CN113123185A - 一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构 - Google Patents

一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，属于岩土工程领域。所述韧性膨胀土路基结构包括膨胀土填芯、路基顶部包边层、路基底部包边层和两个路基边坡包边层，所述膨胀土填芯设置在四个包边层所包围的封闭空间之中。所述四个包边层的铺设材料均为改性膨胀土，由改性剂、水、碳纤维、场地膨胀土均匀混合而成，所述改性剂为疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作而成。本发明采用改性膨胀土包边方法填筑膨胀土路基，具有适用性广，显著缩短施工工期，包边层强度高、渗透性低、膨胀性低、耐久性好的特点。

Description

一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构
技术领域
本发明涉及一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，属于岩土工程及地质工程领域。
背景技术
天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性较低，表现出很好的工程特性，但膨胀土遇水后性质会发生劣化。根据文献1《膨胀土的改良技术与工程应用》由科学出版社发行[J].(王保国，张福海.岩土力学，2009(5)：1380-1380)的研究，膨胀土分布广泛，因此工程中常不可避免穿越膨胀土地区。由于膨胀土的胀缩性及含水率的变化，路面结构通常会出现裂隙，这些裂隙又随之反映到路面上。这个过程的不断循环使得其上的裂隙越来越大，一方面影响了公路的正常使用，另一方面裂隙的产生也给水提供了通道，使路基软化，加速路面结构破坏，缩短了路面的使用年限。因此，解决膨胀土路基破坏的方法有两种，抑制膨胀土膨胀性或控制膨胀土含水率的变化。
膨胀土路基的常用处理方法有换填法、含水率控制法、化学改性法等。换填法一般用非膨胀性黏土或粗粒土，改良效果好，施工简单，但换填深度过深时，换填土的来源及运会使工程造价大大提高。含水率控制法常选择压实黏土覆盖层作为路基防渗处置，由于压实后的黏土有较低的渗透系数，可以有效地隔绝水分对下覆土体的侵入，但该方法在长期服役情况下，会因为黏土表面的裂隙而失效。石灰是一种十分优秀的膨胀土化学改性剂，价格低廉，效果显著，石灰改良土由于其低渗性也有良好的防水保湿作用。但石灰改良土也有一些弊端。根据文献2《改良膨胀土的干湿循环特性试验研究[J]》(杨成斌，查甫生，崔可锐.工业建筑，2012，42(01)：98-102+12.)的研究，虽然经石灰-粉煤灰改良后的膨胀土有十分优异的工程特性，但改良土的胀缩性、黏粒含量随干湿循环次数增加而增加，粉粒含量、强度随之增加而减小，其原因是干湿循环破坏了石灰生成的胶结物质，因此石灰-粉煤灰改良土作为包边层在长期的干湿循环作用下也会因为开裂而导致包边层失效。
综上所述，现有的膨胀土路基的改良方法存在以下问题：换填法无法解决换填土的来源及运费，工程造价昂贵；压实粘土覆盖层及石灰改良土长期性能不佳，在降雨多发的湿润地区效果会大打折扣。因此我们需要对石灰改良膨胀土路基的方法进一步改良，以增加其耐久性，降低其工程造价。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于钙基纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，具体的，以疏水性纳米二氧化硅和石灰混合制作的改性剂对场地膨胀土进行改性，并用改性膨胀土作为路基结构中四个表层的土体，在铺设过程中逐层加入碳纤维并压实，增强了路基结构的整体韧性、孔隙填充性，解决石灰改性土耐久性较差、工期较长的缺点。
本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，包括膨胀土填芯、路基顶部包边层、路基底部包边层、连接路基顶部包边层和路基底部包边层的两个路基边坡包边层，所述膨胀土填芯设置在路基顶部包边层、路基底部包边层、两个路基边坡包边层所包围的封闭空间之中；
所述路基顶部包边层、路基底部包边层、路基边坡包边层的铺设材料均为改性膨胀土和碳纤维；将从路基所在场地挖取得到、且满足预设含水率w的膨胀土记为场地膨胀土，所述改性膨胀土由改性剂、水、场地膨胀土均匀混合而成，其重量组成按前述顺序分别为：4.7％～6％、15.9％～18.8％、75.2％～79.4％；将改性剂重量组成记为改性剂掺量A；
所述改性剂为疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作而成的柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，其中，疏水性纳米二氧化硅与石灰的重量比B、改性剂掺量A的选择如下：
场地膨胀土为弱膨胀土：B＝1∶8～1∶10，A＝6％；
场地膨胀土为中膨胀土：B＝1∶6～1∶7，A＝6％；
场地膨胀土为强膨胀土：B＝1∶4～1∶5，A＝8％；
路基顶部包边层、路基底部包边层、路基边坡包边层均采用从下而上分层铺设的方式，且每铺设完成0.5m时，将碳纤维均匀的撒布于改性膨胀土表面，撒布完成后人工进行压实，压实度不低于92％；所述碳纤维与改性膨胀土的重量比为0.5∶99.5～1∶99；
所述膨胀土填芯的铺设材料为场地膨胀土或改良膨胀土，具体的，当场地膨胀土为弱膨胀土或中膨胀土时，膨胀土填芯的铺设材料为场地膨胀土；当场地膨胀土为强膨胀土时，膨胀土填芯的铺设材料为改良膨胀土，所述改良膨胀土由场地膨胀土和石灰均匀混合组成，场地膨胀土、石灰的重量比为97％∶3％；
所述路基顶部包边层的层厚为1.2m～1.8m，所述路基底部包边层的层厚为0.3m～0.5m，所述路基边坡包边层沿坡面垂直方向的层厚为3m～3.5m。
优选地，所述弱膨胀土、中膨胀土、强膨胀土的界定如下：
40％≤δef＜60％，弱膨胀土；
60％≤δef＜90％，中膨胀土；
δef≥90％，强膨胀土；
其中，δef为膨胀土的自由膨胀率。
优选地，所述场地膨胀土的含水率w控制在0.97-1.2wp范围内，其中，wp为场地膨胀土的塑限，具体控制方式为：首先将从路基所在场地挖取得到的膨胀土置于场地附近拌料场，平摊风干后，粉碎并过5mm～10mm的筛；然后进行预设含水率w的检测，并通过补充洒水或晾晒方式控制预设含水率w为0.97-1.2wp。
优选地，所述碳纤维为聚乙烯碳纤维，所述聚乙烯碳纤维的形状为条状，长度为5cm～10cm，宽度为1cm～2cm，厚度为3mm～6mm。
优选地，所述疏水性纳米二氧化硅的粒径为1nm～10nm。
优选地，所述膨胀土填芯从下而上进行分层铺设，每铺设0.5m进行压实，压实度不低于92％。
优选地，所述柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的制作如下：
将疏水性纳米二氧化硅浸没在水中，并放置在超声波振荡器上充分震荡1小时～2小时，然后再放置在80℃～150℃的烘箱内进行培养，培养时间为0.5小时～1小时；
将培养后的疏水性纳米二氧化硅与石灰按照重量比B混合制作成柔性钙基纳米二氧化硅改性剂。
由于本发明采用了由四个包边层和膨胀土填芯构成的韧性膨胀土路基结构，且四个包边层均为含有柔性钙基纳米二氧化硅改性剂和碳纤维的改性膨胀土，相对于现有技术，具有以下有益的效果：
1、本发明增强了路基结构的整体抗拉强度。本发明中碳纤维的加入增强了改性膨胀土土体整体抗拉强度，很好的抑制了裂隙的产生。
2、本发明提高了路径结构的耐久性。本发明中疏水性纳米二氧化硅的加入使得改性膨胀土具有更强的耐水性，且有效避免石灰改良土随着干湿循环强度的衰减。
3、本发明中提高了路基结构的早期强度。本发明中疏水性纳米二氧化硅的加入大大提高了石灰反应进程，显著提高了路基结构中的早期强度，使其能更快达到工程中强度要求，从而降低工期。
4、本发明的路基结构更加致密。本发明中疏水性纳米二氧化硅的尺寸为1nm～10nm之间，其对土体中微孔隙的填充效果使路基土体结构更加致密。
5、本发明有一定的环保性。由于疏水性纳米二氧化硅的掺入，降低了现有技术中石灰的掺量，有效的减少了环境污染。
6、本发明适用范围广且具有更好的生态效益。试验证明，本发明中的改性膨胀土对于强膨胀土、中膨胀土、弱膨胀土都有很好的改良效果。
附图说明
图1为本发明实施例中路基结构剖面图；
图2为本发明实施例中改性膨胀土的无侧限抗压强度曲线图；
图3为本发明实施例中改性膨胀土的渗透系数曲线图；
图4为本发明实施例中改性膨胀土的自由膨胀率曲线图。
图中：1-路基顶部包边层，2-路基底部包边层，3-路基边坡包边层，4-膨胀土填芯。
具体实施方式
下面将结合附图对发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1：图1为图1为本发明实施例中路基结构剖面图。由图1可见，本发明一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构为梯形结构，包括膨胀土填芯4、路基顶部包边层1、路基底部包边层2、连接路基顶部包边层1和路基底部包边层2的两个路基边坡包边层3，所述膨胀土填芯4设置在路基顶部包边层1、路基底部包边层2、两个路基边坡包边层3所包围的封闭空间之中。
所述路基顶部包边层1、路基底部包边层2、路基边坡包边层3的铺设材料均为改性膨胀土和碳纤维。将从路基所在场地挖取得到、且满足预设含水率w的膨胀土记为场地膨胀土，所述改性膨胀土由改性剂、水、场地膨胀土均匀混合而成，其重量组成按前述顺序分别为：4.7％～6％、15.9％～18.8％、75.2％～79.4％；将改性剂重量组成记为改性剂掺量A。
所述改性剂为疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作而成的柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，其中，疏水性纳米二氧化硅与石灰的重量比B、改性剂掺量A的选择如下：
场地膨胀土为弱膨胀土：B＝1∶8～1∶10，A＝6％；
场地膨胀土为中膨胀土：B＝1∶6～1∶7，A＝6％；
场地膨胀土为强膨胀土：B＝1∶4～1∶5，A＝8％。
所述路基顶部包边层1、路基底部包边层2、路基边坡包边层3均采用从下而上分层铺设的方式，且每铺设完成0.5m时，将碳纤维均匀的撒布于改性膨胀土表面，撒布完成后人工进行压实，压实度不低于92％。所述碳纤维与改性膨胀土的重量比为0.5∶99.5～1∶99。
所述膨胀土填芯4的铺设材料为场地膨胀土或改良膨胀土，具体的，当场地膨胀土为弱膨胀土或中膨胀土时，膨胀土填芯4的铺设材料为场地膨胀土；当场地膨胀土为强膨胀土时，膨胀土填芯4的铺设材料为改良膨胀土，所述改良膨胀土由场地膨胀土和石灰均匀混合组成，场地膨胀土、石灰的重量比为97％：3％。
所述路基顶部包边层1的层厚为1.2m～1.8m，所述路基底部包边层2的层厚为0.3m～0.5m，所述路基边坡包边层3沿坡面垂直方向的层厚为3m～3.5m。
在本实施例中，所述弱膨胀土、中膨胀土、强膨胀土的界定如下：
40％≤δef＜60％，弱膨胀土；
60％≤δef＜90％，中膨胀土；
δef≥90％，强膨胀土；
其中，δef为膨胀土的自由膨胀率。
在本实施例中，所述场地膨胀土的含水率w控制在0.97-1.2wp范围内，其中，wp为场地膨胀土的塑限，具体控制方式为：首先将从路基所在场地挖取得到的膨胀土置于场地附近拌料场，平摊风干后，粉碎并过5mm～10mm的筛；然后进行预设含水率w的检测，并通过补充洒水或晾晒方式控制预设含水率w为0.97-1.2wp。
在本实施例中，所述碳纤维为聚乙烯碳纤维，所述聚乙烯碳纤维的形状为条状，长度为5cm～10cm，宽度为1cm～2cm，厚度为3mm～6mm。
在本实施例中，所述疏水性纳米二氧化硅的粒径为1nm～10nm。
在本实施例中，所述膨胀土填芯4从下而上进行分层铺设，每铺设0.5m进行压实，压实度不低于92％。
在本实施例中，所述柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的制作如下：
将疏水性纳米二氧化硅浸没在水中，并放置在超声波振荡器上充分震荡1小时～2小时，然后再放置在80℃～150℃的烘箱内进行培养，培养时间为0.5小时～1小时；
将培养后的疏水性纳米二氧化硅与石灰按照重量比B混合制作成柔性钙基纳米二氧化硅改性剂。
在具体实施过程中，对不同的膨胀土路基设计了该基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，均得到了较好的效果。数据详见以下实施例。
实施例1：检测得到场地膨胀土的自由膨胀率δef为55％，属于弱膨胀土，疏水性纳米二氧化硅与石灰的重量比B＝1∶10，改性剂掺量A＝6％。以改性膨胀土总重量为基准，疏水性纳米二氧化硅的掺量为0.54％，石灰的掺量为5.46％，碳纤维掺量为0.5％，含水率w为22％。
实施例2：检测得到场地膨胀土的自由膨胀率δef为67％，属于中膨胀土，疏水性纳米二氧化硅与石灰的重量比B＝1∶7，改性剂掺量A＝6％。以改性膨胀土总重量为基准，疏水性纳米二氧化硅的掺量为0.75％，石灰的掺量为5.25％，碳纤维掺量为0.5％，含水率w为23.1％。
实施例3：检测得到场地膨胀土的自由膨胀率δef为91％，属于强膨胀土，疏水性纳米二氧化硅与石灰的重量比B＝1∶7，改性剂掺量A＝8％。以改性膨胀土总重量为基准，疏水性纳米二氧化硅的掺量为1％，石灰的掺量为7％，碳纤维掺量为1％，含水率w为24.7％。
为了验证本发明路基结构的性能，对路基结构中的四个包边层的改性膨胀土进行了无侧限抗压强度、渗透系数和自由膨胀率δef的试验。图2为本发明实施例中改性膨胀土的无侧限抗压强度曲线图，图3为本发明实施例中改性膨胀土的渗透系数曲线图，图4为本发明实施例中改性膨胀土的自由膨胀率曲线图。三张图中的“弱膨胀土”、“中膨胀土”、“膨胀土”指的是改性膨胀土中的场地膨胀土的性质。
由图2可见，四个包边层的改性膨胀土抗压强度在任何养护龄期均达到了2MPa以上，且14d的无侧限抗压强度均达到了28d无侧限抗压强度的85％左右。这表明了纳米二氧化硅加速了石灰的火山灰反应，使得路基结构整体强度处于一个较高水平，也符合路基强度标准。
由图3可见，弱膨胀土对应的改性膨胀土的渗透系数为6.97E-10m/s，中膨胀土对应的改性膨胀土的渗透系数为3.27E-10m/s，强膨胀土对应的改性膨胀土的渗透系数为4.73E-10m/s。另外在任何养护龄期下渗透系数均下降了一个数量级。包边层渗透系数的降低可以使内部膨胀土填芯含水率保持稳定，从而避免膨胀土膨胀性带来的危害。
由图4可见，弱膨胀土对应的改性膨胀土、中膨胀土对应的改性膨胀土各个养护龄期膨胀性均已下降至无风险程度，而强膨胀土对应的改性膨胀土在养护14d后才达到无风险程度。

Claims (7)

1.一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，其特征在于，包括膨胀土填芯(4)、路基顶部包边层(1)、路基底部包边层(2)、连接路基顶部包边层(1)和路基底部包边层(2)的两个路基边坡包边层(3)，所述膨胀土填芯(4)设置在路基顶部包边层(1)、路基底部包边层(2)、两个路基边坡包边层(3)所包围的封闭空间之中；
所述路基顶部包边层(1)、路基底部包边层(2)、路基边坡包边层(3)的铺设材料均为改性膨胀土和碳纤维；将从路基所在场地挖取得到、且满足预设含水率w的膨胀土记为场地膨胀土，所述改性膨胀土由改性剂、水、场地膨胀土均匀混合而成，其重量组成按前述顺序分别为：4.7％～6％、15.9％～18.8％、75.2％～79.4％；将改性剂重量组成记为改性剂掺量A；
所述改性剂为疏水性纳米二氧化硅与石灰混合制作而成的柔性钙基纳米二氧化硅改性剂，其中，疏水性纳米二氧化硅与石灰的重量比B、改性剂掺量A的选择如下：
场地膨胀土为弱膨胀土：B＝1∶8～1∶10，A＝6％；
场地膨胀土为中膨胀土：B＝1∶6～1∶7，A＝6％；
场地膨胀土为强膨胀土：B＝1∶4～1∶5，A＝8％；
路基顶部包边层(1)、路基底部包边层(2)、路基边坡包边层(3)均采用从下而上分层铺设的方式，且每铺设完成0.5m时，将碳纤维均匀的撒布于改性膨胀土表面，撒布完成后人工进行压实，压实度不低于92％；所述碳纤维与改性膨胀土的重量比为0.5∶99.5～1∶99；
所述膨胀土填芯(4)的铺设材料为场地膨胀土或改良膨胀土，具体的，当场地膨胀土为弱膨胀土或中膨胀土时，膨胀土填芯(4)的铺设材料为场地膨胀土；当场地膨胀土为强膨胀土时，膨胀土填芯(4)的铺设材料为改良膨胀土，所述改良膨胀土由场地膨胀土和石灰均匀混合组成，场地膨胀土、石灰的重量比为97％∶3％；
所述路基顶部包边层(1)的层厚为1.2m～1.8m，所述路基底部包边层(2)的层厚为0.3m～0.5m，所述路基边坡包边层(3)沿坡面垂直方向的层厚为3m～3.5m。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，其特征在于，所述弱膨胀土、中膨胀土、强膨胀土的界定如下：
40％≤δef＜60％，弱膨胀土；
60％≤δef＜90％，中膨胀土；
δef≥90％，强膨胀土；
其中，δef为膨胀土的自由膨胀率。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，其特征在于，所述预设含水率w控制在0.97-1.2wp范围内，其中，wp为场地膨胀土的塑限，具体控制方式为：首先将从路基所在场地挖取得到的膨胀土置于场地附近拌料场，平摊风干后，粉碎并过5mm～10mm的筛；然后进行预设含水率w的检测，并通过补充洒水或晾晒方式控制预设含水率w为0.97-1.2wp。
4.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，其特征在于，所述碳纤维为聚乙烯碳纤维，所述聚乙烯碳纤维的形状为条状，长度为5cm～10cm，宽度为1cm～2cm，厚度为3mm～6mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，其特征在于，所述疏水性纳米二氧化硅的粒径为1nm～10nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，其特征在于，所述膨胀土填芯(4)从下而上进行分层铺设，每铺设0.5m进行压实，压实度不低于92％。
7.根据权利要求1所述的一种基于纳米二氧化硅与碳纤维的韧性膨胀土路基结构，其特征在于，所述柔性钙基纳米二氧化硅改性剂的制作如下：
将疏水性纳米二氧化硅浸没在水中，并放置在超声波振荡器上充分震荡1小时～2小时，然后再放置在80℃～150℃的烘箱内进行培养，培养时间为0.5小时～1小时；
将培养后的疏水性纳米二氧化硅与石灰按照重量比B混合制作成柔性钙基纳米二氧化硅改性剂。
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