CN103013526B

CN103013526B - 土壤固化剂及土壤固化方法

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Publication number: CN103013526B
Application number: CN201210541752.XA
Authority: CN
Inventors: 周振民
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN103013526A

Abstract

本发明涉及一种土壤固化剂及土壤固化方法。该土壤固化剂含有粉煤灰15～30%、石灰4～15%、水玻璃10～20%、烧碱8～20%、石膏5～16%、普通硅酸盐水泥10～32%、萤石0.5～3.5%、硫酸钠0～1.5%。该土壤固化剂固化土壤时凝固紧密，收缩及膨胀系数较低，固结土体收缩量极小，不易受气温变化而产生热胀冷缩现象导致变形龟裂，因此固化土体的抗渗、抗冻、抗裂性能良好，较好地解决了传统固化材料固化土壤时存在的水稳性差、干缩大、易开裂等问题，而且固结的土体具有较好的隔热功能。本发明土壤固化方法施工简便，省时省力，使用固化剂不受气温影响，凝固时间快，工作效率高，能大大缩短工期，降低成本。

Description

土壤固化剂及土壤固化方法

技术领域

本发明涉及于土木工程技术领域，具体涉及一种土壤固化剂及土壤固化方法。

背景技术

土壤的固化实际上是用外掺剂对土体进行物理化学处理，来改变土壤的组成，改变土体的工程性质，从而达到提高土质强度、改善土质压实性的目的。粉煤灰土壤固化剂是以粉煤灰为主，由多种无机和有机材料，经过合理匹配后，配制而成的水硬性胶凝材料，属于一种新型建筑材料，在常温下能够直接胶结土壤颗粒或能够与粘土矿物反应生成胶凝物质。

20世纪初，一些经济发达国家由于兴建道路、港口等工程的需要，采用石灰、水泥对土壤改良，建设初期取得了较好的效果，但在长期土壤固化工程中, 人们逐步认识到，单纯采用传统石灰、水泥等土壤固化材料，存在着明显不足，满足不了工程建设发展需要。因此，寻找土壤固化稳定，水稳性能好，收缩膨胀小，无毒无害，节能，以及施工简便等特点的土壤固化材料就显得十分必要。

随着我国公路建设的快速发展，高性价比的土壤固化剂需求日趋明显，而目前市面上出售的土壤固化剂种类虽然较多，但普遍存在以下问题：

①抗压强度达不到行业标准。我国公路分五个等级二个标准，高速公路和一级公路要求固化土7天饱水抗压强度在5MPa 以上，二、三、四级公路要求固化土的天饱水抗压强度大于3MPa（CJJ/T801998）。目前已应用于公路施工中的土壤固化剂只能通过增大掺入量来弥补强度。

②价格昂贵。我国国内土壤固化剂生产厂家很少，只有北京、天津几家生产单位，大量靠从美国、日本、澳大利亚进口，大大增加了成本。市面出售的土壤固化剂价格基本上在1800元以上。

③耐水性能不够好。已施工的土壤固化剂水稳定性能不够，尤其是水剂，在雨水长时间浸泡后无法固结地基土壤。

因此，寻求高强度的廉价原料、探寻固化机理，提高土壤固化剂的抗压强度、耐水性能、降低材料价格、实现废物利用、提高施工的便利程度已成为业内的当务之急。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能使土壤固化、抗压强度高且具有较好的防水防潮性、原料廉价的土壤固化剂，并公开了一种施工简便、工作效率高的土壤固化方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

设计一种土壤固化剂，以重量百分比计，含有粉煤灰15～30%、石灰4～15%、水玻璃10～20%、烧碱8～20%、石膏 5～16%、普通硅酸盐水泥 10～32%、萤石 0.5～3.5%、硫酸钠0～1.5%。

所述土壤固化剂含有粉煤灰15～25%、石灰8～12%、水玻璃12～18%、烧碱12～18%、石膏10～15%、普通硅酸盐水泥 15～25%、萤石 1.0～2.0%、硫酸钠0～1.0%。

所述土壤固化剂含有粉煤灰19%、石灰10%、水玻璃16%、烧碱16%、石膏13%、普通硅酸盐水泥23.5%、萤石1.5%、硫酸钠1.0%。

所述粉煤灰的比表面积为所述粉煤灰的比表面积为1.70×10⁴～1.90×10⁴cm²/g。

所述石灰至少满足国家标准GB1594-79中第三等级消石灰的有关要求。

所述萤石符合国家标准GB19321-88。

一种利用上述土壤固化剂进行土壤固化的方法，主要步骤包括：

备下承层、施工测量、备料、摊铺、拌合、整平与碾压成型、初期养护，在所述备料步骤中，按上述土壤固化剂原料配比准备土壤固化剂各原料；在所述拌合步骤中，将土壤含水量调节为10～20%，并按1:14～20的掺合比拌合所述土壤固化剂。

在所述拌合步骤中，将土壤含水量最好调节为15.5%，并按1:17的最佳掺合比拌合所述土壤固化剂。

本发明具有积极有益的效果：

（1）本发明固化剂中含有激发剂成分（如烧碱，硫酸钠等），能使固化剂颗粒和土壤颗粒表面活性化，在水化反应过程中，固化剂本身比表面积大幅度增加，适用于固化粒径范围小的土壤；本发明土壤固化剂不仅发挥了以往的水化反应和离子交换作用，还通过激发土壤本身的活性来大大提高了固化土的抗压强度，且具有较好的防水防潮性，经固化的土壤不会出现“二次泥化”现象。

（2）本发明土壤固化剂固化土壤时凝固紧密，收缩及膨胀系数较低，固结的土体相对收缩量极小，不易产生因受气温变化而产生热胀冷缩现象导致变形龟裂，因此固化土体的抗渗、抗冻、抗裂性能良好，较好地解决了传统固化材料固化土壤时所存在的水稳性差、干缩大、易开裂等问题。

（3）热传导性极微。本发明土壤固化剂具有强烈的凝固性与固化作用，凝固表面紧密，具有较好的隔热功能和降温功能。

（4）所用原料无毒、无害、节能。如大量使用了工业废料—粉煤灰，具有双重节能效果，且本身无毒，同时对于工业粉煤灰、工业废渣均可直接使用。用于封固有害材料时，有害物质不宜渗出，安全性好。

（5）本发明土壤固化方法施工简便，省时省力，使用固化剂时不受气温影响，凝固时间快，工作效率高，能大大缩短工期，降低成本。使用本发明固化剂的工地，可就地取材不占空间，避免运废土的车辆影响交通及污染周围环境。

（6）可以针对不同的土质，应用于公路、街道、机场等地面工程中，其中一个最广泛的用途就是在道路路基中的应用。

（7）本发明配方条件下，土壤固化剂造价约为530元/吨，而目前常规的土壤固化剂市场价大约在1800元/吨左右。

附图说明

图1为本发明中土壤的干密度—含水量—土壤固化剂掺量关系图。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。下述实施例中所涉及的各原料，如无特别说明，均为市售原料。

实施例1～18中土壤固化剂的原料配方见表1，主要原料的指标要求如下：

粉煤灰：出厂粉煤灰的比表面积为 1.85×10⁴cm²/g，其粒度分布见下表1。

表1 粉煤灰的粒度分布表

将粉煤灰与水按质量比 4：1 混合后用陶瓷粒球磨机湿磨。

石灰：参照国家标准(GB1594-79)，使用消石灰，三等级。

普硅水泥：选择普通硅酸盐水泥，其中各组分如下：3CaO·SiO₂（46%），2CaO·SiO₂（32%），3CaO·AL₂O₃（12%），4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃（10%）；出厂水泥过0.080mm圆孔筛，筛余量小于4%。

水玻璃：俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐，其水溶液为水玻璃。采用的水玻璃是硅酸钠（Na₂O·nSiO₂）的水溶液。

石膏：采用天然二水石膏（CaSO₄·2H₂O）又称为生石膏，经过煅烧、磨细可得β型半水石膏（CaSO₄·1/2H₂O），即建筑石膏。

萤石（Fluorite），又称氟石。按照我国建材工业的萤石国家标准GB19321-88选择。

烧碱、硫酸钠为普通市售原料。

将上述各种原料，分别按照表2中的配方比例掺和在一起，用搅拌机充分搅匀，停滞5～10分钟后，再次搅拌均匀，放置12个小时后，即可使用；也可以用不透气塑料袋分袋包装。储藏待用，存放期12个月。

上述各例中土壤固化剂的性能指标的检验按照行业标准土壤固化剂CJ/T3073-1998中的规定进行，其抗压强度指标见表1（土壤干密度指标可以达到为1.80g/cm³，最佳含水量为15.5%）。

表2 土壤固化剂配方表

以上各例土壤固化剂经过实验室和野外多次试验，其固化土壤的主要物理指标见表3。

表3 被固化地基土壤主要指标

比重（g/m³）	液限%	塑限%	塑性指数	土壤类别
					（1.69）	27.8	16.2	11.6	粉沙土～沙壤土

野外实验证明，上述各例中的土壤固化剂完全可以应用于二、三、四级公路的基层固土处理，也可以用于高速公路和一级公路底基层的土壤固化。

实施例19：土壤固化剂的最大干密度和抗压强度测试

（1）土壤最大干密度实验

①按照实施例1所述配方和固化剂的制备方法，制备土壤固化剂；

②将称量好的固化剂加到浸润后的土壤试料中，用搅拌器充分拌和到均匀状态，放置12个小时；

③按照JTJ057-94 中TO804-94 规范要求，选择重型试验方法，分别按 10%、12%、14%、16%、18%、20%的含水量制备土样；用仪器检测测试件的土壤干密度；并点绘土壤干密度－含水量图，见图1。

④由图1可查出最大土壤干密度下的最优土壤含水量，土的最大干密度为 1.80g/cm³，最佳含水量为15.5%。

（2）抗压强度测试

①采取土壤钻孔的方法，取出土壤试件；

一个试件需要的固化土料数量按下式计算：

合料的含水量（%）。

②将试件放到液压机的升降台上，进行抗压测定，测定过程中，应使试件的形变速率约保持为1mm/min，记录试件破坏时的最大压力。

③抗压强度计算

固化土试件的无侧限抗压强度 P 用下式计算

P =F/A= 0.00051P（MPa）

式中：F 指试件破坏时的最大压力（N），A 指试件的底面积，A=πD²/4，D 指试件的底面直径（mm）。

④实验结果证明，粉煤灰土壤固化剂掺入量为 8%的固化土饱水抗压强度为3.66MPa。

由标准击实实验结果可以看出，固化土的最大干密度随固化剂含量的增大而逐渐增大，当固化剂的掺配比例大于1：14时，固化土的最大干密度比素土的最大干密度有明显的增长，随掺配比例的逐步增大趋于一个定值，其增长幅度在0.029～0.049g/cm³之间。

可以看出，当固化剂与被固化土壤的掺配比例为1：17时，固化土的最大干密度为1.80g/cm³，比素土的最大干密度（1.75g/cm³）提高0.05g/cm³，变化比较明显，对改善土的强度起到十分明显的作用，其后，呈下降趋势。由此可以得出结论，粉煤灰土壤固化剂的最佳掺和量为5.88%（相当于1:17），最佳含水量为15.5%，土的最大干密度可达到1.80g/cm³。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种土壤固化剂，其特征在于，以重量百分比计，所述土壤固化剂由粉煤灰15～30%、石灰4～15%、水玻璃10～20%、烧碱8～20%、石膏 5～16%、普通硅酸盐水泥 10～32%、萤石0.5～3.5%和硫酸钠0～1.5%组成。

2.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于，所述土壤固化剂由粉煤灰15～25%、石灰8～12%、水玻璃12～18%、烧碱12～18%、石膏10～15%、普通硅酸盐水泥 15～25%、萤石1.0～2.0%和硫酸钠0～1.0%组成。

3.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于，所述土壤固化剂由粉煤灰19%、石灰10%、水玻璃16%、烧碱16%、石膏13%、普通硅酸盐水泥23.5%、萤石1.5%和硫酸钠1.0%组成。

4.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于，所述粉煤灰的比表面积为1.70×10⁴～1.90×10⁴cm²/g。

5.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于，所述石灰至少满足国家标准GB1594-79中第三等级消石灰的有关要求。

6.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于，所述萤石符合国家标准GB19321-88。

7.根据权利要求1所述的土壤固化剂，其特征在于，利用土壤固化剂进行土壤固化的方法，主要步骤包括：备下承层、施工测量、备料、摊铺、拌合、整平与碾压成型、初期养护，其特征在于，在所述备料步骤中，按权利要求1所述的原料配比准备土壤固化剂各原料；在所述拌合步骤中，将土壤含水量调节为10～20%，并按1:14～20的掺合比拌合权利要求1所述的土壤固化剂。

8.根据权利要求7所述的土壤固化剂，其特征在于，在所述拌合步骤中，将土壤含水量调节为15.5%，并按1:17的掺合比拌合所述土壤固化剂。