CN107761496A - 一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，按重量份数计，包括如下各组分：高钙粉煤灰25～55；改性超细粒化高炉矿渣微粉40～70；亲水性纤维1～10；早强剂0～3。本发明通过在固化剂中掺入改性超细粒化高炉矿渣微粉，故具有很好的吸附能力，与软土拌合后能够发挥颗粒之间的胶结作用，能有效提高加固土的强度；通过在固化剂中掺入高钙粉煤灰，能够提高固化剂后期强度增进率；可根据厚海淤泥天然含水量的不同，采用相应的不同固化剂掺量，对提高软土地基承载力、减少地基的沉降量及提高路基稳定性具有明显的效果；制作工艺简单，合理利用工业废料，因为不涉及生产水泥环节的高污染和能耗，所以经济环保。

Description

一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂及其制作方法

技术领域

本发明涉及公路路基用固化剂技术领域，尤其涉及一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂。

背景技术

随着我国交通事业的蓬勃发展，高速公路改扩建及涉及的路基拓宽工程越来越多。然而对于经济发达的沿海地区，普遍存在厚海淤泥区域。厚海淤泥属于一种特殊的软土，一般颗粒比较细，含水量高，渗透系数小，可压缩性很大，覆土厚度达到5m-10m左右，有机质含量相对较高，物理力学指标差，具有较大的化学活性。在这类地层上进行路基拓宽时，由于新、老路基的力学性质不同，旧路基在运营多年后经过一定的压密其压缩性得到降低、沉降变形相对稳定，而新建的拓宽路基则由于厚海淤泥的特性将发生较大的沉降变形，从而引起新老路基在路基横断面发生较大的不均匀变形或沉降，这种过大的差异沉降会损害公路的使用性能，进而影响公路的正常运行。因此如何控制扩宽路基的不均匀沉降，是设计和施工关注的重点之一。

针对厚海淤泥等软土地基不均匀沉降问题，现有技术主要采用排水固结法和粉喷桩法来加固软土地基。

排水固结法技术主要是通过在地基中打入竖向排水板或袋装砂井，并在地表施加堆载，使得软土地基中的孔隙水在超静孔隙水压力下沿着竖向排水通道，排出到地表，从而使得地基逐渐得到加固和密实。但是，这种处理方法的主要缺点是工期太长，因为厚海淤泥渗透性极小而导致固结效果很小，从而使得加固时间太长，工期延长。

粉喷桩法是人们倾向的一种软土地基处理的技术方案，一般是在双侧加宽段和桥头段采用粉喷桩工法加固地基。目前这种方案中主要以水泥作为固化剂，而实际工程中，水泥对厚海淤泥软土地基的加固效果并不明显，而且质量差。为了提高水泥加固土的强度，出现了如下技术：

一、在水泥固化剂中掺入适量的外掺剂，如木质素碳酸钙、石膏、粉煤灰等。

不同的外掺剂对水泥加固土强度有着不同的影响，但对水泥加固土强度的提高效果不是十分明显，如：木质素碳酸钙对水泥加固土强度的增长影响不大，主要起减水作用。石膏对水泥加固土强度有增强作用，但是接近90天龄期时己经失去其增强作用，甚至使得水泥加固土的强度有所降低。粉煤灰虽能部分代替水泥而节约造价，但粉煤灰外掺剂的掺入对水泥土的早期强度不利，对水泥加固土的强度的提高效果不是很大。

二、在固化剂中掺入磨细粒化高炉矿渣

《岩土工程学报》1998年第20卷第2期的文献，梁伟平等在固化剂中掺入磨细粒化高炉矿渣，以新型材料和水泥的混合物作为粉喷桩的固化剂进行室内试验研究，得出结论，这种固化剂能大幅度提高加固土的无侧限抗压强度，可以代替纯水泥来作为粉喷桩的固化剂。但是这些粒化高炉矿渣，三天活性指数一般低于65％，早期强度明显偏低，使得其潜在活性得不到充分发挥，使用性能也受到很大的局限性。

三、2015年由连云港港口工程设计研究院有限公司申请的编号为201510769896.4的专利《一种工业废渣固化淤泥的方法》，将100重量份的淤泥、5～20重量份的碱渣、0.5～5重量份的矿粉、0.5～30重量份的固化剂混合搅拌后进行输送摊铺、密实、养护，形成高强固化土，其中所述固化剂是由粉煤灰、矿渣、催化剂按10～50:20～80:2～10的重量配比混合而成，催化剂为蔡系高效减水剂、早强减水剂、防冻剂、早强剂、缓凝剂、防水剂、生石灰中的任意一种或几种的混合。其缺点在于未对粉煤灰以及矿渣进行详细说明，未考虑淤泥的实际含水量对固化剂配比及固化效果的影响，而且其实际应用效果也有待进一步考证。

由上述可以看出，从目前的研究成果来看，虽然不同外掺剂对水泥加固土强度有着不同的影响，但其并没有考虑厚海淤泥特殊地基条件下天然地基含水量的影响，对水泥加固土的强度提升效果均不明显。也可以说现有水泥加固土的方法并不能有效地适用于厚海淤泥土层的加固，不适用于厚海淤泥路基拓宽。

发明内容

为克服目前存在的问题和不足，本发明提供了一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其不仅与特有的厚海淤泥软土地基条件相适应，而且合理利用工业废料，经济环保，制作工艺简单；同时对提高软土地基承载力、减少地基的沉降量及保证桥头高填土路基稳定性具有明显的效果。

本发明的目的是通过采用如下的技术方案来实现的。

本发明提供一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其，按重量份数计，包括如下各组分：

高钙粉煤灰25～55；改性超细粒化高炉矿渣微粉40～70；亲水性纤维 1～10；早强剂0～3。

更优选地，所述的一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，按重量百分比计，包括如下各组分：

高钙粉煤灰30～50；改性超细粒化高炉矿渣微粉45～65；亲水性纤维 3～7；早强剂1～2。

更优选地，所述的一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，按重量百分比计，其包括如下各组分：

高钙粉煤灰40；改性超细粒化高炉矿渣微粉55；亲水性纤维4；早强剂1。

更优选地，所述改性超细粒化高炉矿渣微粉比表面积为：500 m²/kg～600m²/kg。

更优选地，所述亲水性纤维包括：

粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、亲水性聚酯短纤维中的一种或几种。

更优选地，所述早强剂包括：硫酸盐、硫酸复盐或三乙醇胺。

更优选地，根据厚海淤泥天然含水量的不同，采用相应的固化剂掺量：

当厚海淤泥天然含水量为50％时，固化剂掺量为50kg/延米；当厚海淤泥天然含水量为60％时，固化剂掺量为60kg/延米；当厚海淤泥天然含水量为70％时，固化剂掺量为70kg/延米。

本发明相较于传统的纯水泥固化剂或者现有的其它固化剂，具有如下

有益效果：

本发明通过在固化剂中掺入改性超细粒化高炉矿渣微粉，使得本发明具有很好的吸附能力，与软土拌合后能够发挥颗粒之间的胶结作用，能够有效提高加固土的强度；本发明通过在固化剂中掺入高钙粉煤灰，能够提高固化剂后期强度增进率。

本发明可根据厚海淤泥天然含水量的不同，采用相应的不同固化剂掺量，对提高软土地基承载力、减少地基的沉降量及提高路基稳定性具有明显的效果。

本发明制作工艺简单，合理利用工业废料，因为不涉及生产水泥环节的高污染和能耗，所以经济环保。

本发明不仅适用于厚海淤泥软土地基条件的公路改扩建工程，而且还可以用于铁路、工业与民用建筑和水利港口等行业的软土地基处理。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其组分包括：高钙粉煤灰、改性超细粒化高炉矿渣微粉、亲水性纤维和早强剂；按重量份数计各组分的含量为：高钙粉煤灰25～55；改性超细粒化高炉矿渣微粉 40～70；亲水性纤维1～10；早强剂0～3。

上述改性超细粒化高炉矿渣微粉的比表面积500—600m²/kg，3μm以下粒径的质量百分比大于25％，3μm-10μm粒径的质量百分比不低于 35％，10μm-20μm粒径的质量百分比不低于33％，其3d的活性指数大于92％，7d活性指数大于100％。上述亲水性纤维为粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、亲水性聚酯短纤维等中的一种或几种的混合。上述早强剂选用硫酸盐、硫酸复盐或三乙醇胺等，以适应厚海淤泥特性。

制作本发明时，依据重量百分比计，将固化剂中的各个组分混合，搅拌均匀即可。

使用本发明时，根据厚海淤泥天然含水量的不同，采用相应的固化剂掺量：当厚海淤泥天然含水量为50％时，固化剂掺量为50kg/延米；当厚海淤泥天然含水量为60％时，固化剂掺量为60kg/延米；当厚海淤泥天然含水量为70％时，固化剂掺量为70kg/延米。

上述本发明中各个组分的掺入，对本发明形成的固化剂起着各自不同的作用，具体如下：

一、改性超细粒化高炉矿渣微粉的掺入，使得本发明具有很好的吸附能力，使得其与软土拌合后能够发挥颗粒之间的胶结作用，能够有效提高加固土的强度。

与现有技术中的纯水泥固化剂相比，本发明的固化剂中掺入了一定量的改性超细粒化高炉矿渣微粉，其本身具有良好的活性，比表面积 500—600m2/kg，远大于水泥的比表面积，因此改性超细粒化高炉矿渣微粉表面的吸附能要大于水泥表面的吸附能，当软土经过机械与固化剂充分拌和并且发生化学反应之后，固化剂能更有效地发挥颗粒之间的胶结作用，使得较大的土团颗粒进一步结合起来，形成混合料加固土的链条状结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的联结，从宏观上看也就是使混合料加固土的强度得到更大的提高。

二、高钙粉煤灰的掺入，能够提高本发明的后期强度增进率。

高钙粉煤灰区别于一般粉煤灰，主要在于其Ca0含量相对较高(一般在20％以上)，常温常压下掺入一定量水分可自行硬化。掺入高钙粉煤灰的固化剂比较致密，内比表面积较小，而且对水的吸附能力小得多，同时相对纯水泥水化作用的需水量要小，所以掺入高钙粉煤灰的固化剂的干缩性就小，抗裂性也好，而且水化热低，抗腐蚀能力较强。并且高钙粉煤灰相对于水泥更为廉价，使得本发明的固化剂的成本更低。但高钙粉煤灰的掺入会影响固化剂的早期强度，随着高钙粉煤灰掺入量的增多早期强度出现较大幅度下降，因为高钙粉煤灰中的玻璃体极其稳定，掺入高钙粉煤灰的固化剂在水化过程中，其高钙粉煤灰颗粒被Ca(OH)2侵蚀和破坏的速度很慢。掺入高钙粉煤灰的固化剂强度发育主要反映在后期，其后期强度增进率大，甚至可以超过相应硅酸盐水泥的后期强度。因此，为了保证固化土的早期强度并兼顾后期强度，应该针对不同要求合理地选择高钙粉煤灰的掺入量。

三、亲水性纤维的掺入能够促进水解和水化反应；早强剂的掺入能够促进加固土的早期强度的发展。

混合料加固土和混凝土的硬化机理基本相似，其强度随被固结土的颗粒比表面积的增大而逐渐减小。在加固土中，由于土颗粒的比表面积大，一般固化剂的掺入量相对很少，因而混合料加固土的强度必然会较低。而且，固化剂的水解和水化反应是在与空气隔绝的具有一定活性的介质土或饱和土包围下进行的，所以硬化速度缓慢，这些都将影响到混合料加固土的早期强度。亲水性纤维的大分子链上具有一定数量的较强极性的集团(如-OH、-NH、C＝O等)，能与水分子形成氢键结合。其无定形区和结晶区的边缘部分较大，分子结构较为疏松，水分子容易深入纤维表面的微小空隙内，掺入亲水性纤维的固化剂能促进水解和水化反应；早强剂能加速固化剂的水化速度，促进加固土的早期强度的发展，对后期强度无显著影响。因此考虑掺入一定量的亲水性纤维以及早强剂，以保证加固土强度。

由本发明的组分可以分析出，本发明形成的固化剂主要由CaO、SiO₂、 Al₂O₃、Fe₂O₃、SO₃等分子组成，其中固化剂中的活性物质SiO₂和Al₂O₃的含量要高于纯水泥中的含量，其它的化学成分与纯水泥相似。由这些不同的氧化物组成了不同的熟料矿物，其中硅酸三钙(3Ca0·SiO₂)是决定强度的主要因素；硅酸二钙(2Ca0·SiO₂)则主要产生后期强度；铝酸三钙(3CaO·Al₂O₃) 能促进早凝；铁铝酸四钙(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)则可促进早期强度。当用本发明的固化剂加固软土时，这些熟料矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙(水泥杆菌)等化合物。

由于本发明固化剂中Al₂O₃的含量要高于纯水泥中Al₂O₃的含量，因此由Al₂O₃所形成的矿物铁铝酸四钙(4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃)在固化剂加固土中的含量要高于纯水泥中的含量，当用固化剂加固软土时，则可以提高加固土的早期强度。而水化硫铝酸钙能使大量自由水以结晶水的形式固定下来，使土中的自由水的含量大大降低，这对固化剂加固土的强度增长起到了重要的作用。另外，固化剂经水化后析出的Ca(OH)₂能逐渐与固化剂中的活性物质起作用，生成硅酸钙或铝酸钙的化合物，促进其后期强度的增长。

下面给出不同配比组合的实施例对本发明做进一步说明：

实施例一：

实施例一的固化剂按重量份数计各组分的含量为：

高钙粉煤灰25；改性超细粒化高炉矿渣微粉70；亲水性纤维4；早强剂1。其中的改性超细粒化高炉矿渣微粉的比表面积500—600m²/kg。亲水性纤维为粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、亲水性聚酯短纤维等中的一种或几种的混合。早强剂选用硫酸盐、硫酸复盐或三乙醇胺中的任意一种。

该实施例一中，改性超细粒化高炉矿渣微粉掺入的重量份数为70。由于改性超细粒化高炉矿渣微粉比表面积500—600m2/kg，远大于水泥的比表面积，且其具有良好的活性，因此配制出的固化剂的吸附性能最好。但是由于高钙粉煤灰仅仅为25，所以配制出的固化剂的抗裂性弱些。该实施例一的固化剂适用于砂子较多的厚海淤泥软土地质中。

实施例二：

实施例二的固化剂按重量份数计各组分的含量为：高钙粉煤灰55；改性超细粒化高炉矿渣微粉40；亲水性纤维5；早强剂1。其中的改性超细粒化高炉矿渣微粉的比表面积500—600m²/kg。亲水性纤维为粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、亲水性聚酯短纤维等中的一种或几种的混合。早强剂选用硫酸盐、硫酸复盐或三乙醇胺中的任意一种。

该实施例二中，改性超细粒化高炉矿渣微粉掺入的重量份数为40。由于改性超细粒化高炉矿渣微粉比表面积500—600m2/kg，远大于水泥的比表面积，且其具有良好的活性，因此配制出的固化剂的吸附性能相对实施例一弱。但是由于高钙粉煤灰为55，所以配制出的固化剂的抗裂性非常好。该实施例二的固化剂适用于容易开裂的厚海淤泥软土地质中。

实施例三：

实施例三的固化剂按重量份数计各组分的含量为：高钙粉煤灰40；改性超细粒化高炉矿渣微粉55；亲水性纤维4；早强剂1。其中的改性超细粒化高炉矿渣微粉的比表面积500—600m²/kg。亲水性纤维为粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、亲水性聚酯短纤维等中的一种或几种的混合。早强剂选用硫酸盐、硫酸复盐或三乙醇胺中的任意一种。

该实施例三中，改性超细粒化高炉矿渣微粉掺入的重量份数为55，高钙粉煤灰为35。其利用了改性超细粒化高炉矿渣微粉的活性较高以及高钙粉煤灰抗开裂性能，使得该实施例三的固化剂具有很好的综合性能。

由上述可以看出，本发明的固化剂由高钙粉煤灰和改性超细粒化高炉矿渣微粉按照一定掺和比配制而成，并根据厚海淤泥实际含水量及土颗粒比表面积掺入适量的亲水性纤维和早强剂以保证加固土强度，对提高软土地基承载力、减少地基的沉降量及保证桥头高填土路基稳定性具有明显的效果。而且本发明制作工艺简单，成本低廉，合理利用工业废料，经济环保，能够完全替代现有技术中的水泥类固化剂。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其特征在于，按重量份数计，其包括如下各组分：

高钙粉煤灰25～55；改性超细粒化高炉矿渣微粉40～70；亲水性纤维1～10；早强剂0～3。

2.根据权利要求1所述的一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其特征在于，按重量百分比计，其包括如下各组分：

高钙粉煤灰30～50；改性超细粒化高炉矿渣微粉45～65；亲水性纤维3～7；早强剂1～2。

3.根据权利要求1所述的一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其特征在于，按重量百分比计，其包括如下各组分：

高钙粉煤灰40；改性超细粒化高炉矿渣微粉55；亲水性纤维4；早强剂1。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其特征在于，所述改性超细粒化高炉矿渣微粉比表面积为：500m²/kg～600m²/kg。

5.根据权利要求4所述的一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其特征在于，所述亲水性纤维包括：

粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、亲水性聚酯短纤维中的一种或几种。

6.根据权利要求4所述的一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其特征在于，所述早强剂包括：硫酸盐、硫酸复盐或三乙醇胺。

7.根据权利要求4所述的一种粉喷桩加固厚海淤泥拓宽路基的固化剂，其特征在于，根据厚海淤泥天然含水量的不同，采用相应的固化剂掺量：

当厚海淤泥天然含水量为50％时，固化剂掺量为50kg/延米；当厚海淤泥天然含水量为60％时，固化剂掺量为60kg/延米；当厚海淤泥天然含水量为70％时，固化剂掺量为70kg/延米。