Experimental study on soil consolidation effect based on waterborne polyurethane and bentonite
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摘要: 水性聚氨酯和膨润土是2种性质不同的固化剂，分别单独固化赣南离子型稀土矿山浸矿场地边坡土壤，均能有效提高土壤抗剪强度，但此2种固化剂使抗剪强度提高的影响因素不同。为提高固化剂固土的利用效果，将水性聚氨酯与膨润土按不同比例混合，重塑含水率为17.09%的浸矿场地边坡土样，土样在相同室内环境下养护3 d后进行快剪试验。结果表明：当控制膨润土比重不变，增加水性聚氨酯比重，黏聚力显著提高，内摩擦角变化较小；当控制水性聚氨酯比重不变，增加膨润土比重，黏聚力变化较小，内摩擦角先增后减。对比19种不同配比实验结果，当m（碳酸氢钠）∶m（水性聚氨酯）∶m（膨润土）∶m（水）=1∶15∶12∶100时，内摩擦角与黏聚力均达到最大值，该混合比例的固土效果最优。Abstract: Waterborne polyurethane and bentonite are two kinds of curing agents with different properties. Separately curing the slope soil of the leaching site of ionic rare earth mine in southern Jiangxi can effectively improve the shear strength of the soil, but the influencing factors of these two curing agents are different. In order to improve the utilization effect of solidified soil, waterborne polyurethane and bentonite were mixed in different proportions to reshape the slope soil sample of leaching site with moisture content of 17.09%. The quick shear test was carried out to the soil sample after curing for 3 days in the same indoor environment. The test results showed that the cohesion was significantly improved and the internal friction angle changed little when the specific gravity of bentonite was kept constant and the specific gravity of waterborne polyurethane was increased. When controlling the constant specific gravity of waterborne polyurethane and increasing the specific gravity of bentonite, the cohesion changed little, and the internal friction angle increased first and then decreased. When the mass ralio of sodium bicarbonate, waterborne polyurethane, bentonite and water is 1∶15∶12∶100, the internal friction angle and cohesion reached the maximum, and the soil consolidation effect on this mixed ratio was the best by comparing the experimental results of 19 different ratios.
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Keywords:
- waterborne polyurethane /
- bentonite /
- quick shear test /
- shear strength
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我国是稀土资源大国，稀土产量和消费量均居世界首位.当前，对稀土元素的分离和提纯，国内外无一例外地采用萃取分离法[1].随着高新技术的发展，人们对稀土产品质量的要求越来越高，从而对稀土产品中的非稀土杂质含量的要求也变得更高.在稀土溶液中，常见的非稀土杂质有Al3+、Fe2+、Fe3+、Si4+等[2-3].这些杂质的存在不仅对稀土产品的质量有影响，甚至会在萃取过程中出现有机相乳化的现象，进而影响产品的正常生产[2-4].其中铝是一种分布弥散的元素，其赋存状态非常复杂，通常以AlO2-、Al(OH)3、Al(OH)2+、Al(OH)2+、Al3+等形式存在[5].在所有的非稀土杂质中，铝的含量往往很高，对造成有机相皂化的贡献最大；此外，由于铝具有两性特征，使其与稀土元素的分离难度增大[5-9].为此，贾江涛等[5]提出了氢氧化钠和草酸沉淀等除铝的方法，康金华等[6]探讨了水解沉淀除铝工艺，李剑虹等[10]研究了环烷酸萃取体系(皂化环烷酸+煤油+异辛醇)中稀土和铝分配比及分离系数.环烷酸是一种酸性萃取剂，其来源丰富、价格低廉，具有萃取容量大、易反萃和萃取平衡酸度低等优点，因此，文中进一步探讨环烷酸体系对南方离子吸附型稀土料液的除铝效果，以期获得环烷酸体系除铝的较优工艺参数.
1 实验部分
1.1 实验原料、试剂及设备
实验原料为南方离子吸附型稀土La-Nd 料液；试剂有EDTA 溶液、环烷酸、磺化煤油、异辛醇、氨水等；实验仪器及设备为分液漏斗、SHA-C 恒温振荡器、雷磁PHS-3C 型pH 计、SH-4 双显双控恒温磁力搅拌器等.
1.2 实验方法
取一定量的稀土La-Nd 料液，测得其铝的含量为22.55 mol/L，pH 值为1.34，在不改变料液pH 值的情况下，以通过改变皂化值、相比和萃取级数等来达到理想的除铝目的.实验步骤如下:
(1) 萃取剂的配置.首先将环烷酸、异辛醇、磺化煤油按1∶1∶3 的比例混合，然后与同体积的1∶1 盐酸混合均匀，在振荡器上振荡5 min 后，静置分层，将水相弃去，重复操作3 次，然后水洗至中性.
(2) 环烷酸体系的皂化.取一定量的氨水与环烷酸体系均匀混合，在振荡器上振荡几分钟后，静置一段时间，得到的皂化环烷酸为铵盐.
(3) 萃取操作.在室温下，准确量取有机相和稀土料液，按一定相比加至250 mL 的分液漏斗中，在振荡器上振荡约10 min 后，静置分层，放出萃余液.必要时，可将萃余液重复萃取，考察萃取级数对除铝效果的影响.
1.3 分析和检测方法
萃余液中稀土离子的浓度采用EDTA 滴定法测定，萃余液中铝的含量采用ICP 发射光谱仪测定.
2 实验结果与讨论
2.1 皂化值的影响
在同一酸度条件下，讨论不同皂化值对环烷酸体系萃取稀土和铝的分配比及分离系数的影响.取60 mL稀土料液和60 mL 皂化环烷酸，皂化值分别为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mol/L，按O/A=1∶1 进行振荡萃取，萃取完之后静置分层，取出萃余液，对萃余液中稀土和铝的浓度进行测定.在不同皂化值条件下，将环烷酸体系萃取稀土和铝分配比D 和分离系数βAl/RE的影响关系作图，其结果如图 1 所示.
从图 1 中可以看出:随着皂化值的升高，铝离子和稀土离子的分配比都增大，且铝离子分配比的增加速度更快.相同条件下，体系中铝离子的分配比要明显高于稀土离子的分配比，因此，分离系数βAl/RE也随着皂化值的增加而逐渐增大.原因可能是:由于环烷酸是酸性萃取剂，萃取稀土元素和铝的机理是阳离子交换过程[11]，即式(1):
(1) 且稀土和铝的分配比与平衡常数K、环烷酸浓度和平衡pH 值满足以下关系[12]，即式(2):
(2) 随着皂化值的升高，萃取平衡时水相的pH 值更大，从而使得铝离子和稀土离子的分配比都增大，且萃取铝时的平衡常数增加的速度比萃取稀土时的平衡常数增加的速度更快，因此铝离子分配比的增加速度要明显高于稀土离子的分配比.但当环烷酸皂化值超过0.25 时，环烷酸萃取铝时出现乳化现象，严重影响萃取过程的顺利进行，且分相时间过长.所以，皂化值不宜过大，得到最佳的皂化值为0.25 mol/L.
2.2 相比O/A 的影响
配置一定体积皂化值为0.25 mol/L 的皂化环烷酸，并量取一定体积的稀土料液.分别按相比O/A=1/2，1/1.5，1/1，1.5/1，2/1 进行混合振荡萃取，萃取完之后静置分层，取出萃余液，并测定萃余液中稀土离子和铝离子的浓度.在皂化值相同，相比不同条件下，将环烷酸体系萃取稀土和铝分配比D 和分离系数βAl/RE的影响关系作图，其结果如图 2 所示.
从图 2 中可以看出，随着相比O/A 的增加，稀土离子的分配比略有降低，而铝离子的分配比却呈现先增大后减小的趋势，分离系数βAl/RE也呈现出先增大后减小的趋势.原因可能是:随着相比O/A 的增加，萃取平衡时水相的pH 值增大，环烷酸的浓度增大，而平衡常数K 减小.对于稀土元素，lgK 的减小速度大于3lg(HA)(O)+3pH 的增加速度，因此，萃取稀土的分配比D 随着相比的增加而减少； 而对于铝元素，环烷酸体系对铝的萃取能力更强，开始时，lgK 的减小速度小于3lg(HA)(O)+3pH 的增加速度，当相比O/A 增加到一定值时，lgK 的减小速度大于3lg(HA)(O)+3pH 的增加速度，因此，铝的分配比D 随着相比的增加呈现先增大后减小的趋势.当相比O/A=1.5 左右时，铝的分配比和分离系数βAl/RE均达到最大值，因此，选择最佳的相比O/A 为1.5.
2.3 萃取级数的影响
为了获得更高的除铝率，可在较优工艺条件下将萃余液进行重复萃取.配置一定体积皂化值为0.25 mol/L 的皂化环烷酸，按相比O/A=1.5 与稀土料液混合，振荡萃取，萃取完之后静置分层，取出萃余液，并测定萃余液中稀土离子和铝离子的浓度.得到萃取级数与除铝率的关系并作图，其结果如图 3 所示.
从图 3 中可以看出，随着萃取级数的增加，除铝率越高.在较优的工艺条件下，一次萃取的除铝率可高达85.8 %，当萃取级数为3 级时，除铝率大于95 %，具有较理想的除铝效果.
3 结论
(1) 采用环烷酸萃取体系可以实现稀土和铝的分离，在皂化值0.25 mol/L、相比O/A=1.5，分配比DAl = 4.035，DRE = 0.111，分离系数βAl/RE = 36.351 的实验较优工艺条件下，一次萃取的除铝率高达85.8 %.
(2) 萃取级数对环烷酸萃取体系除铝率也有较大影响，随着萃取级数的增加，除铝率也随之增加，当萃取级数大于2 时，除铝率可达到95 %以上，具有良好的除铝效果，用于工业生产是可行的.
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图 3 ZJ型应变控制式直剪仪（四联剪）
Fig 3. ZJ strain controlled direct shear instrument (quadruple shear)
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[1] 邹国良, 赖丹. 离子型稀土矿开采工艺政策的制定应慎重[J]. 稀土信息, 2020(9): 10-13. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTXX202009006.htm [2] 贾银松. 扎实推进"稀土功能+"行动, 为经济发展增添新动能[J]. 稀土, 2017, 38(3): 142-148. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTZZ201703019.htm [3] 张丹琳. 当前稀土资源现状与供需形势分析[J]. 国土资源情报, 2020(5): 37-41. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GTZQ202005006.htm [4] 唐政刚, 张达, 解志鹏, 等. 稀土材料的制备与高端应用[J]. 有色金属科学与工程, 2021, 12(4): 112-125. doi: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2021.04.015 [5] 谢东岳, 伏彩萍, 唐忠阳, 等. 我国稀土资源现状与冶炼技术进展[J]. 矿产保护与利用, 2021, 41(1): 152-160. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KCBH202101024.htm [6] 袁丽娟, 郭孝培, 魏益华, 等. 赣南典型稀土矿区周边土壤和动植物产品中稀土元素组成特征及其健康风险评价[J]. 环境化学, 2019, 38(8): 1850-1863. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJHX201908019.htm [7] 罗才贵, 罗仙平, 周娜娜, 等. 南方废弃稀土矿区生态失衡状况及其成因[J]. 中国矿业, 2014, 23(10): 65-70. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKA201410017.htm [8] 郑先坤, 冯秀娟, 陈哲, 等. 离子型稀土矿原地浸矿废弃地中残存的氮素垂直分布规律及意义[J]. 稀土, 2020, 41(4): 30-40. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTZZ202004004.htm [9] 邓国庆, 杨幼明. 离子型稀土矿开采提取工艺发展述评[J]. 稀土, 2016, 37(3): 129-133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTZZ201603026.htm [10] 孙媛媛, 季宏兵, 罗建美, 等. 赣南小流域的水文地球化学特征和主要风化过程[J]. 环境化学, 2006(5): 550-557. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJHX200605004.htm [11] 田威, 李腾, 贾能, 等. 固化剂在黄土路基工程中的研究进展[J]. 公路, 2021, 66(11): 45-52. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGL202111008.htm [12] 力乙鹏, 李婷. 土壤固化剂的固化机理与研究进展[J]. 材料导报, 2020, 34(增刊2): 1273-1277, 1298. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CLDB2020S2056.htm [13] 江小浦, 胡书可. 高性能水性聚氨酯涂料的发展及改性研究[J]. 表面技术, 2020, 49(11): 296-302. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BMJS202011034.htm [14] 舒锋, 宋双艳. 我国膨润土开发利用现状和对策建议[J]. 中国非金属矿工业导刊, 2021(6): 24-26. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LGFK202106007.htm [15] 张克恭, 刘松玉. 土力学[M]. 3版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010. [16] 李广信, 张丙印, 于玉贞. 土力学[M]. 2版. 北京: 清华大学出版社, 2013. [17] 赣南地质工程院土工室. 江西省定南县大塘尾离子型稀土矿浸矿场地土工测试报告[R]. 江西赣南地质工程院岩土实验室土工试验报告. 赣州: 赣南地质工程院, 2021. [18] HIROSE M, KADOWAKI F, ZHOU J H. The structure and properties of core-shell type acrylic-polyurethane hybrid aqueous emulsions[J]. Progress in Organic Coatings, 1997, 31(1/2): 157-169.
[19] 徐成书, 田呈呈, 邢建伟. 水性聚氨酯的改性研究进展[J]. 印染, 2014, 40(1): 52-54. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YIRA201912013.htm [20] 阚丽红, 吴安丽. 水性聚氨酯的类型、合成方法和应用[J]. 印染助剂, 2020, 37(6): 10-14, 18. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YRZJ202006003.htm [21] 雷胜友, 丁万涛. 加筋纤维抑制膨胀土膨胀性的试验[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(4): 482-485. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC20050400N.htm [22] 李冬梅. 鲅鱼圈球团厂自动配料控制系统的设计与实现[D]. 沈阳: 东北大学, 2015. [23] 沈飞凡, 孔玉侠, 王慧娟. 聚丙烯纤维膨润土的试验研究和机制分析[J]. 南京工业大学学报(自然科学版), 2018, 40(3): 55-60. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NHXB201803010.htm [24] CHAVES L, TITO G, DE BRITO CHAVES I. Bentonite application in the remediation of zinc contamination soil[J]. Chemical Engineering Transactions, 2017, 58: 745-750.
[25] ROSLIZAYATI R, AZIZAH C A N, DIANA C L, et al. The significant effect of interface shear strength between soil liner and geotextile with different percentages of bentonite and sodium bentonite with geosynthetic[J]. MATEC Web of Conferences, 2018, 150: 2009.
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