CN101602946B

CN101602946B - 过湿土壤固化剂及其对土壤进行固化的方法

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Publication number: CN101602946B
Application number: CN2009100320136A
Authority: CN
Inventors: 杜延军; 刘松琴; 刘松玉; 张莹莹
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2029-07-07
Also published as: CN101602946A

Abstract

过湿土壤固化剂为固体CaCl₂。土壤固化方法：施工前对下承层按质量验收标准进行验收，之后恢复中线，直线段每20～25m设一桩，平曲线段每10～10m设一桩，并在两侧路面边缘标明设计标高及松铺厚度的位置。将整个试验段用土一次上好，用压路机静压2遍，然后根据计算的松铺厚度用平地机进行铺土的整平；此后进行备料：氯化钙用量控制采用重量控制方法，按照固体CaCl₂与过湿土壤质量分数为6％～8％的比例，采用载重小运输车，测出一车固化剂的重量，根据计算得到的每延米集料的用量及运料车辆的吨位计算出每车料的堆放距离，采用打方格的方法控制一车外加剂的摊铺范围；最后摊铺，拌合，整平与碾压成型，初期养护。

Description

过湿土壤固化剂及其对土壤进行固化的方法

技术领域

本发明是一种适用于过湿粘土地基的处理的过湿土壤固化剂及其对土壤进行固化的方法，属于土木工程技术领域。

背景技术

过湿粘土是指天然含水率不高于液限，但高出最佳含水率很多，无法直接击实碾压、必须经过处理的粘性土。大致有两种定义方法，一种以稠度为标准，一种是以能压实到规定压实度所允许的含水率为标准。前者认为当土的稠度(w_c＝(w₁-w)/(w₁-w_p))w_c≤0.85(砂土)或w_c≤0.80(粘土)或w_c≤0.75(粉土)时即可视为过湿土，后者是相应于规定的压实度而言的，当压实功能确定后，从击实曲线(图1)可以看到，含水量超过最佳含水量时，随含水量的增加而干密度降低，每一个含水量值在击实曲线上与一个干密度相对应。如果确定了要求的压实度k，即可按kρ_md/100从击实曲线上得到对应的某一含水量(ρ_md为该土的最大干密度)，这个含水量就是相应于要求压实干密度的最大容许含水量，超过此含水量的土称为过湿土。

该类土广泛分布在我国沿江、沿海和沿湖地势低洼、地下水位高的地区。使用未加以处理的过湿土作为公路路基填料，则会造成以下严重工程问题：

1)含水率高、强行压实易形成“弹簧土”；即使翻晒也较难达到高等级公路路基压实标准，且翻晒费工费时又占用土地资源，延误工期；

2)强行压实过湿土，道路竣工后，在行车荷载的作用下，极易导致过湿土路基路面产生较大沉陷、开裂以及路基失稳等问题。

因此对过湿土必须处理后才能使用。现有过湿土改良所用的材料主要为无机材料，包括水泥、生石灰、二灰(粉煤灰和石灰)。此外还有NCS固化材料(石灰、水泥和无机添加料“SCA”为主要原料)。工程实践表明，上述材料固然可以改良土性，使处理后的土具有较好压实特性，土强度有较大增长，但它们的缺点亦很明显。主要表现在：(1)水泥吸水性较差，成本较高；水泥改良法对塑性较大的土(I_p＞20)效果不理想；施工工艺较复杂，施工后期收缩较大。(2)生石灰失效快，储运条件不易达到要求，施工时间较长。(3)至于二灰改良法，其对材料来源要求较高(需要同时拌合)；施工时灰尘较大，所需施工周期较长。(4)NCS固化剂价格较为昂贵，工程实践难以普及推广。

针对上述材料和施工工艺及方法的局限性，本发明提出采用固体状氯化钙来改良过湿土。通过对氯化钙的特征进行分析可知：固体氯化钙(CaCl₂)具有强吸水性。相对湿度95％时，干氯化钙可吸收自重16倍水分；相对湿度30％时，也可吸收与其自重相当的水分。此外，氯化钙溶液中电离出来的Ca²⁺与土中的Na⁺、K⁺产生离子交换作用，减少了土粒表面吸附水膜厚度，形成土粒团聚体(也即砂化效果)，降低土的塑性，提高土体强度、水稳性。

近年来美国、加拿大使用粉末状CaCl₂改良公路基层材料的冰蹟物，表明CaCl₂可显著吸水增强施工性、砂化效果显著，可有效增加压实度和降低冻胀，且施工快速简单，成本较传统的方法显著降低(Vaisanen等1995)。美国近年还使用液体状CaCl₂(2.0％掺量)改良未铺装路面的公路基层材料(碎石)，表明液体状CaCl₂可有效胶结细粒，减少细粒的损失，还能减少碎石用量，提高压实度，加速填料碾压的施工时间；若采用液体状CaCl₂(1.7％掺量)改良路基填料的石灰岩粉末，则强度会明显提高(Saylak等2008)。此外，还有报道表明，液体CaCl₂(1.0％掺量)改良膨胀土，可较生石灰显著降低原有膨胀土塑性、减小膨胀量，具施工相当简单，成本可大幅降低(Murthy and Krishna，2007)。基于此，本发明提出利用CaCl₂(固体状)的强、快吸水能力和良好的砂化效果来改良过湿土，机理上是可行的。

除此之外，我们对氯化钙的材料来源做了较详细的调查和室内试验，结果表明固体氯化钙可以从化工厂和乙炔生产厂堆弃的电石渣中提取。试验表明，由于废电石渣的主要成分是氢氧化钙(Ca(OH)₂)，且含量较高(可达60％以上)，因此经过简单化学反应和加热处理，即可提取出固体氯化钙。我们取常州乙炔制造公司堆弃电石渣，进行了一系列室内前期试验，表明1吨电石渣经与废酸液发生化学反应，可提取0.85吨～0.9吨氯化钙，其成本约为330元/吨-400元/吨，与现有生石灰和水泥的平均价格大致相当，完全有可能满足工程需要。利用基于废弃电石渣提取的固体氯化钙改良过湿粘土，可以有效的减轻露天堆弃的电石渣对周边土体和水体所造成的严重环境污染。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种能快速吸水、能够有效地改良过湿粘土的过湿土壤固化剂及其对土壤进行固化的方法。

技术方案：

本发明所述的一种过湿土壤固化剂，其特征在于该过湿土壤固化剂为固体CaCl₂。

本发明所述的一种利用权利要求1所述过湿土壤固化剂对土壤进行固化的方法，其特征在于：

采用路拌法施工，主要工序为：准备下承层，施工测量，备料，摊铺，拌合，整平与碾压成型，初期养护；

①下承层准备与施工测量

施工前对下承层按质量验收标准进行验收，之后恢复中线，直线段每20～25m设一桩，平曲线段每10～10m设一桩，并在两侧路面边缘标明设计标高及松铺厚度的位置。将整个试验段用土一次上好，用压路机静压2遍，然后根据计算的松铺厚度用平地机进行铺土的整平；

②备料

氯化钙、用量控制采用重量控制方法，按照固体CaCl₂与过湿土壤质量分数为6％～8％的比例，采用载重小运输车，测出一车固化剂的重量，根据计算得到的每延米集料的用量及运料车辆的吨位计算出每车料的堆放距离，采用打方格的方法控制一车外加剂的摊铺范围；

③摊铺与拌合

用平地机、推土机或人工按试验路段所求得的松铺系数进行摊铺，摊铺应均匀。摊铺工作就绪后，即可使用改良土路拌机进行拌和作业，工作速度以1.2～1.5km/h为宜。在拌合开始阶段要每隔60min检查拌合速度并测定含水率，至少测定3个断面，每个断面3个点。当含水率接近最优含水率9.1％左右，就可以转入步骤④；

④整平与碾压

拌和好的改良土以平地机整平，并刮出路拱，然后进行压实作业。压路机从路肩一侧开始向路中碾压，碾压过程为：胶轮压路机碾压1遍，振动压路机碾压1遍(去时静压回时振动，往返为一遍)之后用12～15吨光面三轮压路机碾压3遍，最后用18～21吨光轮压路机碾压1遍，用胶轮压路机跑光2遍。

⑤养生

施工时的最低气温应在5℃以上。施工结束后，一般养生时间不少于7天，并严格禁止重型车辆行驶。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

该项发明主要是将氯化钙与在常规过湿粘土改良材料造价成本、土体改良后的物理力学特性、环境效益等方面进行综合比较、分析，从而提出该种新型的过湿土改良材料。

通过对氯化钙改良过湿粘土的含水率、击实特性和无侧限抗压强度试验结果进行汇总分析，并与生石灰改良过湿土的效果比较可知，使用氯化钙改良过湿粘土，在材料来源上和物理力学试验结果上，都是可行的。其优点主要有：

(1)使用氯化钙改良过湿土，可以较好地降低过湿土的含水率，提高其强度，且可以提高压实的密度。

(2)氯化钙改良过湿粘土的最佳掺量为8％左右。当氯化钙掺量低于8％时，最大干密度随掺量的增加而增大；当氯化钙掺量低于8％时，最大干密度随掺量的增加而减小。无侧限抗压强度试验也有类似的试验结果。

(3)通过对废电石渣的有效利用，可以大大缓解“白色污染”现象，减少对周边环境的污染。同时还能减少由于填埋处理而所需的费用，经济效益和环境效益巨大。

附图说明

图1是击实试验适宜含水区间图。

图2是不同稠度氯化钙添加量1d龄期的含水率示意图。

图3是不同稠度氯化钙添加量7d龄期的含水示意图。

图4是不同稠度氯化钙添加量14d龄期的含水率示意图。

图5是不同稠度氯化钙添加量1d龄期的含水率变化率示意图。

图6是重型击实试验结果示意图。

图7是改良土氯化钙掺量提高与击实功提高的相似性比较图，其中，(a)是干密度与含水率随氯化钙掺量变化的关系示意图，(b)是干密度与含水率随击实功变化的关系示意图。

具体实施方式

实施例1

一种过湿土壤固化剂，其特征在于该过湿土壤固化剂为固体CaCl₂。

实施例2

一种利用权利要求1所述过湿土壤固化剂对土壤进行固化的方法，其特征在于：

①下承层准备与施工测量

②备料

氯化钙用量控制采用重量控制方法，按照固体CaCl₂与过湿土壤质量分数为6％～8％的比例，本实施例可选择6％、6.5％或8％，采用载重小运输车，测出一车固化剂的重量，根据计算得到的每延米集料的用量及运料车辆的吨位计算出每车料的堆放距离，采用打方格的方法控制一车外加剂的摊铺范围；

③摊铺与拌合

④整平与碾压

⑤养生

下面对本发明的具体实施方案作出更为详细的描述：

1.基于废弃电石渣的氯化钙提取技术

氯化钙的获取主要是废料电石渣经过废酸液(例如盐酸HCl)的简单处理，可生成液体CaCl₂。化学反应式如下：

Ca(OH)₂(电石渣)+HCl(废酸液)→CaCl₂+其他

大批量利用电石渣生产氯化钙时，可按下述生产工艺进行：

①电石渣+废盐酸→②加热蒸发→③干燥→④包装

上述工艺①-④阶段所需设备依次为：①反应池；②蒸发用铁锅+煤炭消耗；③气流干燥仓；④转炉传输带。

2.氯化钙改良过湿粘土技术

氯化钙改良过湿土的效果拟通过室内试验和理论分析相结合的办法，主要从以下几方面进行评定：

①研究CaCl₂改良过湿土的物理力学性质；

②评价CaCl₂改良过湿土路用可行性；

③明确CaCl₂改良过湿土的机理；

④确定CaCl₂改良过湿土路基填土的现场施工工艺和质量检测方法。

已有技术成果：我们已经利用常州乙炔制造有限公司废弃的电石渣，在利用上述技术和原理提取了固体状氯化钙，并进行了氯化钙改良过湿粘土的吸水试验、击实试验和无侧限抗压强度试验。此外，为了与其他常规固化剂进行比较，我们同时采用生石灰对过湿土进行改良，以此进行对比研究。

1.材料特性说明。所取电石渣化学成分为：Ca(OH)₂ 85％；不溶性杂质(焦炭、其他难溶性矿石)10％；可溶性铁盐5％。石灰的有效CaO和MgO的含量为71.8％，超过50％，属II级灰。所选用粘土的主要工程特性为：液限32％，塑限20％，粘粒含量34％，粉粒含量65％，砂粒含量1％，最大干密度18.8kN/m²，最优含水率12.8％。

2.试验方法：吸水试验按照规范《公路土工试验规程》(JTJ051-93)中的T0103-93进行，其中土样的初始含水率按不同的稠度w_c(0.1、0.25、0.5、0.75、1.0)调制。击实试验采用重型击实，按照规范《公路土工试验规程》(JTJ051-93)中的T0131-93进行；无侧限抗压强度试验按规范《公路土工试验规程》(JTJ051-93)中的T0148-93进行。氯化钙添加量依次为0.5％、1％、2％、4％、6％、8％、10％和12％，生石灰的添加量依次为4％、6％、8％、10％和12％。

3.试验结果

(1)氯化钙改良过湿土试验结果

·吸水试验如图2～图5所示。由试验结果得：氯化钙掺量为0.5％-4％时，含水率降低效果不明显，最多减少4％左右；氯化钙掺量为6％-12％时，含水率降低效果明显。例如氯化钙掺量12％时，1天后稠度为0.25的土样含水率最多可减少42％。此外，氯化钙吸水后，在相当长的一段时间内(7天和14天，如图3、图4所示)，所吸收的水分很稳定，不会失水，因而表现在改良土的含水率在7天(见图3)和14天(见图4)时，依然和1天(见图2)时的含水率几乎相同。上述结果说明氯化钙具有很强的快速吸水能力，且吸水后性状稳定，长时间内不失水。

·击实试验如表1和图6所示。从中可以看出，改良土最大干密度随CaCl₂含量的增加而增大，最优含水率随CaCl₂含量增加而降低；当CaCl₂掺量小于4％时，最大干密度和最优含水率变化较为明显，当CaCl₂掺量大于4％时，二者变化趋于平缓；当CaCl₂掺量为8％时二者均达到峰值，这一结果类似于击实功增大的效果(见图7)，可以有效提高压实土的密度。当CaCl₂掺量超过8％时，最大干密度则开始下降，最佳含水率开始增加，表明氯化钙的最优掺量应该在8％左右。

击实试验结果表明添加氯化钙可以有效提高过湿粘土的压实性，提高改良土的干密度，从而提高施工的可行性。

表1重型击实试验结果汇总

土样	最大干密度(g/cm³)	最优含水率(％)
			天然土	1.88	12.8

改良土(氯化钙掺量＝0.5％)	1.90	12.6
			改良土(氯化钙掺量＝1％)	1.92	10.6
改良土(氯化钙掺量＝2％)	1.94	10.4
			改良土(氯化钙掺量＝4％)	1.93	9.6
改良土(氯化钙掺量＝8％)	1.97	9.1
			改良土(氯化钙掺量＝12％)	1.95	9.5

·无侧限抗压强度试验如表2所示。从已有的试验结果来看，和天然土相比较，氯化钙改良土的7d龄期的强度增大了，表明氯化钙可以提高土体的强度，且强度基本随着氯化钙含量的增加而提高。但当氯化钙含量超过8％时，强度反而降低了，表明氯化钙的掺量存在着最佳范围，且这一范围在8％左右。这一试验结果与击实试验结果相一致，也即当氯化钙掺量超过8％时，击实改良土的最大干密度开始下降。

表2不同固化剂掺量改良土的无侧限试验结果(7d)

固化剂类型掺量(％)	CaCl₂0	CaCl₂2	CaCl₂4	CaCl₂8	CaCl₂12
						无侧限抗压强度(MPa)	0.68	1.24	0.83	1.18	0.61
含水率(％)	12	10	10.1	8.2	9.3
						干密度(g/cm3)	1.91	1.92	1.87	1.95	1.97

(2)生石灰改良过湿土试验结果

·吸水试验结果见表3

表3掺灰后含水率损失试验结果

石灰掺量(％)	0	4	6	8	10	12
							掺灰后含水率(％)	26	23	21.7	20.5	19.3	18.1

从表3中看出，过湿土中掺入生石灰后，随着掺量的增大，含水率逐渐降低。掺量每增加2％，含水率约降低1.2％左右。但其对过湿土含水率的改变效果不如添加氯化钙明显。

·击实试验如表4所示。从中可以看出，改良土最大干密度随生石灰含量的增加而降低，最优含水率随生石灰含量增加而增大。

表4重型击实试验结果汇总

石灰掺量(％)	最大干密度(g/cm³)	最优含水率(％)
			0	1.81	15.9
4	1.80	17.0
			6	1.79	17.6
8	1.77	18.0
			10	1.72	18.5
12	1.71	18.9

·无侧限抗压强度试验如表5所示。从已有的试验结果来看，和天然土相比较，生石灰改良土的7d龄期的强度增大了，表明生石灰可以提高土体的强度，且强度基本随着生石灰含量的增加而提高。但与氯化钙改良土的无侧限抗压强度比较来看，在相同掺量改良剂的作用下，生石灰改良土的无侧限抗压强度比氯化钙改良土的无侧限抗压强度略低，这表明氯化钙的改良过湿土的效果较生石灰要好。

表5不同固化剂掺量改良土的无侧限试验结果(7d)

固化剂类型掺量(％)	生石灰0	生石灰4	生石灰6	生石灰8	生石灰10	生石灰12
							无侧限抗压强度(MPa)	0.70	0.73	0.79	0.89	0.86	0.82

Claims

1.一种利用固体CaCl₂作为过湿土壤固化剂对土壤进行固化的方法，其特征在于：

①下承层准备与施工测量

施工前对下承层按质量验收标准进行验收，之后恢复中线，直线段每20～25m设一桩，平曲线段每10m设一桩，并在两侧路面边缘标明设计标高及松铺厚度的位置；将整个试验段用土一次上好，用压路机静压2遍，然后根据计算的松铺厚度用平地机进行铺土的整平；

②备料

氯化钙用量控制采用重量控制方法，按照固体CaCl₂与过湿土壤质量分数为6％～8％的比例，采用载重小运输车，测出一车固化剂的重量，根据计算得到的每延米集料的用量及运料车辆的吨位计算出每车料的堆放距离，采用打方格的方法控制一车外加剂的摊铺范围；

③摊铺与拌合

用平地机、推土机或人工按试验路段所求得的松铺系数进行摊铺，摊铺应均匀；摊铺工作就绪后，即可使用改良土路拌机进行拌和作业，工作速度为1.2～1.5km/h；在拌合开始阶段要每隔60min检查拌合速度并测定含水率，至少测定3个断面，每个断面3个点；当含水率达到最优含水率9.1％左右，就可以转入步骤④；

④整平与碾压

拌和好的改良土以平地机整平，并刮出路拱，然后进行压实作业；压路机从路肩一侧开始向路中碾压，碾压过程为：胶轮压路机碾压1遍，振动压路机以去时静压回时振动，往返为一遍的方式碾压1遍之后用12～15吨光面三轮压路机碾压3遍，最后用18～21吨光轮压路机碾压1遍，用胶轮压路机跑光2遍；

⑤初期养护

施工时的最低气温应在5℃以上；施工结束后，初期养护时间不少于7天，并严格禁止重型车辆行驶。