CN109749745A - 一种利用土体固化溶液加固土体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用土体固化溶液加固土体的方法，将碳酸钙粉末放入耐高压的容器中，加入水，持续通入二氧化碳气体，在搅拌作用下，形成饱和的碳酸氢钙水溶液；然后将得到的碳酸氢钙水溶液持续不断喷洒或灌注于土体的表面或内部，当水分渗入土体进行迁移的过程中，碳酸氢钙发生分解反应，分解形成具有胶结功能的无定型碳酸钙，将土体颗粒胶结成整体，能够提高土体的强度、水稳、耐久等工程特性，满足工程建设的需求。适用于岩土体加固、大坝及土中构筑物防渗堵漏、砂土液化防治、重金属污染土治理、土石砖类文物建筑修复、混凝土裂缝修复等诸多领域。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑材料技术领域，涉及修建土木工程、水利工程、交通运输工程、生态环境工程、文物修复工程的土体改性方法，具体涉及一种利用土体固化溶液加固土体的方法。
背景技术
随着气候变暖、生态环境恶化以及能源严重短缺的状况加剧，如何在土木工程建筑领域充分利用当地建筑材料，达到减少能源消耗、遏止环境恶化的目的是土木工程师们面临的一个重大课题。目前，加固土体的材料多采用石灰、水泥、粉煤灰或其他类型的土壤固化剂，这些材料与土体拌和、碾压、养护处理后，可有效提高增强土体的强度，改善土体的水稳性，提高土体的工程性能。但是，这些材料在原料开采与加工过程中，需要消耗大量的能源，排放大量的温室气体和粉尘，对环境造成极大的破坏。因此，研究新型环保节能的土体固化材料与应用技术，具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用土体固化溶液加固土体的方法，该方法能够快速提高土体的工程性能，满足各类工程对土体的力学、水理和耐久等特性的需求。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种利用土体固化溶液加固土体的方法，其特征在于，该方法首先将碳酸钙粉末放入耐高压的容器中，加入水，持续通入二氧化碳气体，在搅拌作用下，形成饱和的碳酸氢钙水溶液；然后将得到的碳酸氢钙水溶液持续不断喷洒或灌注于土体的表面或内部，当水分渗入土体进行迁移的过程中，碳酸氢钙发生分解反应，分解形成具有胶结功能的无定型碳酸钙，将土体颗粒胶结成整体。
根据本发明，所述的耐高压容器选用有色金属或非金属材料制成。其中有色金属选用各类不锈钢、铝或钛，非金属材料为玻璃钢、预应力混凝土或陶瓷。
进一步地，所述的耐高压容器有附属件，该附属件包括有二氧化碳气体压力表、温度表、安全气阀、容器顶盖、水位显示器、自旋转功能叶片、导管和阀门。
进一步地，所述的碳酸钙粉末选用霰石、方解石、白垩、石灰岩、大理石、石灰华、动物骨骼或昆虫外壳进行粉碎，或者选用人工合成的各类碳酸钙粉末。
进一步地，所述二氧化碳气体选用从合成氨制氢气过程的气体、发酵气体、石灰窑气体、酸中和气体、乙烯氧化副反应气体或烟道气中提取和回收的气体，或者采用冷却空气提取氧气与氮气过程中的副产品。
本发明的利用土体固化溶液加固土体的方法，能够提高土体的强度、水稳、耐久等工程特性，满足工程建设的需求。适用于岩土体加固、大坝及土中构筑物防渗堵漏、砂土液化防治、重金属污染土治理、土石砖类文物建筑修复、混凝土裂缝修复等诸多领域。
附图说明
图1是本发明的利用土体固化溶液加固土体的一个具体实施例。
图中的标记分别表示：1、二氧化碳，2、二氧化碳气体储存瓶，3、第一阀门，4、导管中二氧化碳气体压力表，5、二氧化碳气体压力表和温度表，6、安全气阀，7、顶盖，8、耐压容器，9、水位显示器，10、自旋转功能叶片，11、碳酸氢钙溶液，12、第二阀门，13、导管，14、第三阀门，15、第四阀门，16、花伞，17、土样，18、第一试样容器，19、第二试样容器，20、土样。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
具体实施方式
以下结合本发明的原理以及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
申请人在研究实验中意外发现：在水介质存在的条件下，碳酸钙粉末、水和二氧化碳反应形成可溶于水的碳酸氢钙，当水分蒸发或受热后，碳酸氢钙发生分解反应再分解形成水、二氧化碳和无定型碳酸钙，其中，该分解反应后的无定型碳酸钙竟具有较强的胶结功能，可增加土颗粒间的胶结，快速促进土颗粒凝聚结构的形成，增强土颗粒之间的黏结力，提高土体的抗冲蚀性，使土体的工程性能得以改善。
本实施例给出一种利用土体固化溶液加固土体的方法，首先将碳酸钙粉末放入耐高压的容器中，加入水，持续通入二氧化碳气体，在搅拌作用下，形成饱和的碳酸氢钙水溶液；然后将得到的碳酸氢钙水溶液持续不断喷洒或灌注于土体的表面或内部，当水分渗入土体进行迁移的过程中，碳酸氢钙发生分解反应，分解形成具有胶结功能的无定型碳酸钙，将土体颗粒胶结成整体。
本实施例采用的设备包括二氧化碳气体储存瓶、耐高压容器及其附属件，原材料包括碳酸钙粉末、二氧化碳气体、自来水。
其中：耐高压容器选用各类不锈钢、铝、钛等有色金属制作，或者选用玻璃钢、预应力混凝土、陶瓷等非金属材料制成。
耐高压容器附属件包括二氧化碳气体压力表、温度表、安全气阀、容器顶盖、水位显示器、自旋转功能叶片、导管、阀门。
水采用自来水或纯净水均可。
以下是发明人给出的实施例，需要说明的是，本发明不限于这些实施例，可根据不同的土质特性进行调整。
实施例1：土体固化溶液制备与加固粗粒土的试验
土样：选自渭河河砂。
设备与材料：二氧化碳选用在空气提取氧气与氮气等过程中的副产品，碳酸钙采用石灰石，耐压容器采用不锈钢材料制作，水采用自来水。
土体固化溶液制备方法：将石灰石采用球磨机粉碎，过100目筛子，将粉末放入不锈钢耐压容器8内，加入自来水，安装好顶盖7，打开第一阀门3，使得二氧化碳气体储存瓶2中的二氧化碳1持续通入不锈钢耐压容器内8。试验开始时，应打开安全阀门6，排尽不锈钢耐压容器8内部的空气，并采用明火进行检验，若明火灭，则显示已排尽腔体内原来的空气，关紧安全阀门6继续通入二氧化碳气体。保持不锈钢耐压容器8内部的二氧化碳维持在1MPa～8MPa，在自旋转功能叶片10的搅拌作用下，最终形成饱和的碳酸氢钙水溶液11，即为土体固化溶液。
制备过程注意观察导管中二氧化碳气体压力表4，耐压容器内的二氧化碳气体压力表和温度表5，耐压容器内安全气阀6。
加固粗粒土试验方法：将渭河河砂放入下部带有排水的20cm×20cm×20cm的第一试样容器18(模具)中，分4层进行制样，按照相对密度0.96制成土样17。
土样17制备好后，关闭第四阀门15，打开第二12阀门和第三阀门14，碳酸氢钙水溶液11通过导管13和花伞16喷洒在土样17的表面，待其渗入土体达到饱和后，关闭第二阀门12停止喷洒，静止2-6个小时，待其水分逐渐从下部排水口流出或表面蒸发。注意通过水位显示器观察耐压容器8内碳酸氢钙溶液11的水位，如果水位降低到距底部5cm时，需要重新加水和碳酸钙粉末。重复在土样17加入碳酸氢钙溶液20次，然后测定土样17的无侧限抗压强度。
试验做对照试验，即采用自来水与饱和碳酸氢钙水溶液进行对比。
试验方法：无侧限抗压强度。
试验结果：试验结果表明，采用自来水进行处理的渭河河砂(对照组)，干燥后塌落，形成一堆散粒，无法测定抗压强度；而喷洒20次碳酸氢钙水溶液的渭河河砂，干燥后依然保持形状，测定的无侧限抗压强度0.92Mpa。由此可见，在粗粒土中加入碳酸氢钙水溶液，可胶结土颗粒，提高土体的抗压强度。
实施例2：土体固化溶液制备与加固细粒土样的试验
土样：选自青海某大坝的筑坝土料。
设备与材料：二氧化碳选用在空气提取氧气与氮气等过程中的副产品，碳酸钙采用人工合成的分析纯碳酸钙，耐压容器采用不锈钢材料制作，水采用自来水。
土体固化溶液制备方法：将人工合成的分析纯碳酸钙在研钵中磨细，过100目筛子，将粉末放入不锈钢耐压容器8内，加入自来水，安装好顶盖7，打开第一阀门3，使得二氧化碳气体储存瓶2中的二氧化碳1持续通入不锈钢耐压容器内8。试验开始时，应打开安全气阀6，排尽不锈钢耐压容器8内部的空气，并采用明火进行检验，若明火灭，则显示已排尽腔体内原来的空气，关紧安全气阀6继续通入二氧化碳气体。保持不锈钢耐压容器8内部的二氧化碳维持在1MPa～8MPa，在自旋转功能叶片10的搅拌作用下，最终形成饱和的碳酸氢钙水溶液11，即土体固化溶液。
制备过程注意观察导管中二氧化碳气体压力表4，耐压容器8内的二氧化碳气体压力表和温度表5，耐压容器8内安全气阀6。
试验方法：将土样配制到最优含水率，放入下部带有排水的20cm×20cm×20cm的第二试样容器19(模具)中，分4层进行制样，压实度按0.98控制制成土样20。
土样20制备好后，将导管13一端(带有排水口)插入土样20中，关闭第三阀门14，打开第二12阀门和第四阀门15，碳酸氢钙水溶液11通过导管13直接灌注于土样20内部，待其渗入土体达到饱和后，关闭第二阀门12停止灌注，静止2-6个小时，待其水分逐渐从下部排水口流出或表面蒸发。注意通过水位显示器观察耐压容器8内碳酸氢钙溶液11的水位，如果水位降低到距底部5cm时，需要重新加水和碳酸钙粉末。重复在土样20灌注碳酸氢钙溶液20次，然后测定土样20的抗剪强度。
试验做对照试验，即采用自来水与饱和碳酸氢钙水溶液进行对比。
试验方法：直剪试验。
试验结果：采用自来水进行处理的土样(对照组)，其黏聚力23.2kpa，内摩擦角16.8°；
加入20次碳酸氢钙水溶液的土样，其黏聚力可达到34.4kpa，内摩擦角可提高到28.6°。
与没有加入碳酸氢钙水溶液的土样(对照组)相比，黏聚力提高了1.5倍，内摩擦角提高了1.7倍。由此可见，在细粒土样中加入碳酸氢钙水溶液，可增加黏聚力，提高内摩擦角。
上述实施例仅仅是较佳的实施例，当然，耐高压容器可采用其他铝、钛等有色金属或者玻璃钢、预应力混凝土、陶瓷等非金属材料。
当然，碳酸钙可采用天然存在的霰石、方解石、白垩、大理石、石灰华、动物骨骼或昆虫外壳等，也可采用人工合成的其他各类碳酸钙材料。
二氧化碳气体也可选用从合成氨制氢气过程气体、发酵气体、石灰窑气体、酸中和气体、乙烯氧化副反应气体或烟道气体等中提取和回收的气体。
上述喷洒或灌注法施工工艺可以根据土质的渗透特性任选其一，也可将两者联合，以提高加固速度与质量。
Claims (6)
1.一种利用土体固化溶液加固土体的方法，其特征在于，该方法首先将碳酸钙粉末放入耐高压的容器中，加入水，持续通入二氧化碳气体，在搅拌作用下，形成饱和的碳酸氢钙水溶液；然后将得到的碳酸氢钙水溶液持续不断喷洒或灌注于土体的表面或内部，当水分渗入土体进行迁移的过程中，碳酸氢钙发生分解反应，分解形成具有胶结功能的无定型碳酸钙，将土体颗粒胶结成整体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的耐高压容器选用有色金属或非金属材料制成。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的有色金属为各类不锈钢、铝或钛，所述非金属材料为玻璃钢、预应力混凝土或陶瓷。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的耐高压容器有附属件，该附属件包括有二氧化碳气体压力表、温度表、安全气阀、容器顶盖、水位显示器、自旋转功能叶片、导管和阀门。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳酸钙粉末选用霰石、方解石、白垩、石灰岩、大理石、石灰华、动物骨骼或昆虫外壳进行粉碎，或者选用人工合成的各类碳酸钙粉末。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳气体选用从合成氨制氢气过程的气体、发酵气体、石灰窑气体、酸中和气体、乙烯氧化副反应气体或烟道气中提取和回收的气体，或者采用冷却空气提取氧气与氮气过程中的副产品。
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