CN109437801A - 一种高液限黏土路用改性剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高液限黏土路用改性剂，其基本原理是利用无机结合料与高液限黏土发生的一系列物理化学作用，最大程度的降低高液限黏土的液限及塑性指数，提高其无侧限抗压强度和CBR强度，满足规范中高液限黏土的路用性能要求。该高液限黏土路用改性剂包括如下重量组分的原料：脱硫石膏107～143份，磷石膏95～122份，赤泥88～117份，石灰66～158份，制浆白泥380～460份。该改性剂在使用过程中掺量为干土质量的10％～15％，改性土的液限为45％～53％、塑限为33％～40％、塑性指数为13～19。改性土的7d无侧限抗压强度0.4～1.0MPa。浸水4dCBR强度为10％～20％。本发明的优势是采用多种工业固废复合改性，使得高液限黏土由规范不允许使用的废弃土，改性成为可利用的路基填料，同时提高高液限黏土施工性能和强度，降低工程造价。

Description

一种高液限黏土路用改性剂
技术领域
本发明属于高液限黏土路基加固技术领域，尤其涉及一种可应用于路基填筑过程中的高液限黏土改性技术。
背景技术
高液限黏土指粒径在0.075mm以下的细粒含量超过50％、液限大于50％、塑性指数大于26的粘性土。高液限黏土广泛分布于北纬60°至南纬50°之间的40多个国家和地区，横穿赤道跨南北两大半球，遍及六大洲。我国是高液限黏土分布最广的国家之一，尤其是在长江与黄河的中下游，以及南部沿海和西南地区，高液限黏土最为发育，分布最为广泛。该类高液限黏土含有大量的蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物，粘粒及粉粒含量高。这两个特点决定了该类土具有较大的可塑性、粘滞性、弱膨胀性；其天然含水量高，不易晾晒，虽有发达的毛细孔，透水性却很差，易吸水且能长时间保持水分，吸水后承载力小、稳定性差，难以直接用于道路工程的路基填筑。若远距离调运其它路基填料，则会大幅增加工程建设成本；若高液限黏土弃之不用，将造成巨大的经济损失和环境问题。
《公路路基设计规范》和《公路路基施工技术规范》规定：液限大于50％，塑性指数大于26，CBR低于3％的土不能直接用于路基填筑，应按废弃或掺加外加剂进行改性处理。因此充分研究高液限黏土的改性技术，将其应用于道路工程的路基填筑，不仅有利于缓解当地道路建设取土困难的现状，而且还能改善土体性能，提高道路建设质量，具有显著的经济、环境和社会效益。国内外对高液限黏土的改性研究较多，主要集中在以下几个方面：
(1)砂砾改良。砂砾的掺加直接改变了高液限黏土的颗粒组成，即增大了粗粒土含量，从而改善粘土液塑限等物理性质指标，对其压实性能有较大提高，同时可以抑制高液限黏土的开裂，但改性土的强度提升不明显。
(2)水泥改良。水泥改良对其强度有较大提高，但受加固土类别限制，对塑性指数较高的粘土类改性效果不够理想，改性土干缩系数、温缩系数较大，后期易产生开裂现象，且工程拌合较困难。
(3)石灰与粉煤灰改性。石灰、粉煤灰改性处理高液限黏土应用最为广泛的方法，对其压实性能和强度均有较大改善。
(4)新型改性剂。部分学者对高液限黏土进行了新型改性剂的改性研究，效果较好，但新型改性剂价格较高，工程应用较少。
目前工程中常用的改性外掺剂多为价格低廉、加固效果较好的石灰、粉煤灰等无机结合料，生石灰生产过程中消耗大量不可再生的黏土矿物和能源，产生大量CO2，SO2等有害温室气体，且目前生产受限，产量大幅降低；而且，生石灰剂量高达6％，成本高。施工过程扬尘大，环境污染。研究一种更加快速、高效地施工现场高液限黏土最佳改性技术，是工程领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题，提供一种高液限黏土路用改性剂，针对具体施工现场的高液限黏土，快速确定其最优改性剂及最佳配合比，最大程度的降低高液限黏土的液限及塑性指数，满足规范中高液限黏土的路用要求。本发明的优势是采用多种工业固废复合改性，使得高液限黏土由规范不允许使用的废弃土，改性成为可利用的路基填料，同时提高高液限黏土施工性能和强度，降低工程造价。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高液限黏土路用改性剂，所述改性剂为脱硫石膏、磷石膏、赤泥、生石灰和制浆白泥的混合物。
现有的土体改良剂主要有石灰、粉煤灰、二灰，以及掺和材料：水泥、砂砾、泥炭、石膏、草灰、石灰和河沙等，由于各材料的自身特点、改性效果有所区别，共同掺入会对高液限黏土的改良产生不一样的效果。因此，为了满足高液限黏土路基填筑要求，在一些实施例中，本申请优选的高液限黏土路用改性剂，能有效地提高液限黏土的抗压强度和浸水CBR强度。
在一些实施例中，所述脱硫石膏中CaSO4·2H2O含量为90％～94％，CaSO3含量为1％～2％，CaCO3含量为2％～4％。
本申请在脱硫石膏中掺入一定量的磷石膏，以增强胶结作用，使土体变密实，磷石膏的填充作用进一步充实了土体的孔隙与空隙，使土体更加密实、强度增加，CBR值增大。但是当磷石膏含量太多时，多余的磷石膏并不起作用，反而因为其粒径较小，使土体的CBR值表现为下降趋势，因此，在一些实施例中，所述脱硫石膏中还加入一定量的磷石膏，二者的质量比为107～143：95～122。
在一些实施例中，所述制浆白泥中CaO含量为50％～55％，SiO2含量为4％～8％。
在一些实施例中，所述赤泥CaO含量为36％～41％，其SiO2含量为15％～19％，其Fe2O3含量为8％～12％。
在一些实施例中，所述赤泥的液限为52％～57％，塑限为67％～73％，塑性指数为11～16，比重为2.78～2.80。
在一些实施例中，所述赤泥、脱硫石膏或制浆白泥的细度为过4.75mm方孔筛，以有效地改变高液限黏土的粒径构成，降低塑性指标，增加水稳定性，减少膨胀和收缩变形的能力，改变含水量。
本发明的原理为：
本发明以氧化钙、制浆白泥、脱硫石膏、磷石膏和赤泥等作为基本原料，其中氧化钙水化产生的氢氧化钙与赤泥中氧化硅、氧化铝反应得到硅酸钙和铝酸钙，这些产物进一步水化形成强度，如式(1)、式(2)所示。同时式(2)中产生的xCaO·Al2O3会与脱硫石膏中的CaSO4反应得到钙矾石，从而进一步提高高液限黏土的强度，如式(3)、(4)、(5)所示。
xCa(OH)2+SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·nH2O (1)
xCa(OH)2+Al2O3+mH2O→xCaO·Al2O3·nH2O (2)
3(CaO·Al2O3)+3CaSO4·2H2O+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2Al(OH)3(3)
3(CaO·2Al2O3)+3CaSO4·2H2O+47H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+5Al(OH)3(4)
3CaO·Al2O3+3CaSO4+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (5)
本发明还提供了一种高液限黏土，包括：高液限粘土和任一上述的改性剂。
本发明还提供了上述的高液限黏土在道路建设中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本申请通过室内试验快速准确的确定出满足规范路用要求的高液限黏土最佳改性方案，可大规模推广应用于高液限黏土路基填筑，有利于公路建设工程就地取材，避免远距离调运路基填土，节约大量宝贵土地资源，有效加快施工进度，显著降低工程造价，最大程度地减少对周围环境的影响，具有广阔的应用前景。新的解决方案的研究和实施不仅是对已有方案的突破和革新，而且也符合我国可持续发展的需要，有利于提高公路建设水平，加快社会发展进程。
(2)本申请的改性剂组成简单、使用方便，改性效果好，实用性强、易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1、2、3的液限值。
图2为实施例1、2、3的塑限值。
图3为实施例1、2、3的塑性指数值。
图4为实施例1、2、3的7d无侧限抗压强度值。
图5为实施例1、2、3的浸水4dCBR强度值。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，针对目前高液限黏土改性剂成本高、不可再生、环境友好性差的问题。因此，本发明提供了下述高液限黏土路用改性剂的方案。
优选地，所述的赤泥为烧结法赤泥，其液限为52％～57％，塑限为67％～73％，塑性指数为11～16，比重为2.78～2.80。优选地，所述赤泥CaO含量为36％～41％，SiO2含量为15％～19％，Fe2O3含量为8％～12％。Al2O3含量为6％～8％。优选地，所述赤泥细度要求为过4.75mm方孔筛。
优选地，所述脱硫石膏为石灰-石灰石回收燃煤或油的烟气中的二氧化硫过程的工业副产品，所述脱硫石膏中CaSO4·2H2O含量为90％～94％，CaSO3含量为1％～2％，CaCO3含量为2％～4％。优选地，所述脱硫石膏细度要求为过4.75mm方孔筛。
优选地，所述制浆白泥为造纸企业碱回收系统运行中产生的一种固体废弃物，所述制浆白泥中CaO含量为50％～55％，SiO2含量为4％～8％，优选地，所述制浆白泥细度要求为过4.75mm方孔筛。
本发明还提供了上述高液限黏土路用改性剂的制备和使用方法，包括如下步骤。
(1)对高液限黏土进行晾晒脱水
(2)将路用改性剂中的各组分按比例混合并拌匀。
(3)和步骤(1)得到的高液限黏土与步骤(2)得到的改性剂按比例拌合均匀。
(4)将步骤(3)拌合后的高液限黏土进行养护。
本申请选用脱硫石膏、磷石膏、烧结法赤泥、生石灰、制浆白泥作为高液限黏土的备选改性外掺剂，每种改性剂方案设计不同的配合比，按配合比方案进行改性土的配制，经拌合、闷料后检测改性土的物理力学指标。对比分析相同改性剂、不同配合比条件下的改性土路用性能，得出某一改性剂的最佳配合比；对比分析不同改性剂、最佳配合比条件下的改性土路用性能，确定最优改性方案。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种高液限黏土路用改性剂的制备与使用方法
1、称取原料：其中包括130份脱硫石膏，120份磷石膏，100份赤泥，70份石灰，460份制浆白泥。
2、将称好的原料放入干净的容器中，将其拌和均匀。
3、将备好的晾晒脱水后的高液限黏土土样放入盆中，加入占干土质量8％的改性剂，将其拌合均匀，分为若干组土样。
4、向3中拌合均匀的土中加入不同质量的水，得到三份不同含水率的改性土样。
5、依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，采用液塑限联合测定仪法，测得改性土的液限为51.05％、塑限为38.54％、塑性指数为16.71。
6、向3中拌合均匀的土样中加入一定质量的水，使土样的含水率达到其最佳含水率18.6％。将得到的土样放置在密封袋内，养护7天。
7、依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，测得改性土7d无侧限抗压强度0.44MPa。浸水4dCBR强度为11.55％。
实施例2
一种高液限黏土路用改性剂的制备与使用方法
1、称取原料：其中包括130份脱硫石膏，100份磷石膏，100份赤泥，100份石灰，460份制浆白泥。
2、将称好的原料放入干净的容器中，将其拌和均匀。
3、将备好的晾晒脱水后的高液限黏土土样放入盆中，加入占干土质量10％的改性剂，将其拌合均匀，分为若干组土样。
4、向3中拌合均匀的土中加入不同质量的水，得到三份不同含水率的改性土样。
5、依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，采用液塑限联合测定仪法，测得改性土的液限为49.87％、塑限为35.91％、塑性指数为13.95。
6、向3中拌合均匀的土样中加入一定质量的水，使土样的含水率达到其最佳含水率18.6％。将得到的土样放置在密封袋内，养护7天。
7、依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，测得改性土7d无侧限抗压强度0.84MPa。浸水4dCBR强度为17.63％。
实施例3
一种高液限黏土路用改性剂的制备与使用方法
1、称取原料：其中包括130份脱硫石膏，100份磷石膏，100份赤泥，140份石灰，460份制浆白泥。
2、将称好的原料放入干净的容器中，将其拌和均匀。
3、将备好的晾晒脱水后的高液限黏土土样放入盆中，加入占干土质量12％的改性剂，将其拌合均匀，分为若干组土样。
4、向3中拌合均匀的土中加入不同质量的水，得到三份不同含水率的改性土样。
5、依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，采用液塑限联合测定仪法，测得改性土的液限为48.23％、塑限为34.65％、塑性指数为13.58。
6、向3中拌合均匀的土样中加入一定质量的水，使土样的含水率达到其最佳含水率18.6％。将得到的土样放置在密封袋内，养护7天。
7、依据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)，测得改性土7d无侧限抗压强度0.89MPa。浸水4dCBR强度为19.35％。
对比例1：
与实施例1的区别在于无脱硫石膏，原料组分及重量包括120份磷石膏，100份赤泥，70份石灰，460份制浆白泥。
将本实施例制得的高液限黏土路用改性剂加入高液限黏土中，测得改性土的液限为55.12％、塑限为37.86％、塑性指数为17.26。测得改性土7d无侧限抗压强度0.39MPa。浸水4dCBR强度为9.73％。
对比例2：
与实施例2的区别在于无生石灰，原料组分及重量包括130份脱硫石膏，100份磷石膏，100份赤泥，460份制浆白泥。
将本实施例制得的高液限黏土路用改性剂加入高液限黏土中，测得改性土的液限为51.96％、塑限为34.82％、塑性指数为17.14。
测得改性土7d无侧限抗压强度0.52MPa。浸水4dCBR强度为13.52％。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种高液限黏土路用改性剂，其特征在于，由如下重量份的原料组成：脱硫石膏107～143份，磷石膏95～122份，赤泥88～117份，石灰66～158份，制浆白泥380～460份。
2.如权利要求1所述的改性剂，其特征在于，由如下重量份的原料组成：脱硫石膏107～125份，磷石膏95～108份，赤泥88～103份，石灰66～112份，制浆白泥380～420份。
3.如权利要求1所述的改性剂，其特征在于，由如下重量份的原料组成：脱硫石膏125～143份，磷石膏108～122份，赤泥103～117份，石灰112～158份，制浆白泥420～460份。
4.如权利要求1所述的改性剂，其特征在于，所述脱硫石膏中CaSO4·2H2O含量为90％～94％，CaSO3含量为1％～2％，CaCO3含量为2％～4％。
5.如权利要求1所述的改性剂，其特征在于，所述制浆白泥中CaO含量为50％～55％，SiO2含量为4％～8％。
6.如权利要求1所述的改性剂，其特征在于，所述赤泥CaO含量为36％～41％，其SiO2含量为15％～19％，其Fe2O3含量为8％～12％。
7.如权利要求1所述的改性剂，其特征在于，所述赤泥的液限为52％～57％，塑限为67％～73％，塑性指数为11～16，比重为2.78～2.80。
8.如权利要求1所述的改性剂，其特征在于，所述赤泥、脱硫石膏或制浆白泥的细度为过4.75mm方孔筛。
9.一种高液限黏土，其特征在于，包括：高液限黏土和权利要求1-7任一项所述的改性剂。
10.权利要求9所述的高液限黏土在道路建设中的应用。
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