CN107686323A - 一种木质素纤维土壤固化剂路基加固方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩土工程领域，公开了一种木质素纤维土壤固化剂路基加固方法。具体地，本发明涉及一种土壤加固组合物，含有该土壤加固组合物的改良土，所述土壤加固组合物和/或所述改良土在土体改良中的应用，以及一种土体改良的方法。具体地，本发明提供的土壤加固组合物含有固化组分、增强组分和木质素纤维，其中，所述固化组分为水泥、矿渣和石灰中的至少一种和可选的石膏；所述增强组分为水玻璃和/或硅灰。将本发明提供的土壤固化组合物应用于土体改良中，可以明显提高土体的抗压强度、抗裂性和水稳定性。

Description

一种木质素纤维土壤固化剂路基加固方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，具体地，涉及一种土壤加固组合物，含有该土壤加固组合物的改良土，所述土壤加固组合物和/或所述改良土在土体改良中的应用，以及一种土体改良的方法。
背景技术
土作为铁路工程、公路工程与水利工程等领域的重要组成部分，其工程性能的好坏直接影响铁路工程、公路工程、水利工程等的质量安全，因此有必要采取适当的措施对土体进行改良，特别是提高土体的抗压强度、抗裂性和水稳定性。
目前，通常采用土壤固化剂对土体进行改良。土壤固化剂与土料混合搅拌，土壤固化剂与土颗粒发生水解与水化反应，形成胶凝物，土颗粒间粘结力和土颗粒表面作用力增强，土体更加密实，提高了土体强度和水稳定性，增加承载力，降低养护维修成本，延长路基的使用寿命，有效提高与改善土体性能，是一种复合型土工加固材料，对土体的物理与化学性质进行有效与快捷地改善，以满足工程项目建设需求。土壤固化剂加固技术历史悠长，国外早在古希腊时期，就借助石灰增强软土的承载力来修筑道路。20世纪30-40年代，土壤固化剂加固技术在前人成果基础上进行了深入的研究，现已被广泛应用于铁路工程、公路工程与水利工程等领域，加固效果良好。
然而，随着经济不断发展，工程建设基础越加复杂，施工中遇到土体加固问题越来越多也越加复杂，传统加固材料如石灰、水泥与粉煤灰等单一土壤固化剂加固由于易出现干缩裂缝等问题，已经不能满足复杂工程的建设要求。因此，目前急需寻找一种兼具良好的抗压强度、抗裂性和水稳定性的土体改良方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的上述缺陷，提供了一种土壤加固组合物，含有该土壤加固组合物的改良土，所述土壤加固组合物和/或所述改良土在土体改良中的应用，以及一种土体改良的方法。将本发明提供的土壤加固组合物应用于土体改良中，可以明显提高土体的抗压强度、抗裂性和水稳定性。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种土壤加固组合物，该土壤加固组合物含有固化组分、增强组分和木质素纤维，其中，所述固化组分为水泥、矿渣和石灰中的至少一种和可选的石膏；所述增强组分为水玻璃和/或硅灰。
第二方面，本发明还提供了一种改良土，该改良土含有工程用土、土壤加固组合物和水，其中，所述土壤加固组合物为上述土壤加固组合物。
第三方面，本发明还提供了上述土壤加固组合物和/或上述改良土在土体改良中的应用。
第四方面，本发明还提供了一种土体改良的方法，该方法包括：将工程用土样品、土壤加固组合物和水混合，所述土壤加固组合物为上述土壤加固组合物。
本发明将特定的固化组分(如水泥、矿渣、石灰和石膏)的土壤加固组合物和木质素纤维配合使用，其中，由于木质素纤维的微观结构表现为带状弯曲、凹凸不平、多孔状、交叉处呈现扁平，具有良好的分散性、韧性与化学稳定性，较强的吸水能力，保湿性、增稠抗裂性与结构粘性好，良好抗腐蚀性和抗冻融能力，因此，将其与特定的固化组分(如水泥、矿渣、石灰和石膏)配合使用，特别是在引入特定的增强组分(如水玻璃和/或硅灰)的情况下，可以明显提高土体的抗压强度、抗裂性、耐久性和水稳定性，且价格低廉，具有良好的应用前景。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
第一方面，本发明提供了一种土壤加固组合物，该土壤加固组合物含有固化组分、增强组分和木质素纤维，其中，所述固化组分为水泥、矿渣和石灰中的至少一种和可选的石膏；所述增强组分为水玻璃和/或硅灰。
根据本发明，以干基计，相对于100重量份的所述固化组分，相对于100重量份的所述固化组分，所述增强组分的含量为20-40重量份，所述木质素纤维的含量为15-155重量份。
优选地，以干基计，相对于100重量份的所述固化组分，所述增强组分的含量为28-37重量份，所述木质素纤维的含量为15-25重量份。
在本发明中，为了获得更好的固化效果，所述固化组分的粒径为200-600μm，优选为200-450μm。
在本发明中，所述增强成分的粒径为0.1-1μm，优选为0.1-0.8μm。另外，当所述增强成分优选为硅灰时，所述增强成分的粒径为0.1-0.5μm，优选为0.1-0.2μm。
在本发明中，所述木质素纤维呈絮状，长度≤6mm，灰分的含量为13-23重量％。并且，本发明对所述木质素纤维的来源没有特别的限定，例如，可以通过常规的商购手段获得。
根据本发明，所述土壤加固组合物还可以含有添加剂和减水剂；所述添加剂为氯化物、硫酸盐和三乙醇胺中的至少一种；优选地，所述添加剂为氯化物、硫酸盐和三乙醇胺。
在本发明中，对所述减水剂的种类没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，例如，所述减水剂可以为聚羧酸减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、萘系减水剂和木质素磺酸钙中的至少一种，优选为聚羧酸减水剂。另外，本发明对所述减水剂的来源也没有特别的限定，例如，可以通过常规的商购获得。
在本发明中，以干基计，相对于100重量份的所述固化组分，所述添加剂的含量可以为15-25重量份，所述减水剂的含量可以为2-5重量份。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述土壤加固组合物含有组分A和木质素纤维，以干基计，相对于100重量份的所述组分A，木质素纤维的含量为4-96重量份；其中，所述组分A含有以下原料：水泥5-20重量份、矿渣30-50重量份、石灰5-15重量份、石膏0-20重量份、水玻璃5-20重量份、硅灰5-20重量份、氯化物0-5重量份、硫酸盐0-15重量份、三乙醇胺0-10重量份和减水剂0-5重量份。
在优选的情况下，以干基计，相对于100重量份的所述组分A，木质素纤维的含量为4-15重量份。
更优选地，所述组分A含有以下原料：水泥15-20重量份、矿渣35-40重量份、石灰8-12重量份、石膏5-10重量份、水玻璃8-15重量份、硅灰10-15重量份、氯化物2-4重量份、硫酸盐5-10重量份、三乙醇胺3-6重量份和减水剂2-3重量份。
根据本发明，对所述水泥的种类没有特别的限定，可以为本领域的常规选择，例如，所述水泥可以为硅酸盐水泥，优选为PO42.5普通硅酸盐水泥和/或P.II 52.5硅酸盐水泥。在优选的情况下，所述水泥的粒径为250-450μm。另外，对所述水泥的来源也没有特别的限定，可以通过常规的商购获得。
在本发明中，所述矿渣的含义为本领域技术人员所熟知，例如，所述矿渣可以为矿石经过选矿或冶炼后的残余物。优选地，所述矿渣的粒径为200-350μm。另外，对所述矿渣的来源也没有特别的限定，可以通过常规的商购获得。
在本发明中，所述石灰的含义为本领域技术人员所熟知，例如，所述石灰可以为以氧化钙为主要成分的气硬性无机胶凝材料。优选地，所述石灰的粒径为200-400μm。另外，对所述石灰的来源也没有特别的限定，可以通过常规的商购获得。
在本发明中，所述石膏的含义为本领域技术人员所熟知，例如，所述石膏可以为主要化学成分为硫酸钙的水合物。优选地，所述石膏的粒径为250-450μm。另外，对所述石膏的来源也没有特别的限定，可以通过常规的商购获得。
在本发明中，所述水玻璃的含义为本领域技术人员所熟知，例如，所述水玻璃可以为水溶性硅酸盐。优选地，所述水玻璃的模数为2.5-3.5，优选为2.8-3.4。
在本发明中，所述硅灰的含义为本领域技术人员所熟知，其主要成分为二氧化硅，其中还可以含有氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁等杂质。优选地，所述硅灰的粒径为0.1-0.55μm，更优选为0.1-0.15μm。另外，对所述硅灰的来源也没有特别的限定，可以通过常规的商购获得。
在本发明中，所述氯化物可以为氯化钙和/或氯化铝。
在本发明中，所述硫酸盐可以为硫酸钠和/或硫酸钙。
第二方面，本发明还提供了一种改良土，该改良土含有工程用土、土壤加固组合物和水，其中，所述土壤加固组合物为上述土壤加固组合物。
在本发明中，对所述工程用土的种类没有特别的限定，可以为本领域的各类土质，特别在筑路工程和/或水利工程中使用的土。
在本发明中，以干基计，相对于100重量份的工程用土，所述木质素纤维的含量为0.05-8重量份，优选为0.1-5重量份，更优选为0.2-1重量份。
在本发明中，所述水的含量可以根据使用工程用土的最优含水量进行设置，例如，所述水的含量可以为所述工程用土的最优含水量的95-105％，优选为所述工程用土的最优含水量的100-103％。在本发明中，所述土壤的最优含水量根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行测定。
第三方面，本发明还提供了上述土壤加固组合物和/或改良土在土体改良中的应用，特别是在筑路工程和/或水利工程的土体改良中的应用。
第四方面，本发明还提供了一种土体改良的方法，该方法包括：将工程用土样品、土壤加固组合物和水混合，所述土壤加固组合物为上述土壤加固组合物。优选地，以干基计，相对于100重量份的工程用土样品，所述木质素纤维的用量为0.05-8重量份，优选为0.1-5重量份，更优选为0.2-1重量份。
在本发明的土体改良的方法中，所述水的用量可以根据使用工程用土的最优含水量进行设置，例如，所述水的用量可以为所述工程用土的最优含水量的95-105％，优选为所述工程用土的最优含水量的100-103％。
在本发明中，对所述混合的方式没有特别的限定，只要可以将各原料混合均匀即可。在优选的情况下，所述混合采用搅拌的方式，所述混合的时间为0.2-2h。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述方法包括以下步骤：
(1)将工程用土样品、固化组分、增强组分、可选的添加剂、可选的减水剂和水混合；
(2)将由步骤(1)得到的混合料与木质素纤维混合。
其中，各原料的用量以及固化组分、增强组分、添加剂和减水剂的组成均如上所述，在此不再赘述。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例和对比例中，
PO42.5普通硅酸盐水泥购自葛洲坝石门特种水泥有限公司，品牌为三峡，型号为PO42.5；
P.II 52.5硅酸盐水泥购自葛洲坝石门特种水泥有限公司，品牌为三峡，型号为PO42.5；
矿渣购自灵寿县鸿泰建筑材料有限公司，型号为300；
石灰购自都江堰市炽坪建材厂，型号为CPJC-YHG001，粒径为200μm；
石膏购自四川美丽居建材有限公司，型号为特种石膏粉；
水玻璃购自广州穗欣化工有限公司，型号为钠水玻璃，模数为3.1-3.4；
硅灰购自山东博肯硅材料有限公司，品名为赛普森95微硅粉，粒径为0.1-0.15μm；
聚羧酸减水剂购自山东博肯硅材料有限公司，型号为GT101；
木质素纤维购自南京派尼尔科技实业有限公司，品牌为派尼尔，型号为RF-3B，长度≤6mm，灰分的含量为18±5重量％；
其余的原料均通过常规的商购获得。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的改良土及其制备方法。
称取18g P.II 52.5硅酸盐水泥、37g矿渣、10g石灰、8g石膏、12g水玻璃、12g硅灰、3g氯化钙、8g硫酸钙、5g三乙醇胺和2g聚羧酸减水剂，将其置于搅拌机中于室温(25℃)下搅拌0.3h，得到混合料。
称取100g土料(干重，取自内蒙古鄂尔多斯市巴准重载铁路地区，下同)、6g上述混合料、0.75g木质素纤维和87.4mL水，置于搅拌机中于室温(25℃)下搅拌0.4h，得到改良土T1。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的改良土及其制备方法。
称取20g PO42.5普通硅酸盐水泥、40g矿渣、12g石灰、10g石膏、15g水玻璃、15g硅灰、4g氯化铝、10g硫酸钠、6g三乙醇胺、3g聚羧酸减水剂，将其置于搅拌机中于室温(25℃)下搅拌0.3h，得到混合料。
称取100g土料(干重)、8g上述混合料、1g木质素纤维和87.4mL水，置于搅拌机中于室温(25℃)下搅拌0.4h，得到改良土T2。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的改良土及其制备方法。
称取15g P.II 52.5硅酸盐水泥、35g矿渣、8g石灰、5g石膏、8g水玻璃、10g硅灰、2g氯化钙、5g硫酸钙、3g三乙醇胺、3g聚羧酸减水剂，将其置于搅拌机中于室温(25℃)下搅拌0.3h，得到混合料。
称取100g土料(干重)、5g上述混合料、0.2g木质素纤维和87.4mL水，置于搅拌机中于室温(25℃)下搅拌0.4h，得到改良土T3。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的改良土及其制备方法。
按照实施例1的方法进行，所不同的是，木质素纤维的加入量为5.75g，得到改良土T4。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的改良土及其制备方法。
按照实施例1的方法进行，所不同的是，未加入石膏，得到改良土T5。
实施例6
本实施例用于说明本发明提供的改良土及其制备方法。
称取18g P.II 52.5硅酸盐水泥、37g矿渣、10g石灰、8g石膏、12g水玻璃、12g硅灰、3g氯化钙、8g硫酸钙、5g三乙醇胺和2g聚羧酸减水剂，将其置于搅拌机中于室温(25℃)下搅拌0.3h，得到混合料。
称取100g土料(干重)、6g上述混合料和87.4mL水，置于搅拌机中于室温(25℃)下搅拌0.2h，再加入0.75g木质素纤维，继续混合0.2h，得到改良土T6。
对比例1
按照实施例1的方法进行，所不同的是，未加入木质素纤维，得到改良土DT1。
对比例2
按照实施例1的方法进行，所不同的是，未加入水玻璃和硅灰，得到改良土DT2。
测试例1-7
本测试例用于说明本发明提供的改良土的效果。
按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)分别测定实施例1-6和对比例1-2得到的改良土的7天无侧限抗压强度(MPa)、7天的干缩应变值(×106)和7天浸水吸水率(％)。结果如表1所示。
表1
通过将实施例1-6与对比例1-2的结果相比较可知，将本发明提供的土壤加固组合物应用于土体改良中，可以明显提高土体的抗压强度、抗裂性和水稳定性。
特别是在本发明优选的实施方式中，将特定的固化组分(如水泥、矿渣、石灰和石膏)、增强组分(如水玻璃和/或硅灰)和木质素纤维配合使用，其中，由于木质素纤维的微观结构表现为带状弯曲、凹凸不平、多孔状、交叉处呈现扁平，具有良好的分散性、韧性与化学稳定性，较强的吸水能力，保湿性、增稠抗裂性与结构粘性好，还具有良好抗腐蚀性和抗冻融能力，因此，将其与特定的固化组分(如水泥、矿渣、石灰和石膏)配合使用，特别是在引入特定的增强组分(如水玻璃和/或硅灰)的情况下，可以明显提高土体的抗压强度、抗裂性、耐久性和水稳定性，且价格低廉，具有良好的应用前景。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变形，这些简单变形均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种土壤加固组合物，其特征在于，该土壤加固组合物含有固化组分、增强组分和木质素纤维，其中，所述固化组分为水泥、矿渣和石灰中的至少一种和可选的石膏；所述增强组分为水玻璃和/或硅灰。
2.根据权利要求1所述的土壤加固组合物，其中，以干基计，相对于100重量份的所述固化组分，所述增强组分的含量为20-40重量份，所述木质素纤维的含量为15-155重量份；
优选地，以干基计，相对于100重量份的所述固化组分，所述增强组分的含量为28-37重量份，所述木质素纤维的含量为15-25重量份；
优选地，所述固化组分的粒径为200-600μm，优选为200-450μm；
优选地，所述增强成分的粒径为0.1-1μm，优选为0.1-0.8μm；
优选地，所述木质素纤维呈絮状，长度≤6mm，灰分的含量为13-23重量％。
3.根据权利要求1或2所述的土壤加固组合物，其中，所述土壤加固组合物还含有添加剂和减水剂；
优选地，所述添加剂为氯化物、硫酸盐和三乙醇胺中的至少一种；
优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂、三聚氰胺系高效减水剂、萘系减水剂和木质素磺酸钙中的至少一种；
优选地，以干基计，相对于100重量份的所述固化组分，所述添加剂的含量为15-25重量份，所述减水剂的含量为2-5重量份。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的土壤加固组合物，其中，所述土壤加固组合物含有组分A和木质素纤维，以干基计，相对于100重量份的所述组分A，木质素纤维的含量为4-96重量份；
其中，所述组分A含有以下原料：水泥5-20重量份、矿渣30-50重量份、石灰5-15重量份、石膏0-20重量份、水玻璃5-20重量份、硅灰5-20重量份、氯化物0-5重量份、硫酸盐0-15重量份、三乙醇胺0-10重量份和减水剂0-5重量份。
5.根据权利要求4所述的土壤加固组合物，其中，以干基计，相对于100重量份的所述组分A，木质素纤维的含量为4-15重量份；
优选地，所述组分A含有以下原料：水泥15-20重量份、矿渣35-40重量份、石灰8-12重量份、石膏5-10重量份、水玻璃8-15重量份、硅灰10-15重量份、氯化物2-4重量份、硫酸盐5-10重量份、三乙醇胺3-6重量份和减水剂2-3重量份。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的土壤加固组合物，其中，所述水泥为硅酸盐水泥；
优选地，所述水玻璃的模数为2.5-3.5，优选为2.8-3.4；
优选地，所述氯化物为氯化钙和/或氯化铝；
优选地，所述硫酸盐为硫酸钠和/或硫酸钙。
7.一种改良土，其特征在于，该改良土含有工程用土、土壤加固组合物和水，其中，所述土壤加固组合物为权利要求1-6中任意一项所述的土壤加固组合物；
优选地，以干基计，相对于100重量份的工程用土，所述木质素纤维的含量为0.05-8重量份，优选为0.1-5重量份，更优选为0.2-1重量份。
8.权利要求1-6中任意一项所述的土壤加固组合物和/或权利要求7所述的改良土在土体改良中的应用，特别是在筑路工程和/或水利工程的土体改良中的应用。
9.一种土体改良的方法，其特征在于，该方法包括：将工程用土样品、土壤加固组合物和水混合，所述土壤加固组合物为权利要求1-6中任意一项所述的土壤加固组合物；
优选地，以干基计，相对于100重量份的工程用土样品，所述木质素纤维的用量为0.05-8重量份，优选为0.1-5重量份，更优选为0.2-1重量份。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
(1)将工程用土样品、固化组分、增强组分、可选的添加剂、可选的减水剂和水混合；
(2)将由步骤(1)得到的混合料与木质素纤维混合。
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