CN103305226A - 一种粉土路基的粉土固化剂及其固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉土路基的粉土固化剂及其固化方法，所述粉土固化剂，包括作为生物能源副产品的木质素、改善木质素和/或木质素衍生物；较为环保的方案是直接采用造纸生产产生的黑液为主要原料作为本案提出的一种粉土固化剂。所述粉土路基的固化方法，采用喷雾法施工，主要工序为：下承层准备、木质素配制、喷洒与拌合、整平与碾压、初期养护。本发明提供的粉土路基的粉土固化剂及其固化方法，以造纸厂“黑液”为固化粉土改良剂，可为造纸厂“黑液”的处理提供新的方法，并可解决或减轻“黑液”对环境造成的污染问题；副产品的有效利用，既节约了地基处理的成本，又为“黑液”等废弃物的回收利用提供新的途径。

Description

一种粉土路基的粉土固化剂及其固化方法

技术领域

本发明涉及一种适用于粉土路基处理的粉土固化剂及其固化方法，属于岩土工程技术。

背景技术

随着我国城市化、工业化进程的不断加快，煤、石油、天然气等化石燃料的消耗越来越大，由此引发的环境污染问题也越来越严重。能源危机的出现，迫使人类寻求新的可再生能源，如太阳能、风能、潮汐能和生物能等，其中生物能源被认为是最高效的清洁能源。生物能源来自生物质，通过现代技术将其转化为固态、液态或气态的燃料，具有环境友好、安全和经济等特点，可用作化石燃料的替代能源。在可持续发展的背景下，生物能源的生产和使用日益增加，基于植物生物质的生物能源生产不仅产生生物燃料或乙醇，也产生了大量的木质素、改善木质素和木质素衍生物等副产品。

木质素是一种由苯基丙烷类结构单元通过碳-碳键和醚键连接而成的三维高分子化合物，在自然界中的存在十分丰富，其储量仅次于纤维素，且每年以500亿吨的速度再生。据相关资料统计显示，我国制浆造纸行业每年要从植物中分离出大约1.4亿吨纤维素，同时得到5000万吨左右的木质素副产品。目前为止，超过95%的木质素副产品以“黑液”形式直接排入江河或浓缩后烧掉，很少得到有效利用。这种处理方式不仅污染了生态环境，而且造成资源的严重浪费，不符合我国“建设资源节约型、环境友好型社会”的需要。木质素及其衍生物具有多种功能性，在工业应用中可作为合成树脂和胶黏剂、橡胶补强剂、驱油剂、建材助剂、分散剂、固沙剂等，具有十分广阔的应用前景。

粉土是介于黏性土与砂性土之间的一类土，工程性质比较复杂，按照《岩土工程勘察规范》的规定：凡粒径大于0.075mm、颗粒含量小于或等于全重50%、且塑性指数小于或等于10的土为粉土，其粒组成分中0.005～0.05mm和0.05～0.075mm的粒组占绝大多数。这类土既不同于黏性土，又有别于砂土，水与土颗粒间的作用明显异于黏性土和砂土，主要表现出“粉粒”特征。粉土作为路基填料时，因其内含有较多的粉粒，干燥时虽稍有粘结性，但易于压碎、施工时扬尘大、浸水后迅速湿透且易形成流体状态。粉土的毛细水上升高度大，在季节性冰冻地区更容易使路基产生水分累积，造成严重的冻胀翻浆现象。江苏省北部盐城、徐州和宿州等地区表层沉积了大量的以粉土、细粉砂为主的不良工程土体，需要进行相关处理满足工程建设要求。水泥、石灰、粉煤灰等传统固化剂在改变土体矿物成分、提高加固土强度和耐久性的同时也对环境造成了一定的危害，如传统加固土的pH值约为9，碱性环境对土体中的水泥强度和钢结构寿命等产生一定的危害、固化剂掺量较大时，土体表现出一定的脆性特征，在车辆荷载的冲击下土体结构稳定性受到较大影响等。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种成本低廉、环境友好、有效利用生物能源副产品且能够有效地固化粉土路基的粉土固化剂及其固化的方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种粉土路基的粉土固化剂，包括作为生物能源副产品的木质素、改善木质素和/或木质素衍生物。

一种粉土路基的粉土固化剂，包括造纸生产产生的黑液，所述黑液中包括作为生物能源副产品的木质素、改善木质素和/或木质素衍生物。

所述黑液中木质素、改善木质素和木质素衍生物总质量含量为5%～15%，一般为8.20%左右。

生物能源产业的不断发展的同时，也产生大量的副产品。这些副产品如得不到合理的回收利用将会造成资源的浪费和环境污染。传统固化剂固化土体时常常会伴随固化土pH较高，影响土体中混凝土和钢结构等材料寿命、掺量较大时，固化土表现出脆性特征等问题。

基于生物能源副产品木质素的基本特征、不良粉土路基的特殊性以及传统固化剂存在的局限性，本发明提出采用基于造纸厂排放的“黑液”来改良粉土路基以及相应的施工方法。通过对“黑液”中木质素/木质素磺酸盐的特性分析可知：“黑液”中木质素/木质素磺酸盐易溶于水，添加到土体中，首先在土体空隙中水解出高价阳离子并与土体中的低价阳离子置换，引起土颗粒表面双电层厚度减小，土层间间距减小；其次，土颗粒表面带有一定量的负电荷，由于静电引力作用，带正电的有机大分子被吸引至土颗粒表面，形成胶结物质并填充土体空隙；最后，“黑液”中木质素/木质素磺酸盐经过一系列反应产生木质素磺酸盐聚合物，将粉土颗粒联接起来，形成土颗粒团聚体，降低土的塑性，提高土的强度和水稳性等。

一种粉土路基的固化方法，采用喷雾法施工，主要工序为：下承层准备、木质素配制、喷洒与拌合、整平与碾压、初期养护；具体步骤如下：

（1）下承层准备：施工前对下承层按质量验收标准进行验收，验收合格后，对直线路段每20～25m设置一桩，对曲线路段每10～15米设置一桩，并标明松铺厚度的位置；将整个试验段用土一次铺好，使用轻型压路机静压1～2遍，然后根据计算的松铺厚度用平地机进行铺土的平整；

（2）木质素配置：以黑液干重与粉土干重比为10%～12%的比例为配比规格；现场测定粉土含水量并计算出路基粉土质量，根据重型击实试验得到粉土最优含水量womc，控制现场加固后土体的含水量为w_omc～w_omc+2%，根据配比规格计算所需黑液质量以及添加水的质量，对黑液和水进行混合，搅拌均匀后形成木质素混合液装入喷雾运输车内；

（3）喷洒与拌合：将粉土均匀摊铺在平整后的铺土上，驱动喷雾运输车来回两次进行均匀喷洒；喷洒结束后，使用路拌机进行粉土与木质素混合液的拌合作业，并在拌合作业期间对土体的含水量进行测定，每个路段至少设定3个断面，每个断面至少设定3个测定点；当土体的含水量在w_omc～w_omc+2%范围内时则形成改良土，停止拌合作业；

（4）平整与碾压：将拌合好的改良土使用平地机整平，并刮出路拱，使用压路机进行碾压作业，所述碾压过程为：压路机从路肩一侧开始向路中碾压，首先使用胶轮压路机碾压1～2遍，再使用振动压路机碾压1遍，然后使用12～15吨光面三路压路机碾压2～3遍，接着使用18～21吨光面压路机碾压1～2遍，最后使用胶轮压路机跑光2～3遍；

（5）初期养护：保证施工时的最低气温在5℃以上，施工结束后的养生时间不少于7天，并且在养生期间禁止重型车辆行驶。

有益效果：本发明提供的粉土路基的粉土固化剂及其固化方法，以造纸厂“黑液”为固化粉土改良剂，可为造纸厂“黑液”的处理提供新的方法，并可解决或减轻“黑液”对环境造成的污染问题；副产品的有效利用，既节约了地基处理的成本，又为“黑液”等废弃物的回收利用提供新的途径；本发明提出的木质素固化粉土的施工方法可为新型固化剂的现场应用提供一定的借鉴作用。

附图说明

图1为粉土重型击实试验适宜含水量区间图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种粉土路基的粉土固化剂，包括作为生物能源副产品的木质素、改善木质素和/或木质素衍生物。一种较为环保的方案是直接采用造纸生产产生的黑液为主要原料作为本案提出的一种粉土固化剂，黑液中存在木质素、改善木质素和/或木质素衍生物，且液中木质素、改善木质素和木质素衍生物总质量含量一般为8.20%左右。

下面采用造纸生产产生的黑液为主要原料作为粉土固化剂对粉土路基的固化方法加以说明，一般采用采用喷雾法施工，主要工序为：下承层准备、木质素配制、喷洒与拌合、整平与碾压、初期养护；具体步骤如下：

（1）下承层准备：施工前对下承层按质量验收标准进行验收，验收合格后，对直线路段每20～25m设置一桩，对曲线路段每10～15米设置一桩，并标明松铺厚度的位置；将整个试验段用土一次铺好，使用轻型压路机静压1～2遍，然后根据计算的松铺厚度用平地机进行铺土的平整；

（2）木质素配置：以黑液干重与粉土干重比为10%～12%的比例为配比规格；现场测定粉土含水量并计算出路基粉土质量，根据重型击实试验得到粉土最优含水量w_omc，控制现场加固后土体的含水量为w_omc～w_omc+2%，根据配比规格计算所需黑液质量以及添加水的质量，对黑液和水进行混合，搅拌均匀后形成木质素混合液装入喷雾运输车内；

（3）喷洒与拌合：将粉土均匀摊铺在平整后的铺土上，驱动喷雾运输车来回两次进行均匀喷洒（工作速率以0.5～0.8km/m为宜）；喷洒结束后，使用路拌机进行粉土与木质素混合液的拌合作业（工作速率以1.0～1.2km/m为宜），并在拌合作业期间对土体的含水量进行测定，每个路段至少设定3个断面，每个断面至少设定3个测定点；当土体的含水量在w_omc～w_omc+2%范围内时则形成改良土，停止拌合作业；

（4）平整与碾压：将拌合好的改良土使用平地机整平，并刮出路拱，使用压路机进行碾压作业，所述碾压过程为：压路机从路肩一侧开始向路中碾压，首先使用胶轮压路机碾压1～2遍，再使用振动压路机碾压1遍，然后使用12～15吨光面三路压路机碾压2～3遍，接着使用18～21吨光面压路机碾压1～2遍，最后使用胶轮压路机跑光2～3遍；

（5）初期养护：保证施工时的最低气温在5℃以上，施工结束后的养生时间不少于7天，并且在养生期间禁止重型车辆行驶。

下面就本案得以实施的理论和试验加以说明。

1．基于生物能源副产品木质素的土体固化机理

木质素/木质素磺酸盐在土体孔隙液中首先发生水解作用，产生氢离子（H⁺）和氢氧根离子（OH^—），同时仲醇羟基上的氧原子质子化，带正电荷的木质素磺酸盐中和土颗粒表面负电荷，双电层厚度减小，生成的木质素磺酸盐聚合物与黏土矿物形成胶结。素黏土矿物层间通过胶结物质相连，木质素磺酸盐加入土中后，通过上述一系列反应产生木质素磺酸盐聚合物，将黏土颗粒联接起来，形成土颗粒聚集体。反应方程式如下：

2．木质素固化粉土技术

利用河南漯河银鸽造纸厂废弃的“黑液”，进行了木质素改良粉土的无侧限抗压强度试验和粉土击实试验。

试验材料：江苏盐城地区粉土、河南漯河银鸽造纸厂废弃的“黑液”。表1为粉土主要化学成分；击实试验结果见图1。

表1粉土主要化学成分表

试验方法与方案：所有试验方法按照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）进行。添加剂掺量（相对于干土重）分别为2%、5%、8%、12%、15%，试验含水量为最优含水量w_omc，压实度为96%。

试验结果：副产品木质素固化土无侧限抗压强度较未处理土强度有明显提高（提高约20%），与传统粉煤灰固化土相比，强度较为接近（略低于粉煤灰固化土），掺量12%左右时，固化土强度达到最大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种粉土路基的粉土固化剂，其特征在于：包括作为生物能源副产品的木质素、改善木质素和/或木质素衍生物。

2.一种粉土路基的粉土固化剂，其特征在于：包括造纸生产产生的黑液，所述黑液中包括作为生物能源副产品的木质素、改善木质素和/或木质素衍生物。

3.根据权利要求2所述的粉土路基的粉土固化剂，其特征在于：所述黑液中木质素、改善木质素和木质素衍生物总质量含量为5%～15%。

4.一种粉土路基的固化方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）下承层准备：施工前对下承层按质量验收标准进行验收，验收合格后，对直线路段每20～25m设置一桩，对曲线路段每10～15米设置一桩，并标明松铺厚度的位置；将整个试验段用土一次铺好，使用轻型压路机静压1～2遍，然后根据计算的松铺厚度用平地机进行铺土的平整；

（2）木质素配置：以黑液干重与粉土干重比为10%～12%的比例为配比规格；现场测定粉土含水量并计算出路基粉土质量，根据重型击实试验得到粉土最优含水量w_omc，控制现场加固后土体的含水量为w_omc～w_omc+2%，根据配比规格计算所需黑液质量以及添加水的质量，对黑液和水进行混合，搅拌均匀后形成木质素混合液装入喷雾运输车内；

（3）喷洒与拌合：将粉土均匀摊铺在平整后的铺土上，驱动喷雾运输车来回两次进行均匀喷洒；喷洒结束后，使用路拌机进行粉土与木质素混合液的拌合作业，并在拌合作业期间对土体的含水量进行测定，每个路段至少设定3个断面，每个断面至少设定3个测定点；当土体的含水量在w_omc～w_omc+2%范围内时则形成改良土，停止拌合作业；

（4）平整与碾压：将拌合好的改良土使用平地机整平，并刮出路拱，使用压路机进行碾压作业，所述碾压过程为：压路机从路肩一侧开始向路中碾压，首先使用胶轮压路机碾压1～2遍，再使用振动压路机碾压1遍，然后使用12～15吨光面三路压路机碾压2～3遍，接着使用18～21吨光面压路机碾压1～2遍，最后使用胶轮压路机跑光2～3遍；

（5）初期养护：保证施工时的最低气温在5℃以上，施工结束后的养生时间不少于7天，并且在养生期间禁止重型车辆行驶。

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