CN110342871A - 一种基于置换作用的泥炭土固化剂及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于置换作用的泥炭土固化剂及其使用方法，属于土壤固化技术领域。所述固化剂的原料为：按天然泥炭土中不含水的土颗粒的质量百分比计算，置换率40%~60%的机制砂，按置换后泥炭土质量计算的15%~45%的水泥，按水泥质量计算的10%的磷石膏、3%的硫酸钠、1.5%的氯化钠以及100%的水。所述固化剂的使用方法为：采用机制砂对泥炭土进行置换后，掺入其余材料固化泥炭土。本发明能够显著改善泥炭土的力学性能。本发明降低了固化泥炭土所需的水泥用量，机制砂的利用开创了具有环保效益的掺砂固化泥炭土的新途径，磷石膏的利用减少了其堆放对环境造成的污染。本发明的固化剂原材料易得，使用方法简单，造价低廉且具有一定的环保经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及土木建筑材料领域，尤其是土壤固化剂技术领域，具体是一种基于置换作用的泥炭土固化剂及其使用方法。
背景技术
泥炭土是一种典型的超软弱土，同时具有区别于一般软土的高有机质含量这一特征。泥炭土结构松散，并具有极高的天然含水率、孔隙比和压缩性，同时比重较小，触变灵敏性极高，其承载力低于一般的软弱结构土，在工程上被定义为了会引发严重地基沉降和基础失稳的“问题土”。在早期的工程建设中，由于涉及泥炭土地区的开发存在诸多技术难点，并且运营和后期维护会带来巨大的经济开支，设计和施工人员往往会选择避开此类区域，以控制经济效益的最大化。但随着人类活动范围的扩张以及地下空间建设的飞速发展，工程项目不得不向一些鲜有涉及的区域延伸，对泥炭土地层进行开挖，或在其上部及周边进行规划施工越来越常见。若无法经济有效地解决泥炭土地基的优化问题，城市化进程将受到极大的限制。
相比于其他的软弱土地基，国内对于泥炭土固化的研究还处于起步阶段，所涉及的方法和技术相对较少，难以对工程提供切实的指导。结合泥炭土的特点，可总结出其性能改善中所存在的两个关键因素——高有机质和大孔隙比，但这两个问题在固化泥炭土时一直被研究人员所忽略。常规的加固技术在运用于泥炭土时，或是在强度方面难以满足需求，或是材料方面存在用量过高的问题，这些不适宜、不经济的结果违背了加固泥炭土地基的初衷。从泥炭土自身的特性出发，并结合当下的发展需求，良好的泥炭土固化剂及固化方法应兼具显著的孔隙填充效应以及良好的胶结效果，并能把对环境和资源的污染及破坏控制到最小化，在满足工程需求的同时创造环保经济效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于置换作用的泥炭土固化剂及其使用方法，可用于固化不同物理性质指标的泥炭和泥炭质土层，该方法在基于置换的基础上，所用的材料易于获取，制作成本低廉，使用方法简单，且有一定的环保经济效益。
本发明采用的技术方案是：一种基于置换作用的泥炭土固化剂，包括A、B、C三个组份，其中A组份为置换组份，B组份为胶凝硬化组份，C组份为活性激发组份。其中，组份A为按天然泥炭土中不含水的土颗粒的质量百分比计算，置换率为40%~60%的机制砂；组份B为按经组份A置换后混合物的质量百分比计算的15%~45%的水泥；组份C包含按组份B质量百分比计算的10%的磷石膏，3%的硫酸钠，1.5%的氯化钠以及100%的水。
优选地，所述水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，机制砂为干燥的、粒径小于2.36mm的常规细集料，磷石膏是以主要成分为干燥二水石膏CaSO4·2H2O的工业废料，硫酸钠为干燥分析纯颗粒Na2SO4，氯化钠为干燥分析纯颗粒NaCl。
上述基于置换作用的泥炭土固化剂的使用方法如下：
（1）取按天然泥炭土中不含水的土颗粒的质量百分比计算，置换率为40%~60%的机制砂，作为A组份材料，用其对泥炭土进行置换并将混合物均匀拌和；
（2）取按步骤（1）所述混合物的15%~45%质量百分比计算的水泥，作为B组份材料；
（3）取按步骤（2）中B组份材料质量百分比计算的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠，100%水，作为C组份材料；
（4）将步骤（2）得到的B组份材料，步骤（3）得到的C组份材料加入步骤（1）得到的经A组份置换后的泥炭土中，对泥炭土进行固化。
本发明采用置换的技术原理是：（1）泥炭土中有机质含量过高，其难以在短期内被有效的降解，置换是一个迅速降低有机质浓度的最优途径；（2）有机质会影响水泥的胶凝硬化，其含量的降低意味着水泥等物质的水化反应能够更顺利地进行；（3）泥炭土本身的颗粒密实性较差，被有机质附着的粘土颗粒还具有可压缩性，采用置换的方式增加其中坚硬颗粒的数量，一方面可增加土体的密实性，同时还减少了可压缩颗粒的比例，对于土体稳定性有一定的提升作用。
本发明采用机制砂的技术原理是：（1）物理效应。机制砂作为细集料具有良好的颗粒级配，其掺入泥炭土并与水泥等物质混合后，可以从颗粒尺度方面优化固化体系的粒径分级，进而使固化体系中的各类物质发挥最优的填充效果；机制砂具有明显不同于泥炭土和水泥等物质的不规则几何形状及粗糙表面，这可以为固化体系提供更好的机械咬合效应，当受到外力作用时，这种咬合效应增大了外力引发结构改变需要消耗的能量，进而加强了固化体系的力学性能；机制砂中的少量石粉具有显著的润滑作用，可提升固化体系在搅拌时的和易性。（2）化学效应。机制砂是以石英为主的物质，掺入水泥和活性激发组份的条件下，碱性孔隙液会使石英向具有化学活性的胶质硅转化，并与羟钙石（Ca(OH)2）反应生成C-S-H，弥补泥炭土与水泥等物质之间贫乏的火山灰效应；机制砂置换会导致固化体系中的钙硅比降低，C-S-H的水化时间会被延长，强化有益于结构整体性的后期胶结效应。
本发明添加活性激发组份的技术原理是：（1）泥炭土中钙离子和钠离子的缺乏致使其粘土矿物颗粒之间的相互约束及表面的电子层键合较弱，活性激发组份的加入可以提升泥炭土自身的团聚性，改善其固有强度；（2）泥炭土呈现pH小于7的酸性，其孔隙液环境不利于水泥的胶凝硬化，活性激发组份溶于水后可改善泥炭土孔隙液的酸性环境，有助于水泥的胶凝硬化及强度获取；（3）CaSO4·2H2O在遇到水泥后会与水泥熟料中的铝酸盐矿物快速发生反应生成钙矾石，钙矾石的生长会创造微细观骨架，提升泥炭土微观结构的稳定性；（4）硅酸盐矿物的水化速度较慢，在（3）已经形成骨架的基础上再进行较缓慢的胶结，对固化土的整体连接性有显著增益。
本发明的有益效果是：
（1）提高泥炭土的无侧限抗压强度以及抗剪强度，优化其作为建筑地基或路基填料的性能，减少泥炭土地层开挖或在其上部进行工程建设的潜在隐患，降低泥炭土引发的工程病害及经济损失；（2）天然砂的开采会对环境造成难以逆转的损害，机制砂的运用作为掺砂固化泥炭土的新途径，在提升泥炭土强度的同时还具有极高的环保效益；（3）水泥的生产存在大量的碳排放，利用机制砂和其他物质的物理化学效应，可大幅度降低固化泥炭土时的水泥需求量，在缩减成本的同时降低碳排放，经济和环保效益显著；（4）磷石膏作为工业废料得到应用，在一定程度上缓解其排放、堆积对环境造成的危害；（5）原材料廉价易得，制备和使用不受地域限制，可在泥炭土分布的地区广泛推广。
具体实施方式
为了使本发明的目的、方法和要点更加清楚，下面列举本发明的实施案例进行详细说明，但并非用于限定本发明的范围。
实施例1：一种基于置换作用的泥炭土固化剂，包括如下组份的材料：作为A置换组份，按天然泥炭土中不含水的土颗粒的质量百分比计算，置换率为40%的机制砂，作为B胶凝硬化组份，按经组份A置换后混合物的质量百分比计算的15%的水泥，作为C活性激发组份的水泥质量百分比10%的磷石膏，3%的硫酸钠，1.5%的氯化钠以及100%的水。
所述水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，机制砂为干燥的、粒径小于2.36mm的常规细集料，磷石膏是以主要成分为干燥二水石膏CaSO4·2H2O的工业废料，硫酸钠为干燥分析纯颗粒，氯化钠为干燥分析纯颗粒。
上述基于置换作用的泥炭土固化剂的使用方法，包括如下步骤：
（1）取上述A，B，C三个组份的原料；
（2）取步骤（1）所述的A组份材料——机制砂，用其对泥炭土进行置换并均匀拌和；
（3）取步骤（1）所述的B组份和C组份材料；
（4）取步骤（3）得到的B，C组份材料，加入步骤（2）得到的经A组份置换后的泥炭土中，对泥炭土进行固化。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为329kPa，粘聚力为184kPa。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：包括如下组份的材料：作为A置换组份的置换率为40%的机制砂，作为B胶凝硬化组份的30%的水泥，作为C活性激发组份的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠以及100%的水。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为606kPa，粘聚力为357kPa。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：包括如下组份的材料：作为A置换组份的置换率为40%的机制砂，作为B胶凝硬化组份的45%的水泥，作为C活性激发组份的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠以及100%的水。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为810kPa，粘聚力为353kPa。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：包括如下组份的材料：作为A置换组份的置换率为50%的机制砂，作为B胶凝硬化组份的15%的水泥，作为C活性激发组份的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠以及100%的水。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为405kPa，粘聚力为141kPa。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：包括如下组份的材料：作为A置换组份的置换率为50%的机制砂，作为B胶凝硬化组份的30%的水泥，作为C活性激发组份的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠以及100%的水。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为747kPa，粘聚力为283kPa。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：包括如下组份的材料：作为A置换组份的置换率为50%的机制砂，作为B胶凝硬化组份的45%的水泥，作为C活性激发组份的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠以及100%的水。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为1232kPa，粘聚力为349kPa。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：包括如下组份的材料：作为A置换组份的置换率为60%的机制砂，作为B胶凝硬化组份的15%的水泥，作为C活性激发组份的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠以及100%的水。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为475kPa，粘聚力为189kPa。
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：包括如下组份的材料：作为A置换组份的置换率为60%的机制砂，作为B胶凝硬化组份的30%的水泥，作为C活性激发组份的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠以及100%的水。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为879kPa，粘聚力为364kPa。
实施例9
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：包括如下组份的材料：作为A置换组份的置换率为60%的机制砂，作为B胶凝硬化组份的45%的水泥，作为C活性激发组份的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠以及100%的水。
采用上述固化剂及方法固化有机质含量为61.3%，含水率为105.1%，孔隙比为1.72，粘聚力为28.75kPa的泥炭土，试块养护28天测得的无侧限抗压强度为1416kPa，粘聚力为383kPa。
以上实施例是对本发明的详细介绍，但上述描述并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换和改进优化等，均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于置换作用的泥炭土固化剂，其特征在于：包括A、B、C三个组份，其中，A组份为起置换作用的机制砂，B组份为起胶凝硬化作用的水泥，C组份为起活性激发作用的磷石膏、硫酸钠、氯化钠和水；
所述机制砂为按天然泥炭土中不含水的土颗粒的质量百分比计算，置换率为40%~60%；所述水泥为按经机制砂置换后所得到的混合物的质量百分比的15%~45%；组份C包含水泥质量百分比10%的磷石膏，3%的硫酸钠，1.5%的氯化钠以及100%的水。
2.根据权利要求1所述的一种基于置换作用的泥炭土固化剂，其特征在于：所述水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，机制砂为粒径小于2.36mm的干燥常规细集料，磷石膏为干燥二水石膏CaSO4·2H2O，硫酸钠为干燥分析纯颗粒，氯化钠为干燥分析纯颗粒。
3.一种如权利要求1或2所述的基于置换作用的泥炭土固化剂的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）取按天然泥炭土中不含水的土颗粒的质量百分比计算，置换率为40%~60%的机制砂，作为A组份材料，用其对泥炭土进行置换并将混合物均匀拌和；
（2）取按步骤（1）所述混合物15%~45%的质量百分比计算的水泥，作为B组份材料；
（3）取按步骤（2）中B组份材料质量百分比计算的10%磷石膏，3%硫酸钠，1.5%氯化钠，100%水，作为C组份材料；
（4）将步骤（2）得到的B组份材料，步骤（3）得到的C组份材料加入步骤（1）得到的经A组份置换后的泥炭土中，对泥炭土进行固化。
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