CN113277813A - 一种高液限土用复合固化剂及其使用方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高液限土用复合固化剂及其使用方法和应用，该高液限土用复合固化剂由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥35～45％，矿渣粉35～43％，生石灰8～11％，木质素9～13％。采用本发明高液限土用复合固化剂，使改良后的高液限土的CBR值显著提高，并能满足路基填料要求，解决高液限土不能用于路基填料的问题。而本发明固化剂通过添加矿渣粉、生石灰、木质素来减少水泥用量，使工业副产品矿渣、木质素实现变废为宝，避免了资源的浪费同时降低施工成本，符合可持续发展理念。

Description

一种高液限土用复合固化剂及其使用方法和应用

技术领域

本发明属于高液限土技术领域，尤其涉及一种高液限土用复合固化剂及其使用方法和应用。

背景技术

高液限土的液塑限高、含水率高、孔隙比大、强度较低及压缩性较低。《公路路基施工技术规范》(JTGF10-2006)规定，液限大于50％、塑性指数大于26的高液限土不得直接用作路基填料，应采取一定的措施对其改良，经检查合格后方可使用；在强度方面规定一级公路路基填料最小强度(CBR)要求为8％。

广东湛江总体地形平坦，地貌单元有海积平原、冲洪积洼地、冲洪积平原、微丘台地。湛江地区雨水多，雨季时间长，长期以来，用于路堤填料或路堑土多数液限指数较高，塑性指数过大，粘土颗粒成分含量过高，对公路路基的强度和稳定性、路面的耐久性影响较大。

目前针对高液限土，施工单位普遍采用弃方换填或改良等方式进行处理以满足规范要求。广东地区高液限土含量大，采用弃方换填方式将增加工程造价，增大施工场地安排难度，且土方运输对环境也有不利影响。

程涛等通过试验获得了不同性能高液限土的最佳掺砂比例，李方华研究了不同性质高液限土的最佳掺砂砾石比，赵朝阳进行了石灰改良高液限土试验的研究，提出了路基填筑改良措施，龙韬进行了掺砂对湖区路基粘土工程性质的影响研究，得出掺细砂对承载比提高有明显作用，朱冬梅等研究了高液限土的改良填筑施工工艺，分析了各种方案的改良效果和机理，杨和平等研究了石灰改良高液限土的路用特性，曾静等研究了高液限土与红粘土路用性能。

上述对高液限土路基改良的措施一般是选择单掺水泥、砂或者石灰。由于条件限制及考虑环境保护，单一材料往往难以大量获取，且价格变化的幅度大，不利于控制工程成本，因此，本发明提出一种新的高液限土用复合固化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高液限土用复合固化剂及其使用方法和应用，性能优越，经济合理，经改良后的高液限土的CBR值显著提高，并能满足路基填料要求，解决高液限土不能用于路基填料的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种高液限土用复合固化剂，由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥35～45％，矿渣粉35～43％，生石灰8～11％，木质素9～13％。

本发明固化剂中，水泥是一种水硬性无机凝胶材料，常用来治理软土路基，其固化机理是水泥与水发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等凝胶状水化物，这些水化物与土壤中的活性成分反应生成片状、纤维状或针状的晶体，增大了土颗粒间的连接，在土壤中形成稳定的网状结构，使土壤的强度得到提高。

矿渣粉是钢铁厂冶炼过程中产生的粒化高炉废渣经干燥、研磨后得到的粉体材料，是一种具有潜在活性的工业废弃物，廉价易得，在使用水泥改良高液限土时掺入矿渣，可节省水泥用量，降低成本；矿渣能够填充土颗粒间的空隙，碾压后土体更加密实，早期强度得到提升。同时在土壤中吸收水分离解出大量离子并与土中矿物反应生成凝胶物，增强了土的黏聚力，其中钙离子还能与空气中二氧化碳反应生成碳酸钙，使土壤强度进一步提高，掺入矿渣粉使后期强度明显提升，使土体具有良好的抗海水侵蚀性、抗侵蚀性，具有较好的工作性能。

此外，矿渣用于改善高液限土，可实现废料再利用，有利于环境保护；矿渣价格较水泥便宜，在改良中可节省约大量的水泥用量，又能够保证改良后强度达到要求。

本发明固化剂中的生石灰是碳酸钙经高温煅烧而成的产物，价格低廉容易获取，在水的作用下离解出钙离子和氢氧根离子，土与这些离子交换使细颗粒土凝聚，增大土体的整体性；土中的粘土矿物和SiO₂以及Al₂O₃与石灰发生化学反应，生成硅酸石灰水化物以及铝酸石灰水化物，使土颗粒产生胶结作用；土和空气中的CO₂与石灰在潮湿环境中直接发生反应生成坚硬的碳酸钙，增大土体的强度。

木质素是一种三维高分子化合物，由苯基丙烷类结构单元通过碳-碳键和醚键连接而成，含有多种活性官能团。木质素对于高液限土的改良具有以下作用：①木质素在土体孔隙水中水解，木质素的低价阳离子Na⁺与反离子层中的高价阳离子Ga²⁺发生离子交换；②木质素中的仲羟基产生断裂与水中H⁺共用一对电子，发生质子化反应，质子化的木质素释放出水分子并形成带正电的木质素聚合物；③在静电作用下，带正电的木质素聚合物吸附在土体表面，中和土体中的负电荷，使土颗粒间距减小；④木质素聚合物具有凝胶性质能够填充土体颗粒间的空隙，使外界水分无法渗入土体内部，提高土体水稳定性，同时将相邻的土颗粒紧密连接在一起，提高土壤稳固层的抗弯拉强度；⑤在经过大型机械的压实作用后，使土体更加密实，强度得到大度提升。

本发明固化剂，木质素作为高分子有机物在水中水解出阳离子，并形成带正电的木质素聚合物，中和土体中的负电荷并减小土颗粒间距，木质素聚合物具有凝胶性质，使外界水分无法渗入土体内部，提高了土体水稳定性；水泥、矿渣粉、生石灰作为无机化合物在水的作用下发生化学反应，生成凝胶状水化物对土壤进行固化，进一步提高土体强度。将有机化合物与无机化合物复合使用，克服单一固化剂的缺陷，使高液限土工程性质得到了极大改善。

优选的，所述固化剂由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥40％，矿渣粉40％，生石灰10％，木质素10％。上述配方中各原料之间配合合理，对于高液限土具有优异的改良效果。

优选的，所述硅酸盐水泥为P.C32.5复合硅酸盐水泥；采用P.C32.5复合硅酸盐水泥，其采用粉煤灰和煤矸石作为混合料，具有早期和后期强度稳定、水化热低、耐腐蚀性强、价格经济等特点；

所述矿渣粉是S95矿渣粉，其表面积不小于400m²/Kg、28天活性指数不小于95％；

所述生石灰中氧化钙的质量含量≥90％，细度≥200目；所述生石灰是由碳酸钙天然岩石在高温下煅烧分解生成的产物；

所述木质素的纯度≥70％；所述木质素是来源于造纸厂的副产品，呈粉末状固体且具有一定的芳香味，主要成分为木质素及其衍生物和少量无机盐类。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种高液限土用复合固化剂的使用方法，包括以下步骤：

1)确定固化剂在高液限土中的掺量；

2)使固化剂和高液限土拌合均匀。

优选的，所述高液限土为液限为50％～100％的高液限土。对于液限超过100％的高液限土本方法不再经济适用。

优选的，所述步骤1)中，所述高液限土的液限为50％～70％时，所述固化剂的掺入量为高液限土质量的3％～5％；所述高液限土的液限为70％～100％时，所述固化剂的掺入量为高液限土质量的5％～7％。高液限土经改良后，液限和塑性指数降低、强度得到大幅提升，满足规范中的填筑要求。

优选的，使用方法还包括以下步骤：将固化剂和高液限土拌合均匀得到的物料的压实含水率控制在合理范围内，使压实含水率与最佳含水率之差不超过5％。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种应用，具体为将上述高液限土用复合固化剂以及上述使用方法应用于路基填筑领域中。

优选的，具体应用时，包括以下步骤：

1)上土准备：将高液限土作为路基填料，确定松铺厚度均控制在30cm以内；

2)摊铺及整平：划分摊铺网格，将高液限土填料卸入网格中，达到碾压要求后，用推土机进行整平、平地机精平，使填料摊铺保持平整、均匀；若高液限土含水率不满足要求，则应充分晾晒，待含水率降至目标范围内方可施工；

3)掺固化剂：在填料表面用白灰画出掺固化剂方格网，将所述固化剂卸入掺固化剂方格网内，采用框格法控制固化剂摊铺的均匀性，以保证固化剂、土能拌合均匀；

4)拌合及整平：利用搅拌机充分拌合，使所得拌合土的颜色保持一致；当拌合土达到碾压要求后，进行整平施工，该过程中控制拌合土松铺厚度；

5)碾压密实：碾压施工时，首先采用静压，再采用振动压实，最后一遍采用静压，使各部分碾压次数相同。

优选的，所述步骤(4)中，所述充分拌合包括以下步骤：采用拌合机械的方式，先将摊铺好的固化剂和填料翻拌两遍，为防止固化剂落到底部，不翻拌到底；然后再翻拌两遍，并翻拌到底，并使翻拌深度进入下层土壤(松铺厚度以下的土壤)0.5～1.0cm，使固化剂均匀分布到填料中；在拌合施工过程中，检查翻拌深度，保证填筑层拌合均匀；

所述步骤(5)中，所述静压的碾压速度为2～5Km/h，振动压实的碾压速度为3～6Km/h，碾压到填筑层顶面稳定、无下沉、表面平整无轮迹为止。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、采用本发明高液限土用复合固化剂，使高液限土的CBR值显著提高，施工后路基强度满足所规定的标准，并能充分利用沿线的高液限土，避免大量弃方对生态环境造成影响。

2、在本发明固化剂中，通过添加矿渣粉、生石灰、木质素来减少水泥用量，使工业副产品矿渣、木质素实现“变废为宝”，避免了资源的浪费同时降低施工成本，符合可持续发展理念。

3、本发明将无机固化物(水泥和石灰)与矿渣、高分子化合物木质素混合使用，避免了水泥用量过多形成碱性环境对周围土体及植物生长造成不良影响，填补了高液限软土路基改良的空白，极大提升了高液限软土的力学性能、水稳定性和抗侵蚀性，对沿海地区高液限治理具有实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例3中采用实施例1中固化剂改良高液限土后的CBR值变化图；

图2是实施例3中采用实施例2中固化剂改良高液限土后的CBR值变化图；

图3是实施例4中的施工工艺流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

对比例1：

一种高液限土用复合固化剂，由以下重量百分比的原料混合组成：P.C32.5复合硅酸盐水泥50％，S95矿渣粉40％，生石灰10％。

上述生石灰中氧化钙的质量含量为90％，细度≥200目。

对比例2：

一种高液限土用复合固化剂，由以下重量百分比的原料混合组成：P.C32.5复合硅酸盐水泥80％，生石灰10％，木质素10％。

上述生石灰中氧化钙的质量含量为90％，细度≥200目，木质素的纯度为70％。

实施例1：

一种高液限土用复合固化剂，由以下重量百分比的原料混合组成：P.C32.5复合硅酸盐水泥40％，S95矿渣粉40％，生石灰10％，木质素10％。

上述生石灰中氧化钙的含量为90％，细度≥200目，木质素的纯度为70％。

实施例2：

一种高液限土用复合固化剂，由以下重量百分比的原料混合组成：P.C32.5复合硅酸盐水泥42％，S95矿渣粉38％，生石灰9％，木质素11％。

上述生石灰中氧化钙的含量为90％，细度≥200目，木质素的纯度为70％。

实施例3：

以下实施案例的土壤选自湛江大道一级公路2个不同区域的高液限土，为减小试验误差，将同一区域土壤分为3组，依据规范《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)开展试验，得到每组土的物理性质，取3组的平均值作为该区域的最终结果，如表1所示：

表1.高液限土的物理性质

由表1可知，区域1、区域2土的液限分别为71.3％、59.3％，超过规范限值50％；塑性指数分别为35.4、27.8，超过规范限值26；承载比CBR分别为5.41％、7.36％，《公路路基施工技术规范》中路基填料最小承载比CBR值为8％，该土强度不符合要求。因此，该高液限土不得直接用于路基填料，需要进行改良。

目前公路工程路基的设计控制指标主要是CBR值，该实例目标是在最佳含水量和98％的压实度下，掺入不同比例的固化剂，分别测量其CBR值。

①取区域1、区域2中的高液限土分别加入其质量3％、5％、7％的实施例1、实施例2中的固化剂，每个比例制作3个土样进行试验，改良后土的CBR值如表2、表3所示。

表2.实施例1固化剂改良高液限土后的CBR值

表3.实施例2固化剂改良后高液限土的CBR值

该高液限土掺入固化剂改良后，土样的CBR平均值随实施例1、实施例2固化剂比例的变化规律如图1、图2所示。

由图1、图2可知，CBR值随着固化剂掺量的增加而增大。在高液限土中掺入3％、5％、7％的实施例1固化剂改良后，区域1的CBR平均值分别为13.07％、19.40％、32.47％，较未改良的高液限土分别提高了141.59％、258.60％、500.18％；区域2的CBR平均值分别为18.34％、29.65％、45.16％，较未改良的高液限土分别提高了149.18％、302.85％、513.59％。在高液限土中掺入3％、5％、7％的实施例2固化剂改良后，区域1的CBR平均值分别为12.91％、19.32％、31.97％，较未改良的高液限土分别提高了138.63％、257.12％、490.94％；区域2的CBR平均值分别为18.14％、28.76％、43.26％，较未改良的高液限土分别提高了146.47％、290.76％、487.77％。

由此可见，高液限土的改良效果明显，强度得到大幅度提升，改良后能够满足一级公路路基加州承载比(CBR)最小值为8％的要求。

②取区域1中的高液限土，分别加入其质量3％、5％、7％的对比例1和对比例2中的固化剂，每个比例制作3个土样进行试验，改良后土的CBR值如表4所示。

表4.改良后高液限土的CBR值

由表4可知，当固化剂中的成分缺少矿渣粉或木质素时，其对于高液限土的改良效果要差于实施例1中的固化剂，可见本发明所采用的固化剂各原料之间具有协同作用。

实施例4：

一种高液限土用于路基填料的施工工艺，工艺流程图如图3所示，具体包括以下步骤：

(1)上土准备：将高液限土作为路基填料；在高液限土改良过程中，为保证固化剂能够与土壤能够充分搅拌均匀，松铺厚度均确定控制在30cm以内。

(2)摊铺及整平：采用挖掘机将高液限土填料装载到自卸汽车上，然后运至施工路段，为保证填土厚度一致，应提前划分好摊铺的网格，派专人指挥自卸汽车到指定网格卸料，将高液限土填料卸入网格中。当填料达到碾压要求后，用推土机进行整平、平地机精平，使填料摊铺保持平整、均匀。

(3)掺固化剂：按掺固化剂比例和车辆运载能力，在填料表面用白灰画出掺固化剂方格网，将固化剂卸入掺固化剂方格网内，采用框格法控制固化剂摊铺的均匀性。

(4)拌合及整平：利用搅拌机充分拌合，先将摊铺好的固化剂和填料先翻拌两遍，为防止固化剂落到底部，不翻拌到底；然后再翻拌两遍，并翻拌到底，并使翻拌深度进入下层土壤(松铺厚度以下的土壤)0.5～1.0cm，使固化剂均匀分布到填料中，并可使上下两层土壤充分粘结，在拌合施工过程中，应检查翻拌深度，保证填筑层拌合均匀。拌合后，所得拌合土的颜色保持一致。当拌合土达到碾压要求后，进行整平施工，该过程中应控制混合料松铺厚度。

(5)碾压密实：采用18吨以上的振动式压路机，采用静压和振压相结合的碾压方式。碾压施工时：首先采用静压，再采用振动压实，最后一遍采用静压，使各部分碾压次数相同。碾压施工原则：先慢后快、由弱振至强振、由内向外(弯道)、由边向中(直线)、纵向进退。碾压时，相邻两次的轮迹重叠应达到15～20cm，保证能够均匀压实。静压的碾压速度为2～5Km/h，振动压实的碾压速度为3～6Km/h。碾压到填筑层顶面稳定、无下沉、表面平整无轮迹为止，记录相应的碾压方式、遍数。

(6)质量检测：高液限土掺固化剂改良填筑的质量控制应包括三个方面，即：填料的质量控制、施工的质量控制和施工质量的检测。该方法改良高液限填土的质量控制检测主要是压实度、压实含水量和强度的检测。

湛江大道一级公路存在大范围的高液限土，例如下述区域1和区域2中的高液限土，因此将本实施例施工工艺应用于湛江大道一级公路工程，其中步骤(3)中的固化剂为实施例1中的高液限土用复合固化剂，固化剂在高液限土填料中的掺量为3％～7％。

取该高液限土分别加入其质量3％、5％、7％的实施例1中的固化剂，改良后土的物理性质如表5所示。

表5.改良后高液限土的物理性质

由表5可知，随着固化剂掺量的增大，液限下降而塑限升高，塑限指数降低到规范限值以内，28天无侧限抗压强度逐渐增大，可见改良后的土体具有良好的工程性质。

通过采用本实施例中的施工工艺，使工程沿线高液限土得到充分利用，避免了大量弃方，保护了生态环境，而且还降低了施工成本。本发明方案对国内高液限土的应用也具有重要的理论价值和实际意义。

Claims (10)

1.一种高液限土用复合固化剂，其特征在于，所述固化剂由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥35～45％，矿渣粉35～43％，生石灰8～11％，木质素9～13％。

2.根据权利要求1所述的高液限土用复合固化剂，其特征在于，所述固化剂由以下重量百分比的原料组成：硅酸盐水泥40％，矿渣粉40％，生石灰10％，木质素10％。

3.根据权利要求1或2所述的高液限土用复合固化剂，其特征在于，所述硅酸盐水泥为P.C32.5复合硅酸盐水泥；

所述矿渣粉为S95矿渣粉；

所述生石灰中氧化钙的质量含量≥90％，细度≥200目；

所述木质素的纯度≥70％。

4.一种如权利要求1～3中任一项所述的高液限土用复合固化剂的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定固化剂在高液限土中的掺量；

2)使固化剂和高液限土拌合均匀。

5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，所述高液限土为液限为50％～100％的高液限土。

6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述高液限土的液限为50％～70％时，所述固化剂的掺入量为高液限土质量的3％～5％；所述高液限土的液限为70％～100％时，所述固化剂的掺入量为高液限土质量的5％～7％。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的使用方法，其特征在于，还包括以下步骤：将固化剂和高液限土拌合均匀得到的物料的压实含水率控制在合理范围内，使压实含水率与最佳含水率之差不超过5％。

8.一种如权利要求1～3中任一项所述的高液限土用复合固化剂或4～7中任一项所述的使用方法在路基填筑领域中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：

1)上土准备：将高液限土作为路基填料，确定松铺厚度均控制在30cm以内；

2)摊铺及整平：划分摊铺网格，将高液限土填料卸入网格中，达到碾压要求后，用推土机进行整平、平地机精平，使填料摊铺保持平整、均匀；

3)掺固化剂：在填料表面用白灰画出掺固化剂方格网，将所述固化剂卸入掺固化剂方格网内；

4)拌合及整平：利用搅拌机充分拌合，使所得拌合土的颜色保持一致；当拌合土达到碾压要求后，进行整平施工，该过程中控制拌合土松铺厚度；

5)碾压密实：碾压施工时，首先采用静压，再采用振动压实，最后一遍采用静压，使各部分碾压次数相同。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述步骤(4)中，所述充分拌合包括以下步骤：采用拌合机械的方式，先将摊铺好的固化剂和填料翻拌两遍，为防止固化剂落到底部，不翻拌到底；然后再翻拌两遍，并翻拌到底，并使翻拌深度进入下层土壤0.5～1.0cm，使固化剂均匀分布到填料中；在拌合施工过程中，检查翻拌深度，保证填筑层拌合均匀；

所述步骤(5)中，采用18吨以上的振动式压路机，所述静压的碾压速度为2～5Km/h，振动压实的碾压速度为3～6Km/h，碾压到填筑层顶面稳定、无下沉、表面平整无轮迹为止。

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