CN107603636A - 一种基于工业有机固废的膨胀土改良剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业有机固废的膨胀土改良剂及其应用，膨胀土改良剂按照质量百分比，由以下组分组成，木质素：70％～76％；氯化钙：12％～15％；粉煤灰：12％～15％。将膨胀土改良剂均匀混合至膨胀土中，压实成型，养护至规定龄期。膨胀土改良剂制作包括以下步骤：第一步，将工业制浆造纸废液进行喷雾干燥，获得木质素；第二步，将乙炔制造厂的废弃电石渣晾晒处理，使其含水量降低至10％以下，然后与废盐酸混合加热反应，获得氯化钙；第三步，将木质素、氯化钙与F级粉煤灰混合均匀，得到膨胀土改良剂。经本发明的改良剂改良后的膨胀土的自由膨胀率降低明显；改良剂环保、低廉，应用前景广阔；应用方法简单且经济、可操作性强。

Description

一种基于工业有机固废的膨胀土改良剂及其应用

技术领域

本发明涉及岩土工程或道路工程施工领域，具体涉及一种基于工业有机固废的膨胀土改良剂及其应用。

背景技术

膨胀土是一种特殊土，具有颗粒分散性高、黏土矿物含量多、对环境湿热变化敏感等特点。这种土吸水膨胀软化、失水收缩干裂，是我国工程建设中常见的灾害性土之一。膨胀土路基遇水浸泡后，路基土膨胀，表层出现“蓬松层”或者“橡皮泥”；干燥失水后，土体干缩龟裂，雨水可通过裂缝直接进入土体深处，降低路基承载力，严重情况时会产生崩解、隆起和局部坍塌等现象，对道路行车安全产生显著危害。对于膨胀土路基，我国相关道路路基设计规范明确规定：膨胀土不得直接用于路基填筑，必须经过一定的处理且试验论证后，才可用于工程建设。目前，我国对于膨胀土的处置尚未有经济、高效和绿色的相关成熟技术。

化学改良土体技术是在不良土体中添加化学药剂，通过改良剂与土体矿物间复杂的物理化学作用，最终达到改善土体工程性质的目的。传统土体改良技术经过近百年的发展，在施工技术、设计理论和改良机理方面均取得了长足的进步。膨胀土常用的改良材料有水泥、石灰和石膏等钙基无机材料。虽然这些材料在提高强度与耐久性，降低膨胀率和渗透性等方面表现出卓越的性能，但在现代工程建设需要和绿色发展的背景下仍存在一定的缺陷：(1)水泥、石灰等材料的生产需要大量不可再生的化石能源，消耗天然黏土等自然资源；(2)制造过程中排放的二氧化碳、粉尘和二氧化硫等有害气体，加剧温室效应的同时，威胁周围环境的安全；(3)水泥土、石灰土等改良土的pH值呈强碱性，混凝土、钢结构等地下构筑物的服役寿命在此碱性环境中受到严重影响。因此，在现有膨胀土改良技术的背景下，亟需探索、开发新型、高效和环保的膨胀土改良剂，提高我国膨胀土处置的技术水平。

随着绿色发展理念的不断深入，人们积极探索将各种工业废弃资源应用于土木工程建设中，提高资源的利用率。木质素就是众多工业固废中常见的一种有机材料。木质素是存在于植物木质部中的一种高分子有机化合物，具有维持植物强度和韧性的作用，在自然界中储量十分丰富，仅次于纤维素，且每年以500亿吨的速度再生。我国制浆造纸行业每年产生大量的副产品木质素，其主要成分为木质素磺酸盐类。这类有机固废物质，具有多个活性官能基团，可发生氧化、还原、水解、接枝共聚等多种化学反应。木质素已作为减水剂、黏合剂、固沙剂应用于混凝土制造、橡胶生产和农业生产等多个领域。目前，我国对于制浆造纸的副产品木质素尚未有效利用，约95％的废料直接排入江河或浓缩后作为燃料烧掉，资源利用效率很低。若利用木质素的多种化学活性，将其应用于路基膨胀土改良中，在消耗大量工业固废材料的同时，减少环境污染，降低工程建设成本，将具有良好的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有膨胀土处置技术存在的上述问题，提供一种基于工业有机固废的膨胀土改良剂及其应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于工业有机固废的膨胀土改良剂，所述的膨胀土改良剂按照质量百分比，由以下组分组成：

木质素：70％～76％；

氯化钙：12％～15％；

粉煤灰：12％～15％。

按上述方案，所述的改良剂中木质素、氯化钙和粉煤灰的质量比为5:1:1。

按上述方案，所述的木质素来源于工业制浆造纸副产品，其中主要成分按照质量百分比为：木质素磺酸盐，60％～85％；纤维素，5％～7％；半纤维素，3％～5％；水分<3％。

按上述方案，所述的粉煤灰来源于电厂废料，其中氧化钙含量小于或等于10％，属于F类粉煤灰。

本发明还提供了一种上述基于工业有机固废的膨胀土改良剂的应用，将2％～5％掺量的膨胀土改良剂通过路基土拌合的方法，均匀混合至膨胀土中，并利用施工机械压实成型，养护至规定龄期。

按上述方案，膨胀土改良剂的制作包括以下步骤：

S1、将所得的工业制浆造纸废液进行喷雾干燥，获得含水量低于3％的固体粉末状木质素；

S2、将乙炔制造厂的废弃电石渣晾晒处理，含水量降低至10％以下，然后将废盐酸与干燥电石渣混合加热反应，获得氯化钙；

S3、将步骤S1获得的木质素、步骤S2获得的氯化钙与F级粉煤灰按照设定的质量比混合均匀，得到膨胀土改良剂。

本发明所取得的有益效果为：

1.经本发明膨胀土改良剂改良后的膨胀土(简称改良土)的自由膨胀率和膨胀势远低于素土，改良效果显著；其改良效果与传统水泥材料效果相比略差，但木质素和粉煤灰属于工业副产品，具有资源再利用和保护环境的意义；改良土的收缩特性较素土有明显改善，室内条件下改良土的线缩率显著低于未改良土；改良膨胀土的强度亦得到一定程度的提高，改良剂中粉煤灰组分与土体矿物经过一系列物理化学作用，产生胶凝产物联结、包裹颗粒并填充空隙，形成稳定的土体结构；

2.膨胀土改良剂环保、价格低廉，取材广泛，应用前景广阔；本发明的膨胀土改良剂中的主要组分木质素来源于工业废弃材料，氯化钙源自固废电石渣材料，粉煤灰亦是燃煤电厂的主要排放废弃物之一，取材十分广泛，变废为宝；

3.改良剂的应用简单且经济、可操作性强，本发明的膨胀土改良剂的应用步骤主要为三步，对两种组分进行简单的物理干燥和化学反应后即可获得所需改良材料，不需要复杂的技术设备和专业的操作人员；新型改良剂应用于路基膨胀土改良中与传统路基土拌合法施工方法基本相同，不需要额外的机械设备，方法简单，可操作性强。

附图说明

图1是本发明实施例膨胀土改良剂改良粉土与石灰改良粉土线缩率的变化图；

图2是本发明实施例膨胀土改良剂改良粉土与石灰改良粉土养护28天后水稳系数的变化图；

图3是现有技术8％掺量石灰改良粉土养护7天/28天后质量损失率随干湿循环次数的变化图；

图4是本发明实施例提供的12％掺量膨胀土改良剂改良粉土养护7天/28天后质量损失率随干湿循环次数变化的结果图；

图5是本发明实施例提供的膨胀土改良剂改良膨胀土与水泥改良膨胀土养护7天后的最终膨胀率随改良剂掺量变化的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例提供了一种基于工业有机固废的膨胀土改良剂，膨胀土改良剂按照质量百分比，由以下组分组成：

木质素：70％～76％；

氯化钙：12％～15％；

粉煤灰：12％～15％。

优选的，改良剂中木质素、氯化钙和粉煤灰的质量比具体为5:1:1。

木质素来源于工业制浆造纸副产品，其中主要成分按照质量比为：木质素磺酸盐(60％～85％)、纤维素(5％～7％)、半纤维素(3％～5％)和微量水分(<3％)。

粉煤灰来源于电厂废料，其氧化钙含量不得高于10％，属于F类粉煤灰，氯化钙由乙炔制造厂的废弃电石渣与废盐酸混合加热后得到。

膨胀土改良剂的制作包括以下步骤：

第一步，将所得的工业制浆造纸废液进行喷雾干燥，获得含水量低于3％的固体粉末状木质素；

第二步，将乙炔制造厂的废弃电石渣晾晒处理，含水量降低至10％以下，然后将废盐酸与干燥电石渣混合加热反应，获得氯化钙；

第三步，将第一步获得的木质和第二步获得的氯化钙与F级粉煤灰按照设定的质量比例5:1:1混合均匀，得到本发明所提供的膨胀土改良剂。

实施例中膨胀土改良剂的应用为，将2％～5％掺量的改良剂通过路基土拌合的方法，均匀混合至膨胀土中，并利用施工机械压实成型，养护至规定龄期。

本发明的膨胀土改良剂中的主要组分木质素来源于工业废弃材料，市场成本价格低于150元/吨；氯化钙源自固废电石渣材料，经废盐酸提取后，成本价格在300元/吨左右；粉煤灰亦是燃煤电厂的主要排放废弃物之一，取材十分广泛。

本发明的改良剂兼有化学和物理改良的突出特点，其降低膨胀土的膨胀势，提高改良土工程性质的原理主要包括：

(1)静电引力作用：黏土矿物表面存在一定的负电荷，可与土体孔隙液中的阳离子发生静电引力作用，改良剂在水溶液中产生高价阳离子和带正电荷的有机聚合物，吸附至黏土矿物颗粒表面，中和一部分负电荷，并使得扩散层中阳离子浓度增高，扩散层厚度减小，进而减少黏土矿物的膨胀性。

(2)阳离子交换作用：黏土矿物表面的低价阳离子会被改良剂中的高价阳离子如Ca²⁺、Al³⁺等交换，使得黏土矿物颗粒表面的双电层厚度(结合水膜厚度)减小，颗粒间间距降低，促使颗粒聚合成团聚体，降低膨胀土的塑性。

(3)吸水作用：改良剂中的氯化钙组分具有很强的吸水能力，可以快速吸收膨胀土中的水分，改善压实条件，提高改良土的整体稳定性。

(4)胶结作用：改良剂中的木质素组分和粉煤灰组分在孔隙水存在条件下，经过一定龄期的养护后，与黏土矿物发生一系列化学反应，产生具有胶结特性的有机聚合物、胶凝材料，将黏土矿物颗粒包裹、联结起来，并填充颗粒间孔隙，促使膨胀土形成更稳定、致密的微观结构。

(5)颗粒级配：膨胀土中含有较多的黏土矿物颗粒，以蒙脱石为主要代表，颗粒较细，新型改良剂的添加，可以有效增加膨胀土中粉粒和砂粒组分，达到优化土体颗粒级配的效果。

下面通过室内试验来说明本发明提供的膨胀土改良剂具有的改良效果。

室内试验对不同类型土体进行工程性质改良，以粉土、膨胀土为例，使用本发明提供的改良剂对粉土、膨胀土进行改良，对改良后土体的收缩特性、水稳特性、耐久特性和膨胀特性进行评定，探究本发明提供的改良剂对土体工程性质的影响规律。其中，收缩特性通过收缩试验来测定土体的线缩率值；水稳特性通过水稳试验来测定水稳系数；耐久特性通过干湿循环试验来测定土体可承受的干湿循环次数和质量损失率；膨胀特性通过一维膨胀试验测定最终膨胀率。

试验材料

1.粉土

试验用粉土为江苏省阜-建高速公路建湖段的路基土，其主要的物理性质指标和化学成分如表1、表2所示。

表1试验用粉土基本物理性质指标

表2试验用粉土的化学成分组成

化学成分	SiO2	Al2O3	CaO	Fe2O3	K2O	MgO	Na2O	SO3	P2O5	其他	烧失量
												含量/％	63.20	12.53	6.41	3.12	2.46	2.39	2.30	0.18	0.16	7.25	5.81

2.膨胀土

试验用膨胀土来自广西百色市某膨胀土路基建设现场，其主要的物理性质指标和化学成分如表3、表4所示。

表3试验用膨胀土基本物理性质指标

表4试验用膨胀土的化学成分组成

化学成分	SiO2	Al2O3	CaO	Fe2O3	MgO	Na2O	TiO2	其他	烧失量	CEC/(meq/100g)
											含量/％	55.10	19.49	2.69	13.33	3.56	0.21	0.16	5.46	5.45	57.5

3.木质素

试验所用工业副产品木质素来自河南省某造纸厂，该造纸厂植物质的主要来源为硬木类木材(杨木等)。木质素呈黄褐色，粉末状固体，具有一定芳香气味，其中包括约60～80％木质素及其衍生物、少量纤维素、微量水分和其他杂质。pH值为10.2(木质素与蒸馏水质量比1:1)。经毒性检测，该木质素无毒性。

4.电石渣

试验所用电石渣来自湖北省某乙炔制造厂，呈灰白色，含水量较高，在55％～60％之间，需经晾晒后使用。黏粒、粉粒和砂粒含量分别为3.8％、65.4％和30.8％，pH值为12.6(电石渣与蒸馏水质量比1:1)。

5粉煤灰

试验所用粉煤灰来自江苏某发电厂，其中SiO₂和Al₂O₃的质量组成分别为54.12％和30.83％，且CaO含量为3.02％，CaO含量低于10％，根据ASTM C618-15的分类规定，确定该粉煤灰为F类。

试验方案

收缩试验方案：按照质量比分别设计本发明改良剂的掺量为2％，5％，8％，12％和15％，选用传统改良剂生石灰作为对比材料，生石灰的掺量(质量比)与本发明改良剂相同，在室内常温环境下，测定两种改良剂改良粉土试样的尺寸变化，并计算得到线缩率。

水稳试验方案：对养护龄期7天和28天的本发明改良剂改良土进行水稳性能测试，并与石灰改良土进行对比，试样压实度为96％，采用浸水养护1天后试样的无侧限抗压强度与标准养护试样强度的比值，即水稳系数K_r，来评价改良土的水稳性能。

干湿循环试验：养护龄期设定为28天，试验过程参照美国ASTM D4843-88规范进行，泡水过程与水稳试验相同，烘干过程中将烘箱温度设定为30℃并持续48小时，通过测定试样在每次干湿循环过程中的质量变化，获得质量损失率。

一维膨胀率试验：改良剂采用本发明提出的基于工业有机固废的新型改良剂，选用水泥作为对比改良剂，改良剂的掺量(质量比)设计为0.5％，2％，4％和7％。试验过程参考美国ASTM D4546规范进行，对养护7天后的试样进行一维膨胀试验，测定试样在一定竖向压力下，膨胀14天后的一维最终膨胀率。

试验结果与分析

(1)收缩试验

图1是本发明膨胀土改良剂改良粉土与石灰改良粉土的线缩率随改良剂掺量变化图。图1中，横坐标表示改良剂掺量，单位：％；纵坐标表示线缩率e_sL，单位：％。素土经本发明改良剂和石灰改良后，其线缩率显著下降，由1.60％(94％压实度)降低至1.13％(木质素改良粉土)和0.22％(石灰改良粉土)；本发明改良剂改良粉土的线缩率明显高于石灰改良粉土，说明本发明改良剂抑制收缩的能力不及石灰；压实度对土体收缩特性也存在一定影响，94％压实度试样的线缩率高于96％试样。压实度越大，土颗粒间排列的越为紧密，失水变形越困难。

(2)水稳试验

图2是本发明改良剂改良粉土与石灰改良粉土养护28d后水稳系数变化图。图2中，横坐标表示改良剂掺量，单位：％；纵坐标表示水稳系数，单位：1。本发明改良剂改良粉土的水稳系数高于石灰改良粉土，不同石灰掺量改良粉土的水稳系数约为0.4，掺量对其水稳系数影响较小。掺量对本发明改良剂改良粉土水稳系数的影响无明显规律，其中低掺量(2％)和高掺量(15％)条件下的水稳系数较小(低于0.5)，其余掺量之间水稳系数相差不大，整体而言，本发明改良剂和石灰均可提高粉土的水稳性能，本发明改良剂改良粉土的水稳性优于石灰改良粉土。

(3)干湿循环试验

图3是12％掺量石灰改良粉土养护7天和28天后干湿循环中质量损失率的变化。图3中，横坐标表示干湿循环次数，单位：次；纵坐标表示试样的质量损失率，单位：％。12％掺量石灰改良粉土一次干湿循环后，其质量损失率均大于20％，两次循环后，质量损失率高于或接近30％，判定耐久性不符合要求。图4是12％掺量本发明的膨胀土改良剂改良粉土养护7天和28天后干湿循环试验结果。图4中，横坐标表示干湿循环次数，单位：次；纵坐标表示试样的质量损失率，单位：％。图4中可以看出：12％掺量本发明改良粉土试样断裂前可经历的干湿循环次数高于8％掺量石灰改良粉土，7天和28天龄期对应的循环次数为3次和4次，由此说明，本发明改良剂改良粉土的耐久性能明显高于石灰改良粉土。

(4)膨胀率试验

图5是本发明改良剂改良膨胀土与水泥改良膨胀土养护7天后的最终膨胀率随改良剂掺量变化的关系图。图5中，横坐标表示改良剂掺量，单位：％；纵坐标表示最终膨胀率，单位：％。可以看出，未改良膨胀土在相同试验条件下的最终膨胀率约为6％。对于水泥改良土而言，土体最终膨胀率随水泥掺量增加呈线性降低趋势，当水泥掺量为7％时，土体的最终膨胀率将至1％左右；对于加入本发明改良剂的膨胀土而言，土体的最终膨胀率随改良剂掺量的增加呈“先减小，后增大”的变化趋势。基于上述膨胀率试验结果，本发明的基于工业有机固废的膨胀土改良剂，其改良膨胀土的最优掺量约为4％，改良效果比4％水泥掺量的效果略差。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本领域技术人员在阅读了本发明讲授的内容之后，可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种基于工业有机固废的膨胀土改良剂，其特征在于：所述的膨胀土改良剂按照质量百分比，由以下组分组成：

木质素：70％～76％；

氯化钙：12％～15％；

粉煤灰：12％～15％。

2.根据权利要求1所述的基于工业有机固废的膨胀土改良剂，其特征在于：所述的改良剂中木质素、氯化钙和粉煤灰的质量比为5:1:1。

3.根据权利要求1所述的基于工业有机固废的膨胀土改良剂，其特征在于：所述的木质素来源于工业制浆造纸副产品，其中主要成分按质量比组成为：木质素磺酸盐，60％～85％；纤维素，5％～7％；半纤维素，3％～5％；水分，<3％。

4.根据权利要求1所述的基于工业有机固废的膨胀土改良剂，其特征在于：所述的粉煤灰来源于电厂废料，其中氧化钙含量小于或等于10％，属于F类粉煤灰。

5.一种根据权利要求1～4任一项所述的基于工业有机固废的膨胀土改良剂的应用，其特征在于，将2％～5％掺量的膨胀土改良剂通过路基土拌合的方法，均匀混合至膨胀土中，并利用施工机械压实成型，养护至规定龄期。

6.根据权利要求5所述的基于工业有机固废的膨胀土改良剂的应用，其特征在于，膨胀土改良剂的制作包括以下步骤：

S1、将工业制浆造纸副产品进行喷雾干燥，获得含水量低于3％的固体粉末状木质素；

S2、将乙炔制造厂的废弃电石渣晾晒干燥处理至含水量在10％以下，然后将废盐酸与晾晒干燥处理后的废弃电石渣混合加热反应，获得氯化钙；

S3、将步骤S1获得的木质素、步骤S2获得的氯化钙与F级粉煤灰按照设定的质量比混合均匀，得到膨胀土改良剂。