CN104863038A - 一种利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用土壤固化剂制备固化土的方法，其包括以下步骤：⑴提供土壤固化剂，并将所述土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，所述土壤固化剂为路邦离子土壤固化剂；⑵将所述含土壤固化剂的溶液与土壤混合均匀，得到混合料，其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述土壤为浙中地区的红粘土；以及⑶对所述混合料进行碾压，得到压实度为96％～98％的固化土。

Description

一种利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法

技术领域

本发明涉及地基技术领域，尤其涉及一种利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法。

背景技术

随着我国道路基础设施建设规模的迅速发展，交通量和重载车辆与日俱增，对各等级道路的路基路面结构的使用性能提出了更高要求。为了保证公路工程质量并降低工程造价，选择高效的筑路材料至关重要。传统的基层筑路材料一般采用天然砂石料、砂砾料等，然而，这类资源越来越少，并且建设成本也高，对环境破坏和污染也较大。

浙中地区的地质土层多为由流纹岩、凝灰角砾岩风化残积而形成的红粘土。红粘土具有与一般正常沉积粘性土不同的物理及力学特征，其表现为网纹特征明显，粘粒含量高，密度低、液塑限高、压实性差等，因而在工程应用中会引发诸多工程危害，如干温缩引起的收缩裂缝、遇水土体软化易流失，形成不均匀沉降等。现有公路工程中普遍采用水泥、石灰、粉煤灰等传统土壤固化材料，然而，这存在明显的不足，主要表现在：固化土强度形成缓慢，早期强度低，影响施工进度；固化土干缩大、易开裂、水稳性差；固化土受土壤类别限制较大，对塑性指数高的粘土、有机土和盐渍土固化效果差，甚至没有固化作用，因而难以满足浙中地区工程建设发展的需要。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种适合浙中地区的、可利用施工地的土壤来制备石灰水泥固化土的方法，该方法具有节约能源、成本较低、对环境破坏和污染较小的优点，并且所述石灰水泥固化土具有较好的力学强度而可满足工程建设发展的需要。

本发明提供一种利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其包括以下步骤：

⑴提供土壤固化剂，并将所述土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，所述土壤固化剂为路邦离子土壤固化剂；

⑵提供水泥和石灰，将所述含土壤固化剂的溶液与土壤、水泥和石灰混合均匀，得到混合料，其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述水泥与所述土壤的质量比为1:25～3:50，所述石灰与土壤的质量比为1:25～1:20，所述土壤为浙中地区的红粘土；以及

⑶对所述混合料进行碾压，得到石灰水泥固化土。

其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为 1.2:10000～1.6:10000。

其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.4:10000。

其中，所述土壤固化剂为路邦EN-1离子土壤固化剂。

其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与水的体积比为1:100～1:400。

其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与水的体积比为1:300。

其中，在步骤⑶中对所述混合料进行碾压，使所述石灰水泥固化土的压实度为96％～98％。

其中，在步骤⑵中所述水泥与所述土壤的质量比为1:20，所述石灰与土壤的质量比为1:20。

其中，在碾压制成水泥石灰固化土之后，还对进行7天～180天的龄期养护。

与现有技术相比较，本发明所述利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法具有以下优点：由于土壤固化剂具有“亲水头”和“疏水尾”，并且选择所述土壤固化剂与土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述水泥与所述土壤的质量比为1:25～3:50，所述石灰与土壤的质量比为1:25～1:20这一特定的质量比，因而该具有特定比例的水泥、石灰、土壤固化剂和土壤之间发生一系列的物理化学反应如离子交换反应、结晶反应、碳酸化反应、火山灰反应等。具体的，在离子交换反应中，石灰中的高价离子(Ca²⁺、Mg²⁺)与粘土颗粒中的低价阳离子(K⁺、Na⁺)发生离子交换反应，从而使土壤的塑性指数下降，强度提高；在结晶反应中，石灰吸收水分形成含水的晶格(Ca(OH)₂·nH₂O)，所形成的晶体相互结合，并与粘土颗粒结合形成共晶体，把粘土颗粒胶结而形成整体；在碳酸化反应中，来源于石灰的Ca²⁺离子与空气中的二氧化碳发生反应，生成的碳酸物(CaCO₃)可使粘土颗粒发生胶结，从而使土壤的密实度提高；在火山灰反应中，生成含水的硅酸钙和铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由胶凝状态向晶体状态转化，使土壤的抗压强度大大提高。另外，土壤固化剂中含有活性成分磺化油，该活性成分磺化油在水泥水化作用中可有效地降低水的表面张力，使水泥颗粒高度分散，同时充当减水剂，大幅度减少用水量，水化作用更为迅速，且能使固化土在水化初期形成大量致密的C-S-H凝胶，孔隙率明显减小，内部结构的密实度增加。通过该方法得到的固化土可满足对路基的强度要求较高的工程需要。另外，该方法还具有节约能源、成本较低、对环境破坏和污染较小的优点。

由于土壤固化剂与水的体积比为1:100～1:400，使得所述含土壤固化剂的溶液具有合适的粘度，能够较好的向土壤的内部扩散和渗透。

优选的，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.2:10000～1.6:10000。更优选的，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.4:10000，此时，得到的固化土的塑性指数降至最低，无侧限抗压强度达到最大。

当所述水泥与所述土壤的质量比为1:20，所述石灰与土壤的质量比为1:20时，所述固化土的抗压强度达到最大值，所述固化土的力学性能最优。

具体实施方式

以下将对本发明提供的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法作进一步说明。

本发明提供一种利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法；该方法包括以下步骤：

⑴提供土壤固化剂，并将所述土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，所述土壤固化剂为路邦离子土壤固化剂；

⑵提供水泥和石灰，将所述含土壤固化剂的溶液与土壤、水泥和石灰混合均匀，得到混合料，其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述水泥与所述土壤的质量比为1:25～3:50，所述石灰与土壤的质量比为1:25～1:20，所述土壤为浙中地区的红粘土；以及

⑶对所述混合料进行碾压，得到石灰水泥固化土。

在步骤⑴中，所述土壤固化剂为市售的路邦离子土壤固化剂。该路邦离子土壤固化剂为阴离子型表面活性剂。具体的，所述土壤固化剂为一种磺化油树脂，其由一种磺酸的有机化合物(RSO₃H)的“亲水头”及一个由碳及氢的原子组成的“疏水尾”所构成。所述土壤固化剂易溶于水，在水中能离解出带正电荷的阳离子(如Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺等)和阴离子(如Cl^-、SO₄ ^2-、NO₃ ^-等)。该土壤固化剂与水的体积比可为1:100～1:400，一方面使得所述含土壤固化剂的溶液具有合适的粘度，能够较好的向土壤的内部扩散和渗透；另一方面也为了方便在步骤⑵中取适量的含土壤固化剂的溶液。优选的，土壤固化剂与水的体积比为1:300，从而该得到的含土壤固化剂的溶液具有最佳的粘度，以避免当土壤固化剂的浓度过低时，离解出来的阳离子的量不足导致离子交换反应不充分，加固土壤的效果较差；以及当土壤固化剂的浓度过高时，粘度较大而在粘土颗粒中扩散和渗透的时间较长，减缓作业进度的情形。本发明中，采用的是路邦EN-1离子土壤固化剂，该土壤固化剂与水的体积比为1:300。

在步骤⑵中，所述水泥和石灰为市售的水泥和石灰。将所述水泥、石灰、土壤和含土壤固化剂的溶液混合可通过搅拌机进行。所述水泥、石灰、土壤固化剂和土壤之间发生一系列的物理化学反应如离子交换反应、结晶反应、碳酸化反应、火山灰反应等。具体的，在离子交换反应中，石灰中的高价离子(Ca²⁺、Mg²⁺)与粘土颗粒中的低价阳离子(K⁺、Na⁺)发生离子交换反应，从而使土壤的塑性指数下降，强度提高；在结晶反应中，石灰吸收水分形成含水的晶格(Ca(OH)₂·nH₂O)，所形成的晶体相互结合，并与粘土颗粒结合形成共晶体，把粘土颗粒胶结而形成整体；在碳酸化反应中，来源于石灰的Ca²⁺离子与空气 中的二氧化碳发生反应，生成的碳酸物(CaCO₃)可使粘土颗粒发生胶结，从而使土壤的密实度提高；在火山灰反应中，生成含水的硅酸钙和铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由胶凝状态向晶体状态转化，使土壤的抗压强度提高。另外，土壤固化剂中含有活性成分磺化油，该活性成分磺化油在水泥水化作用中可有效地降低水的表面张力，使水泥颗粒高度分散，同时充当减水剂，大幅度减少用水量，水化作用更为迅速，且能使水泥石灰固化土在水化初期形成大量致密的C-S-H凝胶，孔隙率明显减小，内部结构的密实度增加。

所述含土壤固化剂的溶液与土壤混合时，所述含土壤固化剂的溶液的体积根据所述土壤的质量以及所述含土壤固化剂的溶液中土壤固化剂的浓度而定，只要使得土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000即可，以保证有足够量的土壤固化剂而可与大部分的粘土颗粒表面吸附的阳离子发生离子交换反应。具体的，当所述土壤固化剂分散于水中时，“亲水头”(RSO₃H)这部分发生离解而产生一个[SO₃]^2-离子，当[SO₃]^2-的一个氧原子与粘土颗粒上的金属阳离子相结合时，土壤固化剂便占据了粘土颗粒表面上的一个阳离子空位；赶走了吸附在粘土颗粒扩散层表面上的部分阳离子，此时土壤固化剂被吸附在粘土颗粒表面。另外，“亲水头”还可通过[SO₃]^2-中硫原子联结到分子尾部的“疏水尾”上，土壤固化剂的“疏水尾”围绕着粘土颗粒表面形成了一个油性层，“疏水尾”对粘土颗粒表面的水有一定的排挤作用，即土壤固化剂具有减小粘土颗粒表面的结合水膜的厚度的能力。因此，所述土壤固化剂的加入减小了粘土颗粒表面的固定层和扩散层的总体厚度，使颗粒表面结合水膜变薄，从而引起粘土颗粒之间的引力增加，斥力减小，进而促使粘土颗粒聚集、凝结而形成更大的颗粒。因此，水泥石灰固化土变得更密实，水泥石灰固化土的力学强度提高。

将原样的土壤为对照组1；将加入石灰和水泥的土壤作为对照组2；而将加入土壤固化剂、石灰和水泥的土壤为第1至9组，其中每组中的各组分的比例请参见下表1。

将所述对照组1、对照组2和第1-9组采用上述制备方法得到的水泥石灰固化土进行抗压强度试验，结果请参见表1。需要说明的是，制备过程中压实度均为96％，所述含土壤固化剂的溶液中土壤固化剂与水的体积比为1:300。

表1

由表1可见，相对于对照组1原样的土壤而言，所述固化土的7天无侧限抗压强度均大大提高(均在2MPa以上)；相对于对照组2而言，第2组加入土壤固化剂后，土壤固化剂与土体发生离子交换作用，使得土壤抗压强度大幅提升。其中，在所述水泥和石灰的掺入量均为5％(即水泥及石灰与土壤的质量比为1:20)时，其抗压强度达到最大值，所述水泥石灰固化土的力学性能最优。

在步骤⑶中，对所述混合料进行碾压，并使得到的水泥石灰固化土具有一定的压实度。将上述对比组1和第2至4组的混合料分别以压实度为90％、92％、94％、96％和98％的条件制得水泥石灰固化土，然后对水泥石灰固化土进行抗压强度测试，结果请参阅表2。

表2

由表2可以看出，加入土壤固化剂后得到的水泥石灰固化土，在压实度为96％～98％时，无侧限抗压强度值的提高幅度较大，说明此压实度为96％～98％下所述石灰、水泥及土壤固化剂的共同固化作用较明显。

在碾压制成水泥石灰固化土之后，还需要对得到的水泥石灰固化土进行7天～180天的龄期养护。具体的，对所述水泥石灰固化土在不同的养护龄期下，测试其抗压强度。结果如下表3所示。

表3

由表3可知，在96％、98％压实度下，对于第2至4组水泥石灰固化土而言，随着龄期的增大，其无侧限抗压强度不断增强，且第2组所得水泥石灰固化土在龄期180天时，抗压强度达到最大值7.33MPa。

具体的，还对所述水泥石灰固化土进行抗冻性能测试。测试方法为：将水泥石灰固化土制成试件(尺寸为直径×高＝150mm×150mm)，压实度分别为96％与98％。每组制备18个试件，其中9个经冻融的试件，9个为未冻融的试件。冻融过程为：将试件经恒温箱养生28天后，放入低温箱(控温﹣18±1℃条件下)冻结16小时，然后放入温度为20±1℃的控温水槽解冻8小时，即为一次冻融循环；如此经过五次冻融循环后，测定试件经冻融的无侧限抗压强度(即为冻融强度)。以28天龄期经过五次冻融循环后的抗压强度与28天龄期饱水抗压强度的比值作为抗压强度损失BDR。结果如下表4所示。

表4

从表4可知，所述石灰水泥固化土的冻融抗压强度损失量在75％以上。这是因为掺入EN-1离子固化剂，固化剂与土壤发生离子交换反应，使颗粒表面双电层厚度变小，结合水膜变薄，改变粘土颗粒间的作用力，进而形成更为密实结构，因此，石灰水泥固化土的冻融抗压强度损失量(BDR)较对比组1大。

具体的，还对所述水泥石灰固化土进行劈裂性能测试。测试方法为：将水泥石灰固化土制成试件(尺寸为直径×高＝50mm×50mm)，压实度分别为96％、98％，每组制备12个试件；经养生室180d养生后，测量试件的直径(d)、浸水后试件的高度(h)；然后进行劈裂强度测试，并记录试件破坏时的最大压力(P)。最后按照下列公式计算劈裂强度。

$\mathrm{Ri}=\frac{2P}{\mathrm{\πdh}}$

式中：Ri——试件的间接抗拉强度(劈裂强度)(MPa)；

P——试件破坏时的最大压力(N)；

d——试件的直径(mm)；

h——浸水后试件的高度(mm)。

结果如表5所示。

表5

由表5可见，相对于对照组1而言，掺入石灰、水泥和土壤固化剂之后，水泥、石灰、固化剂与土壤充分反应，增强各原料之间的粘结力，同时土壤与石灰等形成胶质物，从而各原料的接触面之间的滑动性较弱，致使土壤的抗拉强度强，即劈裂强度值较大。故，土壤固化剂、水泥、石灰的掺入均可较好提升土壤的劈裂强度。

具体的，还对所述水泥石灰固化土进行抗压回弹模量测试。测试方法为：将水泥石灰固化土制成试件(尺寸为直径×高＝100mm×100mm)，压实度分别为96％、98％；然后采用美国英斯特朗公司生产的万能材料试验机测试试件的抗压回弹模量。结果见表6。

表6

从表6可以看出，相对于对照组1而言，固化剂、水泥与石灰的掺入大大提高了土壤的抗压回弹模量。这也进一步验证了所述石灰水泥固化土的质地紧密、各原料之间的结合力强，因而提高了所述石灰水泥固化土的整体承载能力。

与现有技术相比较，本发明所述利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法具有以下优点：由于土壤固化剂具有“亲水头”和“疏水尾”，并且选择所述土壤固化剂与土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述水泥与所述土壤的质量比为1:25～3:50，所述石灰与土壤的质量比为1:25～1:20这一特定的质量比，因而该具有特定比例的水泥、石灰、土壤固化剂和土壤之间发生一系列的物理化学反应如离子交换反应、结晶反应、碳酸化反应、火山灰反应等。具体的，在离子交换反应中，石灰中的高价离子(Ca²⁺、Mg²⁺)与粘土颗粒中的低价阳离子(K⁺、Na⁺)发生离子交换反应，从而使土壤的塑性指数下降，强度提高；在结晶反应中，石灰吸收水分形成含水的晶格(Ca(OH)₂·nH₂O)，所形成的晶体相互结合，并与粘土颗粒结合形成共晶体，把粘土颗粒胶结而形成整体；在碳酸化反应中，来源于石灰的Ca²⁺离子与空气中的二氧化碳发生反应，生成的碳酸物(CaCO₃)可使粘土颗粒发生胶结，从而使土壤的密实度提高；在火山灰反应中，生成含水的硅酸钙和铝酸钙等胶结物，这些胶结物逐渐由胶凝状态向晶体状态转化，使土壤的抗压强度大大提高。另外，土壤固化剂中含有活性成分磺化油，该活性成分磺化油在水泥水化作用中可有效地降低水的表面张力，使水泥颗粒高度分散，同时充当减水剂，大幅度减少用水量，水化作用更为迅速，且能使固化土在水化初期形成大量致密的C-S-H凝胶，孔隙率明显减小，内部结构的密实度增加。通过该方法得到的固化土可满足对路基的强度要求较高的工程需要。另外，该方法还具有节约能源、成本较低、对环境破坏和污染较小的优点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其他变化，当然这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

⑴提供土壤固化剂，并将所述土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，所述土壤固化剂为路邦离子土壤固化剂；

⑵提供水泥和石灰，将所述含土壤固化剂的溶液与土壤、水泥和石灰混合均匀，得到混合料，其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述水泥与所述土壤的质量比为1:25～3:50，所述石灰与土壤的质量比为1:25～1:20，所述土壤为浙中地区的红粘土；以及

⑶对所述混合料进行碾压，得到石灰水泥固化土。

2.如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其特征在于，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.2:10000～1.6:10000。

3.如权利要求2所述的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.4:10000。

4.如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其特征在于，所述土壤固化剂为路邦EN-1离子土壤固化剂。

5.如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其特征在于，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与水的体积比为1:100～1:400。

6.如权利要求5所述的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其特征在于，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与水的体积比为1:300。

7.如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其特征在于，在步骤⑶中对所述混合料进行碾压，使所述石灰水泥固化土的压实度为96％～98％。

8.如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其特征在于，在步骤⑵中所述水泥与所述土壤的质量比为1:20，所述石灰与土壤的质量比为1:20。

9.如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备石灰水泥固化土的方法，其特征在于，在碾压制成水泥石灰固化土之后，还对进行7天～180天的龄期养护。