CN104350829B - 一种黄土的工程性质改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种黄土的工程性质改性方法，属于向土中添加改性材料对土进行改良的技术领域。所述方法包括：(1)、将黄土和水泥窖灰原料风干，并过2mm筛；(2)、将过筛后的黄土与水泥窑灰按干质量91:9的比例混合均匀；(3)、对步骤(2)的混合物进行标准击实试验，得到混合物的最优含水率和最大干密度；(4)、将步骤(2)的混合物与水按最优含水率拌合，拌合均匀后击实成干密度值为最大干密度的混合土样，对该混合土样进行养护，养护龄期28天完成对黄土的改性处理。本发明的方法具有首次提出了用工业废弃物水泥窑灰处理黄土，降低成本、节约资源、保护环境；并提高黄土的强度，降低其水敏性的优点。

Description

一种黄土的工程性质改性方法

技术领域

本发明属于向土中添加改性材料从而对土进行改良的技术领域，涉及一种黄土的工程性质改性方法。

背景技术

黄土形成于干旱、半干旱气候条件，是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物，含有丰富的钙质、碳酸盐和可溶盐类，具有垂直节理、大孔性，土质松软。由于黄土具有特殊的物质组成及结构特征，使得它具有了特殊的工程地质性质，如水敏性包括崩解性和湿陷性。因此在黄土地区进行工程建设常常会出现更多种的工程病害。如路堤的不均匀沉降，高湿度黄土中隧道的塌方，桩基因负摩擦力作用引起的变形和破坏等多方面的问题，给工程建设的施工、运营等带来很大威胁。因此，工程建设中必须对黄土的水敏性进行抑制，达到提高其强度的目的。

对黄土的处理有强夯法、灰土挤密桩法、振冲法以及改性材料加固法等。从黄土水敏性机理来看，采用改性材料加固法能从根本上改变土的结构，从而起到提高其强度的目的。目前用对黄土进行改性处理的材料多集中于水泥、石灰等工业建筑材料，对于其他材料研究较少。

发明内容

水泥窑灰(CKD)是水泥生产过程中除CO₂以外对环境影响最大的副产品，其排放量相当于熟料的10％-20％，其的主要成分为CaO等，具有火山灰作用。我国是世界上水泥产量最高、增长速度最快的国家。以2011年为例，按照生产1吨水泥时窑灰排放量为10％的保守计算，我国窑灰的排放量达到1.63亿吨。目前国内水泥窑灰的利用率比较低，大量水泥窑灰得不到有效利用，直接丢弃或者填埋，造成严重的环境污染。由于水泥窑灰的主要成分决定了其具有火山灰性，添加到黄土中能够起到提高黄土强度，降低其水敏性，起到稳定路基的功能。

因此，发明一种改良黄土工程性质的材料，从理论方面为黄土的改性的提供一种新思路，从实际应用角度为黄土的改性提供一种新材料。

本发明的目的在于公开了一种黄土的工程性质改性方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种黄土的工程性质改性方法，包括下述步骤：

(1)、将黄土和水泥窖灰原料风干，并过2mm筛；

(2)、将经步骤(1)风干过筛后的黄土与水泥窑灰按干质量91:9的比例混合均匀；

(3)、对步骤(2)的混合物进行标准击实试验，得到混合物的最优含水率和最大干密度；

(4)、将步骤(2)的混合物与水按最优含水率拌合，拌合均匀后击实成干密度值为最大干密度的混合土样，对该混合土样进行养护，养护龄期28天完成对黄土的改性处理。

上述技术方案所述的一种黄土的工程性质改性方法，其中，步骤(1)所用黄土为陕西西安地区黄土；步骤(3)得到的最优含水率为17％，最大干密度为1.70g/cm³。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明首次提出了用工业废弃物水泥窑灰处理黄土，从“以废治害”的理念出发，以降低成本、节约资源、保护环境为原则。

2、首次选取水泥窑灰作为改性材料，引入黄土处理领域，对工业废弃物的进行科学化研究。

3、充分利用水泥窑灰成分中的CaO等能够与黄土成分发生固化反应的原理，提高黄土的强度，降低其水敏性。

4、经本发明的方法改性后的混合土样的强度与未处理黄土样相比有明显提高。

5、经本发明方法改性后的混合土样与未处理黄土样相比，湿陷性有明显降低。

6、经本发明方法改性后的混合土样与未处理黄土样相比，黄土的崩解性降低。

附图说明：

1、图1为实施例1步骤(3)中的标准击实试验所得最优含水率和最大干密度关系曲线。

2、图2为水泥窑灰处理黄土土样的抗剪强度τ与垂直压力σ的关系曲线。

3、图3为水泥窑灰处理黄土的崩解曲线图。

具体实施方式：

为使本发明的技术方案便于理解，以下结合具体试验例对本发明一种黄土的工程性质改性方法作进一步的说明。

以下实施例和试验例中所用黄土为陕西西安地区黄土。

实施例1：黄土工程性质的改性方法：

水泥窑灰改性黄土的施工方法，包括下述步骤：

(1)、将黄土和水泥窑灰进行风干，过2mm筛；

(2)、将经步骤(1)风干过筛后的黄土与水泥窑灰按干质量91:9的比例混合均匀；

(3)、对混合物进行标准击实试验，得到混合物的最优含水率17％和最大干密度1.70g/cm³；

(4)、将步骤(2)的混合物与水按最优含水率17％拌合，拌合均匀后击实成干密度为1.70g/cm³的混合土样，进行养护，养护龄期28天完成对黄土改性处理。

步骤(3)中的标准击实试验所用锤重为2.5kg，锤底面积19.64cm²，落距为30cm，分三层击实，每层25击；试验结果所得最优含水率和最大干密度关系曲线见图1。结果显示，最优含水率为17％，最大干密度为1.70g/cm³。

以下通过具体试验例，对本发明一种黄土的工程性质改性方法的有益效果作进一步的说明。

试验例1：水泥窑灰改性黄土对抗剪强度的影响：

为检验水泥窑灰对黄土强度的改性效果，利用直剪仪对实施例1中的黄土原样和经水泥窑灰改性处理后的混合土样进行快剪直剪试验，其中经水泥窖灰改性处理后的混合土样的按养护龄期分别为1、7、14、28天分别进行试验。

直剪试验所用仪器为应变控制式直剪仪，由剪切盒、垂直加压设备、剪切传动装置、测力计和位移量测系统组成。

试验过程如下：

(1)、用标准环刀(环刀高h＝20mm，内直径r＝61.8mm)取黄土原样4个。

(2)、对准剪切容器上下盒，插入固定销，在下盒内放透水板和不透水塑料纸将(1)中带有试样的环刀刃口向上，对准剪切盒口，在试样上放不透水塑料纸和透水板，将试样小心地推入剪切盒内。

(3)、移动传动装置，使上盒前端钢珠刚好与测力计接触，依次放上传压板、加压框架、安装水平位移量测装置并调至零位或测计初始读数。

(4)、施加垂直压力为50kPa，拔去固定销，立即以0.8mm/min的剪切速度进行剪切，试样每产生剪切位移0.4mm，测记测力计和位移读数直至测力计读数出现峰值，并继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值。当剪切过程中测力计读数无峰值时剪切至剪切位移6mm时停机。

(5)、重复以上步骤(2)、(3)、(4)，对步骤(1)中所取其余3个土样分别在垂直压力为100kPa、200kPa和300kPa条件下进行快剪试验。

(6)、用公式 $\mathrm{\τ}=\frac{C\·R}{A_0}\×10---\left(1\right)$

分别对垂直压力为50kPa、100kPa、200kPa和300kPa下试样的抗剪强度τ进行计算。

其中，C为测力计率定系数，单位N/0.01mm，本试验所用直剪仪测力计的率定系数为7.299N/0.01mm(仪器出厂给定值)；R是测力计的峰值读数(有峰值时)或剪切位移为4mm时的读数(无峰值时)，单位0.01mm；A₀是试样的初始断面积(S＝πr²)，单位cm²。

以抗剪强度τ为纵坐标，垂直压力σ为横坐标做图，抗剪强度τ与垂直压力σ的关系曲线见图2。

(7)、对养护龄期分别为1、7、14、28天的水泥窖灰改性处理后混合土样，分别各取4个环刀土样，重复以上(2)、(3)、(4)、(5)步骤进行快剪试验。

(8)、对不同养护龄期土样用公式(1)分别计算各级垂直压力下的抗剪强度，并以抗剪强度τ为纵坐标，垂直压力σ为横坐标做图，见图2。

直线的倾角为内摩擦角直线在纵坐标上的截距为粘聚力c。结果如表1所示：

表1黄土原样和经水泥窑灰改性处理后混合土样的抗剪强度指标

由表1和图2结果可以看出，经水泥窑灰改性处理后的黄土样的强度随养护龄期的增加有明显提高，养护龄期为28天的试样强度最大。

试验例2：水泥窑灰处理对黄土湿陷系数的影响：

对本发明实施例1中的黄土原样和经水泥窖灰改性处理的混合土样(养护龄期28天)进行室内湿陷试验。湿陷试验过程完全按照中华人民共和国国家标准进行，中华人民共和国水利部,土工试验方法标准GBT50123-1999[S],中国建设出版社,1999:94-94。

结果表明，处理前黄土试样的湿陷系数δ_s＝0.044，经水泥窑灰处理的黄土试样在养护28天以后湿陷系数δ_s＝0.021，湿陷性明显降低。

试验例3：水泥窑灰处理对黄土浸水崩解性的影响：

崩解试验所用仪器及试验过程见[李家春,崔世富,田伟平.公路边坡降雨侵蚀特征及土的崩解试验[J].长安大学学报(自然科学版).2007.27(1):23-26]。

将实施例1中的黄土原样和经水泥窑灰处理后的混合土样(养护龄期28天)浸泡于水中，测定一定时间内黄土和水泥窑灰处理黄土的崩解量，观测两者在水中的破坏形态。

黄土原样一浸入水中，迅速发生崩解破坏，在水中的稳定性不好；经水泥窑灰处理后的黄土样浸水后，初期会吸收少量水分，发生轻微崩解，随后趋于稳定状态，随着养护龄期的增长，改性黄土的崩解量和崩解速率均降低，图3是水泥窑灰处理黄土的崩解曲线图，可知水泥窑灰的处理作用降低了黄土的崩解性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上和实质上的限制，凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用以上所揭示的技术内容，而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种黄土的工程性质改性方法，包括下述步骤：

(1)、将黄土和水泥窖灰原料风干，并过2mm筛；

(2)、将经步骤(1)风干过筛后的黄土与水泥窑灰按干质量91:9的比例混合均匀；

(3)、对步骤(2)的混合物进行标准击实试验，得到混合物的最优含水率和最大干密度；

(4)、将步骤(2)的混合物与水按最优含水率拌合，拌合均匀后击实成干密度值为最大干密度的混合土样，对该混合土样进行养护，养护龄期28天完成对黄土的改性处理。

2.根据权利要求1所述的一种黄土的工程性质改性方法，其特征在于：步骤(1)所用黄土为陕西西安地区黄土；步骤(3)得到的最优含水率为17％，最大干密度为1.70g/cm³。