CN101838985A - 用固化剂改良过湿黏性土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用固化剂改良过湿黏性土壤的方法，过湿黏性土壤的塑性指数大于10，所用固化剂为电石渣，电石渣的用量为过湿黏性土壤质量的4～8％。能够有效地改良过湿粘土，且价格低廉、效果好。

Description

用固化剂改良过湿黏性土壤的方法

技术领域

本发明特别涉及一种过湿粘土路基填料处理方法，属于土木工程、道路工程技术领域。

背景技术

过湿土是指天然含水率超过最佳含水率很多、但不高于其液限、无法直接击实碾压、必须经过处理后方才可以碾压使用的粘性土。

国内现有研究对过湿土的描述大致有以下几种：

(1)由交通部公路科学研究所、江苏省交通科研所、东南大学、南京化工学院共同合作完成的《高等级公路过湿土路基综合稳定技术》中指出w_c小于某一允许值后，必须采取相应技术措施加以处理方可压实到规定压实度的土称为过湿土。

(2)开封市公路管理局和长安大学——《过湿土路段高填方路基修筑技术研究》中指出过湿土是指潮湿地区的平原或山区丘陵地带上广泛分布的含水量过高的潮湿性粘土或粉性土，依据稠度定义为：0.0≤w_c＜1.0。

(3)《公路路基施工技术规范(JTJ 033-95)》中规定天然稠度＜1.0-1.1的粘性土视为过湿土

(4)文飞国定义过湿土为塑性指数I_P≤15，修正CBR≤2，天然含水量对应的稠度w_c＜1.25的细粒土。

(5)薛占国从压实度的角度定义当土的含水率超过击实曲线上所谓的“适宜含水率”时，即认为是过湿土

(6)张丽燕则从含水量的角度定义过湿土是指含水量较高，一旦降低含水量，工程性质即得到很大改善，与一般路基填土无异。

该类土塑性指数大，颗粒细，压缩性高，强度及渗透性低，表面极易失水干缩，产生收缩变形，甚至形成干缩裂缝。一旦有雨水渗入，又会造成压实的土路堤强度下降而丧失稳定。工程特性很差，含水率远远超过压实最佳含水率甚多，用作路基土很难达到压实标准。大部分压实荷载由孔隙中的自由水承受，土粒有效应力减少，强行压实会使土体破坏，形成“弹簧土”，即使翻晒也难以压实，要达到高等级公路的路基压实标准十分困难，路基处理与压实费工费时，经常延误工期；另外，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沉陷、变形、失稳等破坏。

因此，现行路基设计施工规范规定：过湿土一般不宜直接填筑路基，需要使用时，应采取必要的技术措施，并经试验论证后使用，无法满足路用要求的过湿土往往只能做弃方处理。然而此类地区通常缺乏优质填料，换填费工费时且浪费大量的土地资源，不符合我国“建设资源节约型、环境友好型社会”的需要。过湿土问题严重地制约了鱼塘水网地区的高速公路建设与社会发展，过湿土改良技术研究已经成为上述地区高速公路建设的关键技术问题之一。

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、粉煤灰等加固土受土类别限制，对塑性指数高的粘土、有机土及盐渍土等土类，加固效果不理想，且加固土干缩系数和温缩系数均较大，易开裂；(2)石灰与土形成的加固土强度发展缓慢，影响施工进度；此外，石灰固化土的强度与石灰的掺入比在一定范围内成正比，若掺量超出某一范围，则加固土的强度反而降低，石灰土的水稳性较差，对一些固化强度要求较高的工程，石灰无法满足其要求；(3)石灰粉煤灰加固土早强性差，直接影响施工进度及质量，虽然提高掺加化学添加剂的剂量等可以有效提高其早期强度，但成本高，并且由于粉煤灰本身的性质所限，使得二灰土水稳性较差。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。

电石渣是用电石生产重要化工原料乙炔时产生的废渣，主要成分是Ca(OH)₂，还含有CaCO₃、SiO₂、硫化物、镁和铁等金属的氧化物、氢氧化物等无机物以及少量有机物。

电石渣的主要成分与石灰相似，建设部行业标准《粉煤灰石灰类道路基层施工及验收规程》CJJ4-97中指出，当采用石灰类工业废料(如电石渣等)和石灰下脚料时，其适用条件可按对石灰的要求执行。交通部行业标准《公路路面基层施工技术规范》JTJ034-2000中提出，有效钙含量在20％以上的等外石灰、贝壳石灰、珊瑚石灰、电石渣等，当其混合料的强度通过试验符合标准时，可以应用。因此，根据现行的相关标准、规范，电石渣应用于城市道路基层在理论上是可行的，但还需要结合修建道路的具体情况通过系统的试验研究和试验段验证确实可行后，才可以推广应用。

已经有很多岩土工作者展开了把电石渣用于路基原料中的研究。电石渣在改良加固土体的同时，对能源节约和环境和谐有重要的意义。相比于水泥和石灰高温煅烧所消耗的能耗，电石渣可单独用于固化土，也可添加适量外加剂(如粉煤灰)即可用于加固土。可以节省大量能源，同时减少温室气体二氧化碳的排放。电石渣是一种工业废渣，用其固土，既消耗了工业废弃物，实现工业废弃物的资源化利用，又减少了环境污染，实现了环境和谐。

有研究表明电石渣——粉煤灰作为路基材料完全合格，具有施工工期短、效率高的特点，且可以减低道路成本，减少废渣对环境的危害。徐庆飞利用二等电石渣和III级粉煤灰制备固土材料，在电石渣和粉煤灰掺配比为1∶2时，掺量为土质量30％时，能够满足二级和二级以下道路底基层的使用要求。李立新、薛明从土的微观机理研究角度出发，证明了电石渣和粉煤灰的固土机理与二灰土的机理一样，都是利用氧化钙和氧化镁激发粉煤灰中活性二氧化硅和氧化铝，生成稳定的凝胶体，连接粘土颗粒，增加土体强度。朝阳市公路工程集团总公司的罗洪伟等《电石渣稳定土路面基层应用技术研究》中提到，在1998年北房线油路工程修建1km电石渣稳定土基层试验路。试验路的布置及结构形式与二灰稳定基层的设计相同。测定试验路经济技术指标，结果与二灰混合料的力学性能比较。两种不同混合料在7d龄期，相同养生条件下，强度无大的区别，很相近。说明电石渣稳定类做基层能满足二灰稳定类基层的各项指标要求。Chai Jaturapitakkul等人将电石渣和谷壳灰按不同掺量比与砂混合制成砂浆，测试其凝固时间，抗压强度等参数，得出该混合物的初凝和终凝所需时间较长，但是掺量分别为50％的电石渣和谷壳灰制成的砂浆的抗压强度在养护28d和180d时分别达到了15.6和19.1MPa，见图1。

电石渣还被用于特殊土的改良。盐渍土作为一种特殊土，具有溶陷、盐胀、腐蚀等不良的工程特性，而用盐渍土作为路基填料是交通建设需要解决的重大岩土工程问题之一。为了解决滨海盐渍土的工程问题，庞巍等人分析了用电石灰(即电石渣)降低土壤中的含盐量来提高土体强度的可能性，进行了电石渣改良盐渍土路基填料的液塑限试验、击实试验、室内CBR试验和不同条件的不固结、不排水三轴试验。结果表明电石灰固化改良后，盐渍土塑性指数缓慢降低；随着掺入量的增加，其最优含水率和CBR值都相应的增大。电石灰改良盐渍土的剪切强度随围压的增加而增大，如图2到图5所示。

基于此，本发明提出利用电石渣来改良过湿土，机理上是可行的。

而电石渣来源广泛。据国家发展与改革委员会统计，2003年国内共生产电石530万吨，按消耗每吨电石产生1.2吨电石渣计，全国产生的电石渣超过600万吨。江苏省常州市既有PVC化工厂，又有乙炔制造公司。这些企业每年都有废弃的电石渣，其中常州市乙炔制造公司每年产电石渣约为3000吨，PVC化工厂的电石渣产量更大，大约3万吨。

电石渣浆的含水量大、碱性高，且流量大，是污水管网的重点污染源；而干电石渣的主要成分是氧化钙，是高碱性物质pH值可达12以上。排放及存储电石渣常占用大量的耕地，长期存放的土地严重钙化，复耕非常困难。如果管理不当会对本地生态环境及空气质量造成严重影响，风天尘雾迷漫，雨天污水遍地。故电石渣问题成为影响PVC生产厂规模扩大、生产发展的主要制约因素，如何将电石渣综合回用、变废为宝已是企业迫在眉睫的课题。因此，开展电石渣的综合利用，不仅能获得经济效益，更是具有良好的社会效益。

另一方面，道路基层施工所用的石灰全部是从外地购买，车辆运输，需要有集中的石灰存放、消解场地，而且施工时还需要进行二次搬运，势必会增加施工成本。

发明内容

为了解决现有技术存在的受土类别限制、水稳性、强度不够好、价格高等问题，本发明提供一种用固化剂改良过湿黏性土壤的方法，能够有效地改良过湿粘土，且价格低廉、效果好。

技术方案：一种用固化剂改良过湿黏性土壤的方法，过湿黏性土壤的塑性指数大于10，所用固化剂为电石渣，电石渣的用量为过湿黏性土壤质量的4～8％。

本发明将电石渣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、分析后得出电石渣适于作为过湿土改良材料，可以有效降低过湿土的含水率，从而提高改良后土体的物理力学特性。

通过对电石渣改良过湿粘土的含水率、击实特性、无侧限抗压强度试验和CBR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，使用电石渣改良过湿粘土，在材料来源上和物理力学试验结果上，都是可行的。

有益效果：

(1)使用电石渣改良过湿土，可以较好地提高其强度，且可以提高压实的密度。

(2)利用电石渣作为改良剂，相较于生石灰成本更低，更经济。另外无需像生石灰那样需要有特殊的存放条件，可以减少场地占用。

(3)采用电石渣代替石灰，可以省去长途运输、存放、消解等环节，施工时电石渣可以随用随取。电石渣本身的成本就比石灰低得多，本着就地取材，便于施工，技术可行，经济合理的原则，用电石渣代替石灰应用于城市道路工程无论从社会、环境效益还是经济效益上讲都是非常有利的。

附图说明

图1改良土抗压强度与龄期关系曲线

图2电石灰改良盐渍土液塑限随掺量变化

图3电石灰改良盐渍土击实特性与掺量关系曲线

图4电石灰改良盐渍土改良土CBR值随掺入量变化

图5不同围压下电石灰改良盐渍土三轴试验结果

图628d龄期素土和改良土塑性图集合

图7两种固化剂不同掺量改良过湿土的无侧限试验结果(7d)

图8两种固化剂掺量改良土的无侧限试验结果(28d)

图996压实度下，各改良剂不同掺量标养6d、泡水1d的水稳系数值

图1096压实度下，各改良剂不同掺量标养27d、泡水1d的水稳系数值

图1196压实度下，各改良剂不同掺量标养6d、泡水1d的无侧限抗压强度试验结果

图1296压实度下，各改良剂不同掺量标养27d、泡水1d的无侧限抗压强度试验结果

图13两种改良剂不同掺量98击数制备试样的7d养护龄期CBR值

图14两种改良剂不同掺量50击数制备试样的7d养护龄期CBR值

图15两种改良剂不同掺量30击数制备试样的7d养护龄期CBR值

具体实施方式

实施例1

一种用固化剂改良过湿黏性土壤的方法，其特征在于，过湿黏性土壤的塑性指数大于10，所用固化剂为电石渣，电石渣的用量为过湿黏性土壤质量的4～8％。

下面对本发明的具体实施方案作出更为详细的描述：

1.电石渣改良过湿粘土技术

电石渣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研究电石渣改良过湿土的物理力学性质；

②评价电石渣改良过湿土路用可行性；

③明确电石渣改良过湿土的机理；

以下实验中利用常州乙炔制造有限公司生产的废弃的电石渣进行了电石渣改良过湿粘土的吸水试验、击实试验、无侧限抗压强度试验、水稳性试验及CBR试验。此外，为了与其他常规固化剂进行比较，同时采用生石灰对过湿土进行改良，以此进行对比实验。

1)材料特性说明。所取电石渣化学成分为：Ca(OH)₂ 85％wt；不溶性杂质(如焦炭、其他难溶性矿石等)10％wt；可溶性铁盐5％wt。生石灰的有效CaO和MgO的含量分别为71.8％wt和≥50％wt，属II级灰。所选用粘土的主要工程特性为：液限38％，塑限20％，天然含水率为29.4％wt，最大干密度1.92g/cm³，最优含水率13.5％wt。

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)调制。颗分试验采用进口激光粒度分析仪进行，界限含水率试验按照规范《公路土工试验规程JTG E40-2007》中的T 0118-2007进行；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；CBR试验按《公路土工试验规程JTG E40-2007》中的T 0134-1993进行。电石渣添加量依次为4％wt、6％wt、8％wt，生石灰的添加量为4％wt和6％wt。

3)试验结果

·吸水试验如表1和表2所示。

表1各改良土标准养护7d后结果

表2各改良土标准养护14d后结果

由试验结果得：电石渣改良土相对于生石灰改良土的含水率降低效果略差，最多减少4.3％左右；随着养护龄期的增加，电石渣的吸水能力有所增强，且与生石灰吸水效果相接近。例如电石渣掺量4％wt时，14天后稠度为0.25的土样含水率变化率与生石灰吸水效果相一致。

表3素土和改良土1d和28d养护龄期时的颗粒分析试验结果

·颗分试验结果如表3所示。从中可以看出，和素土相比，伴随电石渣和生石灰的掺加，改良过湿土中的粗粒百分含量明显增多，且大体上随掺量和养护龄期的增加而增大，说明两种改良剂均对过湿土有砂化效果。通过对两种改良剂不同掺量28d龄期时的颗分结果对比可得，电石渣对过湿土的砂化效果尤为明显，掺加6％wt电石渣的改良土28d养护后其粗粒含量高达60.7％，将近为素土的15倍，超过生石灰改良土的2倍以上。

·界限含水率28d龄期试验结果如表4和图6所示。从表中可得电石渣和生石灰改良土的塑性指数均较过湿土有明显的降低，其中以电石渣效果尤为明显。

表4两种改良土28d龄期界限含水率试验结果

土样名称	液限(％)	塑限(％)	塑性指数	分类
					电石渣改良土(4％)	42.7	29.6	13.1	MH
电石渣改良土(6％)	39.8	26.4	13.4	MH
					电石渣改良土(8％)	41.8	28.9	12.9	MH
生石灰改良土(4％)	41.6	26.8	14.8	MH
					生石灰改良土(6％)	44.3	28.8	15.5	MH
素土	37.8	19.9	17.9	CL

·重型击实试验结果如表5所示。从中可以看出，电石渣改良土和生石灰改良土的最大干密度均随着掺量的增加而减小，最优含水率随着掺量的增加而增大；且相同掺量下，电石渣改良土的最优含水率和最大干密度均大于生石灰改良土，说明电石渣改良土可以在较高的含水率下得到压实，且具有较大的干密度。

击实试验结果表明添加电石渣相较于生石灰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5重型击实试验结果汇总

·无侧限抗压强度试验如表6～表7和图7～图8所示。从已有的试验结果来看，两种改良土的7d和28d龄期的强度增大了，表明电石渣和生石灰可以提高土体的强度；当养护龄期为28d时，电石渣改良土的无侧限抗压强度相较于7d龄期而言甚至能提高1倍以上(电石渣掺量为4％wt)，高于生石灰改良土的强度提高率(最大为59％)，表明电石渣能较生石灰更好地提高过湿土的强度。

表6两种固化剂不同掺量改良过湿土的无侧限试验结果(7d)

表7两种固化剂掺量改良土的无侧限试验结果(28d)

·水稳性试验结果如表8和图9～图12所示。由此可知，电石渣改良土的水稳性优于生石灰改良土。

表8两种改良剂不同龄期时的水稳系数值

注：水稳系数在此定义为相同龄期情况下泡水无侧限抗压强度与不泡水无侧限抗压强度的比值，即水稳系数＝相同龄期泡水无侧限抗压强度/相同龄期泡水无侧限抗压强度

·CBR试验如表9和图13～图15图所示。从中可以发现两种改良土CBR值均显著高于素土；电石渣、生石灰改良土CBR值大约是素土16-25倍；对应于相同的掺量和击数，电石渣改良土的CBR值大于生石灰改良土，说明电石渣改良过湿土的效果优于生石灰。

表9养护7天时各试样CBR试验结果

Claims (1)

1.一种用固化剂改良过湿黏性土壤的方法，其特征在于，过湿黏性土壤的塑性指数大于10，所用固化剂为电石渣，电石渣的用量为过湿黏性土壤质量的4～8％。

Images