本發明涉及巖土工程
技術領域：
。具體來說，本發明涉及一種聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑，以及使用聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑來改良膨脹土的方法。
背景技術：
：膨脹土是一種具有較多裂隙和較大脹縮性質的地質體。膨脹土粘土成分主要由強親水性礦物蒙脫土與伊利石組成，它們吸水時膨脹，失水時收縮，使得膨脹土發生反復變形。膨脹土的這些性質對工程建筑物等有嚴重的破壞作用，因此需要改良膨脹土來降低膨脹土的膨脹性。目前，改良膨脹土的方法主要可分為物理改良方法和化學改良方法。物理改良方法之一是在膨脹土表面涂覆超疏水涂料，使得大氣中的水分不能進入膨脹土。但現有超疏水涂料耐候性較差。化學改良方法之一是使用聚合物來改良膨脹土，但聚合物只通過包裹、機械嚙合等物理作用來提高粘土顆粒之間的連接作用，因此降低膨脹土膨脹性以及增加膨脹土強度的作用有限。另一種化學改良方法包括通過化學試劑與膨脹土之間發生離子交換來永久改變膨脹土的晶層結構。但其不足之處在于見效時間慢，且所使用的化學試劑或多或少會帶來環境污染的問題，因此用量受到限制。為此，本領域仍然需要開發一種耐候性好、效率高且可在室溫下快速固化的環保膨脹土改良劑。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑，所述聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑主要包括可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液和磁性離子液體。可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液在催化劑和交聯劑的作用下可于室溫下快速固化，同時形成超疏水表面和聚合物網絡，通過拒水作用以及聚合物網絡對膨脹土顆粒的包裹和機械嚙合等作用來降低膨脹土的膨脹性、增加膨脹土的抗剪強度，以及提高超疏水表面的耐候性。磁性離子液體則可與膨脹土發生離子交換，永久改變膨脹土的晶層結構，進一步降低膨脹土的膨脹性、增加膨脹土的抗剪強度。本發明的目的還在于提供一種使用聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑來改良膨脹土的方法。為了實現上述目的，本發明提供下述技術方案。在第一方面中，本發明提供一種聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑，所述聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑可包括：(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液；以及(b)磁性離子液體；其中，(b)磁性離子液體的結構如下述結構式(i)所示：在式(i)中，n＝6-15，x為cl或br；以及其中所述(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液通過下述方法來制備：在25-40℃下，將聚硅氧烷溶解于無水乙醇中，混合均勻之后加入白炭黑，超聲分散得到第一有機溶液；以及將催化劑和交聯劑依次加入第一有機溶液，攪拌30-50分鐘，得到所述(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液。在第一方面的一種實施方式中，所述聚硅氧烷可包括含氫聚二甲基硅氧烷和/或端羥基聚二甲基硅氧烷。在第一方面的另一種實施方式中，所述交聯劑可包括乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三叔丁基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一種或多種。在第一方面的另一種實施方式中，所述催化劑可包括二月桂酸二丁基錫、辛酸亞錫、二醋酸二丁基錫和二烷基錫馬來酸酯中的一種或多種。在第二方面中，本發明提供一種使用如第一方面所述的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑來改良膨脹土的方法，所述方法可包括下述步驟(1)將(b)磁性離子液體溶解于(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料，得到聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑；以及(2)將在步驟(1)中獲得的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑噴灑在待改良的膨脹土表面。在第二方面的一種實施方式中，重復步驟(2)，使得最終在每平方膨脹土上噴灑1-2千克除了無水乙醇以外的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑。在第二方面的另一種實施方式中，所述催化劑占所述聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑總體積的0.25％-1％。與現有技術相比，本發明的有益效果在于：(1)通過結合可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料物理拒水作用以及聚合物網絡包裹作用等與磁性離子液體對膨脹土的化學離子交換改良作用，實現永久且顯著地降低膨脹土的膨脹率，提高膨脹土的抗剪切強度；以及(2)制備和施工方法簡單，所用原料環保，適用于工業化生產。具體實施方式下面將結合本發明的實施例，對本發明的技術方案進行清楚和完整的描述。本發明的目的在于提供一種聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑，所述聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑主要包括可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液和磁性離子液體。可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液在催化劑和交聯劑的作用下可于室溫下快速固化，例如10-30分鐘內固化。超疏水材料懸浮液的固化同時形成超疏水表面和聚合物網絡，通過拒水作用以及聚合物網絡對膨脹土顆粒的包裹和機械嚙合等作用來降低膨脹土的膨脹性、增加膨脹土的抗剪強度，以及提高超疏水表面的耐候性。磁性離子液體可溶于可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液，且可與膨脹土發生離子交換，永久改變膨脹土的晶層結構，進一步降低膨脹土的膨脹性、增加膨脹土的抗剪強度。本發明的目的還在于提供一種使用聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑來改良膨脹土的方法。在第一方面中，本發明提供一種聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑，所述聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑可包括：(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液；以及(b)磁性離子液體；其中，(b)磁性離子液體的結構如下述結構式(i)所示：在式(i)中，n＝6-15，優選地n＝11-15，x為cl或br；以及其中所述(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液通過下述方法來制備：在25-40℃下，將聚硅氧烷溶解于無水乙醇中，混合均勻之后加入白炭黑，超聲分散得到第一有機溶液；以及將催化劑和交聯劑依次加入第一有機溶液，攪拌30-50分鐘，得到所述(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液。可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液的制備方法可參考中國發明專利申請201611235332.3所述。在第一方面的一種實施方式中，所述聚硅氧烷可包括含氫聚二甲基硅氧烷和/或端羥基聚二甲基硅氧烷。在第一方面的另一種實施方式中，所述交聯劑可包括乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三叔丁基硅烷和乙烯基三丁酮肟基硅烷中的一種或多種。在第一方面的另一種實施方式中，所述催化劑可包括二月桂酸二丁基錫、辛酸亞錫、二醋酸二丁基錫和二烷基錫馬來酸酯中的一種或多種。在第二方面中，本發明提供一種使用如第一方面所述的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑來改良膨脹土的方法，所述方法可包括下述步驟(1)將(b)磁性離子液體溶解于(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料，得到聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑；以及(2)將在步驟(1)中獲得的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑噴灑在待改良的膨脹土表面。在第二方面的一種實施方式中，重復步驟(2)，使得最終在每平方膨脹土上噴灑1-2千克除了無水乙醇以外的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑。在第二方面的另一種實施方式中，所述催化劑占所述聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑總體積的0.25％-1％。當聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑中的催化劑含量過低時，聚硅氧烷不能完全固化。同樣地，當聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑中的催化劑含量過高時，聚硅氧烷固化速度過快，導致將磁性離子液體包覆在固化形成的聚合物網絡之中。在這種情況下，磁性離子液體與膨脹土之間的離子交換作用受到抑制，相應地降低磁性離子液體進一步增加膨脹土剪切強度的效果。實施例材料本文所述的實施例中使用的原料組分都可通過商業途徑購買。可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液通過下述方法來制備：在25-40℃下，將聚硅氧烷溶解于無水乙醇中，混合均勻之后加入白炭黑，超聲分散得到第一有機溶液；以及將分別將所需量的催化劑和交聯劑依次加入第一有機溶液，攪拌30-50分鐘，得到所述(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液。控制白炭黑以及交聯劑的用量，使它們的質量皆為所用聚硅氧烷質量的5％。此外，控制催化劑的用量，使得以體積計，催化劑分別占最終聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑總體積的0.25％，1％和2.5％。磁性離子液體1,3-二甲基咪唑四氯化鐵鹽，1-十一基-3-甲基咪唑四氯化鐵鹽以及1-己基3-甲基咪唑四溴化鐵鹽分別根據中國發明專利申請201410461633.2的實施例1、實施例4和實施例5所述來制備。測試方法膨脹土的自由膨脹率的測定膨脹土自由膨脹率的測定如中國發明專利申請201010175564.0所述。概括來說，從江蘇淮安市獲取膨脹土試樣，在105-110℃下烘干，再用5％的nacl溶液使膨脹土充分膨脹。測得原狀膨脹土試樣的自由膨脹率為52.6％。改良膨脹土在完全固化之后的自由膨脹率也通過相似的方法進行測定，但對樣品預處理過程稍作修改。即，首先使改良之后的膨脹土試樣在去離子水中靜置約2小時，然后除去上清夜以及浮起的白炭黑，只留下沉降的膨脹土作為測試自由膨脹率的樣品。然后再于105-110℃下烘干沉降的膨脹土，并用5％的nacl溶液使膨脹土充分膨脹。抗剪強度測量根據室內直剪試驗確定原狀膨脹土在25、50、75和100kpa垂直壓力下的剪切應力，然后通過分析數據得到原狀膨脹土的抗剪強度指標c(粘聚力)＝188.8，且φ(內摩擦角)＝33.9。對于改良后的膨脹土，也進行類似測試來確定其抗剪強度指標。實施例1-5根據下文表1所示的配方，將磁性離子液體溶解于可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液，得到本發明的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑。然后，將聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑噴灑到原狀膨脹土來改良膨脹土。具體施工工藝和各項指標測試結果如表2所示。表1.以體積表示的實施例1-5的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑的配方表2.用實施例1-5的改良劑來改良膨脹土的條件及改良后膨脹土的性能指標實施例編號12345噴灑總量(kg/m2)1.51.51.51.51.5自由膨脹率/％373228.529.629.8抗剪切強度(c)198.3201.6213.7217.9215.8抗剪切強度(φ)36.538.342.643.341.6從表2的結果可知，經過本發明的聚硅氧烷超疏水膨脹土改良劑改良之后，膨脹土的自由膨脹率可降低到施工所要求的40％以下。此外，通過同時控制(a)可潮氣固化聚硅氧烷-白炭黑超疏水材料懸浮液中催化劑的含量以及磁性離子液體烷基鏈的長度，可在顯著降低膨脹土自由膨脹率的同時，顯著提高膨脹土的抗剪切強度。上述的對實施例的描述是為了便于本
技術領域：
的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其它實施例中而不必付出創造性的勞動。因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明披露的內容，在不脫離本發明范圍和精神的情況下做出的改進和修改都本發明的范圍之內。當前第1頁12