CN110256010A - 一种流动化路基土及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流动化路基土及施工方法，包括如下重量份数的原料：渣土：90～110份，水泥：10～30份，水：50～80份，细砾：0～20份，发泡剂：0～5份，可溶性泡沫颗粒：0～10份，缓凝剂：0～5份，膨润土：0～15份，秸秆纤维：0～10份，纳米氧化硅0～5份，玄武岩纤维0～2份，纳米碳酸钙0～5份，纳米氧化镁0～5份，钙钛矿5‑10份，氯化铵2‑5份。上述原料经过混合、筛分、解泥等步骤制备得到。本发明适用范围广：该流动化路基土为流动状态，对于地层平整度没有特殊的要求；透水性能好：该流动化路基土具有良好的透水性，透水性系数可达12m/s^‑4，可以较快的将水体散开；强度高：185流动度下的无侧限抗压强度达362kPa；施工便捷，经济效益高。

Description

一种流动化路基土及施工方法

技术领域

本发明涉及岩土工程材料施工方法，特别涉及一种流动化路基土及施工方法。

背景技术

近年来，随着海绵城市建设的发展，越来越多的城市开始对原始不透水的路面和路基进行处理。路基处理过程中，会产生大量废弃的渣土，这些渣土的运输和堆埋将会对环境产生重大影响。海绵城市的路基填土既需要满足交通荷载作用下的强度要求，有需要满足透水性的要求。

公告号为“CN201710722158”的中国发明专利公开的“一种海绵城市道路用高弹模水溶性苯乙烯丁二烯聚合物透水砂浆的施工方法”，提供了一种海绵城市道路用高弹模水溶性苯乙烯丁二烯聚合物透水砂浆的施工方法，但其存在以下不足：(1)施工效率低：该透水砂浆的流动性较差，在施工过程中需要人工振捣，不够便捷，且对于一些边角区域的填筑效果较差，容易出现空洞；(2)环保效益低：该砂浆虽然采用了建筑垃圾，但是建筑垃圾的制备过程仍然会产生一定的环境污染。

公告号为“CN201710186262”的中国发明专利公开的“一种透水路面及使用该砖的基础路面”，提供了一种透水路面及使用该砖的基础路面，但其存在以下不足：(1)操作复杂：该砖需要人工摊铺，施工操作不够便捷，尤其是在大范围的路面中使用时；(2)环保优势不明显：原材料中并未添加一些废弃材料，环保优势不明显；(3)适用范围差：该砖的底层需要处理，不能很好的适用于凹凸不平的路面；(4)透水性不理想。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种流动性好、强度大、透水性好、净化空气的流动化路基土。

本发明另一目的是提供流动化路基土施工方法。

技术方案：本发明提供一种流动化路基土，包括如下重量份数的原料：渣土：90～110份，水泥：10～30份，水：50～80份，细砾：0～20份，发泡剂：0～5份，可溶性泡沫颗粒：0～10份，缓凝剂：0～5份，膨润土：0～15份，秸秆纤维：0～10份，纳米氧化硅0～5份，玄武岩纤维0～2份，纳米碳酸钙0～5份，纳米氧化镁0～5份，钙钛矿5-10份，氯化铵2-5份。

上述技术方案中渣土和细砾构成流动化路基土的主要骨架结构；水泥与水混合形成的水化产物保证了流动化路基土骨架之间的粘结强度；发泡剂和可溶性泡沫颗粒使得流动化路基土内部存在孔隙，保证了材料的透水性；秸秆纤维保证了流动化路基土的抗裂性能；缓凝剂和膨润土保证了材料的施工和易性。

进一步地，所述渣土粒径在10mm以下。最大粒径的限制保证了渣土不会因为颗粒尺寸差异过大而导致强度离散型差异大。所述粒径为0.075～0.2mm的渣土质量大于渣土总质量的40％。所述粒径小于0.005mm的渣土质量小于渣土总质量的20％。粒径0.075～0.2mm的细砾含量和小于0.005mm的颗粒含量的限制保证了材料强度形成后的透水性，尺寸小于0.005mm的粘粒与发泡剂或者可溶性泡沫颗粒混合后很容易形成不透水层或者泥膜，而0.075～0.2mm的细砾与发泡剂或者可溶性泡沫颗粒混合后可以易于形成贯穿式的开口孔或易破损的泥膜，从而保证材料的透水性。

进一步地，所述水泥为粉煤灰水泥或火山灰硅酸盐水泥。其中，水泥水化的胶凝产物具有一定的强度，包裹在渣土颗粒或者细砾颗粒的表面，保证了渣土颗粒或者细砾颗粒相互接触后，颗粒与颗粒之间形成具有一定强度的整体混合骨架。粉煤灰水泥尤其适用于路基抗裂要求较高的情况，火山灰硅酸盐水泥尤其适用于有硫酸盐类侵蚀或者水体侵蚀比较严重的情况。

进一步地，所述细砾的粒径控制在2～5mm。所述的细砾为建筑垃圾或者破碎块石，粒径控制在2～5mm范围内。其中，2～5mm的粒径限制一方面保证了材料不会因为颗粒尺寸差异过大而导致强度离散型差异大，另一方面，保证了材料强度形成后的透水性。

进一步地，所述发泡剂产生的气泡为直径在2～5mm的气泡，该尺寸范围内的气泡在流动化处理图形成强度后形成的泥皮质量较差，易于破损，使得流动化处理土内部形成贯穿的孔隙，从而具有较大的透水性。如图1所示，形成强度后的流动化路基土内部产生了很多细小的孔隙，这些孔隙相互连通，形成透水路径，提高了试样的透水效果。

进一步地，所述可溶性泡沫颗粒粒径位0.5～3mm，消融时间为7d～20d，颗粒表面凹凸不平。凹凸不平表面的限制保证了尺寸小于0.005mm的粘粒不会在泡沫颗粒表面形成封闭的、不透水的泥膜；0.5～3mm尺寸的限制一方面保证了材料不会因为颗粒尺寸差异过大而导致强度离散型差异大，另一方面，保证了材料强度形成后的透水性；消融时间保证了材料的结构稳定性和后期透水性。如图2所示，可溶性的泡沫颗粒消融后试样内部产生孔洞，泡沫颗粒粗糙的表面使得流动化路基土在泡沫颗粒的表面形成孔洞，避免不透水泥皮的出现。泡沫颗粒的消融时间主要由流动化水泥土的初凝时间决定，如果可溶性泡沫颗粒的消融时间小于初凝时间，则可能导致流动化路基土的结构损坏。因此，需在流动化路基土形成一定的强度后方可消融。

进一步地，所述秸秆纤维的长度小于3cm；玄武岩纤维的长度小于3cm；。秸秆纤维由秸秆破碎而成，其破碎后的最大尺寸小于3cm。其中，秸秆的存在保证了材料的抗裂性能。水泥硬化过程中，体积会出现衰减，此时秸秆的存在可以约束收缩裂缝的产生。

所述的流动化路基土的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)确定现场施工原料配比：根据实验室测试数据，控制水泥掺量不低于实验室测试值，保证流动化路基土的流动性满足现场施工要求；

(2)筛分：对现场的渣土中的杂质、粒径大于10mm的块石进行筛分；

(3)解泥：将较大的渣土打散成颗粒尺寸较小的渣土，解泥时间以解泥效果为准，期间可以部分粗砂或者细砾；

(4)均匀搅拌：添加剩余的细砾至解泥完成的渣土中，搅拌；

(5)固化浆液配置：将水泥、纳米氧化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化镁、水、发泡剂、钙钛矿和氯化铵混合搅拌，得到固化浆液；

(6)混合搅拌：将步骤(5)中的固化浆液与步骤(4)中解泥之后的渣土进行混合搅拌；

(7)制备流动化路基土：向步骤(6)混合物中中添加可溶性泡沫颗粒、缓凝剂、膨润土、秸秆纤维、玄武岩纤维，搅拌，混合均匀，得流动化路基土；

(8)检测出料流动度：流动度的测量装置包括：一个内径为80mm、高度为80mm的圆柱体，其内壁光滑；一块透明有机玻璃平板，上表面光滑，底面标有刻度，直接读数。测量方法为：①将圆柱体内壁涂抹润滑油，然后放置在有机玻璃板正中间；②将流动化的浆液倒入圆柱体内，装入量以与圆柱体顶面齐平为标准；③快速抬起圆柱体，使得流动化的渣土自由扩展；④当流动化透水路基渣土不在扩展时读取扩展泥饼的直径，并将两个方向的直径取平均值，作为流动度测试结果。检测达标后方可进入浇筑阶段，否则重新设计配合比；

(9)分段浇筑：分段浇筑流动化路基土，单个浇筑长度不得大于5米，高度不得高于0.5m；

(10)养护：采用保湿养护，使用薄膜、草席等能够保湿的材料进行保水养护，禁止刚浇筑的流动化路基土暴露在阳光之下。

所述的流动化路基土的主要评测指标包括：流动性(120～200流动度)、无侧限抗压强度(200～800kPa)、透水性(10^-5～10^-2)、收缩性(小于10％)、干缩循环强度衰减比(经历10次饱和-干缩循环后强度与原始强度比小于15％)。其中，流动性保证了材料的施工和易性和填充效果；无侧限抗压强度保证了后期材料的强度；透水性保证了材料的透水效果；收缩性保证了材料不会出现干缩裂纹；干缩循环强度衰减比保证了材料的使用耐久性。

此外，其他成分添加的原理及效果说明如下：

所述的缓凝剂可以延长流动化路基土初始强度的形成时间，便于材料的运输。上限5份的限制是保证流动化路基土后期的强度，过多的缓凝剂会减少流动化路基土硬化后的强度。

所述的膨润土可以增加流动化路基土的流动性，与发泡剂联合使用时效果更佳。由于膨润土的颗粒尺寸较小，过多的膨润土掺入不利于流动化路基土流动性的产生，因此设置了最多15份的限制。

所述纳米氧化硅是一种纳米级的材料，原生粒径介于7～80nm之间，比表面积一般大于100m²/g，在流动化路基土中掺入具有明显的塑性效果，可以很好的保证流动化路基土在形成强度时孔隙形状的稳定性。

所述玄武岩纤维是以天然玄武岩拉制的玻璃纤维。是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。在流动化路基土中掺入具有明显的抗裂效果和提高强度的效果，与成本相对较低的秸秆纤维混合使用效果更佳。

所述纳米碳酸钙在流动化路基土中掺入具有明显的塑性效果，可以很好的保证流动化路基土在形成强度时孔隙形状的稳定性，与纳米氧化硅配合使用，效果更佳。

所述纳米氧化镁是一种纳米级的材料，在流动化路基土中掺入能够提高流动化路基土硬化之后的强度，增幅在2～8％左右。

所述钙钛矿为立方体或八面体形状，其中，八面体共顶点连接组成三维网络，结构稳定，共顶点连接使八面体网络之间的空隙比其他共棱、共面连接时要大，允许较大尺寸的分子填入其中，因此容易脱附空气中的氮氧化物、二氧化硫等有害气体。另外，钙钛矿与配方中的水、氯化铵等联合反应，提高了钙钛矿层的结晶度，改进了表面形貌，提高了钙钛矿的吸附性能，从而较好地进行空气环境的净化。

本发明提高路基土的强度、流动性和渗透性。在微观纳米级材料方面，氧化镁的晶格结构中掺入Ca²⁺、Si⁴⁺，会产生空位、间隙原子和位错等晶格缺陷，从而提高其分子的吸附及宏观的物理强度，与水易化合，露置空气中易吸收水分。纳米级氧化镁的比表面积较大，其水合后表面的Mg²⁺较多，其具有更强的吸附效果，通过吸附土壤及其他掺入料的分子达到其增强土体的物理强度。同时在其表面包覆一层OH^-，基于酸/碱相互作用，其吸附水分子及Ca²⁺，在碱性环境下，其与发泡剂形成的水化膜复合，从而提高了形成孔隙的稳定性。适量的膨润土降低了土壤本身的稠度，纳米氧化硅及纳米碳酸钙填充了土壤微观上的缺陷，纳米氧化硅及纳米碳酸钙在微观结构上能够互相弥补晶格缺陷，从而在微观上完善土的结构，提高土的流动性。在宏观大分子材料方面，玄武岩纤维具有更高的抗拉强度，与秸秆纤维提供的强度形成互补，能够显著降低掺入引气剂后的裂纹发育，从而提高土的物理性能。选用2～5mm的细砾，溶性泡沫颗粒粒径0.5～3mm，在同一直径级别上保证了空隙的形成和稳定。由此，在宏观材料及纳米级材料的复合改良下，土壤的渗透性、流动性和强度均提高。

综上，本发明采用废弃的渣土为原料，变废为宝，同时避免了渣土运输过程中的污染问题；在使用过程中可以吸附空气中的有害气体，净化环境。通过复合大分子材料及纳米级材料提高土的强度、流动性和渗透性。渣土和细砾构成流动化路基土的主要骨架结构；水泥与水混合形成的水化产物保证了流动化路基土骨架之间的粘结强度；发泡剂和可溶性泡沫颗粒使得流动化路基土内部存在孔隙，保证了材料的透水性；秸秆纤维保证了流动化路基土的抗裂性能；缓凝剂和膨润土保证了材料的施工和易性。

有益效果：本发明具有如下优点(1)环保：采用废弃的渣土为原料，变废为宝，同时避免了渣土运输过程中的污染问题；在使用过程中可以吸附空气中的有害气体，净化环境；(2)操作简单：流动化处理后流动化路基土可以直接浇筑，较少了人工击实过程；(3)适用范围广：该流动化路基土为流动状态，对于地层平整度没有特殊的要求；(4)透水性能好：该流动化路基土具有良好的透水性，透水性系数达到12m/s^-4，可以较快的将水体散开；(5)强度高：无侧限抗压强度达362kPa；(6)流动性好。

附图说明

图1为本发明透水路基土孔隙结构图；

图2为本发明透水路基土可溶性泡沫颗粒表面孔隙结构图。

具体实施方式

实施例1

镇江市某透水路基施工，开挖过程中产生了大量渣土，渣土中包含一定数量的块石。结合当地情况，对渣土进行现场流动化回填处理，其现场主要操作步骤如下：

(1)现场试验：根据室内试验结果(采用本发明的方法及原料配比制备表1的室内试验流动化路基土)，确定最终施工的配合比为：渣土：100份，32.5普通硅酸盐水泥25份，水60份，细砾12份，发泡剂2份，可溶性泡沫颗粒2份，缓凝剂2份，膨润土3份，秸秆纤维8份，纳米氧化硅1份，玄武岩纤维1份，纳米碳酸钙1份，纳米氧化镁1份，钙钛矿5份，氯化铵2份。

(2)筛分：对现场的渣土中的杂质、粒径大于10mm的块石进行筛分去除。

(3)解泥：通过强制式搅拌机将较大的渣土打散成颗粒尺寸较小的渣土，解泥时间以解泥效果为准，期间加入细砾。

(4)均匀搅拌：添加全部细砾至解泥完成的渣土中，强制搅拌1分钟，转速不得低于每分钟80转。

(5)固化浆液配置：将水泥、纳米氧化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化镁、水、发泡剂、钙钛矿和氯化铵混合搅拌，得到固化浆液；

(6)混合搅拌：将步骤5中的固化浆液与步骤4中解泥之后的原材料进行混合搅拌，强制搅拌时间90s，转速每分钟80转。

(7)性能控制：添加缓凝剂、膨润土，强制搅拌，以混合均匀为控制标准。

(8)检测出料流动度：流动度的测量装置包括：一个内径为80mm、高度为80mm的圆柱体，其内壁光滑；一块透明有机玻璃平板，上表面光滑，底面标有刻度，直接读数。测量方法为：①将圆柱体内壁涂抹润滑油，然后放置在有机玻璃板正中间；②将流动化的浆液倒入圆柱体内，装入量以与圆柱体顶面齐平为标准；③快速抬起圆柱体，使得流动化的渣土自由扩展；④当流动化透水路基渣土不在扩展时读取扩展泥饼的直径，并将两个方向的直径取平均值，作为流动度测试结果。检测达标后方可进入浇筑阶段，否则重新设计配合比。

(9)分段浇筑：分段浇筑流动化路基土，单个浇筑长度3米，高度0.4m。

(10)养护：采用保湿养护，使用薄膜、草席等能够保湿的材料进行保水养护7d。

表1：室内试验结果一览表

通过复合大分子材料及纳米级材料提高土的强度、流动性和渗透性。渣土和细砾构成流动化路基土的主要骨架结构；水泥与水混合形成的水化产物保证了流动化路基土骨架之间的粘结强度；发泡剂和可溶性泡沫颗粒使得流动化路基土内部存在孔隙，保证了材料的透水性；秸秆纤维保证了流动化路基土的抗裂性能；缓凝剂和膨润土保证了材料的施工和易性。在微观纳米级材料方面，氧化镁与水易化合，露置空气中易吸收水分。纳米级氧化镁的比表面积较大，具有更强的吸附效果，通过吸附土壤及其他掺入料的分子达到其增强土体的物理强度。适量的膨润土降低了土壤本身的稠度，纳米氧化硅及纳米碳酸钙是一种纳米级的材料，纳米氧化硅及纳米碳酸钙在微观结构上能够互相弥补晶格缺陷，在流动化路基土中掺入具有明显的塑性效果，可以很好的保证流动化路基土在形成强度时孔隙形状的稳定性。在宏观大分子材料方面，玄武岩纤维具有更高的抗拉强度，在流动化路基土中掺入具有明显的抗裂效果和提高强度的效果，与成本相对较低的秸秆纤维提供的强度形成互补，能够显著降低掺入引气剂后的裂纹发育，从而提高土的物理性能。选用2～5mm的细砾为建筑垃圾或者破碎块石，取材便利，保证了材料不会因为颗粒尺寸差异过大而导致强度离散型差异大，同时保证了材料强度形成后的透水性。溶性泡沫颗粒粒径0.5～3mm，在同一直径级别上保证了空隙的形成和稳定。由此，在宏观材料及纳米级材料的复合改良下，土壤的渗透性、流动性和强度均提高。

实施例2

镇江市某透水路基施工，开挖过程中产生了大量渣土，渣土中包含一定数量的块石。结合当地情况，对渣土进行现场流动化回填处理，其现场主要操作步骤如下：

(1)现场试验：根据室内试验结果(采用本发明的方法及原料配比制备表2的室内试验流动化路基土)，确定施工的最终配合比为：渣土：100份，42.5普通硅酸盐水泥20份，水60份，细砾8份，发泡剂2份，可溶性泡沫颗粒1份，缓凝剂4份，膨润土3份，秸秆纤维10份，纳米氧化硅1份，玄武岩纤维3份，纳米碳酸钙1份，纳米氧化镁1份，钙钛矿7份，氯化铵3份。

(2)筛分：对现场的渣土中的杂质、粒径大于10mm的块石进行筛分去除。

(3)解泥：通过强制式搅拌机将较大的渣土打散成颗粒尺寸较小的渣土，解泥时间以解泥效果为准，期间加入细砾。

(4)均匀搅拌：添加全部细砾至解泥完成的渣土中，强制搅拌1分钟，转速不得低于每分钟80转。

(5)固化浆液配置：将水泥、纳米氧化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化镁、水、发泡剂、钙钛矿和氯化铵混合搅拌，得到固化浆液；

(6)混合搅拌：将步骤5中的固化浆液与步骤4中解泥之后的原材料进行混合搅拌，强制搅拌时间90s，转速每分钟80转。

(7)性能控制：添加可溶性泡沫颗粒、秸秆纤维、缓凝剂、膨润土，强制搅拌，以混合均匀为控制标准。

(8)检测出料流动度：流动度的测量装置包括：一个内径为80mm、高度为80mm的圆柱体，其内壁光滑；一块透明有机玻璃平板，上表面光滑，底面标有刻度，直接读数。测量方法为：①将圆柱体内壁涂抹润滑油，然后放置在有机玻璃板正中间；②将流动化的浆液倒入圆柱体内，装入量以与圆柱体顶面齐平为标准；③快速抬起圆柱体，使得流动化的渣土自由扩展；④当流动化透水路基渣土不在扩展时读取扩展泥饼的直径，并将两个方向的直径取平均值，作为流动度测试结果。检测达标(直径为180±20mm)后方可进入浇筑阶段，否则重新设计配合比。

(9)分段浇筑：分段浇筑流动化路基土，单个浇筑长度4m，高度0.5m。

(10)养护：采用保湿养护，使用薄膜、草席等能够保湿的材料进行保水养护7d。

表2：室内试验结果一览表

Claims (10)

1.一种流动化路基土，其特征在于：包括如下重量份数的原料：渣土：90～110份，水泥：10～30份，水：50～80份，细砾：0～20份，发泡剂：0～5份，可溶性泡沫颗粒：0～10份，缓凝剂：0～5份，膨润土：0～15份，秸秆纤维：0～10份，纳米氧化硅0～5份，玄武岩纤维0～2份，纳米碳酸钙0～5份，纳米氧化镁0～5份，钙钛矿5-10份，氯化铵2-5份。

2.根据权利要求1所述的流动化路基土，其特征在于：所述渣土粒径在10mm以下。

3.根据权利要求2所述的流动化路基土，其特征在于：所述粒径为0.075～0.2mm的渣土质量大于渣土总质量的40％。

4.根据权利要求2所述的流动化路基土，其特征在于：所述粒径小于0.005mm的渣土质量小于渣土总质量的20％。

5.根据权利要求1所述的流动化路基土，其特征在于：所述水泥为粉煤灰水泥或火山灰硅酸盐水泥。

6.根据权利要求1所述的流动化路基土，其特征在于：所述细砾的粒径控制在2～5mm。

7.根据权利要求1所述的流动化路基土，其特征在于：所述发泡剂与流动化土混合产生的气泡为直径在2～5mm的气泡。

8.根据权利要求1所述的流动化路基土，其特征在于：所述可溶性泡沫颗粒粒径位0.5～3mm，消融时间为7d～20d，颗粒表面凹凸不平。

9.根据权利要求1所述的流动化路基土，其特征在于：所述秸秆纤维的长度小于3cm；玄武岩纤维的长度小于3cm；

10.如权利要求1-9任一项所述的流动化路基土的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)确定现场施工原料配比：根据实验室测试数据，控制水泥掺量不低于实验室测试值，保证流动化路基土的流动性满足现场施工要求；

(2)筛分：对渣土中的杂质、粒径大于10mm的块石进行筛分；

(3)解泥：将渣土打散成颗粒状渣土，期间添加部分细砾；

(4)均匀搅拌：添加剩余的细砾至解泥完成的渣土中，搅拌；

(5)固化浆液配置：将水泥、纳米氧化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化镁、水、发泡剂、钙钛矿和氯化铵混合搅拌，得到固化浆液；

(6)混合搅拌：将步骤(5)中的固化浆液与步骤(4)中解泥之后的渣土进行混合搅拌；

(7)制备流动化路基土：向步骤(6)混合物中中添加可溶性泡沫颗粒、缓凝剂、膨润土、秸秆纤维、玄武岩纤维，搅拌，混合均匀，得流动化路基土；

(8)检测流动度；

(9)分段浇筑：分段浇筑流动化路基土；

(10)养护：采用保湿养护。