粉混合均匀, 无手工混合的不均匀现象。根据成品的产量和物料气体的浓度, 确定过滤风速, 计算引风机风量风压和滤袋的总过滤面积, 确定风机型号和单只过滤袋面积及其数量。
吸风风机满负荷工作, 将旋转干燥主机内物料及时带出主塔, 减少多次摩擦破碎的可能。并根据物料在不锈钢板上有一定的粘附性和流动性又差的情况, 增加了大布袋除尘器下锥部的倾斜度, 且在不锈钢内表面上喷涂聚四氟乙烯, 来减少物料的粘附性, 在下锥部两侧设置脉冲气锤产生振动, 避免使物料架桥堵塞情况的出现, 底部出料采用螺杆推动进入迴转式关风器送入包装袋成包。
3 结语
旋转闪蒸干燥机广泛适用于化工、医药、建材、食品等行业的颗粒、粉状、膏糊状和滤饼状假团聚物料的分散和干燥。具有占地面积小、能源消耗低、热效率高可连续大批量生产的优点。
由于物料的特性不同, 在实际生产过程中存在物料架桥堵塞, 下料不畅, 影响生产的正常运行;同时在生产过程中会产生一定量的“细粉”, 造成工作量的增加和经济效益的减少。为避免这些情况的影响, 还可把旋风分离器和袋式过滤器设计成一体机, 物料由切线方向进入旋风分离器, 把大部分物料由旋风分离器收集起来, 在旋风分离器的上部中间设置袋式过滤器, 把少量旋风分离器没有分离出来的粉尘物料, 由袋式过滤器经脉冲收料, 这种收料方式的优点是集旋风分离器和袋式过滤器的优点于一体, 效率更高。企业可根据物料的特性和实际的生产情况, 采用合理的收料方式, 确保生产的正常运行, 提高企业经济效益。
参考文献
[1]现代干燥技术.化学工业出版社, 2007.
[2]机械设计手册.机械工业出版社, 1992.
[3]机电一体化技术手册.机械工业出版社, 1999.
低温固化:催化剂 篇7
1 膨胀土基本物理特性指标
本次试验土样采自南水北调中线工程总干渠潞王坟段,研究段土样中网状裂隙发育,黏粒含量很高,为紫红色粘土岩,中间混杂着灰白色泥灰岩。通过基本物性指标试验得到,土样的天然含水率为22.4%,天然密度为2.21g/cm3,比重2.74,液限达56.5%,塑限27.4%,由此得到塑性指数为29.1,,自由膨胀率为75%。通过击实试验得到土样的最大干密度为1.68g/cm3,最有含水率为21.8%。由以上试验结果可知,研究区膨胀土液限平均值大于50%,属于高液限土,自由膨胀率平均值大于70%,为中膨胀土,可以推测出其工程性质受黏粒性质的影响将会非常严重。
2 膨胀土改性试验
为了改善研究区中膨胀土的不良特性,利用离子固化剂进行加固处理。固化材料选用路固宝,为无色透明状液体,具粘滞性、无刺激性气味。该离子固化剂极易溶解于水中,并且能在水中离解出大量的正、负离子成分,其主要成份为烷基苯磺酸盐表面活性剂物质,并辅配以部分无机、有机盐和催化剂成分[3]。通过离子固化剂处理,能够将土粒表面的亲水性改为疏水性,通过足够的外力作用就能将水和气体排出土外,土粒骨架密度大、强度高、孔隙小,从而增强土的强度,对于土路基的承载能力明显提高,并且能有效阻止外界水分的侵入,增强路基的稳定性。在本研究中,为了找到对于研究区膨胀土的最佳配比,我们把ISS:水=0、1∶150、1∶200、1∶250、1∶300、1∶350、1∶400分别配置不同浓度的改性溶液,按原土样液限为配比含水率,搅拌后密封28天,作为确定配合比试验土样。本文以塑性指数以及自由膨胀率作为最优配比的确定指标。通过试验,得到当ISS:水=1∶200时,塑性指数及自由膨胀率均为为最小。
3 膨胀土改性前后物理力学性质对比
3.1 改性前后物理性质对比见表1。
可以看出,利用离子固化剂处理后,土的液限减少了近22%,塑性指数减小了近14%,从物理意义上看,土在可塑状态的含水量变化范围,大致相当于土粒所能吸附的弱结合水的含量,因此可以说,土颗粒周围吸附的弱结合水膜明显减薄了。
3.2 膨胀土改性前后力学性质对比
为了符合本文膨胀土用于道路工程的实际工况,本试验采用快剪试验。试验样品分两大组,一组为重塑的未改性的膨胀土,一组为利用ISS:水=1∶200的离子固化剂溶液改性后的膨胀土。为了研究在在同一干密度下,不同的含水量对膨胀土工程性质的影响,本快剪试验的条件为,保证干密度相同(本文为土样的最大干密度),分别配制最优含水率下、24%、30%、32%这4个含水率水平的样品,再进行快剪试验。试验后土样的内聚力对比见图1。
可以发现,在各自的最优含水率下,ISS改性样的粘聚力比未改性样的内聚力整整大了一倍多;随着含水率的增大,ISS改性土样的粘聚力始终比未改性土样的内聚力大。
笔者认为,未改性土样与改性土样的强度参数发生变化的原因如下:利用ISS溶液处理后的土样,其土粒周围的结合水膜减薄,颗粒之间的距离减小,因此土颗粒之间的吸引力增大,单位面积上土粒的接触点愈多,从而大颗粒增多,因此,改性样的粘聚力要比未改性样的粘聚力要大很多,这也是为什么改性样的粘聚力比未改性样大一倍多的原因。随着含水率的增大,土样周围的结合水增多,对于未改性样,含水量越大,弱结合水越多,弱结合水膜越厚,土粒之间的间距增大,因此,粘聚力不断减小;而对于改性土样,由于ISS改性的作用,土颗粒周围被磺化油疏水基包裹,水不容易进入到层间,因此当含水量增加时,土颗粒周围的结合水膜只是略微增厚,而大部分为自由水,当含水量大于塑限时,土颗粒之间的自由水要比未改性多,因此其粘聚力值下降的要比未改性样大。
从直剪试验可以得出,利用ISS溶液处理研究区膨胀土后,土样的抗剪强度得到了大幅度的提高,对于工程实际极为有利。
4 结论
对比改性前后土样的基本物理力学性质,改性后的土样塑性指数
降低,由中膨胀降为不膨胀,且土样的抗剪强度提高整一倍多,对于工程实际极为有利。
参考文献
[1]崔德山.离子土壤固化剂对武汉红色黏土结合水作用机理研究[D].中国地质大学,2009.
[2]刘清秉.膨胀土胀缩特性及固化剂改性作用机理研究[D].中国地质大学,2011.