CN107739613A - 一种抗冻胀的土壤复合改良剂 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程材料领域，涉及一种抗冻胀的土壤复合改良剂。所述抗冻胀土壤复合改良剂包括硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、氧化镁、碳酸钙、水泥和细砂。按照质量份计包括：硝酸钠10～30份、碳酸钠60～100份、硫酸钠40～80份、氯化钙50～90份、氧化镁30～50份、碳酸钙200～240份、水泥320～450份和细砂100～150份。本发明的土壤复合改良剂可提高土体抗压强度、密实性，并使土体具有抗渗性、抗冻胀性，达到使寒冷地区的铁路、公路路基不发生冻胀，满足路基平顺性的目的。
Description
技术领域
本发明涉及土壤复合改良剂，尤其涉及一种抗冻胀的土壤复合改良剂。
背景技术
当铁路、公路等构筑物地基或路基所用土体为粉细砂、粉土以及粉质水泥甚至水泥时，由于土体细粒含量过高、颗粒级配不良，往往造成抗压强度不足、含水量过高、冬季易冻胀等，使路基产生不均匀变形，对列车或行驶车辆造成安全隐患。为了解决这一问题，往往需要对此类土壤进行改良，现阶段土壤改良主要是使用水泥、石灰、粉煤灰等传统结合类材料，此类材料可以提高土体的抗压强度、使土体达到设计要求，并且具有良好的经济性。但是对于寒冷地区甚至严寒地区，尤其对于高速铁路，其对路基平顺性要求极高，决定了对土体抗冻胀性能具有更严格的要求，为了防止路基不均匀冻胀以及冻后不均匀沉降，保持路基的整体稳定性，必须将土体冻胀量控制在设计要求以下。而水泥、石灰等此类改良方法改良后土壤冻胀依旧明显，不能达到抗冻胀的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗冻胀的土壤复合改良剂，以解决路基因水分入侵而引起的冻胀变形的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：根据本发明的一个方面，本发明提供的一种抗冻胀的土壤复合改良剂包括硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、氧化镁、碳酸钙、水泥和细砂。
进一步地，按照质量份计包括：硝酸钠10～30份、碳酸钠60～100份、硫酸钠40～80份、氯化钙50～90份、氧化镁30～50份、碳酸钙200～240份、水泥16000～24000份和细砂100～150份。
进一步地，按照质量份计包括：硝酸钠15～25份、碳酸钠70～90份、硫酸钠50～70份、氯化钙60～80份、氧化镁35-45份、碳酸钙210～230份、水泥18000～22000份和细砂120～140份。
进一步地，按照质量份计包括：硝酸钠20份、碳酸钠80份、硫酸钠60份、氯化钙70份、氧化镁40份、碳酸钙220份、水泥20000份和细砂130份。
进一步地，硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、碳酸钙、氧化镁、水泥或细沙的混合物的平均粒度为D50在0.25～0.35mm之间。
进一步地，所述抗冻胀的土壤复合改良剂制备步骤：
制得硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、氯化镁、碳酸钙，碾磨成粉末状，并加入水泥和细砂，搅拌均匀。
进一步地，通过煅烧、活化生石灰、高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石族、菱镁石得到活化产物硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、氯化镁、碳酸钙。
进一步地，活化的过程为将温度升高至340-360℃维持1.5-2.5h；然后继续升温至1200-1300℃，并维持1.5-2.5h。
进一步地，活化过程在高温火化炉中进行。
进一步地，研磨选自球磨、抛光研磨、锯片研磨、平面研磨中的一种。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的土壤复合改良剂可提高土体抗压强度、密实性，并使土体具有抗渗性、抗冻胀性，达到使寒冷地区的铁路、公路路基不发生冻胀，满足路基平顺性的目的；
无需置换原有土壤，就地改良不符合设计要求的土壤，降低了施工成本；
可以改良细砂、粉砂、粉土、粉质水泥、水泥等细粒含量过高的土壤；
提高土体早期强度，从而提高施工效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的设置。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为不同配合比下粉砂的冻胀量与冻融次数的关系；
图2为本发明的抗冻胀的土壤复合改良剂的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图与实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种抗冻胀的土壤复合改良剂，按照质量份计包括：硝酸钠10～30份、碳酸钠60～100份、硫酸钠40～80份、氯化钙50～90份、氧化镁30～50份、碳酸钙200～240份、水泥16000～24000份和细砂100～150份；优选地，硝酸钠15～25份、碳酸钠70～90份、硫酸钠50～70份、氯化钙60～80份、氧化镁35-45份、碳酸钙210～230份、水泥18000～22000份和细砂120～140份；更优选地，硝酸钠20份、碳酸钠80份、硫酸钠60份、氯化钙70份、氧化镁40份、碳酸钙220份、水泥20000份和细砂130份。本发明的土壤复合改良剂可提高土体抗压强度、密实性，并使土体具有抗渗性、抗冻胀性。
下面详细说明一下本发明所用各种组分的作用机理。
硝酸钠与土壤中的无机盐类发生复分解作用，起到氧化作用。
碳酸钠能和土中氢氧化钙等碱发生复分解反应，生成沉淀和氢氧化钠；碳酸钠能和土中钙盐、钡盐等发生复分解反应，生成沉淀。
硫酸钠可更快地生成水泥水化产物，从而加快了水泥的水化硬化速度。
氯化钙水溶液能加速水泥的硬化和增加水泥类砂浆的耐寒能力，具有防冻作用。
碳酸钙与土中凝胶有很好的亲和性，可以加速凝胶的交联反应，增强土体稳定性。
氧化镁与土中矿物质混合发生凝胶硬化作用。
水泥提供多种活性矿物质。
细砂提供骨架附着作用。
抗冻胀的土壤复合改良剂通过以下三种反应发挥作用：
首先加速土中水泥颗粒的水化，并使水泥趋近于完全水化
水泥中添加抗冻胀的土壤复合改良剂后，产生电解质，这样弱化了水分子之间的张力，使得水泥颗粒加速破裂，增加了水泥的比表面积，从而可以加快水泥水化，并最终使水泥完全水化，同时大量的水泥浆体的形成增加了土体密实度。
其次加速土中金属成分的氧化反应
抗冻胀的土壤复合改良剂能与水泥中或土壤中所含的金属元素产生氧化反应，所产生电解质的浓度将随氧化作用的进行而增大。电解质溶液浓度越高，土壤中的金属元素氧化越快，土体的固化效果越好。
最后使土壤中拌合土体胶质化
水泥颗粒完全水化生成高浓度的水泥浆体后作用于土颗粒，随着时间的流逝，在土体中形成大量化学惰性大且塑性强度较高的胶体成分与结晶水化物，这些胶体成分与结晶水化物既作为地层或土体中孔隙、裂隙、孔洞的充填物，又作为土颗粒的胶结物。
下面通过具体的实施例来阐述本发明，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。(份数为质量份)
实施例1
将生石灰、高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石族、菱镁石煅烧得到硝酸钠10份、碳酸钠100份、硫酸钠40份、氯化钙90份、氧化镁30份、碳酸钙240份；再加入水泥16000份和细砂150份；并充分搅拌均匀得到土壤复合改良剂；
之后加入土壤550000份，并通过改良土搅拌站搅拌均匀；搅拌过程中按照土壤的最优含水量撒水，搅拌均匀；
通过车辆运输到填筑现场，用平整机理平路面，并用压路机压实；
最后覆盖两布一膜并撒水养护。
实施例2
将生石灰、高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石族、菱镁石煅烧得到硝酸钠30份、碳酸钠60份、硫酸钠80份、氯化钙50份、氧化镁50份、碳酸钙200份；再加入水泥24000份和细砂100份；并充分搅拌均匀得到土壤复合改良剂；
之后加入水(其中水与土壤复合改良剂的质量比为3:5)，充分搅拌均匀；
通过压力注浆的方式注入到铁路或公路路基中。
实施例3
制得硝酸钠15份、碳酸钠90份、硫酸钠50份、氯化钙80份、氧化镁35份、碳酸钙230份，加入水泥19000份和细砂125份；充分搅拌均匀，在高温火化炉中活化，340℃维持1.5h，升温至1200℃维持1.5h得到土壤复合改良剂；
之后加入水(其中水与土壤复合改良剂的质量比为3:5)，充分搅拌均匀；
通过压力注浆的方式注入到铁路或公路路基中。
实施例4
制得硝酸钠25份、碳酸钠70份、硫酸钠70份、氯化钙60份、氧化镁45份、碳酸钙210份、水泥20000份和细砂130份；充分搅拌均匀，在高温火化炉中活化，350℃维持2h，升温至1250℃维持2h得到土壤复合改良剂；
之后加入水(其中水与土壤复合改良剂的质量比为3:5)，充分搅拌均匀；
通过压力注浆的方式注入到铁路或公路路基中。
实施例5
将生石灰、高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石族、菱镁石煅烧得到硝酸钠20份、碳酸钠80份、硫酸钠60份、氯化钙70份、氧化镁40份、碳酸钙220份，加入水泥20000份和细砂130份；充分搅拌均匀，在高温火化炉中活化，360℃维持2.5h，升温至1300℃维持2.5h得到土壤复合改良剂；
之后加入土壤500000份，并通过改良土搅拌站搅拌均匀；搅拌过程中按照土壤的最优含水量撒水，搅拌均匀；
通过车辆运输到填筑现场，用平整机理平路面，并用压路机压实；
最后覆盖两布一膜并撒水养护。
实施例6
将生石灰、高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石族、菱镁石煅烧得到硝酸钠12份、碳酸钠65份、硫酸钠45份、氯化钙55份、氧化镁33份、碳酸钙205份，加入水泥20000份和细砂130份；充分搅拌均匀，在高温火化炉中活化，360℃维持2.5h，升温至1300℃维持2.5h得到土壤复合改良剂；
之后加入土壤400000份，并通过改良土搅拌站搅拌均匀；搅拌过程中按照土壤的最优含水量撒水，搅拌均匀；
通过车辆运输到填筑现场，用平整机理平路面，并用压路机压实；
最后覆盖两布一膜并撒水养护。
实施例7
将生石灰、高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石族、菱镁石煅烧得到硝酸钠28份、碳酸钠95份、硫酸钠75份、氯化钙85份、氧化镁48份、碳酸钙235份；再加入水泥16000份和细砂150份；并充分搅拌均匀得到土壤复合改良剂；
之后加入土壤200000份，并通过改良土搅拌站搅拌均匀；搅拌过程中按照土壤的最优含水量撒水，搅拌均匀；
通过车辆运输到填筑现场，用平整机理平路面，并用压路机压实；
最后覆盖两布一膜并撒水养护。
检测结果：
各检测项目的检验方法：
无侧限抗压强度：按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102-2010)中的相关规定检测。
渗透系数：按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102-2010)中的相关规定检测。
冻胀试验：
试验所用的土壤为粉质水泥，细粒含量为63.53％，液限WL＝31.66％，塑形指数Ip＝12.75，属于低液限粉质粘土。
制样前，按最优含水量加蒸馏水拌匀浸润一昼夜，以使土样中水分均匀分布。在试样筒壁上均匀涂抹一薄层凡士林，然后将有机玻璃圆筒和其配套底板组装好，并称量试件筒质量。待制样前，将水泥和改良剂按照比例混合搅拌均匀形成复合改良剂，并向土中加入所需的复合改良剂并搅拌均匀进行制样，按其最大干密度95％的控制压实度，计算出所需的土量。击实前在试样筒的底端放一张滤纸。将称量好的土料分5层装入有机玻璃圆筒内，每层击实到相应刻度，并控制土样总高度为150mm。试样高度H＝150mm直径D＝150mm，制样时间不应超过水泥的初凝时间，需在1h内完成。制样完成后，称量总体质量并记录，用薄膜包敷后放入恒温恒湿箱中进行养生，养生期7d。
本试验采用封闭系统，冻胀不进行补水，但是在冻胀试验前，将冻胀试件充分浸水饱和24h，然后将两个试件取出，放在台架上空置24h，以模拟实际降水后土体中所持有的水分和发生冻胀的前提条件。
在低温室内把制好的试样放在试验底座下,然后把温度传感器有机玻璃筒边上的小孔插入土体中，然后用泡沫保温护套包裹试样筒，以减少试样在冻结过程中温度的散失。在试样的顶面放一张滤纸，然后将低温冷浴端头放在试样筒的顶端，确定与试样顶面滤纸完全贴合，并在冷浴端头上面安装好位移传感器和位移计。开启压缩机，在电脑终端设置降温速率，将试样筒所在的空间(也就是恒温室)温度设置为1℃，并维持6h，使试件整体温度达到恒温以后，然后以0.33℃/h的速率降低温度，使试样自上而下冻结，然后继续降低到-25℃，整个过程中通过计算机自动采集温度和土样变形。
融化后，将试件筒放水中再次浸水饱和24h，然后取出称量总质量并计算含水量；放在台架上空置24h，然后称量总质量并计算含水量，得到试件持水率。然后依次进行第二到第六次冻胀试验。
冻胀试验的实验结果如下表1和图1所示：
表1不同配合比下粉砂的冻胀量(单位：mm)
图1为不同配合比下粉砂的冻胀量与冻融次数的关系；由图可知，整个6次饱和冻融循环中，掺加复合改良剂的试件冻胀量一直处于较低的状态，冻胀量微小，说明复合改良剂可以降低填料的冻胀量，防止冻胀产生。
表2实施例1-5各检测项目的检测结果
抗冻胀的土壤改良剂和水泥发生反应，使土壤中的成分发生溶解、结晶、吸收、扩散、再结晶的链式化学反应，再在机械荷载的作用下，改变了土体机构，破坏了毛细管，使普通土体改良成致密、均匀、高强度、耐久性、抗渗性、抗冻胀的优质改良土。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，包括硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、氧化镁、碳酸钙、水泥和细砂。
2.根据权利要求1所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，按照质量份计包括：硝酸钠10～30份、碳酸钠60～100份、硫酸钠40～80份、氯化钙50～90份、氧化镁30～50份、碳酸钙200～240份、水泥16000～24000份和细砂100～150份。
3.根据权利要求2所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，按照质量份计包括：硝酸钠15～25份、碳酸钠70～90份、硫酸钠50～70份、氯化钙60～80份、氧化镁35-45份、碳酸钙210～230份、水泥18000～22000份和细砂120～140份。
4.根据权利要求3所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，按照质量份计包括：硝酸钠20份、碳酸钠80份、硫酸钠60份、氯化钙70份、氧化镁40份、碳酸钙220份、水泥20000份和细砂130份。
5.根据权利要求4所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、碳酸钙、氧化镁、水泥或细沙的混合物的平均粒度D50为0.25～0.35mm。
6.根据权利要求1-5中任一所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，所述抗冻胀的土壤复合改良剂制备步骤：
制得硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、氯化镁、碳酸钙，碾磨成粉末状，并加入水泥和细砂，搅拌均匀。
7.根据权利要求6所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，通过煅烧、活化生石灰、高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石族、菱镁石得到硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、氯化镁、碳酸钙。
8.根据权利要求6所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，活化的过程为将温度升高至340-360℃维持1.5-2.5h；然后继续升温至1200-1300℃，并维持1.5-2.5h。
9.根据权利要求6所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，活化过程在高温火化炉中进行。
10.根据权利要求6所述的抗冻胀的土壤复合改良剂，其特征在于，研磨选自球磨、抛光研磨、锯片研磨、平面研磨中的一种。
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