CN102352622A

CN102352622A - 碱渣改良膨胀土的方法及其施工方法

Info

Publication number: CN102352622A
Application number: CN2011102075367A
Authority: CN
Inventors: 孙树林; 郑青海; 唐俊
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: CN102352622B

Abstract

本发明公开了一种碱渣改良膨胀土的方法及其施工方法，步骤为：第一步，按碱渣质量与干土质量之比为30%～40%的比例，将碱渣和膨胀土拌合均匀得到混合土；第二步，通过《公路土工试验规程》JTJ-051-93中重型击实试验确定混合土的最佳含水率；第三步，调整第一步得到的混合土的含水量保持在最佳含水率，拌合均匀后在自然条件下闷料5～7天，这样就可以得到碱渣改性土。施工是将改良后的碱渣改性土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为30～35cm；检测含水率符合最优含水率要求后，用压路机快速静压并精确整平；碾压路面至所需压实度。经过改良后的膨胀土可以消除膨胀土的膨胀性，提高膨胀土的水稳定性，满足工程所需强度。

Description

碱渣改良膨胀土的方法及其施工方法

技术领域

本发明属于地质灾害处理及岩土工程技术领域，具体涉及的是一种膨胀土得改良及施工方法。

背景技术

到目前为止，膨胀土改良方法主要有:夯实法、物理改良法、化学改良法、保湿法、换土法和生物改良法。

(1)夯实法是将膨胀土压实到所要求的密度。夯实法费用低，但是有一定的适用性限制，它一般适用于弱膨胀土地基，夯实后的膨胀土地基干密度会增加，而且凝聚力和内摩擦角也增大，地基承载力提高。

(2)物理改良法包括土钉墙，桩基础，加土工织物和向膨胀土中掺入砂砾石改变土的级配等方法。物理改性法施工简单,但施工条件、适用范围有限。

(3)化学改良方法是向土中掺无机盐类或有机物质等，通过催化活化土粒表面反应来改善水和土之间的相互作用，使土的性质在水的影响下仍能达到既定指标，改善膨胀土的工程性质。

(4)保湿法是含水率的变化是引起膨胀土干缩湿胀的最直接的因素，保湿法就是保持土中的含水率不变。

(5)换土法是一种将地基下膨胀土挖去而换成普通土类或灰土的方法，这种方法能彻底根治膨胀土造成的危害。

(6)生物改良法就是利用生物表面活性剂附着在粘土矿物的表面上可以降低液面张力和使粘土矿物表面疏水化，破坏矿物表面水化膜或使之变薄，从而使粒间粘结力变大，土的抗剪强度提高，胀缩性减小。

(7)既有物理改良又有化学改良方法是指在膨胀土中按一定比例掺入石灰、水泥、粉煤灰、矿渣及其混合料，再加上一定量的活性催化剂促进改良剂与土的反应稳定土。

归结以上7种方法膨胀土的改造主要有改性和结构性改造两大

类,其中,改性方法中比较成熟的常用的方法为石灰、水泥改良,这两种方法都是利用硅酸盐和铝的水化物与土颗粒相互间的胶结作用,随着胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用,形成胶凝成分来胶结土壤、堵塞土壤的毛细结构,从而降低液限,增大土体的抗剪强度。这是目前较为成功的土壤固化剂,但石灰和水泥与土的反应速度较慢,所生成的水化物强度较低,耐久性较差,而且石灰掺量在8%以上,水泥掺量在6%以上才能达到一定的效果,施工费用有点高,施工时需要反复拌和均匀,周期长,耗工时,且不易把握,容易出现质量隐患。同时它也存在污染环境、不利于绿化等问题。为寻求经济、有效、环保的膨胀土填料改良新途径,国内外学者从不同途径提出了大量添加剂方法,其中高分子材料作为添加剂已成为热点。但是,目前国内的添加方案的试验效果并不理想、而且可推广性较差。

而碱渣是碱厂用氨碱法制碱生产过程中排放的废弃物，据统计每生产一吨纯碱，排放大约10m³的废液，其中含碱渣300～600kg。碱渣的任意堆积和排放会对环境和水体造成严重的污染，对其进行回收再利用可以带来经济效益和环境效益。

发明内容

本发明的目的就在于克服水泥、石灰的掺量大，碱渣的综合利用差的缺陷，本发明提供了一种碱渣改良膨胀土的方法及其施工方法，能有效的解决膨胀土的胀缩变形带来的路基破坏问题及提高膨胀土的强度，易于推广。

本发明的技术方案为：一种碱渣改良膨胀土的方法，步骤为：

第一步，按碱渣质量与干土质量之比为30%～40%的比例，将碱渣和膨胀土拌合均匀得到混合土；

第二步，通过《公路土工试验规程》JTJ-051-93中重型击实试验确定混合土的最佳含水率；

第三步，调整第一步得到的混合土的含水量保持在最佳含水率，拌合均匀后在自然条件下闷料5～7天，这样就可以得到碱渣改性土。

所述的碱渣以质量百分比计主要含有：CaCO₃43.6%、CaO 13.6%、SiO₂8.2%、Al₂O₃ 3.8% 、Mg(OH)₂9.0%。

使用碱渣改良膨胀土的方法得到碱渣改性土的施工方法，施工步骤为：

第一步，将碱渣改性土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为30～35cm；

第二步，检测含水率达到最佳含水率后，用压路机快速静压并精确整平；

第三步，碾压路面至所需压实度。

有益效果:

首先，本发明直接使用废弃的碱渣改良膨胀土，既节约了工程成本，又使碱渣得到再利用，保护了环境，又为减少膨胀土引起的工程灾害开拓了一个新的改良方法。

其次，废弃的碱渣作为粗骨料添加，可以起到骨架作用，并且还可以改善混合物级配，使得碱渣在膨胀土中均匀分布，具有优良的物理性能，属于物理改良方法；

再次，碱渣中含有的CaCO₃、CaO、SiO₂和Al₂O₃等成分与膨胀土中的成分反应生成新的络合物CaCO₃·Ca(OH)₂、CaSiO₃·CaCO₃·Ca(OH)₂·nH₂O、CaO·SiO₂·nH₂O和CaO·Al₂O₃·nH₂O等，可以填充混合土样的空隙，增加密实度，进而有效提高膨胀土强度，属于化学改良，本发明有效的结合了物理改良和化学改良方法的优点。

具体实施方式

本发明所用碱渣来自天津碱厂提供的制造纯碱过程中排出的废弃碱渣，化学成分如表1所述。

表1 碱渣的化学成分分析结果

化合物名称	化合物所占质量百分比/%
		CaCO₃	43.65
CaSO₄	3.86
		CaCl₂	10.27
CaO	13.60
		Al₂O₃	3.75
Fe₂O₃	0.36
		SiO₂	8.21
NaCl	2.53
		Mg(OH)₂	8.95
H₂O	4.82

碱渣分为三种，有纯碱渣、二次利用碱渣和碱渣混合物（指的是二次利用碱渣和粉煤灰的混合物），这三种碱渣的化学组成是不同的。本发明中碱渣用的是纯碱渣，也是这三种碱渣中改良膨胀土效果最好的。碱渣材料中对改良膨胀土起作用的主要化学成分，以质量百分比计主要包含：CaCO₃43.6%、CaO 13.6%、SiO₂8.2%、Al₂O₃ 3.8% 、Mg(OH)₂9.0%。

一种碱渣改良膨胀土的方法，步骤为：

第一步，按掺渣率(掺渣率是指碱渣质量与干土质量之比)为30%～40%的比例，称取碱渣和膨胀土，拌合均匀得到混合土；

第三步，通过翻挖晾晒和加水的办法调整第一步得到的混合土的含水量保持在最佳含水率，拌合均匀后在自然条件下闷料5～7天，这样就可以得到经过碱渣改良后的碱渣改性土。

使用所述的碱渣改良膨胀土的方法得到碱渣改良膨胀土的施工方法，其施工步骤为：

第二步，检测含水率符合最佳含水率要求后，用压路机快速静压并精确整平；

第三步，碾压路面至所需压实度。经过改良后的膨胀土可以消除膨胀土的膨胀性，提高膨胀土的水稳定性，满足工程所需强度。

实施例1

混合土配制，以配制1.3kg混合土。混合土配制的工艺步骤如下:(1)需改良膨胀土的干土质量为1.0kg，按掺渣率(掺渣率是指碱渣质量与干土质量之比)为30%的比例称取所需的碱渣质量0.3kg(2)混合均匀后，由《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)中重型击实试验中得到的最佳含水率18%，将1.3kg×0.18=234g水加入其中，拌合均匀防止形成疙瘩得到混合土。

改良施工方法步骤为:将碱渣改性土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为30～35cm；检测含水率达到最佳含水率要求后，用压路机快速静压并精确整平；碾压路面至所需压实度。

改良效果：(1)胀缩性：按照《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)所做膨胀总率试验，纯膨胀土膨胀总率为6.08%，当掺渣率达到30%时，改良后的碱渣改良土膨胀总率仅为0.130%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的膨胀总率e_sp≤0.7%的要求；按照《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)所做自由膨胀率试验，纯膨胀土自由膨胀率为51%，当掺渣率达到30%时，改良后的碱渣改良土自由膨胀率仅为7%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的自由膨胀率F_s≤40%的要求；纯膨胀土无荷膨胀量为12%，当掺渣率达到30%时，改良后的碱渣改良土无荷膨胀量仅为0.91%，此时，膨胀土近乎无膨胀性；(2)强度：按照《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)所做无侧限抗压强度试验，当纯膨胀土含水率为20.3%时，其强度达到峰值，为628kpa，但其强度随含水率变化影响剧烈，故容易产生胀缩变化导致工程质量受损，而掺碱渣率达到30%时，其混合物的强度峰值为1058kpa，满足《公路路基施工技术规范》(JTJ-033-95)所规定的无侧限抗压强度q_u≥800kPa的要求，并且强度强度随含水率影响较小；按照《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)所做直接剪切强度试验，纯膨胀土的抗剪强度指标c=72kPa，

=19°，而掺碱渣率达到30%时，改良后的碱渣改性土的抗剪强度指标为c=123kPa，=31°，强度得到了很大提高；(3)水稳定性：纯膨胀土浸水72h后明显崩解，当掺渣率达到30%时，改良后的膨胀土浸水72h后无明显崩解。

本专利采用德国产的XRD衍射仪对实施例1的改良后的膨胀土进行测试，发现试验生成的新的络合物有：CaCO₃·Ca(OH)₂、CaSiO₃·CaCO₃·Ca(OH)₂·nH₂O、CaO·SiO₂·nH₂O和CaO·Al₂O₃·nH₂O等，这些络合物的名称已增加到专利中。

首先碱渣中细分散的CaCO₃与Ca(OH)₂生成络合物CaCO₃·Ca(OH)₂，该络合物与膨胀土中含有的SiO₂生成新的复合络合物CaSiO₃·CaCO₃·Ca(OH)₂·nH₂O，该复合络合物的存在影响了空隙的分布，具有减少吸水率，增加密实度的作用。具体的反应方程式如下所示。

CaCO₃+Ca(OH)₂→CaCO₃·Ca(OH)₂ (式1)

CaCO₃·Ca(OH)₂+SiO₂+nH₂O→CaSiO₃·CaCO₃·Ca(OH)₂·nH₂O (式2)

其次，碱渣中含有大量Al和Si的氧化物，它们会在Ca(OH)₂存在的环境下，由Ca(OH)₂打破氧化物中的Al-O和Si-O网络，与Ca²⁺反应生成水化硅酸钙C-S-H和水化铝酸钙C-A-H。它们都是稳定性较好的胶凝物质，可以在材料内部形成稳定的网络结构，在空气中硬化而获得很高的强度，随着反应的进行强度逐渐提高。具体的反应方程式如下所示。

SiO₂+xCa(OH)₂+mH₂O→xCaO·SiO₂·nH₂O (式3)

Al₂O₃+xCa(OH)₂+mH₂O→xCaO·Al₂O₃·nH₂O (式4)

Al₂O₃+xCa(OH)₂+yCO₂+mH₂O→xCaO·Al₂O₃·yCaCO₃·nH₂O (式5)

实施例2

一种碱渣改良弱膨胀土的方法，步骤为：

第一步，按掺渣率(掺渣率是指碱渣质量与干土质量之比)为30%的比例，称取碱渣和膨胀土，拌合均匀；所述的碱渣的主要化学成分，以质量百分比计：CaCO₃43.6%、CaO 13.6%、SiO₂8.2%、Al₂O₃ 3.8% 、Mg(OH)₂9.0%；

第二步，通过试验确定混合土样的最佳含水率；

第三步，通过翻挖晾晒和加水的办法使得第一步得到的混合土的含水量保持在最佳含水率，拌合均匀后在自然条件下闷料5～7天，这样就可以得到经过碱渣改良后的碱渣改性土。

第一步，将改良后的碱渣改性土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为30cm；

第二步，检测含水率符合最优含水率要求后，用压路机快速静压并精确整平；

实施例3

一种碱渣改良中膨胀土的方法，步骤为：

第一步，按掺渣率(掺渣率是指碱渣质量与干土质量之比)为40%的比例，称取碱渣和膨胀土，拌合均匀；所述的碱渣的主要化学成分，以质量百分比计：CaCO₃43.6%、CaO 13.6%、SiO₂8.2%、Al₂O₃ 3.8% 、Mg(OH)₂9.0%；

第二步，通过试验确定混合土样的最佳含水率；

第一步，将改良后的碱渣改性土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为35cm；

Claims

1.一种碱渣改良膨胀土的方法，其特征在于，步骤为：

2.如权利要求1所述的碱渣改良膨胀土的方法，其特征在于，所述的碱渣以质量百分比计主要含有：CaCO₃43.6%、CaO 13.6%、SiO₂8.2%、Al₂O₃ 3.8% 、Mg(OH)₂9.0%。

3.使用权利要求1所述的碱渣改良膨胀土的方法得到碱渣改性土的施工方法，其特征在于，施工步骤为：

第三步，碾压路面至所需压实度。