CN111139078A - 一种改良膨胀土及其制备方法、施工方法和应用 - Google Patents

一种改良膨胀土及其制备方法、施工方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改良膨胀土及其制备方法、施工方法和应用，改良膨胀土包括质量百分比为12％～16％的锂渣，质量百分比为4％的碱，质量百分比为80％～84％的所需改良土体的膨胀土，改良膨胀土由锂渣、碱和膨胀土均匀混合而成。本发明中，在碱掺入的情况下利用废弃的锂渣来改良膨胀土，既节约了工程成本，又使锂渣得到再利用，保护了环境，又为减少膨胀土引起的工程灾害开拓了一个新的改良方法，废弃的锂渣作为粗骨料添加，可以起到骨架作用，并且还可以改善混合物级配，使得锂渣在膨胀土中均匀分布，具有优良的物理性能，属于物理改良方法，经改良后的膨胀土可以大大减弱其膨胀性，消除干湿循环带来的裂隙，提高了水稳定性，满足工程所需强度。

Description

一种改良膨胀土及其制备方法、施工方法和应用
技术领域
本发明属于地基技术领域，具体而言，涉及一种改良膨胀土及其制备方法、施工方法和应用。
背景技术
膨胀土是一种工程性质极差的特殊性粘土，因含有蒙脱石、伊利石和高岭土等亲水性矿物，这使膨胀土具有遇水膨胀变形和失水收缩开裂的不良工程特性。我国膨胀土覆盖区域非常广泛，主要分布在华北地区、华中地区、华东地区和西南地区，在东北地区和华南地区也有少量分布。每年因膨胀土受损的建筑面积超过10km2，造成严重的经济损失。
因此，对膨胀土采取有效的处理，这对工程建设来说具有重要的意义。目前处理膨胀土主要有换填法、预膨胀法、含水率稳定法、隔离法、压实控制法、桩基法和改良法等。当遇到区域性的膨胀土时，换填法的工程造价太高，而且不太现实；压实控制法对于施工工艺要求较高，且膨胀土的压实程度不易控制；膨胀土中含水率难以保持稳定，容易随气候和地下水水位的变化而变化，所以，含水率稳定法实际效果较差。采用以上方法处理膨胀土问题效果不好，因此，工程中常采用向膨胀土中加入改良剂的方法来处理膨胀土。
固体废弃物在改良膨胀土上有着改善环境、减少成本和降低自然资源的消耗等优点，这使得固体废弃物改良膨胀土成为一种研究趋势，具有广泛的研究前景。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种改良膨胀土及其制备方法、施工方法和应用，能有效的解决膨胀土的胀缩变形带来的路基破坏问题及提高膨胀土的强度，易于推广。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种改良膨胀土，改良膨胀土包括质量百分比为12％～16％的锂渣，质量百分比为4％的碱，质量百分比为80％～84％的所需改良土体的膨胀土，改良膨胀土由锂渣、碱和膨胀土均匀混合而成。
本技术方案中，进一步地，锂渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅48.56～56.24％、三氧化二铝15.36～19.43％、氧化钙10.94～14.65％、三氧化硫4.40～7.41％。
进一步地，碱为NaOH、Ca(OH)2、KOH中的一种。
进一步地，上述改良膨胀土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取12％～16％的锂渣，4％的碱，80％～84％的所需改良土体的膨胀土，混合均匀；
(2)按照《公路土工试验规程》JTG E40-2007中重型击实试验确定混合土的最佳含水率。
(3)按确定的最佳含水率的含水量添加水到步骤(1)得到的混合膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料2～3天，即得到用锂渣和碱改良的膨胀土。
进一步地，上述改良膨胀土的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将改良膨胀土运至场地，均匀铺平；
(2)检测改良膨胀土的含水率达到最佳含水率后，使用压路机快速静压并精确整平；
(3)碾压路面至所需强度。
进一步地，步骤(1)中，改良膨胀土的铺设厚度为30～35cm。
进一步地，上述改良膨胀土在路基填料领域中的应用。
有益效果
本技术方案中，在碱掺入的情况下利用废弃的锂渣来改良膨胀土，既节约了工程成本，又使锂渣得到再利用，保护了环境，又为减少膨胀土引起的工程灾害开拓了一个新的改良方法，废弃的锂渣作为粗骨料添加，可以起到骨架作用，并且还可以改善混合物级配，使得锂渣在膨胀土中均匀分布，具有优良的物理性能，属于物理改良方法，经改良后的膨胀土可以大大减弱其膨胀性，消除干湿循环带来的裂隙，提高了水稳定性，满足工程所需强度。
本技术方案中改良膨胀土的改良原理如下：
锂渣含有较多的Al3+、Ca2+和Fe3+等高价阳离子。当掺入膨胀土后，锂渣中的阳离子在碱和水的侵蚀下溶解出来，与膨胀土中土颗粒表面的K+和Na+发生离子交换，置换后土颗粒表面的结合水膜变薄，亲水性降低，土颗粒之间的引力变大，膨胀土的膨胀性变弱。此外，锂渣中的CaO成分在水的作用下生成Ca(OH)2，空气中含有的CO2气体很容易与Ca(OH)2结合反应生成水稳定性好、强度高的CaCO3，提高了土体的强度。锂渣主要的化学成分为SiO2、Al2O3和CaO，具有潜在的火山灰活性。NaOH作为激发剂，在掺入土样中，迅速溶解于水中，电离出的OH－与锂渣颗粒表面接触，侵蚀锂渣中的玻璃体并使之溶解，在此过程中OH－离子破坏硅氧键、铝氧键和铝硅氧键，进一步促使SiO2的溶解，生成具有胶凝作用的水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物，从而使胶凝更进一步的发展，进而有效提高膨胀土强度，属于化学改良，本发明有效的结合了物理改良和化学改良方法的优点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
配制2kg的改良膨胀土，改良膨胀土的制备方法如下：
(1)按照配比为84％称取1.68kg的膨胀土，按照配比为12％的锂渣掺量称取锂渣为0.24kg，按照配比为4％的碱掺量称取NaOH为80g；
(2)将上述物料混合均匀后，根据《公路土工试验规程》JTG E40-2007中重型击实试验中得到最优含水率为20％，即加入0.4kg的水，搅拌均匀；
(3)在自然条件下闷料2天，即得到改良膨胀土。
其中，锂渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅52.13％、氧化铝17.25％、氧化钙13.32％、三氧化硫7.31％。
上述改良膨胀土的施工方法如下：
(1)将改良膨胀土运至场地，均匀铺平，铺设厚度为35cm；
(2)检测改良膨胀土的含水率达到最佳含水率后，使用压路机快速静压并精确整平；
(3)碾压路面至所需强度。
对采用本实施例方法处理的膨胀土地基进行膨胀率、无侧限抗压强度、抗剪强度实验，以此测试改良后地基的膨胀率、抗压强度、抗剪强度变化特征。表1为未处理膨胀土试样、按照实施例1的方法处理后的地基膨胀土试样以及对比例的试验结果。
表1试验结果
Figure BDA0002362579370000031
从上表的试验结果来看，仅加入锂渣与仅加入碱改良效果远不如加入锂渣和碱，因为碱作为激发剂，在掺入土样中迅速溶解于水中，电离出的OH—与锂渣颗粒表面接触，侵蚀锂渣中的玻璃体并使之溶解。在此过程中OH—离子破坏硅氧键、铝氧键和铝硅氧键，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，能够提高土体强度。
本发明所用材料及技术方案改良膨胀土得到的填料较膨胀土在工程性质上得到了很大的提升，自由膨胀率大幅度的下降，无侧限抗压强度、抗剪强度大幅度的提升，亲水性能降低，此外土体的粘聚力明显增强。按照《公路土工试验规程》JTG E40-2007所做自由膨胀率试验，膨胀土的自由膨胀率为61％，锂渣掺量为12％、碱的掺量为4％的改良膨胀土的自由膨胀率仅为18％，满足《公路路基施工技术规范》中对改良后的膨胀土的膨胀率小于40％的要求。
实施例2：
配制2kg的改良膨胀土，改良膨胀土的制备方法如下：
(1)按照配比为82％称取1.64kg的膨胀土，按照配比为14％的锂渣掺量称取锂渣为0.28kg，按照配比为4％的碱掺量称取NaOH 80g；
(2)将上述物料混合均匀后，根据《公路土工试验规程》JTG E40-2007中重型击实试验中得到最优含水率为22％，即加入0.44kg的水，搅拌均匀；
(3)在自然条件下闷料2天，即得到改良膨胀土。
其中，锂渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅52.13％、氧化铝17.25％、氧化钙13.32％、三氧化硫7.31％。
上述改良膨胀土的施工方法如下：
(1)将改良膨胀土运至场地，均匀铺平，铺设厚度为35cm；
(2)检测改良膨胀土的含水率达到最佳含水率后，使用压路机快速静压并精确整平；
(3)碾压路面至所需强度。
对采用本实施例方法处理的膨胀土地基进行膨胀率、无侧限抗压强度、抗剪强度实验，以此测试改良后地基的膨胀率、抗压强度、抗剪强度变化特征。表2为未处理膨胀土试样、按照实施例2的方法处理后的地基膨胀土试样的试验结果。
表2试验结果
Figure BDA0002362579370000041
从上表的试验结果来看，本发明所用材料及技术方案改良膨胀土得到的填料较膨胀土在工程性质上得到了很大的提升：自由膨胀率大幅度的下降，无侧限抗压强度、抗剪强度大幅度的提升，亲水性能降低，此外土体的粘聚力明显增强。按照《公路土工试验规程》JTG E40-2007所做自由膨胀率试验，膨胀土的自由膨胀率为75％，锂渣掺量为14％、碱的掺量为4％的改良膨胀土的自由膨胀率仅为21％，满足《公路路基施工技术规范》中对改良后的膨胀土的膨胀率小于40％的要求。
实施例3：
配制2kg的改良膨胀土，改良膨胀土的制备方法如下：
(1)按照配比为80％称取1.60kg的膨胀土，按照配比为16％的锂渣掺量称取锂渣为0.32kg，按照配比为4％的碱掺量称取NaOH 80g；
(2)将上述物料混合均匀后，根据《公路土工试验规程》JTG E40-2007中重型击实试验中得到最优含水率为25％，即加入0.5kg的水，搅拌均匀；
(3)在自然条件下闷料2天，即得到改良膨胀土。
其中，锂渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅52.13％、氧化铝17.25％、氧化钙13.32％、三氧化硫7.31％。
上述改良膨胀土的施工方法如下：
(1)将改良膨胀土运至场地，均匀铺平，铺设厚度为35cm；
(2)检测改良膨胀土的含水率达到最佳含水率后，使用压路机快速静压并精确整平；
(3)碾压路面至所需强度。
对采用本实施例方法处理的膨胀土地基进行膨胀率、无侧限抗压强度、抗剪强度实验，以此测试改良后地基的膨胀率、抗压强度、抗剪强度变化特征。表3为未处理膨胀土试样、按照实施例3的方法处理后的地基膨胀土试样的试验结果。
表3试验结果
Figure BDA0002362579370000051
从上表的试验结果来看，本发明所用材料及技术方案改良膨胀土得到的填料较膨胀土在工程性质上得到了很大的提升：自由膨胀率大幅度的下降，无侧限抗压强度、抗剪强度大幅度的提升，亲水性能降低，此外土体的粘聚力明显增强。按照《公路土工试验规程》JTG E40-2007所做自由膨胀率试验，膨胀土的自由膨胀率为64％，锂渣掺量为16％、碱的掺量为4％的改良膨胀土的自由膨胀率仅为24％，满足《公路路基施工技术规范》中对改良后的膨胀土的膨胀率小于40％的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种改良膨胀土，其特征在于，改良膨胀土包括质量百分比为12％～16％的锂渣，质量百分比为4％的碱，质量百分比为80％～84％的所需改良土体的膨胀土，锂渣、碱和所需改良土体的膨胀土的质量百分比之和为100％，所述改良膨胀土由锂渣、碱和膨胀土均匀混合而成。
2.根据权利要求1所述的改良膨胀土，其特征在于，所述锂渣的分析结果为，以分析检测后得到的氧化物的质量百分比计：二氧化硅48.56～56.24％、三氧化二铝15.36～19.43％、氧化钙10.94～14.65％、三氧化硫4.40～7.41％。
3.根据权利要求1所述的改良膨胀土，其特征在于，所述碱为NaOH、Ca(OH)2、KOH中的一种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述改良膨胀土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取12％～16％的锂渣，4％的碱，80％～84％的所需改良土体的膨胀土，混合均匀；
(2)按照《公路土工试验规程》JTG E40-2007中重型击实试验确定混合土的最佳含水率；
(3)按确定的最佳含水率的含水量添加水到步骤(1)得到的混合膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料2～3天，得到用锂渣和碱改良的膨胀土。
5.根据权利要求1～3中任一项所述改良膨胀土的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将改良膨胀土运至场地，均匀铺平；
(2)检测改良膨胀土的含水率达到最佳含水率后，使用压路机快速静压并精确整平；
(3)碾压路面至所需强度。
6.根据权利要求5所述改良膨胀土的施工方法，其特征在于，所述步骤(1)中，改良膨胀土的铺设厚度为30～35cm。
7.权利要求1～3任一项所述的改良膨胀土在路基填料领域中的应用。
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