CN111003993B - 一种高液限黏土用改性剂及应用 - Google Patents

一种高液限黏土用改性剂及应用 Download PDF

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Abstract

本公开属于高液限黏土改性技术领域，具体涉及一种高液限黏土用改性剂及应用。本公开提供了一种工业固废基高液限黏土路用改性剂，利用改性剂中高价阳离子的离子交换作用、水泥的水化反应、改性剂发生的火山灰反应、胶凝作用等，最大程度的改善高液限黏土的界限含水率，提高其无侧限抗压强度，使其满足规范中高液限黏土的路用性能要求。该高液限黏土路用改性剂包括尾砂750～820份，水泥80～110份，聚合氯化铝10～70份，改性后的土壤液限显著降低，无侧限抗压强度提升。本公开提供的高液限黏土改性剂主要成分为工业固废，通过所述改性可以有效降低工业固废的处理难度，降低黏土改性成本，具有良好的推广意义。

Description

一种高液限黏土用改性剂及应用
技术领域
本公开属于高液限黏土改性技术领域，具体涉及一种基于工业固废的高液限黏土改性剂及路基填筑技术。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
我国《公路路基设计规范》规定：液限大于50%，塑性指数大于26的细粒土，不得直接作为路堤填料。近年来国内外高速公路工程建设过程中，在高液限黏土的改性和利用等方面进行了大量的研究。但现有的高液限黏土通常使用石灰、水泥或砂砾石进行改良，但随着环境保护越来越严格，石灰开采逐渐受限，且石灰、水泥和砂砾石等原材料价格也逐渐提高，造成了高液限黏土改性的综合成本攀升。为了降低高液限黏土改性的经济成本，采用工业固废作为改性原料，可以有效的实现工业废弃物的重复利用，降低工业固废处理难度及高液限黏土改性成本。专利CN104988901A中提供了一种采用铁尾细砂改良膨胀土的方法，将两者混合之后通过增湿或晾干达到最优含水量，可实现提高膨胀土强度的效果。
对于目前的研究现状，发明人认为：目前针对高液限黏土进行改性的研究并不充分。另外，高液限黏土具有明显的地区差异性，需要针对特定的土型，探索适合的改性方法。黄河的冲淤积作用在山东省内形成了大量的高液限黏土，黄泛区冲淤积平原区土地资源非常紧张，取土困难，全线普遍缺土，而沿线广泛分布的高液限黏土，表现出天然含水率高、易吸水、保水性强、碾压过程易形成表层硬壳层及水分上移等特点，不能直接在路基中填筑，若将该类土弃之不用，将会造成巨大的资源浪费和环境问题。
发明内容
针对上述研究背景，本公开针对高液限黏土的工程特性和山东省内现存的固废材料，提出了一种基于固废材料的新型高液限黏土改性剂，可有效改善土体界限含水率，并提高了土体强度，在改性高液限黏土的同时，实现了固废材料的大规模应用。
本公开第一方面，提供一种组合物，所述组合物包括尾砂、水泥和聚合氯化铝。
优选的，所述组合物中各原料及重量份比例如下：尾砂：水泥：聚合氯化铝=810~830:120~140:30~50。
更为优选的，尾砂：水泥：聚合氯化铝=812~826:130~138:34~45。
优选的，所述尾砂中SiO2含量为64%~68%，MgO含量为10%~15%。
优选的，所述尾砂粒度小于等于4.75mm。
优选的，所述水泥为P.O 32.5水泥。
优选的，所述聚合氯化铝中AlCl3质量为26%~30%。
本公开第二方面，提供第一方面所述组合物在制备黏土改性剂方面的应用。
本公开研究表明，上述组合物应用于高液限黏土改性时，能够发生如下离子交换作用，水泥和尾砂遇水消解后，会产生Ca2+、Mg2+离子，聚合氯化铝水解后产生Al3+离子，黏土颗粒所收附的低价K+、Na+等离子与Ca2+、Mg2+、Al3+离子交换吸附，土颗粒周围吸附大量的高价阳离子后，黏土双电层厚度变薄，形成土团粒结构的结合水膜也变薄,黏土颗粒相互间的结合力加强。对黏土的塑性指标以及土体强度均有影响。本公开以尾砂、水泥和聚合氯化铝等作为基本原料，其中水泥的水化作用得到硅酸钙和铝酸钙，这些产物进一步水化形成强度。同时反应产生的xCaO•Al2O3会与尾砂中的CaSO4反应得到钙矾石，从而进一步提高高液限黏土的强度。尾砂和聚合氯化铝水化后与水泥水化产物发生了强烈的火山灰反应，进一步促进了水泥水化反应的发生，生成了大量的C-S-H和C-A-H絮凝状胶凝物质，它们填充在孔隙中或包裹在针柱状钙矾石晶体周围,使得网状结构更为密实，且增强了水泥石骨架之间的粘结作用。改性土中针柱状钙矾石晶体周围的无定型水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶更多，生成的胶凝物质几乎完全将针柱状钙矾石结晶包裹起来，形成了密实的镶嵌结构，并通过胶凝物质将网状结构细化变成团聚状结构，将土颗粒更为紧密地胶结起来，提高了改性土的承载力。
本公开第三方面，提供一种高液限黏土改性剂，所述高液限黏土改性剂采用第一方面所述组合物作为活性成分。
本公开第四方面，提供一种高液限黏土改性方法，所述改性方法包括使用第三方面所述高液限黏土改性剂。
优选的，所述高液限黏土改性剂的添加量为改性土壤的5~7%。
本公开第五方面，提供第三方面所述高液限黏土改性剂在路基填筑领域的应用。
现有的土体改良剂主要有石灰、粉煤灰、二灰，以及掺和材料：水泥、砂砾、泥炭、石膏、草灰、石灰和河沙等，由于各材料的自身特点、改性效果有所区别，共同掺入会对高液限黏土的改良产生不一样的效果。因此，为了满足高液限黏土路基填筑要求，在一些实施例中，本申请优选的高液限黏土路用改性剂，能有效地改善高液限黏土的界限含水率，提高高液限黏土的抗压强度。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1.本公开提供了一种基于工业固废的高液限黏土改性剂，所述改性剂中的主要成分尾砂为矿石研磨后的废弃物。本公开研究验证了尾砂、水泥及聚合氯化铝成分混合时，可通过其中的离子交换作用实现凝胶絮状物的生成，并联想到将其应用于高液限黏土的改性，实现耐水性和强度的提升。该改性剂在使用过程中掺量为干土质量的5%~8%，改性土的液限为44%~48%、塑限为25%~32%、塑性指数为14~21。改性土的7d无侧限抗压强度0.4~0.8MPa。
2.本公开提供的改性剂，充分利用了改性剂中高价阳离子的离子交换作用，水泥的水化反应，改性剂发生的火山灰反应，胶凝作用等，最大程度的改善高液限黏土的界限含水率，提高其无侧限抗压强度，是一种组成简单、具有协同增效效果的组合，实用性强，易于推广。
本公开通过室内试验快速准确的确定出满足规范路用要求的高液限黏土最佳改性方案，可大规模推广应用于高液限黏土路基填筑，有利于公路建设工程就地取材，避免远距离调运路基填土，节约大量宝贵土地资源，有效加快施工进度，显著降低工程造价，最大程度地减少对周围环境的影响，具有广阔的应用前景。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为实施例1和对比例1、2、3的液限值。
图2为实施例1和对比例1、2、3的塑限值。
图3为实施例1和对比例1、2、3的塑性指数值。
图4为实施例1和对比例1、2、3的7d无侧限抗压强度值。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，针对现有技术中存在的不足，本公开提出了一种高液限黏土改性剂。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。
以下实施例中采用的高液限黏土取自宁梁高速沿线；尾砂来自临沂某矿厂；水泥及聚合氯化铝为市售产品。
实施例1
本实施例中提供一种工业固废基高液限黏土路用改性剂、该改性剂的制备与使用方法。
称取原料，其中包括820g尾砂，137g水泥，40g聚合氯化铝。将称好的原料放入干净的容器中，将其拌和均匀。将备好的晾晒脱水后的高液限黏土土样放入盆中，加入占干土质量6%的改性剂，将其拌合均匀。
依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，采用液塑限联合测定仪法，测得改性土的液限为45.16%、塑限为30.06%、塑性指数为15.1。
向上述拌合均匀的土样中加入一定质量的水，使土样的含水率达到其最佳含水率20%。将得到的土样放置在密封袋内，养护7天。依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，测得改性土7d无侧限抗压强度0.75MPa。
实施例2
称取原料，其中包括812g尾砂，130g水泥，45g聚合氯化铝。将称好的原料放入干净的容器中，将其拌和均匀。将备好的晾晒脱水后的高液限黏土土样放入盆中，加入占干土质量5%的改性剂，将其拌合均匀。
实施例3
称取原料，其中包括826g尾砂，138g水泥，35g聚合氯化铝。将称好的原料放入干净的容器中，将其拌和均匀。将备好的晾晒脱水后的高液限黏土土样放入盆中，加入占干土质量7%的改性剂，将其拌合均匀。
对比例1
本对比例中采用无聚合氯化铝，其余设置与实施例1相同，原料组分及重量包括820g尾砂，137g水泥。
将本对比例制得的高液限黏土路用改性剂加入高液限黏土中，测得改性土的液限为45.99%、塑限为29.33%、塑性指数为16.66。测得改性土7d无侧限抗压强度0.63MPa。
对比例2
本对比例提供的改性剂中不包含水泥，其余设置与实施例1相同，原料组分及重量包括820g尾砂，40g聚合氯化铝。
将本对比例制得的高液限黏土路用改性剂加入高液限黏土中，测得改性土的液限为46.31%、塑限为27.77%、塑性指数为18.54。测得改性土7d无侧限抗压强度0.45MPa。
对比例3
本对比例提供的改性剂中不包含水泥和聚合氯化铝，其余设置与实施例1相同，采用820g尾砂作为改性剂。将本对比例制得的高液限黏土路用改性剂加入高液限黏土中，测得改性土的液限为47.24%、塑限为25.97%、塑性指数为21.27。
测得改性土7d无侧限抗压强度0.41MPa。
实施例1及对比例1-3中改性后土壤的液限值、塑限值、塑性指数及7d无侧限抗压强度值如附图1-4所示。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种组合物，其特征在于，所述组合物包括尾砂、水泥和聚合氯化铝；
所述组合物中各原料及重量份比例如下：尾砂：水泥：聚合氯化铝=810~830:120~140:30~50。
2.一种组合物，其特征在于，所述组合物中各原料及重量份比例如下：尾砂：水泥：聚合氯化铝=812~826:125~138:34~45。
3.如权利要求1所述组合物，其特征在于，所述尾砂中SiO2含量为64%~68%，MgO含量为10%~15%。
4.如权利要求1所述组合物，其特征在于，所述尾砂粒度小于等于4.75mm。
5.如权利要求1所述组合物，其特征在于，所述聚合氯化铝中AlCl3含量为26%~30%。
6.权利要求1-5任一项所述组合物在制备黏土改性剂方面的应用。
7.一种高液限黏土改性剂，其特征在于，所述高液限黏土改性剂采用权利要求1-5任一项所述组合物作为活性成分。
8.一种高液限黏土改性方法，其特征在于，所述改性方法包括使用权利要求7所述高液限黏土改性剂。
9.如权利要求8所述的一种高液限黏土改性方法，其特征在于，所述高液限黏土改性剂的添加量为改性土壤的5~7%。
10.权利要求7所述高液限黏土改性剂在路基填筑领域的应用。
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