CN110577392A - 一种用于高液限软土路基的土壤固化剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，属于建筑材料技术领域。所述的用于高液限软土路基处理的土壤固化剂是由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥35～45份、生石灰15～25份、粉煤灰25～35份、磺化油0.6～2.2份。本发明所公开的土壤固化剂具有配方合理、抗压强度大(7天无侧限抗压强度5.62MPa)、水稳性好(7天水稳性指标88%)、易压实（压实度≥98%）等优点，满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20‑2015）中对基层和底基层混合料的要求，可应用于各等级公路的高液限软土基层及底基层的修筑。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，属于建筑材料技术领域。
背景技术
我国南方地区高液限土分布广泛。路基是大型的线状构筑物，需要穿越不同的地形地貌，沿线会遇到各种类型的高液限土。这类土具有含水量高、强度低、水稳性差等不良的工程性质，需经改良后才能在路堤填筑中使用。
土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化各类土壤的新型节能环保工程材料。它与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质，能将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，体积膨胀而进一步填充土壤孔隙，在压实功的作用下，使固化土易于压实和稳定, 从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。经过土壤固化剂处理过的土壤，其强度、密实度、回弹模量、弯沉值、CBR、剪切强度等性能都得到了很大的提高，从而延长了道路的使用寿命，节省了工程维修成本，经济环境效益俱佳，是当前理想的筑路材料选择。
现有的土壤固化剂种类繁多，但按固化剂的发展过程可分为无机类固化剂、离子类固化剂、高聚类固化剂和生物酶类固化剂。
无机类固化剂多集中于对水泥、石灰、矿渣等传统固化材料的改型、改性，使之成为具有综合稳定性能的固化材料。而离子固化剂(ISS) 是一种由多个强离子组合而成的化学物质，一般为水溶剂并具粘滞性。此类固化剂用水稀释后可产生强大的离子作用，使溶液呈高导电性，与土壤混合后，将与土壤颗粒表面吸附的活性阳离子进行强烈交换，促使土壤扩散层厚度减薄，电位势下降，联结加强，同时使土壤失去对水的静电吸引力，从而释放出束缚在吸附层和扩散层内的结合水，将土壤的亲水性变为疏水性，从而使土易于压实形成结构稳定的整体板块。
高聚类固化剂其包括多种树脂、纤维、表面活性剂等类固化剂。其利用表面活性剂改变土粒表面亲水性质，或者利用聚合物交联形成立体结构包裹和胶结土粒，在土壤压实的基础上，可以得到较好的抗压强度的土壤固化剂。而生物酶类固化剂通过向土壤加入固化酶，是土体中有机和无机物质会以较快的速度产生密实的、坚硬的结构层，并变得十分紧密而产生屏蔽作用，从而防止因吸收水分膨胀而降低密度。
但是，上述几类土壤固化剂只是对一般土壤有一定效果，由于高液限软土含水量高，水稳性差，强度低，不易压实的特殊性质，这几类土壤固化剂在用于处理高液限软土路基时成本高，效果差，不能满足实际工程的需要。到目前为止，仍然没有专用于高液限软土路基处理的土壤固化剂，因此，开发一种专用于高液限软土路基处理的土壤固化剂将对公路建设起到非常重要的作用。
发明内容
针对现有技术存在的问题和不足，本发明提供一种专用于高液限软土路基的土壤固化剂，经过室内配方试验的验证，本土壤固化剂对高液限软土的固化处理效果显著，大幅提高了土体的无侧限抗压强度和水稳性。
本发明为解决上述问题所采取的技术方案为：
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥35～45份、生石灰15～25份、粉煤灰25～35份、磺化油0.6～2.2份；
优选地，一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥44份、生石灰22份、粉煤灰33份、磺化油1.2份。
其中，所述的普通硅酸盐水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，28天抗压强度大于等于42.5MPa；
所述的生石灰为氧化钙，生石灰中的氧化钙纯度应大于等于95%，产品细度应在200～600目；
所述的粉煤灰为一级粉煤灰，45μm通过率大于等于88%，主要氧化物组成为:SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等；
所述的磺化油为一种阴离子表面活性剂，是动植物油脂与硫酸反应的脂类产物，纯度应大于等于80%。
本发明所涉及的是一种专用于高液限软土路基的无机—离子复合型土壤固化剂，包含无机成分和离子成分两部分。
普通硅酸盐水泥，生石灰，粉煤灰作为无机成分，其固化机理主要包括以下三个方面：①在水的作用下产生化学反应生成凝胶状的水化物来固化土壤；②在水的作用下产生钙、镁、铝离子与土体中的钠、钾进行置换，减小电膜层厚度；③与土混合作用产生结晶体，将土体中自由水以结晶水的形式存储下来，从而达到固化效果。
采用磺化油这种含有多种强离子的粘稠状液体物质作为离子成分，其固化机理主要为:①磺化油一般须经水稀释后使用，溶入水中后离子化，形成大量氢离子和氢氧根离子。这些离子进入土体后，与土壤颗粒发生反应，降低土壤颗粒表面双电层厚度，从而减少土壤颗粒对水的吸附能力，使得土壤颗粒表面吸附的结合水膜厚度减小。而结合水膜厚度减小后，土壤颗粒间的距离也会减小，颗粒间的斥力亦会减小，使得土壤颗粒排列更为紧密，结构更为密实，表现出来的便是土体的强度和稳定性得到提高；②磺化油在与土壤颗粒发生反应，其亲水基会与土壤颗粒发生阳离子交换作用使活性成分与土壤颗粒联结起来，而另一端的亲油基则会对外，使土壤颗粒由原本的亲水变为疏水，使得部分的吸附水得以排出。这一反应是不可逆的，因而可以彻底改善土壤的水稳定性，还不会对土壤原本的矿物晶格结构产生解体破坏；③在经过上述两种固化处理后，减弱了土体的亲水性，增强了土体的斥水性，且土颗粒的排列更为密实，颗粒间斥力减小。此时，再使用机械或者人工进行挤压密实，可以更轻易地使土体压密，强度也会得到提高。
本发明的有益效果是：
本发明针对高液限软土采用无机—离子相结合的复合型土壤固化剂，通过无机成分和离子成分的相互作用，极大地高液限软土的抗压强度和水稳性，且更易压实。
首先，磺化油在水中电离出大量的氢离子和氢氧根离子，离子与土颗粒表面的电荷进行反应，降低土壤颗粒表面双电层厚度，从而减少土壤颗粒对水的吸附能力，使得土壤颗粒表面吸附的结合水膜厚度减小；其次，磺化油的亲水基团与土颗粒结合，而另一端的亲油基则会对外，使土壤颗粒由原本的亲水变为疏水，使得部分的吸附水得以排出，这一反应是不可逆的，因而可以彻底改善土壤的水稳定性，还不会对土壤原本的矿物晶格结构产生解体破坏；然后，普通硅酸盐水泥，生石灰，粉煤灰作为无机成分在水的作用下产生化学反应生成凝胶状的水化物来固化土壤；最后，再使用机械或者人工进行挤压密实，可以更轻易地使土体压密，强度进一步得到提高。无机类固化成分（水泥、石灰及粉煤灰）与离子类固化成分（磺化油）的复合使用，克服了单一类固化剂的缺陷，填补了高液限软土路基固化处理领域的空白，极大地改善了高液限软土的力学性能。
此外，本发明所公开的一种用于高液限软土路基的土壤固化剂具有配方合理、抗压强度大、水稳性好、易压实、经济适用等优点，专用于高液限软土路基基层和底基层的固化处理。
具体实施方式
还可进一步通过实施例来理解本发明，其中所述实施例说明了一些制备或使用方
法。然而，要理解的是，这些实施例不限制本发明。现在已知的或进一步开发的本发明的变
化被认为落入本文中描述的和以下要求保护的本发明范围之内。
实例选用工程所在湖南洞庭湖区软土，现场采集然后封存。选用就近水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，生石灰，粉煤灰为主固化剂，磺化油作为添加剂进行实验。具体实施时，磺化油要提前溶于水中，充分电离，电离充分后和生石灰和粉煤灰一起加入处理好的土样充分搅拌均匀，放入密封袋中闷料24小时，闷料完成后加入水泥和剩余的水并搅拌均匀，一个小时后按规范制备试件。本次试验严格按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）进行操作，不做详述。其中将七天无侧限抗压强度作为抗压强度指标，水稳性指标采用浸水强度/不浸水强度。其中浸水强度为标准养护室养护六天，水中养护一天的七天无侧限抗压强度，不浸水强度为标准养护室养护七天的七天无侧限抗压强度。
实施例1
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为13.58%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥33份、生石灰33份、粉煤灰33份、磺化油0.6份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例2
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为18.08%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥33份、生石灰33份、粉煤灰33份、磺化油0.4份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例3
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为9.08%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥33份、生石灰33份、粉煤灰33份、磺化油0.9份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例4
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为10.66%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥28份、生石灰56份、粉煤灰14份、磺化油1.5份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例5
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为12.12%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥50份、生石灰37份、粉煤灰12份、磺化油1份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例6
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为9.2%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥49份、生石灰33份、粉煤灰16份、磺化油2.2份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例7
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为12.2%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥12份、生石灰49份、粉煤灰37份、磺化油1.6份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例8
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为10.7%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥56份、生石灰14份、粉煤灰28份、磺化油1.9份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例9
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为9.16%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥16份、生石灰49份、粉煤灰33份、磺化油1.7份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例10
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为13.7%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥22份、生石灰33份、粉煤灰44份、磺化油1.5份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例11
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为9.12%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥33份、生石灰16份、粉煤灰49份、磺化油1.3份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例12
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为12.16%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥37份、生石灰12份、粉煤灰49份、磺化油1.3份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例13
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为13.62%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥33份、生石灰44份、粉煤灰22份、磺化油0.9份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例14
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为13.66%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥44份、生石灰22份、粉煤灰33份、磺化油1.2份，实施方案见表1，检测结果见表3。
实施例15
本实施中，土壤固化剂占总质量（高液限软土+固化剂+水）的百分比为10.62%；
一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥14份、生石灰28份、粉煤灰56份、磺化油1.1份，实施方案见表1，检测结果见表3。
对比例1
本实施中，为了与传统无机类土壤固化剂进行比较，采用普通硅酸盐水泥作为无机类固化剂以一定比例添加到待加固的高液限软土中，按照常规的固化剂加固土的工程实施方法施工，然后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）分别测定固化土的七天无侧限抗压强度和水稳性指标，实施方案见表2，检测结果见表3。
对比例2
E51-2009）分别测定固化土的七天无侧限抗压强度和水稳性指标，实施方案见表2，检测结果见表3。 SS（有效成分为磺化油）为离子类固化剂以一定比例添加到待加固的高液限软土中，按照常规的固化剂加固土的工程实施方法施工，然后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG 本实施中，为了与离子类土壤固化剂进行比较，采用Condor
对比例3
本实施中，为了与高聚类土壤固化剂进行比较，采用现有技术中高聚物土壤固化剂，其主要成分为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物等的固化剂以一定比例添加到待加固的高液限软土中，按照常规的固化剂加固土的工程实施方法施工，然后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）分别测定固化土的七天无侧限抗压强度和水稳性指标，实施方案见表2，检测结果见表3。
对比例4
本实施中，为了与生物酶类土壤固化剂进行比较，采用派酶土壤固化剂以一定比例添加到待加固的高液限软土中，按照常规的固化剂加固土的工程实施方法施工，然后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）分别测定固化土的七天无侧限抗压强度和水稳性指标，实施方案见表2，检测结果见表3。
表1用于高液限软土路基的土壤固化剂实施方案。
表1为用于高液限软土路基的土壤固化剂实施方案。
表二 现有土壤固化剂实施方案。
表2为现有土壤固化剂实施方案。
表3 七天无侧限抗压强度及水稳性指标。
表3为用于高液限软土路基的土壤固化剂和现有土壤固化剂的强度及水稳性指标。由表三可以看出，在固化处理高液限软土基层或底基层时，与现有土壤固化剂（无机类土壤固化剂、离子类土壤固化剂、高聚类土壤固化剂、生物酶类土壤固化剂）相比，本发明具有更高的抗压强度和水稳性，这表明了本发明所提供的固化剂能够显著提高高液限软土的强度和耐水性能。
当然，上面只是本发明优选的具体实施方式作了详细描述，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明的原理、构造以及结构所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种用于高液限软土路基的土壤固化剂，其特征在于：所述的用于高液限软土路基的土壤固化剂是由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥35～45份、生石灰15～25份、粉煤灰25～35份、磺化油0.6～2.2份；
其中，所述的普通硅酸盐水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，28天抗压强度大于等于42.5MPa；
所述的生石灰为氧化钙，生石灰中的氧化钙纯度应大于等于95%，产品细度应在200～600目；
所述的粉煤灰为一级粉煤灰，45μm通过率应大于等于88%，氧化物组成为:SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO和TiO2；
所述的磺化油为一种阴离子表面活性剂，是动植物油脂与硫酸反应的脂类产物，纯度应大于等于80%。
2.根据权利要求1所述的用于高液限软土路基的土壤固化剂，其特征在于：由以下重量份配比的各组分制成：普通硅酸盐水泥44份、生石灰22份、粉煤灰33份和磺化油1.2份。
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