CN110590253A - 用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法 - Google Patents

用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，该钢渣复合基材制备过程包含成分增补和活性激发两关键工艺，其中成分增补以水泥三率值（硅率，铝率、石灰饱和度）指标控制各物质组分，即钢渣含量为26～38%，石灰含量为55～64%，偏高岭土含量为7～10%；活性激发所使用的激发剂为NaCl、NaOH、Na2SO4中的一种，含量为3～8%，膨胀土中钢渣复合基材掺量为3～10%。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用成分增补和活性激发技术形成一种新型胶凝材料，并用于膨胀土的改良中，既增加了钢渣的利用率，又抑制了膨胀土的膨胀势，增强了路基路面的强度和稳定性，满足其安全舒适性要求，是一种工业固废资源化利用的新途径。

Description

用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法
技术领域
本发明属于土木工程和交通运输工程路基处理技术领域，尤其涉及一种用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，。
背景技术
膨胀土也是一种重要的地区性特殊土类，按照我国《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112-87）中的定义，膨胀土是一种土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土。众所周知，一般粘性土也都有膨胀、收缩特性，但其量不大，对工程没有太大的实际意义；而膨胀土的膨胀—收缩—再膨胀的周期性变形特性非常显著，并常给工程带来危害。膨胀土在我国分布范围很广，据现有的资料，广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等20多个省、自治区、市均有膨胀土。膨胀土的危害是潜在、长期和反复的，美国工程界称之为“隐藏的灾害”。据统计，美国每年用于解决膨胀土危害的成本高达几十亿美元，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成的损失之合。
固化/稳定技术（S/S技术）是处理膨胀土路基的常用手段之一，已有数十年的历史。常用的土体改良剂主要有水泥、石灰和石膏等，这些改良剂具有显著提高土体力学特性的作用，但也存在一定的局限性。水泥、石灰等材料的生产需要消耗大量不可再生的黏土矿物和能源，同时排放CO2、SO2等有害温室气体。水泥土经过一定时间养护后呈强碱性，其形成碱性环境对地下水安全和地下构筑物的正常使用均产生一定的威胁。水泥土的持水能力和营养成分较天然土差，周围动植物的生存和繁衍也会受到影响。目前，中国针对膨胀土路基的改良技术仍不成熟，缺少经济、高效和环境友好的改良剂。
钢渣是冶金工业中产生的废渣，工业固废之一，其产生率为粗钢产量的8～15%，中国的钢渣产生量随着钢铁工业的快速发展而迅速递增，因此，钢铁企业废渣的处理和资源化利用问题也越来越受到重视。国家“十一五”发展规划中指出，钢渣的综合利用率应达86%以上，基本实现“零排放”。然而，中国目前综合利用的现状与该规划相差甚远，尤其是素有“劣质水泥熟料”之称的转炉钢渣的利用率仅为10～20%。国内钢铁企业产生的钢渣不能及时处理，致使大量钢渣占用土地，污染环境。然而钢渣并非不可用固体废弃物，其中含有大量的渣钢、氧化钙、铁以及氧化镁等可利用组分。
本发明以工业废弃物再生利用为出发点，提出一种用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，借鉴水泥熟料生产流程，通过成分增补和活性激发两关键工艺，突破了钢渣胶凝性不明显这一限制，显著增强了膨胀土路基强度和水稳性，具有巨大的工程应用潜力。
发明内容
未解决上述技术问题，本发明提供了一种用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，借鉴水泥熟料生产流程，通过成分增补和活性激发两关键工艺，突破了钢渣胶凝性不明显这一限制，显著增强了膨胀土路基强度和水稳性，具有巨大的工程应用潜力。
为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：
用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，该方法包括以下步骤：
1）将钢渣、石灰、偏高岭土翻晒后低温烘干，取适量按比例混合搅拌均匀得到成分增补钢渣，然后按比例添加活性激发剂并搅拌得到钢渣复合基材；
2）按比例在路基膨胀土中掺入钢渣复合基材，以室内试验获得的最大干密度和最优含水率为调控依据掺入适量水，并搅拌均匀得到改性路基膨胀土；
3）将改性路基膨胀土铺设在路基上，分层碾压均匀；
4）碾压完毕后，养护3～7天，进行下一道工序。
进一步的，步骤1）中成分增补水泥三率值控制方法为：
（1）
（2）
（3）
式中CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3均指各氧化产物所的质量分数，C3S、C2S、C3A、C4AF分别为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙及它们所对应的质量分数。
进一步的，步骤1）中的钢渣取自二次钢渣加工厂，采用湿式磁选法进行预处理，主要矿物成分有γ-Ca2SiO4、β-Ca2SiO4和Ca3SiO5，含有水泥熟料基本矿物，具有潜在胶凝性。
进一步的，步骤1）中的成分增补以水泥三率值指标控制各物质组分，即钢渣含量为26～38%，石灰含量为55～64%，偏高岭土含量为7～10%；活性激发所使用的激发剂为NaCl、NaOH、Na2SO4中的一种，均为化学分析纯粉末试剂，激发剂用量为3～8%。
进一步的，步骤2）中的膨胀土天然含水率为10～25%，塑性指数为15～40，自由膨胀率为50～90%，为中弱度膨胀土。
进一步的，步骤2）所述路基膨胀土中钢渣复合基材掺量为3～10%，控制其最大干密度为1.65～1.78g/cm3，最优含水率为18～20%，然后在频率为20～50Hz的搅拌机中搅拌5～10分钟。
进一步的，步骤3）所述分层碾压过程中，每层松铺厚度为20～30cm。
进一步的，步骤3）所述压实机具为10～15t振动压路机，钢轮振动频率为25～35HZ，碾压时直线段由路边向路中进行，曲线段由内侧向外侧碾压。
进一步的，步骤3）所述碾压方法为每一施工段上的复合基材固化膨胀土基本推平以后，用压路机静压一遍，振动碾压5～8遍，再静压一遍。碾压速度控制在3～4km/h，行与行轮距重叠为20～50cm，压实度控制为90～95%。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、借鉴水泥熟料生产工艺，控制三率值（硅率，铝率、石灰饱和度），将钢渣这一工业废弃物通过成分增补和活性激发技术发挥其潜在胶凝效应，具有一定的创新性；
2、钢渣复合基材用于改性膨胀土路基，能显著提高路基力学性能，减小膨胀势，增强耐久性；
3、原料来源广泛，施工方便简易，不需要复杂的施工工艺和大型设备；
4、将钢渣部分取代传统固化剂，具有良好的经济效益和环保效益。
附图说明
图1为本发明改性膨胀土CBR值随钢渣复合基材掺量变化规律。
图2为本发明改性膨胀土最优含水率和最大干密度随钢渣复合基材掺量变化规律。
图3为本发明不同钢渣复合基材掺量下改性膨胀土塑性图。
图4为本发明不同钢渣复合基材掺量下改性膨胀土无侧限抗压强度、液限、塑性指数、自有膨胀率变化规律。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
需要说明的是，图1-图4中，钢渣复合基材采用成分增补和活性激发得到，成分增补部分钢渣含量为30%、石灰含量为60%，偏高岭土含量为10%；活性激发剂为5% Na2SO4粉末试剂。
实施例1：
用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，包括以下步骤：
（1）钢渣取自二次钢渣加工厂，采用湿式磁选法进行预处理，然后分别将钢渣、石灰、偏高岭土翻晒后在50℃下低温烘干，按质量比取38%钢渣，55%石灰，7%偏高岭土混合搅拌均匀得到成分增补钢渣，然后取3%含量Na2SO4化学分析纯粉末试剂作为成分增补钢渣的激发剂，得到钢渣复合基材；
（2）向天然含水率为10%，塑性指数为30，自由膨胀率为50%的路基膨胀掺入10%钢渣复合基材，控制其最大干密度为1.65g/cm3，最优含水率为20%，然后在频率为20Hz的搅拌机中搅拌10分钟得到改性路基膨胀土；
（3）将改性路基膨胀土在拌和完成后的2小时内均匀松铺在路基上，每层松铺厚度为20cm；
（4）采用振动压路机对路基进行分层碾压，压实机具为10t振动压路机，钢轮振动频率为25HZ，碾压时直线段由路边向路中进行，曲线段由内侧向外侧碾压，碾压方法为每一施工段上的固化黄土基本推平以后，用压路机静压一遍，振动碾压6遍，再静压一遍。碾压速度控制在3km/h，行与行轮距重叠为50cm，压实度控制为90%；
（5）碾压完毕后，养护7天，进行下一道工序。
实施例2：
用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，包括以下步骤：
（1）钢渣取自二次钢渣加工厂，采用湿式磁选法进行预处理，然后分别将钢渣、石灰、偏高岭土翻晒后在53℃下低温烘干，按质量比取35%钢渣，57%石灰，8%偏高岭土混合搅拌均匀得到成分增补钢渣，然后取7%含量Na2SO4化学分析纯粉末试剂作为成分增补钢渣的激发剂，得到钢渣复合基材；
（2）向天然含水率为15%，塑性指数为40，自由膨胀率为60%的路基膨胀掺入7%钢渣复合基材，控制其最大干密度为1.70g/cm3，最优含水率为19%，然后在频率为30Hz的搅拌机中搅拌8分钟得到改性路基膨胀土；
（3）将改性路基膨胀土在拌和完成后的2小时内均匀松铺在路基上，每层松铺厚度为23cm；
（4）采用振动压路机对路基进行分层碾压，压实机具为11t振动压路机，钢轮振动频率为28HZ，碾压时直线段由路边向路中进行，曲线段由内侧向外侧碾压，碾压方法为每一施工段上的固化黄土基本推平以后，用压路机静压一遍，振动碾压7遍，再静压一遍。碾压速度控制在3.3km/h，行与行轮距重叠为40cm，压实度控制为92%；
（5）碾压完毕后，养护6天，进行下一道工序。
实施例3：
用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，包括以下步骤：
（1）钢渣取自二次钢渣加工厂，采用湿式磁选法进行预处理，然后分别将钢渣、石灰、偏高岭土翻晒后在57℃下低温烘干，按质量比取30%钢渣，61%石灰，9%偏高岭土混合搅拌均匀得到成分增补钢渣，然后取5%含量NaOH化学分析纯粉末试剂作为成分增补钢渣的激发剂，得到钢渣复合基材；
（2）向天然含水率为20%，塑性指数为25，自由膨胀率为80%的路基膨胀掺入5%钢渣复合基材，控制其最大干密度为1.75g/cm3，最优含水率为18.5%，然后在频率为40Hz的搅拌机中搅拌6分钟得到改性路基膨胀土；
（3）将改性路基膨胀土在拌和完成后的2小时内均匀松铺在路基上，每层松铺厚度为28cm；
（4）采用振动压路机对路基进行分层碾压，压实机具为13t振动压路机，钢轮振动频率为32HZ，碾压时直线段由路边向路中进行，曲线段由内侧向外侧碾压，碾压方法为每一施工段上的固化黄土基本推平以后，用压路机静压一遍，振动碾压8遍，再静压一遍。碾压速度控制在3.8km/h，行与行轮距重叠为30cm，压实度控制为93%；
（5）碾压完毕后，养护5天，进行下一道工序。
实施例4：
用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，包括以下步骤：
（1）钢渣取自二次钢渣加工厂，采用湿式磁选法进行预处理，然后分别将钢渣、石灰、偏高岭土翻晒后在60℃下低温烘干，按质量比取26%钢渣，64%石灰，10%偏高岭土混合搅拌均匀得到成分增补钢渣，然后取8%含量NaCl化学分析纯粉末试剂作为成分增补钢渣的激发剂，得到钢渣复合基材；
（2）向天然含水率为25%，塑性指数为15，自由膨胀率为90%的路基膨胀掺入3%钢渣复合基材，控制其最大干密度为1.78g/cm3，最优含水率为18%，然后在频率为50Hz的搅拌机中搅拌5分钟得到改性路基膨胀土；
（3）将改性路基膨胀土在拌和完成后的2小时内均匀松铺在路基上，每层松铺厚度为30cm；
（4）采用振动压路机对路基进行分层碾压，压实机具为15t振动压路机，钢轮振动频率为35HZ，碾压时直线段由路边向路中进行，曲线段由内侧向外侧碾压，碾压方法为每一施工段上的固化黄土基本推平以后，用压路机静压一遍，振动碾压5遍，再静压一遍。碾压速度控制在4km/h，行与行轮距重叠为20cm，压实度控制为95%；
（5）碾压完毕后，养护3天，进行下一道工序。
本发明以工业废弃物再生利用为出发点，提出一种用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，借鉴水泥熟料生产流程，以水泥三率值（硅率，铝率、石灰饱和度）指标控制各物质组分完成成分增补，以NaCl、NaOH、Na2SO4等化学试剂完成活性激发，突破了钢渣胶凝性不明显这一限制，并首次将其应用于膨胀土改性中，显著增强了膨胀土路基强度和水稳性，具有良好的经济效益和环保效益，可推广至其他类型特殊土路基的固化/稳定化中。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将钢渣、石灰、偏高岭土翻晒后低温烘干，随后混合搅拌均匀得到成分增补钢渣，接着添加活性激发剂并搅拌得到钢渣复合基材；
2）在路基膨胀土中掺入钢渣复合基材，以室内试验获得的最大干密度和最优含水率为调控依据掺入适量水，并搅拌均匀得到改性路基膨胀土；
3）将改性路基膨胀土铺设在路基上，分层碾压均匀；
4）碾压完毕后，养护3～7天，进行下一道工序。
2.根据权利要求1所述的用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，其特征在于：所述步骤1）中的成分增补以水泥三率值指标控制各物质组分，即钢渣含量为26～38%，石灰含量为55～64%，偏高岭土含量为7～10%；活性激发剂为NaCl、NaOH、Na2SO4中的一种，含量为3～8%。
3.根据权利要求1所述的用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，其特征在于：所述步骤2）中的路基膨胀土中钢渣复合基材掺量为3～10%，最大干密度为1.65～1.78g/cm3，最优含水率为18～20%。
4.根据权利要求1所述的用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，其特征在于：所述步骤3）中的压实机具为10～15t振动压路机，钢轮振动频率为25～35HZ，碾压时直线段由路边向路中进行，曲线段由内侧向外侧碾压。
5.根据权利要求1所述的用于改性膨胀土路基的钢渣复合基材的制备及填筑方法，其特征在于：所述步骤3）中的碾压方法为每一施工段上的复合基材固化膨胀土基本推平以后，用压路机静压一遍，振动碾压5～8遍，再静压一遍，碾压速度控制在3～4km/h，行与行轮距重叠为20～50cm。
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