CN103233458A

CN103233458A - 用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土及其制备方法和在施工中的应用

Info

Publication number: CN103233458A
Application number: CN2013101544747A
Authority: CN
Inventors: 张德恒; 孙树林; 王成; 程亚男
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-04-28
Also published as: CN103233458B

Abstract

本发明公开了用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土及其制备方法和在施工中的应用，属于地质灾害处理及岩土工程技术领域。本发明包括以下步骤：第一步，按质量百分比称取秸秆灰渣，大理石灰和所需改良土体的干土，混合均匀；第二步，确定混合土的最佳含水率；第三步，添加水到第一步得到的混合土中，搅拌均匀后湿闷，即得到本发明所述的改良土；所述改良土在施工中的应用：将得到的改良土在施工面铺设表面改良层，经轻型压土机静压→覆盖塑料薄膜封闭养护→振动碾压→塑料薄膜覆盖养护→重型压土机静压→精平，即可达到工程需要强度。本发明能有效解决膨胀土的胀缩变形带来的破坏问题及废弃物带来的环境污染问题。

Description

用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土及其制备方法和在施工中的应用

技术领域

本发明属于地质灾害处理及岩土工程技术领域。特别涉及用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土及其制备方法和在施工中的应用。

技术背景

膨胀土对水的敏感性较强，具有遇水膨胀失水收缩的特点。在膨胀土地基上的轻型构筑物如道路、铁路、水利工程存在很大的安全隐患，所以在施工之前必须对膨胀土进行处理。

膨胀土在我国分布较为广泛，我国是世界膨胀土分布最广，面积最大的国家之一，膨胀土危害的地区已达到20余个省、市、自治区。膨胀土带来的工程问题严重阻碍了当地经济的发展，所以改良膨胀土以使其带来的灾害消失或减少，成为亟待解决的技术难题。

目前针对用添加剂改良膨胀土的方法有：掺生石灰，水泥，粉煤灰或者石灰-粉煤灰混合物等，主要是化学改良。其中添加石灰或者石灰-粉煤灰最为普遍，石灰主要成分是氧化钙，在改良膨胀土中起到离子交换、絮凝作用、碳化作用和胶结作用。秸秆灰渣来自生物质发电厂，以燃烧秸秆为主。生物质灰分为粗灰渣与细灰，其中细灰是一种生产化肥的优良原料直接送往化肥厂，而粗灰渣不宜碾碎所以无人问津。到目前为止粗灰渣主要被填埋或者直接作为道路填筑材料等，由于粗灰渣为粗骨料粘聚性较小、水稳性较差，直接作为高等级路基填料耐久性差。大理石灰来自南京地区采石场及大理石切割厂或其抛光厂，主要成分是氧化钙、二氧化硅、三氧化二铁和氧化铝等，这些都是很好的胶凝材料，粘聚性大方便取得，可以弥补秸秆灰渣的不足，所以可以用这两种固废物按一定比例配成有效固化剂。秸秆灰渣来源广泛，据调查全国一年秸秆产量为9亿吨，每年至少有一半被浪费。由此可见这两种废弃物的取材来源十分方便，且价格低廉，有很大的发展应用空间。

与其他改良剂相比较，“二灰”（秸秆灰渣和大理石灰）具有更好的经济效益和社会效益，成本十分低廉，且这两种废弃物按一定配比直接掺和就可以投入到工程当中，为“二灰”的再利用创造了新思路。因此，“二灰”作为改良膨胀土的新材料对治理膨胀土病害，提高高等级公路路基工程质量，降低工程成本，保护环境建设友好型社会具有十分重要的学术价值、社会价值。

目前利用固废物改良膨胀土受到广泛关注，因其具有广泛的推广应用前景而备受青睐。中国专利CN101423353B，废弃铸砂改良膨胀土的方法及施工方法，该专利充分考虑了膨胀特性、提高强度以及资源的循环利用，但仍存在以下不足：①强度提高较小；②未进行改良后的强度耐久性研究；③未充分给出具体的施工方法。中国专利CN102352622A，碱渣改良膨胀土的方法及施工方法，该专利在改良膨胀土方面取得了很大成就，但仍存在以下不足：①固废物的取得途径狭窄；②碱渣用量较大；③没有进行改良后的强度耐久性研究。中国专利CN102249581A，电石渣改良膨胀土的方法及施工方法，该专利考虑了降低膨胀土的膨胀土特性及环境保护，但仍存在以下不足：①未给出改良后填料的耐久性特征；②未给出改良后的强度特征；③改良剂含量较低，会给具体施工带来一定困难。

为了克服这些不足，本发明用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良膨胀土，这两种固废物的来源广、数量巨大，后进行了改良后膨胀土的膨胀特性和强度试验，并给出了强度耐久性变化特征和具体的施工过程。

发明内容

解决的技术问题是：本发明克服现有技术的不足而提出用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土及其制备方法和在施工中的应用，能有效解决膨胀土的胀缩变形带来的破坏问

题及废弃物带来的环境污染问题。

技术方案：：根据本发明所述的用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土的制备方法为：

第一步，按质量百分比称取10%的秸秆灰渣，10%~20%的大理石灰，70%~80%的所需改良土体的干土，混合均匀；所述秸秆灰渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅60%~61%、氧化钙23%~25%、氧化铝4%~5%、氧化铁2%~3.3%、氧化钾3%~5%、氧化镁2%~3%、氧化钠0.9%~1%；所述大理石灰的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：氧化钙54.1%~55.2%、二氧化碳40.6~41.2、二氧化硅1%~1.7%、氧化铝0.1%~1.3%、氧化铁0.8%~1.2%、氧化镁0.9%~1.5%。

第二步，按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）中重型击实试验确定混合土的最佳含水率为18.6%~19.7%。

第三步，按确定的最佳含水率的含水量添加水到第一步得到的混合土中，搅拌均匀，在室温条件下湿闷24小时，即得到废弃秸秆灰渣及大理石灰改性土。

所得到的改良土在施工中的应用为：将得到的废弃秸秆灰渣及大理石灰改良膨胀土在施工面铺设厚度为30~50cm的表面改良层，经轻型压土机静压→覆盖塑料薄膜封闭养护4~7天→振动碾压→塑料薄膜覆盖养护5~7天→重型压土机静压→精平，使膨胀土与秸秆灰渣及大理石灰中的成分发生化学反应，消除或降低膨胀土体内的胀缩性，再由大型压土机压实，即可达到工程需要强度。

本发明中的秸秆灰渣的主要成分是二氧化硅、氧化铝和氧化铁，大理石灰的主要成分是氧化钙，两者改良膨胀土的机理包括以下方面：氧化物遇水形成钙、铝、铁等高价阳离子可促使粘土颗粒的絮凝，养护后二氧化物等可使得粘性土发生硬凝反应形成水化硅酸钙及水化铝酸钙胶体，胶体可有效的提高膨胀土的强度抑制膨胀土的体积变形；而氧化钙遇水反应形成钙离子可通过离子交换置换出粘土当中的钠离子及钾离子，通过离子交换作用能有效的降低膨胀土的塑性指数从而降低膨胀潜势，其中氧化钙与土中大量存在的硅、铝、铁等离子进行作用时形成大量的胶结物质有利于提高土的强度亦可抑制膨胀。

有益效果：本发明具有以下显著优点：第一，本发明用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良膨胀土，改良后的膨胀土的无侧限抗压强度可达到1221.2kPa，与现有技术相比显著提高。第二，本发明有效结合了物理改良和化学改良的优点：利用秸秆粗灰渣提供颗粒骨架以增大膨胀土的内摩擦角，使土体的受剪面的摩擦阻力增大，从而提高抗剪强度；秸秆灰渣提供二氧化硅作为胶凝物，固废物大理石灰提供氧化钙增大混合土的粘聚力，从而提高土体的抗剪强度及耐久性，通过干湿循环耐久性试验得出干湿循环后的无侧限抗剪强度可达到878.82kPa，相对纯土干湿循环抗剪强度的67.42kPa显著提高；第三，废弃秸秆粗灰渣及大理石灰改良膨胀土能有效的解决膨胀土胀缩变形带来的破坏问题及固废物带来的环境污染。

具体实施方式

本发明所述的秸秆灰渣来自江苏地区生物质发电厂，大理石灰来自南京地区采石场及大理石切割厂或其抛光厂。两种废弃物的化学成分如表1所示。

表1 秸秆灰渣与大理石灰的化学成分分析结果

Figure 2013101544747100002DEST_PATH_IMAGE001

根据本发明所述的用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土的制备方法为：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土的制备方法，步骤为：

第一步，配制1000g混合土，按质量百分比秸秆灰渣：大理石灰：膨胀土（烘干后的土样过0.5mm筛）=10:15:75，称取所需改良土体的干土质量750g，秸秆灰渣100g，大理石灰150g，混合均匀；所述秸秆灰渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅61%、氧化钙25%、氧化铝5%、氧化铁3%、氧化钾3%、氧化镁2%、氧化钠1%；所述大理石灰的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：氧化钙54.7%、二氧化碳40.9%、二氧化硅1%、氧化铝1.3%、氧化铁1.2%、氧化镁0.9%。

第二步，按照《公路土工试验规程》（JTG E-2007）重型击实试验确定混合土的最佳含水率为19.1%。

第三步，将19.1g水加入到第一步的混合物中，分层加水搅拌均匀，在室温条件下用塑料薄膜封闭湿闷24小时，即得到废弃秸秆灰渣及大理石灰改性膨胀土。

所得改良土在施工中的应用：将所得废弃秸秆灰渣及大理石灰改性土混合物用推土机铺设形成工程所需厚度为30cm的表面改良层，经轻型压土机静压→覆盖塑料薄膜封闭养护4天→振动碾压→塑料薄膜覆盖养护5天→重型压土机静压→精平，所需改良的土体与废弃秸秆灰渣及大理石灰中的成分发生化学反应，消除或降低改良层内土体的胀缩性，即可达到工程需要强度。

改良效果：（1）胀缩性：按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的自由膨胀率试验，纯膨胀土的自由膨胀率为70%，当掺入10%秸秆灰渣及15%大理石灰时改良后的土体的自由膨胀率仅为10%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的自由膨胀率Fs≤40%的要求；按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的膨胀总率试验，纯膨胀土的胀缩总率为11.9%，当掺入10%秸秆灰渣及15%大理石灰时改良后的土体的胀缩总率为0.18%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的胀缩总率eps≤0.7%的要求；（2）强度：按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的无侧限抗压强度试验，纯膨胀土的无侧限抗压强度为550kPa，当掺入10%秸秆灰渣及15%大理石灰时改良后的土体的无侧限抗压强度为1221.2kPa，改良后强度提高了122%；干湿循环5次后，素土的无侧限抗压强度从550kPa减低到67.42kPa，降低了87.7%，改良土强度降低到878.82kPa，相对于1221.2 kPa降低了28.2%。

实施例2

第一步，配制1000g混合土，按质量百分比秸秆灰渣：大理石灰：膨胀土（烘干后的土样过0.5mm筛）=10:20:70，称取所需改良土体的干土质量700g，秸秆灰渣100g，大理石灰200g，混合均匀；所述秸秆灰渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅60%、氧化钙24.5%、氧化铝4.9%、氧化铁2%、氧化钾4.8%、氧化镁2.9%、氧化钠0.9%；所述大理石灰的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：氧化钙55.2%、二氧化碳41.2%、二氧化硅1.2%、氧化铝0.1 %、氧化铁0.8%、氧化镁1.5%。

第二步，按照《公路土工试验规程》（JTG E-2007）重型击实试验确定混合土的最佳含水率为19.7%。

第三步，将19.7g水加入到第一步的混合物中，分层加水搅拌均匀，在室温条件下用塑料薄膜封闭湿闷24小时，即得到废弃秸秆灰渣及大理石灰改性膨胀土。

所得改良土在施工中的应用：将所得废弃秸秆灰渣及大理石灰改性土混合物用推土机铺设形成工程所需厚度为40cm的表面改良层，经轻型压土机静压→覆盖塑料薄膜封闭养护5天→振动碾压→塑料薄膜覆盖养护6天→重型压土机静压→精平，所需改良的土体与废弃秸秆灰渣及大理石灰中的成分发生化学反应，消除或降低改良层内土体的胀缩性，即可达到工程需要强度。

改良效果：（1）胀缩性：按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的自由膨胀率试验，纯膨胀土的自由膨胀率为70%，当掺入10%秸秆灰渣及20%大理石灰时改良后的土体的自由膨胀率仅为10%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的自由膨胀率Fs≤40%的要求；按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的膨胀总率试验，纯膨胀土的胀缩总率为11.9%，当掺入10%秸秆灰渣及15%大理石灰时改良后的土体的胀缩总率为0.09%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的胀缩总率eps≤0.7%的要求；（2）强度：按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的无侧限抗压强度试验，纯膨胀土的无侧限抗压强度为550kPa，当掺入10%秸秆灰渣及15%大理石灰时改良后的土体的无侧限抗压强度为1160.8kPa，改良后强度提高了111.1%；改良土的干湿循环耐久性从1160.8kPa降低到619.7kPa，降低了46.6%，仍然高于未改良土的强度550kPa。

实施例3

第一步，配制1000g混合土，按质量百分比秸秆灰渣：大理石灰：膨胀土（烘干后的土样过0.5mm筛）=10:10:80，称取所需改良土体的干土质量800g，秸秆灰渣100g，大理石灰100g，混合均匀；所述秸秆灰渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅60.7%、氧化钙23%、氧化铝4%、氧化铁3.3%、氧化钾5 %、氧化镁3%、氧化钠1%；所述大理石灰的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：氧化钙54.1%、二氧化碳40.6%、二氧化硅1.7%、氧化铝1.2%、氧化铁1.2%、氧化镁1.2%。

第二步，按照《公路土工试验规程》（JTG E-2007）重型击实试验确定混合土的最佳含水率为18.6%。

第三步，将186g水加入到第一步的混合物中，分层加水搅拌均匀，在室温条件下用塑料薄膜封闭湿闷24小时，即得到废弃秸秆灰渣及大理石灰改性膨胀土。

所得改良土在施工中的应用：将所得废弃秸秆灰渣及大理石灰改性土混合物用推土机铺设形成工程所需厚度为50cm的表面改良层，经轻型压土机静压→覆盖塑料薄膜封闭养护7天→振动碾压→塑料薄膜覆盖养护7天→重型压土机静压→精平，所需改良的土体与废弃秸秆灰渣及大理石灰中的成分发生化学反应，消除或降低改良层内土体的胀缩性，即可达到工程需要强度。

改良效果：（1）胀缩性：按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的自由膨胀率试验，纯膨胀土的自由膨胀率为70%，当掺入10%秸秆灰渣及10%大理石灰时改良后的土体的自由膨胀率仅为13%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的自由膨胀率Fs≤40%的要求；按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的膨胀总率试验，纯膨胀土的胀缩总率为11.9%，当掺入10%秸秆灰渣及10%大理石灰时改良后的土体的胀缩总率为0.25%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的胀缩总率eps≤0.7%的要求；纯膨胀土的膨胀力为295kPa，当掺入10%秸秆灰渣及10%大理石灰时改良后的土体的膨胀力为45kPa；（2）强度：按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）所做的无侧限抗压强度试验，纯膨胀土的无侧限抗压强度为550kPa，当掺入10%秸秆灰渣及10%大理石灰时改良后的土体的无侧限抗压强度为1139.7kPa，改良后强度提高了107%；5次干湿循环后无侧限抗压强度为784.7kPa降低了31.1%。

实施例4

利用实施例1至3中得到的用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土，按照《公路土工试验规程JTG E40-2007》进行自由膨胀率试验和击实试验，以确定改良后的膨胀土的最大干密度和最佳含水率。将最大干密度、最佳含水率试样养护7天后按照《公路土工试验规程JTG E40-2007》进行胀缩总率试验和无侧限抗压强度试验。试验结果如下表2所示：

表2废弃秸秆灰渣及大理石灰改良膨胀土的击实特征及膨胀特性试验结果

膨胀土基本物理指标：膨胀土以江苏淮阴地区为例，自由膨胀率为70%，属于中强膨胀土，液限62%，塑限33%，土的天然含水量20%，击实特性最佳含水率16%，最大干密度1.71g/cm³。

从表2可以看出在量不变的基础上，混合土样的最大干密度随着掺灰率的增加而逐渐降低，最佳含水率逐渐增加且增幅较大。这是因为秸秆灰渣及大理石灰的密度均小于膨胀土，而含水量增加主要是因为秸秆灰渣及大理石灰吸水的原因，且两种废弃物中含有二氧化硅和氧化钙，氧化钙可与水反应生成氢氧化钙然后与二氧化硅生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，这些化合物与不参加反应的粗颗粒胶结在一起形成聚合物提高粗颗粒的含量，膨胀土在发生离子交换后，可起到絮凝作用、碳化作用和胶结作用，从而使膨胀土的强度增强并且提高耐久性。从表中可以看到自由膨胀率从膨胀土的70%降低到6%；50kPa膨胀量随着掺大理石灰的增加胀缩总率逐渐消失；无侧限抗压强度随着掺灰率的增加变化较大，相对于素土的强度（550kPa），改良土的强度最大提高了122%（1221.2kPa）；通过5次干湿循环耐久性试验，纯土的降低了87.7%，改良土的无侧限抗压强度降低了28.2 %~46.6%相对纯土降幅较小，耐久性较纯土好。

Claims

1.用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土，其特征在于由以下步骤制备而得：

第一步，按质量百分比称取10%的秸秆灰渣，10%~20%的大理石灰，70%~80%的所需改良土体的干土，混合均匀；

第二步，按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）中重型击实试验确定混合土的最佳含水率为18.6%~19.7%；

第三步，按确定的最佳含水率的含水量添加水到第一步得到的混合土中，搅拌均匀，在室温条件下密封塑料薄膜湿闷24小时，即得到废弃秸秆灰渣及大理石灰改性土。

2.根据权利要求1所述的用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土，其特征在于，所述秸秆灰渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅60%~61%、氧化钙23%~25%、氧化铝4%~5%、氧化铁2%~3.3%、氧化钾3%~5%、氧化镁2%~3%、氧化钠0.9%~1%。

3.根据权利要求1所述的用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土，其特征在于，所述大理石灰的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：氧化钙54.1%~55.2%、二氧化碳40.6~41.2、二氧化硅1%~1.7%、氧化铝0.1%~1.3%、氧化铁0.8%~1.2%、氧化镁0.9%~1.5%。

4. 用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

5.用废弃秸秆灰渣及大理石灰改良的膨胀土在施工中的应用，其特征在于，将得到的废弃秸秆灰渣及大理石灰改良膨胀土在施工面铺设厚度为30~50cm的表面改良层，经轻型压土机静压→覆盖塑料薄膜封闭养护4~7天→振动碾压→塑料薄膜覆盖养护5~7天→重型压土机静压→精平，即可达到工程需要强度。