CN101063036A - 一种用于膨胀土治理的化学改良方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于膨胀土治理的化学改良方法，即利用PAS化学改良剂对膨胀土进行改良治理。膨胀土PAS化学改良剂是由硅酸钠+阳离子聚丙烯酰胺+水按比例配制而成。将改良剂喷洒在膨胀土体上，通过与土体颗粒离子交换、联结、包裹、团聚、凝胶作用，形成空间网络结构，提高膨胀土的物理力学性能和工程特性，满足膨胀土工程建设要求。本发明的优点是：两种水溶性试剂和土体发生物理化学反应，可以充填土体孔隙，改良较为均匀，水稳效果好，而且不用掺加石灰，不会对环境造成污染，施工方法简单、易行。该改良剂适合于工民建地基处理、公路工程路堤和边坡治理等膨胀土工程。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，是一种用于膨胀土治理的化学改良方法，即利用PAS化学改良剂对膨胀土进行改良治理，提高其物理力学特性，满足工程设计施工要求。
背景技术
1、膨胀土性质与危害
膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂隙并有显著胀缩性的地质体。膨胀土在我国分布广泛，其粘土成分主要以强亲水性矿物蒙脱石与伊利石组成。膨胀土吸水膨胀、失水收缩并反复变形的性质及其内部杂乱分布的裂隙，对工程建筑物尤其是对轻型建筑、路基、路堑边坡等有严重的破坏作用，对建筑物所产生的变形破坏作用有长期潜在的危险。过量变形是由于含水量变化使膨胀土地基土体体积发生变化，对其上的构造物造成危害；对边坡的破坏作用主要是由于水分侵入风化带内发育的裂隙中，使粘土颗粒间联结力削弱并吸水膨胀，其产生的横向膨胀应变能使土体沿滑面向坡脚产生位移，使膨胀土开裂、崩解，强度衰减，继而产生滑坡。所以这种危险隐患的罪魁祸首就是粘土矿物质的强亲水性，在降雨影响下，土体发生干湿循环，胀缩变形，裂隙不断扩展，导致建筑物破坏。如何治理膨胀土的这种危害特性，改善膨胀土性能，确保工程安全与质量，是广大科研人员与技术人员需要迫切解决的问题。
2、传统治理膨胀土方法
对于膨胀土路基工程，最初的方法是换填土。换填土是膨胀土路基处理中最简单而且有效的方法，换填土方法虽然行之有效，但会造成极大的浪费以及对环境造成污染，在人类居住环境逐渐恶化的今天，这种方法是不足取的。二是包裹法。膨胀土的膨胀是有一定条件的，在其含水量一定的情况下，它并不会随意膨胀。因此，可利用土工布或粘性土将膨胀土进行包裹，避免膨胀土与外界大气直接接触，尽量减少膨胀土内部的含水量变化。此方法处理成本不高，经济性较好。但问题没有从根本上解决.且不易把握，容易出现质量隐患。三是改性处理。其原理是通过与膨胀土进行物理和化学反应，以达到降低膨胀土的膨胀潜势，增加强度和提高水稳定性，改善膨胀土的力学性能的目的。在视质量为生命的今天，这种方法应为膨胀土处理方法的主流，值得提倡。常用的是石灰等固化材料对膨胀土进行改性。但采用石灰等改性，一方面影响环境、污染地下水，另一方面石灰改性存在时间效应问题，长期条件下改性不够稳定。况且对于云南等某些地区，石灰产量较小，利用不方便。
对于膨胀土路堑边坡，传统的处置方案对边坡采用全封闭式的刚性防护，如浆砌片石满铺防治、混凝土六方块满铺防护等。对于刚性防护，在一定程度上可以缓解膨胀土的危害，但不能从根本上解决大气风化影响深度范围内膨胀土体的胀缩问题。尽管膨胀土的胀缩变形不大，但也会破坏刚性防护结构，慢慢形成裂缝，雨水从裂缝中浸入，加剧膨胀土的胀缩变形，甚至引发连锁破坏。这些物理的改良方法不能从根本上解决膨胀土矿物质强亲水特性，不能解决膨胀土胀缩变形影响的破坏。
所以我们急需寻找一种化学改良的方法，改变膨胀土矿物的强亲水性，且又能提高其物理力学性能，从根本上解决膨胀土工程问题。已经提出的化学改良法，需要或多或少的掺入了石灰，或配制饱和石灰水溶液。但石灰的掺入，在一定程度上会污染地下水，影响生态环境。我们提出一种用于膨胀土治理的化学改良方法，有效解决了膨胀土工程难题。
发明内容
1、发明
膨胀土PAS改良剂，其组成是：硅酸钠+阳离子聚丙烯酰胺+水按比例配制而成。
2、膨胀土PAS改良剂改良原理
膨胀土的胀缩性能主要与粘土矿物组成、粘土矿物堆聚的微结构等有关，膨胀土中所含蒙脱石和伊利石发生晶层膨胀和粘粒间膨胀是造成膨胀特性的主要原因。基于对膨胀土物理力学性质的认识，我们研发出一种新型PAS化学试剂，可以有效降低膨胀土膨胀率，改善其物理力学性质。PAS改良剂可以改善粘土矿物的强亲水性，减小粘土矿物的吸水膨胀能力，提高粘土颗粒之间的连接强度，改善其微结构，减少水分在土中的渗透与迁移，改善粘土矿物(如蒙脱石、伊利石等)晶层间的连结，并提高粘土颗粒间的粘结作用。
PAS改良剂组成中的硅酸钠本身就有固结土壤的作用，一般用于加固砂土，但不能单独用来改良膨胀土，阳离子聚丙烯酰胺常用来做农田保水剂，也不能单独用来改良膨胀土。将二者按一定的比例参配成水溶液却对膨胀土的改良带来很好的效果。
PAS改良剂有较好的水溶性，其负离子可以逐步与氢离子结合产生聚合而形成凝胶。反应生成的胶体沉淀在土颗粒表面，使土颗粒表面形成一层薄膜。由于该物质的胶结性，将土颗粒相互胶结起来，并脱水缩聚，由单分子的结构，最后变成空间结构，把分散的颗粒进一步聚裹成一个整体，达到提高土体强度的作用。改良剂中有多个N原子，带有较强正电荷，利用其高分子效应，它可以和具有很大的阳离子交换容量的蒙脱石、伊利石发生充分的离子交换吸附反应。这种吸附作用力和较强的静电作用削弱了层间负电斥力，阻止了由于外来水浸入导致晶层间距的增大形成膨胀的结果，有时甚至产生收缩，使得试样膨胀土对水不再“敏感”，即蒙脱石、伊利石的亲水性和膨胀特性发生根本性变化，这种性能不会随时间的推移而减弱。溶液中的氨基通过离子交换，可以和矿物晶面上的氧层和氢氧层形成氢键，并在表面形成一层覆盖膜将膨胀土的大小微粒联结和包裹。两种物质在改良膨胀土时相互影响，形成一个空间网状结构，这一结构可提高膨胀土颗粒间连结强度，使土体具有较高强度和变形率，表现为土的抗拉、抗剪和单轴抗压强度明显提高。离子交换能力与土中粘粒(＜0.002mm)含量有关，含量越高颗粒表面电荷所形成的表面能就越大，相应的离子交换作用越强，见图1。
3、膨胀土PAS改良剂改良特点
膨胀土PAS化学改良剂通过离子交换、联结、包裹、胶凝作用，与粘粒表面产生较大分子力，形成空间网络结构，可以大大改善膨胀土的颗粒级配、胀缩特性、强度特性等物理力学性质和工程特性。改良后的膨胀土粘粒减少，粉粒增多，孔隙明显减少，结构更加致密，改良剂的“团聚”、“凝胶”效果显著。改良后的膨胀土的抗剪强度、CBR值都有明显提高，水理特性更加稳定，含水量容易控制，易于施工，最佳含水量一般要增大1％～2％左右。这些特点对于路基稳定性、安全性有重要意义和应用价值。
4、本发明的目的
降低膨胀土膨胀率，改善膨胀土亲水特性，使其从亲水性转变为疏水性，以改变膨胀土的多裂隙性；改善膨胀土结构，提高其物理力学性能，有利于工程安全。
5、本发明优点
本发明需要两种水溶性化学试剂和水按比例配制而成，不需要加入石灰，避免了对环境的污染。该改良剂能较好降低膨胀土膨胀率，改善其亲水性能，其PH值介于6～7之间，属中性水溶液，无毒，无污染，无不利于植被生长因素，属于生态环保产品。
6、本发明适用范围
适合于工民建地基处理、公路工程路堤和边坡治理等膨胀土工程。
7、膨胀土PAS改良剂的配制与喷洒
膨胀土PAS改良剂的配制：PAS改良剂由硅酸钠+阳离子聚丙烯酰胺+水按比例配制而成。具体指标：
阳离子聚丙烯酰胺离子度要求大于30％，分子量要求低于300万，硅酸钠模数要求介于2.5～3之间，水为饮用水，室温条件下掺配质量比为5％∶0.25％∶94.75％。
附图说明：
图1阳离子交换、联结、包裹示意图
图2粒径分配曲线
图3击实试验对比
图4CBR与起始含水量变化关系对比
具体实施实例
经土工试验分析，现场试验路段膨胀土改性前后物理力学性质如表1所示。改性土液限变小，塑限增加，塑性指数明显降低40％多，表明改性土的亲水性大大减弱。自由膨胀率是体现膨胀土特征的重要指标，由表1看出，膨胀土已由中等膨胀降低到40％以下，已经达到改性为非膨胀土的要求。颗粒中＜0.002mm的粘粒含量明显减少，表明土体的比表面积减小，土粒分散程度降低。
表1膨胀土改良前后物理力学指标
| 土样 | 天然含水量/％ | 液限/％ | 塑限/％ | 塑性指数 | ＜0.002mm含量/mm | 最大干密度/g·cm-3 | 最佳含水量/％ | 自由膨胀率/％ | 膨胀力/kPa |
| 未改良土改良土 | 25.3 | 56.941.1 | 21.723.1 | 35.218.0 | 21.510.6 | 1.861.84 | 16.217.2 | 7732 | 34.88.9 |
2颗粒级配的变化
如图2粒径分配曲线，可以看出粘土颗粒减少，粉土颗粒增多，改良后的膨胀土不均匀系数提高到Cu＝d60/d10＝10＞5为不均匀土，此种土中细颗粒充填于粗颗粒所形成的孔隙中，使得土质密度较高，力学特性较好。
3击实试验对比
对改良土进行击实试验，考察其最佳含水量和最大干密度变化规律。如图3所示为膨胀土改良前后的击实曲线，未改良土最大干密度较大，最佳含水量较小，曲线较陡，改良土最大干密度变小，最佳含水量变大，可能是由于颗粒间水膜增厚，联结力减弱，密实程度降低。整条曲线向右下方移动，曲线较平缓扁平，含水量控制范围增大，干密度变化随含水量变化较小，压实度对含水量的变化的敏感程度降低，含水量容易控制，更有利用开展现场施工。改良后的膨胀土最佳含水量一般要增大1％～2％左右。
4抗剪强度对比
取原状土与改良土进行直剪试验，结果如表2所示。改良土c、值都分别提高了11％和23％，尤其摩擦角提高的较多，说明了改良剂对膨胀土的工程性质有很大程度的改善。
表2膨胀土改良前后抗剪强度对比
| 土类 | 含水量/％ | 干密度/g·cm-3 | 不同垂直压力下的剪应力/kPa | 抗剪强度指标 | 备注 | ||||
| 25 | 50 | 75 | 100 | c | | ||||
| 未改良土改良土 | 16.416.9 | 1.861.84 | 198.9232.6 | 225.3242.9 | 238.8276.5 | 248.2292.3 | 187.5207.9 | 32.840.4 | 未饱和未饱和 |
5CBR试验对比
如图3所示，为膨胀土改良前后CBR值与含水量变化关系对比。当起始含水量低于最优含水量时，CBR值变化较小，当超过最优含水量时，CBR值急剧下降。如果含水量过大，水膜过厚，颗粒间摩擦力会大大减小，因而粘土含量越高，对浸水越敏感，CBR值受到的影响就越大，CBR值降低的就越多。这也说明了改良土粘粒含量降低了，土质矿物成分对浸水的敏感性也降低了。改良土CBR值在未改良土CBR值之上，在一定程度上说明了土质膨胀量较低。
6水理特性试验
从CBR试验中，我们就已经发现，改良后的膨胀土吸水膨胀率低于1％，明显低于未改良土，说明了PAS改良土的水稳定性非常好。为了可以直观的观察改良效果，我们将膨胀土原状样和改良膨胀土样放入水中，进行水理特性试验，观察土质在水中湿化崩解情况，如表3所示。试验结果说明，改良土的水稳性较好，特别是随着喷洒次数增多，膨胀性逐渐降低，水稳效果更好，即使长期浸泡，崩解性也较小。
表3改良前后土体水理特性对比
| 土样名称 | 自由膨胀率/％ | 密度/g·cm-3 | 浸泡开始情况 | 浸泡最终情况 |
| 原状土喷洒1次改性土喷洒2次改性土喷洒3次改性土 | 75352520 | 1.912.022.092.08 | 浸水后试样开裂，3～4分钟开始崩解，半小时后塌落50％以上试样浸水，10分钟后出现裂隙，1小时后裂隙增多，出现土屑滑落现象试样浸水，半小时后出现微量裂隙，1小时后逐渐开裂试样浸水，24h内未见开裂 | 24h后几乎崩解为小团块，塌落90％以上24h后试样塌落量小于50％24h后试样表面起皮，48h后塌落量小于30％72h后，无崩解，无变形，无容裂，整体形状完好 |
7膨胀土改良施工方法
①路基工程
PAS化学改良剂用于膨胀土公路路堤施工时，将路堤土按工程施工要求摊铺于既定位置，厚度小于压实后30cm，将配制好的PAS改良剂按与干土质量比6％喷洒于干燥路堤土上，用挖机进行搅拌，使颗粒与改良剂发生充分反应。待含水量控制在高于最佳含水量1％～2％时，按公路规程进行碾压，路堤顶层及路堤边坡表层同样要喷洒改良剂。
②路堑边坡工程
PAS化学改良剂用于膨胀土公路路堑边坡施工时，边坡按设计要求刷坡后，将PAS改良剂按10～15kg/m2分多次喷洒于干燥路堑边坡表面和顶面，改良剂一方面渗入土体，一方面沿土体裂隙渗入内部，多余液体沿坡面流下，整体形成一定厚度的表面改良层，可以有效防止土体干湿循环及大气影响，提高边坡稳定性。待边坡表面处理完毕后可进行正常绿化处理。
Claims (4)
1、一种用于膨胀土治理的化学改良方法是用PAS改良剂改良膨胀土，其特征是PAS改良剂由硅酸钠+阳离子聚丙烯酰胺+水按比例配制而成。
2、如权利要求1所说PAS化学改良剂，其特征是阳离子聚丙烯酰胺阳离子度要求大于30％，分子量要求低于300万，硅酸钠模数要求介于2.5～3之间，水为饮用水，室温条件下掺配质量比为5％∶0.25％∶94.75％。
3、将PAS化学改良剂用于膨胀土公路路堤施工，其特征是将路堤土按工程施工要求摊铺于既定位置，厚度小于压实后30cm，将配制好的PAS改良剂按与干土质量比6％喷洒于干燥路堤土上，用挖机进行搅拌，待含水量控制在高于最佳含水量1％～2％时，按公路规程进行碾压，路堤顶层及路堤边坡表层同样要喷洒改良剂。
4、将PAS化学改良剂用于膨胀土公路路堑边坡施工，其特征是边坡按设计要求刷坡后，将PAS改良剂按10～15kg/m2喷洒于干燥路堑边坡表面，形成一定厚度的表面改良层。
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