CN100415672C - 膨胀岩土改性剂 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膨胀岩土改性剂，其主要成分包括各种具活性的金属氧化物和具活性的非金属氧化物以及成核材料。膨胀岩土改性剂的制备方法，系将金属氧化物、非金属氧化物和成核材料进行高温焙烧活化，然后按确定的组分及确定的质量分量配制并磨细即成。本发明的膨胀岩土改性剂可使原生态的膨胀岩土改性，成为低膨胀性岩土或无膨胀性岩土，这种膨胀岩土改性剂可以抑制膨胀岩土的膨胀性能，可使其膨胀力和膨胀量趋于零。

Description

膨胀岩土改性剂

技术领域

本发明涉及一种基础工程领域中能使膨胀岩土消除其膨胀性能的膨胀岩土改性剂。

背景技术

在国民经济的建设和发展中，各个工程领域经常要遇到处理那些难于处理的膨胀岩土。我国是膨胀岩土分布最广的国家之一，先后发现有20多个省市自治区有膨胀岩土，分布面积达50～60万km²左右，有3亿以上人口生活在膨胀岩土分布地区。据统计，全国公路总里程的1/10左右在膨胀岩土地区通过。全世界每年因膨胀岩土造成的经济损失大约为50亿美元以上。我国每年因膨胀岩土所造成的经济损失超过100亿人民币。

膨胀岩土的特征性能是：当含水量小时，膨胀岩土十分干硬板结，极不容易进行施工处理；而当含水量大时，特别是遇到大雨或连绵阴雨时，又会遇水膨胀，膨胀系数大，膨胀力量强。膨胀岩土的干缩性能和膨胀性能往往会使已经建设完好的工程毁于一旦。有时又会造成大面积的滑坡，或使建筑物基础隆拱造成破坏巨大的工程事故。这给我国经济建设中众多的公路工程、铁路工程、建筑工程、水利工程、水电工程等在投资、工程建设、工期带来很大的麻烦，尤其是给工程质量带来潜在的危害。因此如何使膨胀岩土改性这一问题虽然在本技术行业领域中展开研究了很长一段时间，虽然也取得了一些成果，但真正能够解决实际问题行之有效的方法还不多见。

因此在以往膨胀岩土区域的各工程施工中，往往会无可奈何地采用换土处理，亦即将工程所在地的膨胀岩土挖出运走，再从其他地方运来性能适合的土体或沙石集料充填。例如，80年代从广西至云南境内的一条等级较高的公路近200多公里的路段大多是经过膨胀岩土路基。工程采用的是换土技术和复杂的防渗技术处理，给工程投资造成巨大的压力。在湖北境内的某一级公路，公路两侧是膨胀岩土斜坡，处理年年滑坡事故几乎成了该地护路工程人员每年必做的作业。再如，2001年，西电东送工程广西境内的一个开关站正好座落在膨胀岩土基础上，连续几天的大雨使本已筑好的基础向四周大幅延伸，将本已筑好的近1米厚的混凝土挡土墙发生平面位移。致使工程延期近半年。

传统的处理膨胀性岩土的方式还有使用石灰、水泥等方法，但经过这些方法处理过的膨胀岩土水稳定性能差，改性后的膨胀土性能不稳定，水理性能和力学性能往往达不到预期的改性效果。

发明内容

本发明的目的为了解决的上述存在的问题，提供一种膨胀岩土改性剂，对膨胀岩土具有抑制膨胀性能的效果，使膨胀岩土不再对所在工程造成危害。通过膨胀岩土改性剂与膨胀岩土的物理化学作用对膨胀岩土进行改性处理，以达到抑制裂隙发育、降低膨胀岩土的膨胀潜势、增加强度和水稳定性能的目的。

一种膨胀岩土改性剂，其主要组分按重量百分计：

具活性的金属氧化物Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO，其中Al₂O₃ 16.7～18.5％，Fe₂O₃ 5.8～6.9％，CaO 18.4～24.3％，MgO 3.2～4.6％。

具活性非金属氧化物SiO₂、SO₃，SO₃以SO₄ ^2-形态存在，其中SiO₂38.5～41.5％，SO₃ 1.3～3.5％；成核材料锰渣皮8.0～8.8％。成核材料锰渣皮粒度为30目，含MnO₂ 54.6％，Fe₂O₃ 7.5％，SiO₂ 37.1％，P₂O₅0.8％。

一种膨胀岩土改性剂的制备方法，按以下步骤进行：

(1)将金属氧化物、非金属氧化物和锰渣皮分别在炉中按1000℃ 1h，1200℃ 1h，1450℃ 3h的顺序焙烧；

(2)将金属氧化物、非金属氧化物和锰渣皮按确定组分和确定的质量分量配制成膨胀岩土改性剂混合毛料；

(3)将配制出的膨胀岩土改性剂混合毛料置于磨机中粉磨至比表面积≥380m²/kg即成为膨胀岩土改性剂成品。

膨胀岩土的一般化学成分如表1.所示。

表1膨胀岩土的一般化学成分  单位：％

化学成分	Na<sub>2</sub>O	MgO	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SiO<sub>2</sub>	K<sub>2</sub>O	CaO	TiO<sub>2</sub>	MnO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
										膨胀土	2.60	3.70	22.40	50.20	2.50	1.20	1.30	4.60	11.50

不同地区的膨胀岩土的化学成分含量虽有差异，但主要是SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，三种氧化物总量为84％左右，这一现象表明：在膨胀岩土粗颗粒中，石英矿物相对富集；在膨胀岩土细小的粘土颗粒中，铝硅酸盐粘土矿物相对富集。

膨胀岩土膨胀的主要原因是其强吸水性，有时能吸附相当于自身体积8～15倍的水量，吸附后最多时可膨胀至30倍的自身体积。其吸附水性能主要来源于蒙脱石和伊利石。

膨胀岩土改性剂抑制膨胀岩土膨胀性能的原理分述如下：

作为膨胀岩土成分之一的蒙脱石是一种具有层状结构的硅酸盐，其层间域具有一定的活性。当改性剂进入层间后，生成分子级支柱，会不同程度地将层间撑开，使蒙脱石形成二维微孔结构，生成的分子级支柱并具有较强的吸附力，能将土体中的其它粒子、有机物、离子等吸附充填，这就使得原先所具有的吸水膨胀性能结构变性为弱膨胀性能结构。

伊利石是膨胀岩土另一成分，富含钾(K₂O 6～9％)、铝(Al₂O₃ 30～50％)，具有很强的黏结性和吸水性。伊利石属于复合型层状结构粘土矿物。膨胀岩土改性剂的金属氧化物、非金属氧化物及成核材料对伊利石的改性除了改变其层状结构外，还使其富含的钾、铝盐生成稳定的铝、铁、钙、钾硅酸盐混晶，吸水膨胀性能大大减弱。

具体来说：膨胀岩土改性剂与膨胀岩土的物理化学作用是通过盐基交换、次生碳酸钙产生的胶结作用，特别是离解形成的Ca²⁺、Mg²⁺、H⁺与膨胀岩土表面附着的活泼金属阳离子Na⁺、K⁺交换，Na⁺、K⁺属于吸水性能极强的离子，使吸附在土粒上的极性水形成自由水释放出来，从而减少土粒之间的距离，降低土体对环境中水分变化的灵敏性。与此同时，改性剂中的某些组分与膨胀岩土的部分组分生成新的水合硅酸钙(即雪硅钙石：3CaO·2SiO₂·3H₂O)和硫铝酸钙(即钙矾石：3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O)结晶。减弱了膨胀岩土的膨胀势能，改变了膨胀岩土颗粒结构特性，永久地改变了膨胀岩土的属性。特别是降低了膨胀岩土的液限，增大了膨胀岩土的塑限和抗剪强度，同时还改善土的压实性并生成微型加筋结构，提高土的强度。

膨胀岩土改性剂的另一作用原理是，在高价阳离子如Si⁴⁺、Al³⁺、Fe³⁺等的电离作用下，可对分散的粘土颗粒产生絮凝作用，以减少膨胀岩土颗粒的比表面积和亲水性，从而减小膨胀岩土的胀缩性。

另外，各种类型的膨胀岩土都含有一定数量的结核，在膨胀岩土中起骨架作用。这些结核以铁锰质结核为主，也存在少量的钙质结核。这些结核大多组成土的粒状物质，一部分富集成层成为土中骨架，对土的稳定性起着重要的作用。膨胀岩土由于结核含量小，致使膨胀岩土的稳定性差。膨胀岩土改性剂为膨胀岩土改性提供了充足的成核元素铁锰钙，使改性后的膨胀岩土中的骨架有一个较大幅度的增长。这就从结构上改变了原生态的膨胀岩土，使其力学性能发生永久性的变化并保持稳定。

本发明的膨胀岩土改性剂使改性后的膨胀岩土具有防渗、环保、低强度、低弹模等性能特征。

本发明还针对不同工程对改性后的膨胀岩土功能要求不同，相应地对改性剂的组分元素和组分含量按工程要求适当调整，使改性剂对膨胀岩土达成最佳包裹条件时，在实验室试验时很容易获得上述参数，可将膨胀岩土按工程所期望的性能进行调理和改性。例如：我国重大水资源配置工程希望膨胀岩土处理后的水质应符合国家饮用水标准。使用本发明的膨胀岩土改性剂处理我国重大水资源配置工程的膨胀岩土后，其水质检测情况如表2.所示。表2.中的数据说明，改性后的膨胀岩土浸泡水水质高于国家饮用水标准要求。

表2我国重大水资源配置工程膨胀岩土改性后的水质结果

具体实施方式

表3.是本发明膨胀岩土改性剂实施例1～4所用原料及配比

表3膨胀岩土改性剂各实施例所用原料及配比  单位：％

表4.是按表3.所示的实施例1～4所用原料及配比的膨胀岩土改性剂对我国重大水资源配置工程原生膨胀岩土的处理结果。

Claims (3)

1. 一种膨胀岩土改性剂，其主要组分按重量百分计：

具活性的金属氧化物Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO，其中Al₂O₃16.7～18.5％，Fe₂O₃ 5.8～6.9％，CaO 18.4～24.3％，MgO 3.2～4.6％；具活性非金属氧化物SiO₂、SO₃，SO₃以SO₄ ^2-形态存在，其中SiO₂ 38.5～41.5％，SO₃ 1.3～3.5％；成核材料锰渣皮8.0～8.8％。

2. 根据权利要求1所述的膨胀岩土改性剂，所述的成核材料锰渣皮的粒度为30目，含MnO₂ 54.6％，Fe₂O₃ 7.5％，SiO₂ 37.1％，P₂O₅ 0.8％。

3. 根据权利要求1所述一种膨胀岩土改性剂的制备方法，按以下步骤进行：

(1)将金属氧化物、非金属氧化物和锰渣皮分别在炉中按1000℃1h，1200℃ 1h，1450℃ 3h的顺序焙烧；

(2)将金属氧化物、非金属氧化物和锰渣皮按确定组分和量配制成膨胀岩土改性剂混合毛料；

(3)将配制出的膨胀岩土改性剂混合毛料置于磨机中粉磨至比表面积≥380m²/kg，得膨胀岩土改性剂成品。