CN111116153B

CN111116153B - 一种适用于滨海地区土体的无机复合固化剂及制备方法

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Publication number: CN111116153B
Application number: CN201911328851.8A
Authority: CN
Inventors: 黄志义; 江训利; 张磊
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN111116153A

Abstract

本发明公开了一种适用于滨海地区土体的无机复合固化剂及制备方法，该无机复合固化剂按质量百分比计，由85％‑95％主固化剂和5％‑15％外加剂组成；其中主固化剂由水泥30％‑70％，石灰30％‑70％组成；外加剂由聚合氯化铝20％‑40％、聚合氯化铁20％‑40％、活性氧化镁10％‑30％、硫酸钙10％‑30％、氯化钙5％‑30％和碳酸钙5％‑30％组成。制备时先按比例称取各组分，并分别混合均匀得到主固化剂和外加剂，再按比例将主固化剂和外加剂拌合均匀得到无机复合固化剂。将该无机复合固化剂用于固化滨海地区土体，可以有效提高滨海地区土体的抗压强度、水稳定性和抗开裂性能，解决了传统水泥、石灰对滨海地区含盐量较高的粉土、黏土，以及工程性质较差的淤泥及淤泥质土的固化效果差的难题。

Description

一种适用于滨海地区土体的无机复合固化剂及制备方法

技术领域

本发明涉及一种适用于滨海地区土体的高效无机复合固化剂，通过固化后能使滨海地区废弃的粉土、黏土、淤泥及淤泥质土用作路基填料、基层及底基层的修筑，属于道路工程领域。

背景技术

当前，全国各地越来越重视环境和矿山资源保护，正陆续关停现有石料矿，道路建设宕渣和水泥稳定碎石的石料的来源日益不足。另一方面，随着社会经济和城市建设的发展，建筑弃土等土方日益增多且体量巨大，解决建筑弃土出路已经成为环境保护的突出问题。为了解决以上问题，采用土壤固化技术成为一种切实可行，高效经济的办法。土壤固化技术是指在土中添加一定量的固化剂，通过碾压成型及养生，使土体达到工程应用性能要求。

目前采用较多的固化材料主要是传统的无机材料，如水泥、石灰等。但水泥土和石灰土都存在一定缺点，如水泥土易开裂，石灰土水稳定性差、早期强度低等。其中最为突出的问题是水泥和石灰对土的要求高，适应范围窄，其对盐渍土、膨胀土、淤泥及淤泥质土以及含盐量高的粉土固化效果差，甚至没有效果。而对于滨海地区，存在大量建筑废弃土，其中就包括含盐量较高的粉土和黏土，以及工程性质较差的淤泥及淤泥质土，这些土采用传统的无机固化剂进行固化，固化效果都较差，很难满足工程性能要求。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于滨海地区土体的固化剂。通过高效无机复合固化剂固化后，使废弃的滨海地区土体能满足道路路基填筑、基层及底基层修筑的性能要求，既能缓解道路筑路材料短缺的现状，也能将随意堆弃的建筑废弃土体资源化利用，实现环境和经济的双赢。

本发明采用的技术方案如下：

一种适用于滨海地区土体的无机复合固化剂，按质量百分比计，由85％-95％主固化剂，5％-15％外加剂组成；其中主固化剂由质量占比为30％-70％的水泥和30％-70％石灰组成；外加剂由质量占比为20％-40％聚合氯化铝、20％-40％聚合氯化铁、10％-30％活性氧化镁、10％-30％硫酸钙、5％-30％氯化钙和5％-30％碳酸钙组成。

进一步地，按质量百分比计，由以下原料制备而成：40％水泥，48％石灰，3％聚合氯化铝，3％聚合氯化铁，1.2％活性氧化镁、1.8％硫酸钙，1.5％氯化钙，1.5％碳酸钙。

进一步地，按质量百分比计，有以下原料制备而成：30％水泥，55％石灰，4％聚合氯化铝，3％聚合氯化铁，2％活性氧化镁、3％硫酸钙，1.5％氯化钙，1.5％碳酸钙。

一种上述适用于滨海地区土体的无机复合固化剂的制备方法，按比例称取水泥和石灰拌和均匀得到主固化剂；再按比例称取聚合氯化铝、聚合氯化铁、活性氧化镁、硫酸钙、氯化钙和碳酸钙将其拌和，制得外加剂；最后按比例称取主固化剂和外加剂，拌和均匀制得无机复合固化剂。

本发明的无机复合固化剂可用于固化滨海地区土体制备固化土，其中本发明的无机复合固化剂占干土质量的1％-10％，水按照固化土混合料最佳含水率添加。保证压实度达到93％以上。养生后即可制得抗压强度高、水稳定性好和抗开裂性能高的滨海地区土体固化土，该固化土可用作路基填料、基层及底基层的修筑。

本发明的有益效果是：

本发明所提出的无机复合固化剂具备以下优点：与传统水泥石灰固化效果相比，通过采用合理的土壤固化剂配方，能使滨海地区废弃的粉土、黏土、淤泥及淤泥质土抗压强度有效提高，水稳定性和开裂性能有明显的提升，使其能满足道路路基填筑、基层及底基层的性能要求，有效解决了滨海地区废弃土体的资源化利用关键技术难题。固化剂最主要的特点在于添加了一定量的外加剂，通过这些外加剂的激发和表面改性作用，可以有效的解决滨海地区含盐量较高的粉土、黏土，及工程性质较差的淤泥、淤泥质土不易被水泥石灰等固化的难题。其关键技术在于：外加剂中存在一定比例的无机高分子聚合物，如聚合氯化铝、聚合氯化铁。通过离子交换反应，无机高分子聚合物(Al³⁺、Fe³⁺)与土中大量存在的低价阳离子(K⁺、Na⁺)发生高效的置换反应，从而有效减薄土壤双电层厚度，并使土壤中的钠盐含量减少，促进水泥石灰的火山灰反应有效进行。同时无机高分子聚合物还有表面改性作用，能使土壤表面亲水性减弱，疏水性能增强，从而有效增强固化土的水稳定性。外加剂中还存在一定比例的钙盐和镁盐，钙盐、镁盐都能有效增强水泥石灰与土之间的化学反应。其中活性氧化镁和硫酸钙具有微膨胀效应，通过合适比例的调配，两者在一起能达到双膨胀效果，即硫酸钙能促进钙矾石生成，早期膨胀效果较好；活性氧化镁具有缓慢膨胀特性，能有效促进后期膨胀。两者相互作用，能形成最佳微膨胀效果，减少固化土的内部孔隙，增强土体密实性，从而使固化土的水稳定性和开裂性能增强。氯化钙和碳酸钙也具有促进离子交换的能力，同时能促进水泥石灰的碳酸化反应和硬凝反应。这些外加剂之间又存在相互作用相互促进的能力，从而使固化土具有较好的抗压强度、水稳定性和抗开裂性能。

具体实施方式

以下将对本发明提供对的利用无机复合固化剂制备滨海地区粉土固化土的方法作进一步说明：

本发明提供一种无机复合固化剂，可用于固化滨海地区土体，包括粉土、黏土、淤泥及淤泥质土，固化滨海地区土体的具体制备步骤：

1、提供固化剂原材料：水泥、石灰、聚合氯化铝、聚合氯化铁、活性氧化镁、硫酸钙、氯化钙、碳酸钙。

2、根据滨海地区土体的具体物理化学性质，调整各组成材料之间的比值。并拌和均匀得到无机复合固化剂。

3、提供需要固化的土体，根据滨海地区土体的性质及路基性能要求，确定固化剂掺量，一般固化剂掺量为干土质量的1-10％。然后将土与固化剂拌和均匀。

4、提供水，水的掺量应接近固化土混合料最佳含水率，。将水与土和固化剂拌和均匀。

5、进行装料碾压，碾压需保证压实度93％以上。然后覆盖土工膜进行洒水养生，养生时间为3-7天。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

无机复合固化剂的制备：称取水泥4kg，石灰5kg，聚合氯化铝0.2kg，聚合氯化铁0.25kg，活性氧化镁0.1kg、硫酸钙0.1kg，氯化钙0.3kg，碳酸钙0.05kg。先将水泥石灰拌和均匀，然后将聚合氯化铝、聚合氯化铁、活性氧化镁、硫酸钙、氯化钙、碳酸钙混合并拌和均匀，最后将水泥石灰混合料与外加剂混合料拌和均匀得到复合无机固化剂。

实施例2

无机复合固化剂的制备：称取水泥5kg，石灰7kg，聚合氯化铝0.2kg，聚合氯化铁0.35kg，活性氧化镁0.2kg、硫酸钙0.2kg，氯化钙0.25kg，碳酸钙0.01kg。先将水泥石灰拌和均匀，然后将聚合氯化铝、聚合氯化铁、活性氧化镁、硫酸钙、氯化钙、碳酸钙混合并拌和均匀，最后将水泥石灰混合料与外加剂混合料拌和均匀得到复合无机固化剂。

实施例3

无机复合固化剂的制备：称取水泥4kg，石灰4.8kg，聚合氯化铝0.3kg，聚合氯化铁0.3kg，活性氧化镁0.12kg、硫酸钙0.18kg，氯化钙0.15kg，碳酸钙0.15kg。先将水泥石灰拌和均匀，然后将聚合氯化铝、聚合氯化铁、活性氧化镁、硫酸钙、氯化钙、碳酸钙混合并拌和均匀，最后将水泥石灰混合料与外加剂混合料拌和均匀得到复合无机固化剂。

实施例4

无机复合固化剂的制备：称取水泥3kg，石灰5.5kg，聚合氯化铝0.4kg，聚合氯化铁0.3kg，活性氧化镁0.2kg、硫酸钙0.3kg，氯化钙0.15kg，碳酸钙0.15kg。先将水泥石灰拌和均匀，然后将聚合氯化铝、聚合氯化铁、硫酸钙、氯化钙、碳酸钙混合并拌和均匀，最后将水泥石灰混合料与外加剂混合料拌和均匀得到复合无机固化剂。

实施例5

无机复合固化剂的制备：称取水泥13kg，石灰6kg，聚合氯化铝0.2kg，聚合氯化铁0.2kg，活性氧化镁0.3kg、硫酸钙0.1kg，氯化钙0.05kg，碳酸钙0.25kg。先将水泥石灰拌和均匀，然后将聚合氯化铝、聚合氯化铁、活性氧化镁、硫酸钙、氯化钙、碳酸钙混合并拌和均匀，最后将水泥石灰混合料与外加剂混合料拌和均匀得到复合无机固化剂。

对比例

将粉土作为对照组1；将只加入水泥固化的粉土作为对照组2；将只加石灰固化的粉土作为对照组3；将黏土作为对照组4；将只加入水泥固化的黏土作为对照组5；将只加石灰固化的黏土作为对照组6；将淤泥土作为对照组7；将只加入水泥固化的淤泥土作为对照组8；将只加石灰固化的淤泥土作为对照组9水泥和石灰的掺量都为5％，压实度控制为95％。

无机复合固化土的制备：以实施例1-5中得到的固化剂进行固化土制备。固化剂掺量为5％。先按照配方做击实试验确定固化土最佳含水率和最大干密度。再分别称取实施例1-5中制备的固化剂0.25kg，分别与5kg滨海地区土体混合。水的质量按测得的最佳含水率添加：m_水＝m_土×ω₀，其中m_水为水的添加质量，m_土为固化土干质量，ω₀为固化土最佳含水率。然后拌和均匀，装入模具中。然后压实，压实度为95％，保载2分钟，然后脱膜，放入标准养护室进行养生，养生到龄期，取出测试。测试内容包括7天，28天浸水和不浸水无侧限抗压强度和28天浸水劈裂强度。

上述实验中，实施例1-2的固化剂固化滨海地区粉土、实施例3的固化剂固化滨海地区的黏土、实施例4-5的固化剂固化滨海地区的淤泥土，不同固化土比较分析结果如表1所示：

表1不同固化剂固化效果对比结果

分析表1中，比较了滨海地区土体的原样土(粉土、黏土及淤泥土)、采用水泥固化不同土体得到的水泥土、石灰固化不同土体得到的石灰土以及本发明提供的固化剂固化得到的固化土。通过无侧限抗压强度、劈裂强度和水稳定系数等指标可以明显看到，本发明固化剂的固化得到的固化土无论是粉土、黏土还是淤泥土，其抗压强度、抗裂性能以及水稳定性都要明显好于传统的水泥土和石灰土。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，采用合理的固化剂配方，可以固化得到抗压强度高，水稳定性好，抗裂性能优越的固化土；与传统的水泥、石灰等无机材料相比，具有更好的性能和经济、环境效益，还能解决水泥、石灰在土壤加固时难以解决的一些特殊问题，尤其是对滨海地区的含盐量较高的粉土、黏土以及工程性质较差的淤泥及淤泥质土具有独特的土壤固化效果和工程应用价值，可广泛用于公路路基填筑、基层及底基层的修筑及建筑地基的处理等领域。

Claims

1.一种适用于滨海地区土体的无机复合固化剂，其特征在于，按质量百分比计，由85％-95％主固化剂，5％-15％外加剂组成；其中主固化剂由质量占比为30％-70％的水泥和30％-70％石灰组成；外加剂由质量占比为20％-40％聚合氯化铝、20％-40％聚合氯化铁、10％-30％活性氧化镁、10％-30％硫酸钙、5％-30％氯化钙和5％-30％碳酸钙组成。

2.根据权利要求1所述一种无机复合固化剂，其特征在于，按质量百分比计，由以下原料制备而成：40％水泥，48％石灰，3％聚合氯化铝，3％聚合氯化铁，1.2％活性氧化镁、1.8％硫酸钙，1.5％氯化钙，1.5％碳酸钙。

3.根据权利要求1所述一种无机复合固化剂，其特征在于，按质量百分比计，有以下原料制备而成：30％水泥，55％石灰，4％聚合氯化铝，3％聚合氯化铁，2％活性氧化镁、3％硫酸钙，1.5％氯化钙，1.5％碳酸钙。

4.一种权利要求1所述适用于滨海地区土体的无机复合固化剂的制备方法，其特征在于，按比例称取水泥和石灰拌和均匀得到主固化剂；再按比例称取聚合氯化铝、聚合氯化铁、活性氧化镁、硫酸钙、氯化钙和碳酸钙将其拌和，制得外加剂；最后按比例称取主固化剂和外加剂，拌和均匀制得无机复合固化剂。