CN108385662A - 一种利用硅灰改良膨胀土性质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用硅灰改良膨胀土性质的方法，利用硅灰改良膨胀土，实现了硅灰的资源化利用，可以代替或部分代替传统的膨胀土改良剂石灰和水泥的使用，减少了生产水泥和石灰过程中温室气体的排放，符合可持续发展的观念。本发明给出了硅灰作为膨胀土改良剂的最佳质量掺比，采用3%掺量的硅灰处理膨胀土后，膨胀土的胀缩性有明显的降低，且改良后的膨胀土在经历干湿循环过程中保持较好的水稳性，表面无脱落现象，改良后的膨胀土满足工程填料要求。

Description

一种利用硅灰改良膨胀土性质的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别是一种利用硅灰改良膨胀土性质的方法。

背景技术

膨胀土是自然地质过程中形成的一种具有多裂隙、显著膨胀性的特殊性黏土。膨胀土的成分主要由强亲水性蒙脱石和伊利石等组成，在反复干湿过程中，使得膨胀土的结构迅速崩解，强度发生迅速减小。鉴于膨胀土不利的工程特性，因此需要采用改良剂来降低土体的胀缩性。但目前工程中主要采用石灰和水泥改良膨胀土，作为改良剂的石灰和水泥需要生产，生产过程中会造成大量温室气体的排放，对环境造成了严重的负担，而且在施工过程中石灰的使用也会对周围环境和地下水造成污染。所以，本发明的目的在于利用对环境友好，且无需额外生产的改良剂对膨胀土进行性质改良。

硅灰是冶炼金属硅和硅铁时从烟尘中所收集的粉末状材料，属工业废料。目前硅灰主要用于制备高强度混凝土、砂浆及防火材料等。故本发明向采用硅灰对膨胀土进行改良，硅灰的使用不仅是对废料的合理化利用，更加体现了绿色环保的可持续发展理念。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用硅灰作改良剂对膨胀土的性质进行改良的方法，硅灰在掺入膨胀土后由于其巨大的比表面积，其表面带有大量的官能团，可与黏土表面发生反应而产生吸附，从而减小膨胀土的吸水作用，降低了膨胀土吸水膨胀的膨胀势。

本发明所述一种利用硅灰改良膨胀土性质的方法，包括以下步骤：

(1)，取一定量的待改良膨胀土样与硅灰混合均匀，获得混合土样，其中所述硅灰占待改良膨胀土样质量的3％；

(2)，取步骤(1)得到的混合土样烘干后过0.5mm筛，取筛下土400g，根据《土工试验方法标准》中所述方法测定该混合土样的液限、塑限；

液限、塑限的测定方法为：

先预估混合土样的液限、塑限，按照接近液限、塑限及二者中间值加水拌合，采用液塑限联合测定仪。

(3)，将步骤(2)中所述混合土样以塑限为中间值，在中间值左右侧各取两个含水率，制备五个含水率的混合土样，要求各含水率之间相差在2％～3％之间；并置于恒温恒湿条件下进行焖料24小时，使其含水率均匀；按照《土工试验方法标准》中轻型击实试验方法确定该混合土样的最优含水率及最大干密度；

(4)，将膨胀土和硅灰在拌合站均匀拌合成混合土后，摊铺在施工现场，结合机械和辅助人工整平，整平厚度在25～30cm；

(5)，测定步骤(4)中经整平的混合土含水率接近步骤(3)中最优含水率时，按照施工要求的压实度使用压路机进行碾压，并检测填土层的压实度；

(6)，碾压整平后，重复步骤(4)、(5)进行下一层的摊铺。

本发明所述硅灰的化学成分为：SiO₂≥90％、Al₂O₃≤1.7％、Fe₂O₃≤1.2％、MgO≤0.3％、CaO≤0.2％，硅灰的平均粒径为0.5～1μm。

硅灰膨胀土改良剂是一种超细粒径的粉末状材料，具有较大比表面积且活性很高的火山灰物质。当膨胀土与硅灰拌合后，由于硅灰其巨大的比表面积，遇水后易形成偏硅酸(H₂SiO₃)，从而形成胶体团粒。胶体团粒附带的H⁺被粘粒表面所带的负电荷吸引，使团粒包围在粘粒周围，改善了粘土颗粒之间的粘接作用，使粘土颗粒之间的结合力增加，从而减少了粘粒的吸水作用，增强了土体的水稳性。也由于其颗粒粒径极小能有效的填充膨胀土的孔隙，从而使土粒之间联结更加紧密从而降低土体的渗透性。

本发明所述步骤(3)与步骤(4)之间还可以包括：

步骤(3.1)，根据步骤(3)所得的击实试验结果，在压实度96％的条件下，测得混合土样的物理力学性质指标。

前述物理力学性质指标包括自由膨胀率、无侧线抗压强度、四次干湿循环粘聚力、四次干湿循环内摩擦角和线膨胀率。

本发明的技术效果：

本发利用硅灰改良膨胀土，实现了硅灰的资源化利用，可以代替或部分代替传统的膨胀土改良剂石灰和水泥的使用，减少了生产水泥和石灰过程中温室气体的排放，符合可持续发展的观念。

本发明给出了硅灰作为膨胀土改良剂的最佳质量掺比，采用3％掺量的硅灰处理膨胀土后，膨胀土的胀缩性有明显的降低，且改良后的膨胀土在经历干湿循环过程中保持较好的水稳性，表面无脱落现象，改良后的膨胀土满足工程填料要求。

本发明所用硅灰是冶炼金属硅和硅铁矿时产生粉末状材料，其重要成分是SiO₂，属于无毒环保型材料，不会对环境造成污染；本发明所用硅灰属于工业废弃料，采用硅灰改良膨胀土作为道路、边坡土体回填，实现废弃资源的再回收利用。

具体实施方式

本实施例中膨胀土取自秦淮东河河道边坡，按照《土工试验方法标准》(GB/T50123‐1999)，测的膨胀土的天然干密度为1.58g/m³，自由膨胀率为55％，最优含水率为19.2％，塑限为23.2％，液限为51.6，塑性指数为28％，线膨胀率为12％，无侧线抗压强度为133.2kPa，四次干湿循环粘聚力为3.2kPa、四次干湿循环内摩擦角为4.8°，如表1中所示。

利用硅灰改良膨胀土性质的方法包括以下步骤：

(1)取100kg的待改良膨胀土，测定其初始含水率为24.5％，自然风干至10％含水率以下后，碾碎，并过5mm筛，再次测定其含水率为8.6％；

(2)取步骤(1)得到的膨胀土三份各10kg，计算干土重为9.2kg，分别秤取膨胀土重的2％、3％、5％的硅灰，分别为0.184kg、0.876kg、0.46kg的硅灰与前述三份膨胀土进行拌合，获得三份混合土；

(3)将步骤(2)得到的混合土烘干后过0.5mm筛，各取筛下土约400g，根据《土工试验方法标准》(GB/T50123‐1999)采用液塑限联合测定仪测定得到三份混合土的液限、塑限；

液限、塑限的测定方法：

预估前述三份混合土的液限、塑限，按照接近液限、塑限及液、塑限中间值加水拌合，其中2％掺量的混合土拌合含水率分别为23％、28％和40％，3％掺量的混合土拌合含水率分别为23％、28％和40％，5％掺量的混合土拌合含水率分别为23％、28％和40％，三个含水率的混合土样的圆锥锥入土中深度宜为3～4mm、7～9mm、15～17mm，采用液塑限联合测定仪，结果如表1所示；

(4)将步骤(3)中所述三种混合土分别以各自塑限W_P‐2％为中间值，即分别为21.3％、21.1％、21.9％，在每个中间值左右侧各取两个含水率，各制备五个含水率的混合土样，要求各含水率之间相差在2％～3％之间；即2％掺量的混合土样左侧取含水率分别为17％和19％，右侧取含水率分别为23％和25％；3％掺量的混合土样左侧取含水率分别为17％和19％，右侧取含水率分别为23％和25％，5％掺量的混合土样左侧取含水率分别为17.5％和19.5％，右侧取含水率分别为24％和26％。依照上述含水量进行加水拌合，并置于恒温恒湿条件下进行焖料24小时，使其含水率均匀。按照《土工试验方法标准》(GB/T50123‐1999)中轻型击实试验方法分别测试混合土的最优含水率及最大干密度；

(5)根据步骤(4)所得的击实试验结果，在压实度96％的条件下，测得不同掺量硅灰的改良膨胀土的物理力学性质指标，结果如表1所示；

物理力学性质指标包括自由膨胀率、无侧线抗压强度、四次干湿循环粘聚力、四次干湿循环内摩擦角、线膨胀率等。

表1

自由膨胀率的测定方法：

取100g待测试土过0.5mm筛，在105℃～110℃温度下烘至恒重，采用10ml量杯量取待测试土在5％的氯化钠溶液中充分膨胀测得膨胀土的膨胀率。

无侧线抗压强度的测定方法：

采用应变控制式无侧线抗压强度试验压缩仪，加载速度为2％/min的速度进行剪切。

干湿循环试验及快剪试验方法：

一次干湿循环步骤：取制备好的待测试土样放在透水石上，加水至高出透水石1mm，使待测试土样含水率达到饱和含水率26％，然后在阴凉处干燥至含水率20％。按照此方法进行四次干湿循环试验。取四次干湿循环后的试样在法向压力为25kPa、50kPa、75kPa、100kPa下进行快剪试验，测得其粘聚力和内摩擦角。

线膨胀率的测定方法：

将待测试土样放置在膨胀仪上，注入纯水，在无竖向荷载条件下使其膨胀，每2h测读百分表读数，直至变形稳定，测定竖向变形量。

试验结果表明：当采用3％硅灰处理膨胀土时具有较好的经济性，且改良后的膨胀土胀缩性有明显的降低，满足《公路路基设计规范》(JTGD30‐2015)中规定的线膨胀总率小于0.7％的要求；改良后膨胀土自由膨胀率满足《公路路基设计规范》(JTGD30‐2015)中规定的自由膨胀率小于30％的要求。且经硅灰改良后的膨胀土在经历干湿循环过程中保持较好的水稳性，表面无脱落现象，改良后的膨胀土满足工程填料要求。

上述硅灰改良后的膨胀土施工方法为：

步骤一，将膨胀土和硅灰在拌合站均匀拌合成混合土后，摊铺在施工现场，结合机械和辅助人工整平，整平厚度在25～30cm；

步骤二，测定前述经整平的混合土含水率接近前述步骤(4)中最优含水率时，按照施工要求的压实度使用压路机进行碾压，并检测填土层的压实度；

碾压整平后，重复步骤一、二进行下一层的摊铺。

本申请的实施例只是便于说明本发明的过程和原理，并不仅仅限于本申请。在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作一些改变，而不违背本申请的精神和范畴。

Claims (6)

1.一种利用硅灰改良膨胀土性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1），取一定量的待改良膨胀土样与硅灰混合均匀，获得混合土样，其中所述硅灰占待改良膨胀土样质量的3%；

（2），取步骤（1）得到的混合土样烘干后过0.5mm筛，取筛下土400g，根据《土工试验方法标准》中所述方法测定该混合土样的液限、塑限；

（3），将步骤（2）中所述混合土样以塑限为中间值，在中间值左右侧各取两个含水率，制备五个含水率的混合土样，要求各含水率之间相差在2%~3%之间；并置于恒温恒湿条件下进行焖料24小时，使其含水率均匀；按照《土工试验方法标准》中轻型击实试验方法确定该混合土样的最优含水率及最大干密度；

（4），将膨胀土和硅灰在拌合站均匀拌合成混合土后，摊铺在施工现场，结合机械和辅助人工整平，整平厚度在25~30cm；

（5），测定步骤（4）中经整平的混合土含水率接近步骤（3）中最优含水率时，按照施工要求的压实度使用压路机进行碾压，并检测填土层的压实度；

（6），碾压整平后，重复步骤（4）、（5）进行下一层的摊铺。

2.根据权利要求1所述利用硅灰改良膨胀土性质的方法，其特征在于：

所述硅灰的化学成分为： SiO₂ ≥90%、Al₂O₃ ≤1.7%、Fe₂O₃ ≤1.2%、MgO ≤0.3%、CaO≤0.2%。

3.根据权利要求2所述利用硅灰改良膨胀土性质的方法，其特征在于：硅灰的平均粒径为0.5~1µm。

4.根据权利要求1所述利用硅灰改良膨胀土性质的方法，其特征在于：步骤（3）与步骤（4）之间还包括：

步骤（3.1），根据步骤（3）所得的击实试验结果，在压实度96%的条件下，测得混合土样的物理力学性质指标。

5.根据权利要求4所述利用硅灰改良膨胀土性质的方法，其特征在于：物理力学性质指标包括自由膨胀率、无侧线抗压强度、四次干湿循环粘聚力、四次干湿循环内摩擦角和线膨胀率。

6.根据权利要求1所述利用硅灰改良膨胀土性质的方法，其特征在于：步骤（2）中液限、塑限的测定方法为：

先预估混合土样的液限、塑限，按照接近液限、塑限及二者中间值加水拌合，采用液塑限联合测定仪。