CN112029509A - 膨胀土掺灰改良剂及其改良方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种膨胀土掺灰改良剂及其改良方法，涉及土木工程材料技术领域，旨在解决相关技术中使用石灰和水泥改良膨胀土，其改良剂在生产过程中会造成大量温室气体的排放，对环境造成严重负担的问题，其技术要点在于以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，其包括3‑6％煤矸石、3‑7％粉煤灰、2‑5％钢渣、60‑80％巨大芽孢杆菌菌液及60‑80％胶结液。本方案中工业废渣组分通过微生物进行一系列物理化学作用，产生胶凝产物联结、包裹颗粒并填充空隙，形成稳定的土体结构，大大提高了改良效果的同时，提高改良效果，具有资源再利用和保护环境的意义。

Description

膨胀土掺灰改良剂及其改良方法
技术领域
本申请涉及土木工程材料技术领域，具体而言，涉及一种膨胀土掺灰改良剂及其改良方法。
背景技术
膨胀土中含有亲水性矿物蒙脱土与伊利土，其具有显著的吸水膨胀、失水收缩并在外界干湿交替的环境中反复涨缩变形的特性，常造成工程结构物及路基产生严重破坏，因此需要改良膨胀土以降低胀缩性。
现在通常采用在膨胀土填料中掺石灰、水泥等方法处理，其改良的工作机理一般认为有：一是离子交换作用，即石灰中钙、镁离子置换土中钠、钾离子，或吸收作用，导致离子单位重量增加。膨胀土与石灰接触后，这一离子交换作用立即发生，使得胶体吸附层减薄，从而使粘土胶状颗粒发生凝聚，粘胶力的亲水性减弱，细颗粒产生絮凝和凝沉，形成较大的集力或积聚体。二是碳酸化作用，即石灰中Ca(OH)2吸收CO2形成质地坚固、水稳性好的CaCO3晶体。这一结晶作用使得土的胶结得到加强，从而提高了石灰土的后期强度。试验表明，碳酸化学反应只有在水的条件下才能进行，在干燥的碳酸气作用于完全干燥的石灰粉末时，碳酸反应几乎停止，说明这种作用需用水。三是结晶作用，在石灰土中除了一部分Ca(OH)2发生碳酸化反应外，另一部分则在石灰土中自行结晶,由于结晶作用，Ca(OH)2胶状体逐渐变成晶体，这种晶体能互相作用与土结合成晶体，从而把土粒胶结成整体，提高了石灰土的水稳定性。四是灰结作用，即膨胀土加灰后，使土呈碱性，在碱性环境中石灰与土中的氧化铝逐渐硬结，即：火山灰作用——活性硅产品矿物在石灰的碱性激发作用下离解，并在水的参与下Ca(OH)2反应生成含水的碳酸钙和铝酸钙。火山灰反应是在不断吸收水份的情况下逐渐形成的，因而其具有水硬性质。另外，石灰本身会产生消化反应，CaO生成Ca(OH)2后体积增大近一倍，使土固结。
但是采用石灰和水泥改良膨胀土，作为改良剂的石灰和水泥需要生产，生产过程中会造成大量温室气体的排放，对环境造成严重的负担，而且在施工过程中石灰的使用也会对周围环境和地下水造成污染。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种膨胀土掺灰改良剂及其改良方法，以解决相关技术中使用石灰和水泥改良膨胀土，其改良剂在生产过程中会造成大量温室气体的排放，对环境造成严重负担的问题。
为了实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种膨胀土掺灰改良剂。
根据本申请的膨胀土掺灰改良剂，以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，其包括3-6％煤矸石、3-7％粉煤灰、2-5％钢渣、60-80％巨大芽孢杆菌菌液及60-80％胶结液。
可选地，所述煤矸石、粉煤灰、钢渣均为粒度在0.5mm以内的颗粒组成的粉末。
第二方面，本申请还提供了一种膨胀土掺灰改良剂的改良方法，包括上述的膨胀土掺灰改良剂。
在本申请实施例中，提供一种膨胀土掺灰改良剂的改良方法，包括以下步骤：
S1、将工业废渣进行提取、干燥、过筛，得到粒度在0.5mm以内的煤矸石、粉煤灰、钢渣；
S2、以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，取3-6％煤矸石、3-7％粉煤灰、2-5％钢渣与之进行混合匀匀，得到混合土样；
S3、培养巨大芽孢杆菌菌液并配置胶结液；
S4、在混合土样中加入经稀释的60-80％巨大芽孢杆菌菌液，搅拌均匀后，静置2小时；
S5、2小时后，吸出巨大芽孢杆菌菌液，再加入60-80％胶结液继续固化，搅拌均匀后，静置22小时；
S6、吸出巨大芽孢杆菌菌液和胶结液，同时重复步骤S4、S5七次。
可选地，所述巨大芽孢杆菌菌液的培养过程包括：菌种以冻干粉状态真空干燥保存于冻干管内，其中基础液体培养基(g/L)：牛肉膏3、蛋白胨10、NaCl5，PH7.0，溶剂为蒸馏水；基础固体培养基:在基础液体培养基的基础上添加15g/L的琼脂；
基础培养条：接种量1％(V/V)，瓶装量30mL/250mL，在30℃恒温振荡，培养箱中以200r/min的转速培养48小时。
可选地，所述巨大芽孢杆菌菌液的细菌活性随时间呈衰减趋势，在一天内保持活性良好。
可选地，还包括以下步骤：
S7、根据《土工试验方法标准》中方法测定改良后土样的液限、塑限；
S8、以塑限为中间值，在中间值左右侧各取两个含水率，制备五个含水率的混合土样，要求各含水率之间相差在2-3％之间；并置于恒温恒湿条件下进行焖料24小时，使其含水率均匀；按照《土工试验方法标准》中轻型击实试验方法确定该改良后土样的最优含水率及最大干密度；
S9、将膨胀土和改良剂制成混合土后，摊铺在施工现场，结合机械和辅助人工整平，整平厚度在25-30cm，当测定经整平的混合土含水率接近最优含水率时，按照施工要求的压实度使用压路机进行碾压。
可选地，所述步骤S7中，液限、塑限的测定方法为先预估改良后土样的液限、塑限，按照接近液限、塑限及二者中间值加水拌合，采用液塑限联合测定仪。
可选地，所述步骤S8中，根据轻型击实试验方法所得的试验结果为在压实度96％的条件下，测得改良后土样的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标包括自由膨胀率、无侧线抗压强度、四次干湿循环粘聚力、四次干湿循环内摩擦角和线膨胀率。
本发明的有益效果：
1、本方案中经改良剂改良后的膨胀土的自由膨胀率和膨胀势远低于素土，改良效果显著；其中煤矸石、粉煤灰、钢渣属于工业副产品，其环保、价格低廉，取材广泛，具有资源再利用和保护环境的意义；改良土的收缩特性较素土有明显改善，室内条件下改良土的线缩率显著低于未改良土；改良膨胀土的强度亦得到一定程度的提高，改良剂中粉煤灰组分与土体矿物经过一系列物理化学作用，产生胶凝产物联结、包裹颗粒并填充空隙，形成稳定的土体结构。
2、改良剂的应用简单且经济、可操作性强，本发明的膨胀土改良剂的应用步骤简单明了，通过微生物对组分进行简单的物理干燥和化学反应后即可获得所需改良材料，不需要复杂的技术设备和专业的操作人员；新型改良剂应用于路基膨胀土改良中与传统路基土拌合法施工方法基本相同，不需要额外的机械设备，方法简单，可操作性强。
3、本方案利用巨大芽孢杆菌诱导方解石沉积(MICP)技术，搭配不同的胶结液对膨胀土进行固化，能够进一步提高改良效果，体现在膨胀土的土体强度、刚度、自由膨胀率、抗剪强度和膨胀力等方面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考实施例来详细说明本申请。
实施例1：
一种膨胀土掺灰改良剂，以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，其包括3-6％煤矸石、3-7％粉煤灰、2-5％钢渣、60-80％巨大芽孢杆菌菌液及60-80％胶结液。具体地，在本发明此实施例中，煤矸石、粉煤灰、钢渣均为粒度在0.5mm以内的颗粒组成的粉末。本方案中经改良剂改良后的膨胀土的自由膨胀率和膨胀势远低于素土，改良效果显著；其中煤矸石、粉煤灰、钢渣属于工业副产品，其环保、价格低廉，取材广泛，具有资源再利用和保护环境的意义；改良土的收缩特性较素土有明显改善，室内条件下改良土的线缩率显著低于未改良土；改良膨胀土的强度亦得到一定程度的提高，改良剂中粉煤灰组分与土体矿物经过一系列物理化学作用，产生胶凝产物联结、包裹颗粒并填充空隙，形成稳定的土体结构。改良剂的应用简单且经济、可操作性强，本发明的膨胀土改良剂的应用步骤简单明了，通过微生物对组分进行简单的物理干燥和化学反应后即可获得所需改良材料，不需要复杂的技术设备和专业的操作人员；新型改良剂应用于路基膨胀土改良中与传统路基土拌合法施工方法基本相同，不需要额外的机械设备，方法简单，可操作性强。需要强调的是，利用巨大芽孢杆菌诱导方解石沉积(MICP)技术，搭配不同的胶结液对膨胀土进行固化，能够进一步提高改良效果，体现在膨胀土的土体强度、刚度、自由膨胀率、抗剪强度和膨胀力等方面。
实施例2：
一种膨胀土掺灰改良剂的改良方法，包括以下步骤：
S1、将工业废渣进行提取、干燥、过筛，得到粒度在0.5mm以内的煤矸石、粉煤灰、钢渣；
S2、以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，取3％煤矸石、3％粉煤灰、2％钢渣与之进行混合匀匀，得到混合土样；
S3、培养巨大芽孢杆菌菌液并配置胶结液；
其中，巨大芽孢杆菌菌液的培养过程包括：菌种以冻干粉状态真空干燥保存于冻干管内，其中基础液体培养基(g/L)：牛肉膏3、蛋白胨10、NaCl5，PH7.0，溶剂为蒸馏水；基础固体培养基:在基础液体培养基的基础上添加15g/L的琼脂；基础培养条：接种量1％(V/V)，瓶装量30mL/250mL，在30℃恒温振荡，培养箱中以200r/min的转速培养48小时；
同时，巨大芽孢杆菌菌液的细菌活性随时间呈衰减趋势，在一天内保持活性良好；
S4、在混合土样中加入经稀释的60％巨大芽孢杆菌菌液，搅拌均匀后，静置2小时；
S5、2小时后，吸出巨大芽孢杆菌菌液，再加入60％胶结液继续固化，搅拌均匀后，静置22小时；
S6、吸出巨大芽孢杆菌菌液和胶结液，同时重复步骤S4、S5七次；
S7、根据《土工试验方法标准》中方法测定改良后土样的液限、塑限；
其中，液限、塑限的测定方法为先预估改良后土样的液限、塑限，按照接近液限、塑限及二者中间值加水拌合，采用液塑限联合测定仪；
S8、以塑限为中间值，在中间值左右侧各取两个含水率，制备五个含水率的混合土样，要求各含水率之间相差在2-3％之间；并置于恒温恒湿条件下进行焖料24小时，使其含水率均匀；按照《土工试验方法标准》中轻型击实试验方法确定该改良后土样的最优含水率及最大干密度；
S9、将膨胀土和改良剂制成混合土后，摊铺在施工现场，结合机械和辅助人工整平，整平厚度在25-30cm，当测定经整平的混合土含水率接近最优含水率时，按照施工要求的压实度使用压路机进行碾压；
其中，根据轻型击实试验方法所得的试验结果为在压实度96％的条件下，测得改良后土样的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标包括自由膨胀率、无侧线抗压强度、四次干湿循环粘聚力、四次干湿循环内摩擦角和线膨胀率。
实施例3：
一种膨胀土掺灰改良剂的改良方法，包括以下步骤：
S1、将工业废渣进行提取、干燥、过筛，得到粒度在0.5mm以内的煤矸石、粉煤灰、钢渣；
S2、以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，取6％煤矸石、7％粉煤灰、5％钢渣与之进行混合匀匀，得到混合土样；
S3、培养巨大芽孢杆菌菌液并配置胶结液；
其中，巨大芽孢杆菌菌液的培养过程包括：菌种以冻干粉状态真空干燥保存于冻干管内，其中基础液体培养基(g/L)：牛肉膏3、蛋白胨10、NaCl5，PH7.0，溶剂为蒸馏水；基础固体培养基:在基础液体培养基的基础上添加15g/L的琼脂；基础培养条：接种量1％(V/V)，瓶装量30mL/250mL，在30℃恒温振荡，培养箱中以200r/min的转速培养48小时；
同时，巨大芽孢杆菌菌液的细菌活性随时间呈衰减趋势，在一天内保持活性良好；
S4、在混合土样中加入经稀释的80％巨大芽孢杆菌菌液，搅拌均匀后，静置2小时；
S5、2小时后，吸出巨大芽孢杆菌菌液，再加入80％胶结液继续固化，搅拌均匀后，静置22小时；
S6、吸出巨大芽孢杆菌菌液和胶结液，同时重复步骤S4、S5七次；
S7、根据《土工试验方法标准》中方法测定改良后土样的液限、塑限；
其中，液限、塑限的测定方法为先预估改良后土样的液限、塑限，按照接近液限、塑限及二者中间值加水拌合，采用液塑限联合测定仪；
S8、以塑限为中间值，在中间值左右侧各取两个含水率，制备五个含水率的混合土样，要求各含水率之间相差在2-3％之间；并置于恒温恒湿条件下进行焖料24小时，使其含水率均匀；按照《土工试验方法标准》中轻型击实试验方法确定该改良后土样的最优含水率及最大干密度；
S9、将膨胀土和改良剂制成混合土后，摊铺在施工现场，结合机械和辅助人工整平，整平厚度在25-30cm，当测定经整平的混合土含水率接近最优含水率时，按照施工要求的压实度使用压路机进行碾压；
其中，根据轻型击实试验方法所得的试验结果为在压实度96％的条件下，测得改良后土样的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标包括自由膨胀率、无侧线抗压强度、四次干湿循环粘聚力、四次干湿循环内摩擦角和线膨胀率。
实施例4：
一种膨胀土掺灰改良剂的改良方法，包括以下步骤：
S1、将工业废渣进行提取、干燥、过筛，得到粒度在0.5mm以内的煤矸石、粉煤灰、钢渣；
S2、以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，取5％煤矸石、6％粉煤灰、3％钢渣与之进行混合匀匀，得到混合土样；
S3、培养巨大芽孢杆菌菌液并配置胶结液；
其中，巨大芽孢杆菌菌液的培养过程包括：菌种以冻干粉状态真空干燥保存于冻干管内，其中基础液体培养基(g/L)：牛肉膏3、蛋白胨10、NaCl5，PH7.0，溶剂为蒸馏水；基础固体培养基:在基础液体培养基的基础上添加15g/L的琼脂；基础培养条：接种量1％(V/V)，瓶装量30mL/250mL，在30℃恒温振荡，培养箱中以200r/min的转速培养48小时；
同时，巨大芽孢杆菌菌液的细菌活性随时间呈衰减趋势，在一天内保持活性良好；
S4、在混合土样中加入经稀释的70％巨大芽孢杆菌菌液，搅拌均匀后，静置2小时；
S5、2小时后，吸出巨大芽孢杆菌菌液，再加入70％胶结液继续固化，搅拌均匀后，静置22小时；
S6、吸出巨大芽孢杆菌菌液和胶结液，同时重复步骤S4、S5七次；
S7、根据《土工试验方法标准》中方法测定改良后土样的液限、塑限；
其中，液限、塑限的测定方法为先预估改良后土样的液限、塑限，按照接近液限、塑限及二者中间值加水拌合，采用液塑限联合测定仪；
S8、以塑限为中间值，在中间值左右侧各取两个含水率，制备五个含水率的混合土样，要求各含水率之间相差在2-3％之间；并置于恒温恒湿条件下进行焖料24小时，使其含水率均匀；按照《土工试验方法标准》中轻型击实试验方法确定该改良后土样的最优含水率及最大干密度；
S9、将膨胀土和改良剂制成混合土后，摊铺在施工现场，结合机械和辅助人工整平，整平厚度在25-30cm，当测定经整平的混合土含水率接近最优含水率时，按照施工要求的压实度使用压路机进行碾压；
其中，根据轻型击实试验方法所得的试验结果为在压实度96％的条件下，测得改良后土样的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标包括自由膨胀率、无侧线抗压强度、四次干湿循环粘聚力、四次干湿循环内摩擦角和线膨胀率。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种膨胀土掺灰改良剂，其特征在于，以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，其包括3-6％煤矸石、3-7％粉煤灰、2-5％钢渣、60-80％巨大芽孢杆菌菌液及60-80％胶结液。
2.如权利要求1所述的膨胀土掺灰改良剂，其特征在于，所述煤矸石、粉煤灰、钢渣均为粒度在0.5mm以内的颗粒组成的粉末。
3.一种膨胀土掺灰改良剂的改良方法，其特征在于，包括如权利要求1-2任一项所述的膨胀土掺灰改良剂，包括以下步骤：
S1、将工业废渣进行提取、干燥、过筛，得到粒度在0.5mm以内的煤矸石、粉煤灰、钢渣；
S2、以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，取3-6％煤矸石、3-7％粉煤灰、2-5％钢渣与之进行混合匀匀，得到混合土样；
S3、培养巨大芽孢杆菌菌液并配置胶结液；
S4、在混合土样中加入经稀释的60-80％巨大芽孢杆菌菌液，搅拌均匀后，静置2小时；
S5、2小时后，吸出巨大芽孢杆菌菌液，再加入60-80％胶结液继续固化，搅拌均匀后，静置22小时；
S6、吸出巨大芽孢杆菌菌液和胶结液，同时重复步骤S4、S5七次。
4.如权利要求3所述的膨胀土掺灰改良剂的改良方法，其特征在于，所述巨大芽孢杆菌菌液的培养过程包括：菌种以冻干粉状态真空干燥保存于冻干管内，其中基础液体培养基(g/L)：牛肉膏3、蛋白胨10、NaCl5，PH7.0，溶剂为蒸馏水；基础固体培养基:在基础液体培养基的基础上添加15g/L的琼脂；基础培养条：接种量1％(V/V)，瓶装量30mL/250mL，在30℃恒温振荡，培养箱中以200r/min的转速培养48小时。
5.如权利要求4所述的膨胀土掺灰改良剂的改良方法，其特征在于，所述巨大芽孢杆菌菌液的细菌活性随时间呈衰减趋势，在一天内保持活性良好。
6.如权利要求3所述的膨胀土掺灰改良剂的改良方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S7、根据《土工试验方法标准》中方法测定改良后土样的液限、塑限；
S8、以塑限为中间值，在中间值左右侧各取两个含水率，制备五个含水率的混合土样，要求各含水率之间相差在2-3％之间；并置于恒温恒湿条件下进行焖料24小时，使其含水率均匀；按照《土工试验方法标准》中轻型击实试验方法确定该改良后土样的最优含水率及最大干密度；
S9、将膨胀土和改良剂制成混合土后，摊铺在施工现场，结合机械和辅助人工整平，整平厚度在25-30cm，当测定经整平的混合土含水率接近最优含水率时，按照施工要求的压实度使用压路机进行碾压。
7.如权利要求6所述的膨胀土掺灰改良剂的改良方法，其特征在于，所述步骤S7中，液限、塑限的测定方法为先预估改良后土样的液限、塑限，按照接近液限、塑限及二者中间值加水拌合，采用液塑限联合测定仪。
8.如权利要求6所述的膨胀土掺灰改良剂的改良方法，其特征在于，所述步骤S8中，根据轻型击实试验方法所得的试验结果为在压实度96％的条件下，测得改良后土样的物理力学性质指标，所述物理力学性质指标包括自由膨胀率、无侧线抗压强度、四次干湿循环粘聚力、四次干湿循环内摩擦角和线膨胀率。
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