一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法技术

本发明专利技术属于土木工程工程行业岩土工程领域，具体涉及一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法。首先通过喷雾造粒制备红层泥岩土体混合粉体，然后通过球磨制备疏水改性复合溶液，最后通过压实和风干处理得到红层泥岩。所述原料包括红层泥岩土体、十八烷基伯胺粉末、乙醇、纳米二氧化硅、甲基硅酸钾、γ

【技术实现步骤摘要】
一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法


[0001]本专利技术属于土木工程工程行业岩土工程领域，具体涉及一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法。本专利技术通过相关原料组成，能较好预防红层泥岩发生吸水软化崩解，且操作简单，适合工业推广。

技术介绍

[0002]红层由多种岩类组成,岩石在化学成分、粘土矿物含量、岩屑含量、水理特性方面差别很大,各类岩石有着显著的不同成岩和风化经历。红层的矿物组成一般为石英、长石、方解石、高岭石、蒙脱石及伊利石等,化学成分主要为二氧化硅、三氧化二铁、三氧化铝等、氧化钙、氧化钾,其中二氧化硅、三氧化二铁及三氧化铝。含量较大。采用射线衍射法对粒径小于0.002mm的粘土矿物进行分析,泥质粉砂岩和泥岩的粘土矿物主要为伊利石,有少量高岭石、绿泥石、蒙脱石等。一般而言红层泥岩的粘土矿物含量均大于10％。采用原子吸收法对红层软岩岩石样品进行化学成分分析,其主要化学成份为二氧化硅、三氧化二铁、三氧化铝,三项之和达73％以上,有6％
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11％的烧失量,易溶盐小于2％。组成成分及含量的不同,将直接导致红层材料的软化、崩解、泥化等工程性质的差异。
[0003]在红层软岩的工程建设中,开挖工程病害比较突出,尤其是在路堑边坡工程中,容易引起各类滑坡、边坡岩体开裂变形等灾害,在边坡开挖完成后,容易产生风化剥落、浅层垮塌及危岩落石。在红层软岩地区的桥涵构造物病害,主要原因在于构造物基础的斜坡地形和基础所在岩体的不均匀性。在斜坡上修建的桥涵、挡墙基础、基础底面一侧为弱风化基岩,另一侧为强风化基岩或覆盖土层,因此地基常产生不均匀变形,导致上部结构物变形、开裂。当构造物修建在斜坡上,斜坡体整体稳定度较低,在人为工程活动的干扰下稳定性降低,斜坡体滑移,导致桥涵结构物变形移位。
[0004]红层软岩路堤填筑工程病害主要有：
[0005]1、在红层地区斜坡上填筑路堤,或半填半挖路堤,由于斜坡表面常为地表水活动的通道,填筑路堤体容易沿斜坡表面发生滑动,形成填筑路堤滑坡。
[0006]2、表面松散,扬尘,承载力不足。失水是使红层软岩崩解和沙化的重要原因,失水过程就是土体矿物分离、凝结的复杂过程。路基表面松散,承载力不足就是由于红层软岩吸水膨胀,失水崩解的结果,一旦压好的路基因行车等外力原因而失水,造成膨胀后的收缩,就会在表面层形成龟状裂隙并迅速扩展到整个蒸发面,彻底在表层内5
‑
8cm失水,进而扬尘。在超过最佳含水率左右碾压成型,裸露空气中后,则开裂,起皮扬尘。
[0007]3、门路基边坡剥蚀、产沙作用。雨滴冲击坡面,使红层泥岩中的粘土颗粒剥离土团,经坡面浅层径流流离坡面,坡面上只留下较重、较稳定的粗砂,使雨水下渗更加迅速,并使植被根系在砂中易于冲露出坡表,当径流沟由浅而渐深,坡面径流冲沟两侧土体因渗水而饱和,强度下降,出现坡面溜坍。怀化至新晃高速公路的九标段有多处边坡因剥蚀返工,最宽处一次切入路基多,后来开挖作台阶,重新外借土方分层填筑。
[0008]4、施工中容易出现的问题。在实际填筑进程中,常出现因红层泥岩土体含水率不
易控制而导致压实系数下降的情况,有些工程采用了强夯加固的方法来处理对含水率大的红层泥岩土,在填筑的时候常出现孔隙水不能迅速消散,土体隆起,形成“橡皮泥”,有些工程采用打入间距、功带孔钢管,在土体形成渗井作用,改善土体透水性,强振后强夯,加快固结,取得了不错的效果,或采取化学改良措施,提高路基的板结性能和承载能力。
[0009]5、红层软岩路基边坡处碾压不密实,受到雨水侵蚀和大气环境干湿循环变化的影响,产生路肩滑塌及开裂。
[0010]但是，生活中荷叶是一种比较特殊表面疏水材料，荷叶表面附着无数个微米级的蜡质乳突结构，每个微米级乳突的表面又附着许许多多与其结构相似的纳米级颗粒，科学家将其称为荷叶的微米－纳米双重结构。正是具有这些微小的双重结构，使荷叶表面与水珠儿或尘埃的接触面积非常有限，因此产生了自清洁性与超疏水性。通过模仿荷叶结构在红层泥岩表面构建仿生超疏水微纳复合结构，使其具有超疏水性能，预防过程中水敏性崩解病害发生。

技术实现思路

[0011]本专利技术旨在提供一种能抑制水敏性红层泥岩遇水崩解的方法，本专利技术在相关的工艺及原料改进下，对于水敏性红层泥岩的使用性能的提高具有明显的增益效果。
[0012]本专利技术原理1、运用于边坡时只在表层混合，十八烷基伯胺通过固相反应、基于离子
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偶极作用插层在红层泥岩黏土矿物中，形成针状物质，用于模仿荷叶表面的微米级蜡质乳突结构。这一反应存在以下优点：不需要溶剂，可以直接固体混合，施工方便；离子
‑
偶极作用具有自修复性，在长期潮湿环境中具有优良的耐久性；2、纳米二氧化硅用于模仿荷叶表面的纳米级乳突结构，含量过高容易导致结晶；甲基硅酸钾通过与水和二氧化碳反映产生有机硅烷疏水薄膜，用于模仿荷叶表面的低表面能疏水蜡质；γ
‑
缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷是一种含环氧基的硅烷偶联剂，用于加强有机物(甲基硅酸钾，十八烷基伯胺)跟无机物(红层泥岩土、纳米二氧化硅)表面的粘接力。
[0013]本专利技术涉及的一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法的具体实施方案如下：
[0014]S1，按质量比称量相关原料
[0015]原料由A，B两部分组成，其中A为红层泥岩土体：97
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99份、十八烷基伯胺粉末：1
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3份、乙醇：100
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200份、B为纳米二氧化硅：2
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6份、甲基硅酸钾：2
‑
5％、γ
‑
缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷：2
‑
5％、其余为水；
[0016]S2，通过喷雾造粒制备红层泥岩土体混合粉体
[0017]将红层泥岩土体、十八烷基伯胺粉末、乙醇进行行星式球磨得到浆料，球磨时间4
‑
6h，球料比为5:1；
[0018]对得到的浆料进行喷雾造粒得到红层泥岩土体混合粉体，喷雾干燥进风温度120
‑
160℃，喷雾雾化空气压力2
‑
4Bar，水分蒸发量10
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15kg/h；
[0019]S3，通过球磨制备疏水改性复合溶液
[0020]将纳米二氧化硅、甲基硅酸钾、γ
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缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、其余为水加入球磨罐中进行真空二次球磨得到疏水改性复合溶液，球磨时间40
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70min，转速为200
‑
300rmp，真空度为0.05
‑
0.1MPa，保持球料比为5:1；
[0021]S4,通过压实和风干处理得到红层泥岩
[0022]在压实处理前，将疏水改性复合溶液均匀的喷洒在红层泥岩土体混合粉体上，喷洒量为0.3
‑
0.7g/cm2；
[0023]将喷洒疏水改性复合溶液的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法，其特征在于，包括：按质量比称量相关原料；通过喷雾造粒制备红层泥岩土体混合粉体；通过球磨制备疏水改性复合溶液；通过压实和风干处理得到红层泥岩。2.根据权利要求1所述的一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法，其特征在于，所述按质量比称量相关原料，包括：红层泥岩土体、十八烷基伯胺粉末、乙醇、纳米二氧化硅、甲基硅酸钾、γ
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缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷；所述通过喷雾造粒制备红层泥岩土体混合粉体的步骤，包括：将红层泥岩土体、十八烷基伯胺粉末、乙醇进行行星式球磨得到浆料；对得到的浆料进行喷雾造粒得到红层泥岩土体混合粉体；所述通过球磨制备疏水改性复合溶液的步骤，包括：将纳米二氧化硅、甲基硅酸钾、γ
‑
缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、其余为水加入球磨罐中进行真空二次球磨得到疏水改性复合溶液；所述通过压实和风干处理得到红层泥岩的步骤，包括：在压实处理前，将疏水改性复合溶液均匀的喷洒在红层泥岩土体混合粉体上；将喷洒疏水改性复合溶液的红层泥岩土体混合粉体进行冷压处理得到预制块；将预制块进行冷等静压处理得到压块；将压块进行风干处理24
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36h后得到目标红层泥岩。3.根据权利要求1所述的一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法，其特征在于：所述按质量比称量相关原料，包括：原料由A，B两部分组成，其中A为红层泥岩土体：97
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99份、十八烷基伯胺粉末：1
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3份、乙醇：100
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200份、B为纳米二氧化硅：2
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6份、甲基硅酸钾：2
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5％、γ
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缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷：2
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5％、其余为水。4.根据权利要求2所述的一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法，其特征在于：所述将红层泥岩土体、十八烷基伯胺粉末、乙醇进行行星式球磨得到浆料，包括：将红层泥岩土体、十八烷基伯胺粉末、乙醇进行行星式球磨得到浆料，球磨时间4
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6h，球料比为5:1。5.根据权利要求2所述的一种基于荷叶效应的红层泥岩仿生超疏水结构制备方法，其特征在于：所述对得到的浆料进行喷雾造粒得到红层泥岩土体混合粉体，包括：对...

【专利技术属性】
技术研发人员：周雨晴，陈晓斌，喻昭晟，张家生，吴梦黎，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：