CN113185236A - 一种化学改良湖相泥炭质土的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学改良湖相泥炭质土的方法，该方法包括：一、向湖相泥炭质土中掺入化学改良剂后搅匀压实，经密封闷料得到预制件；二、预制件养护得到化学改良后的湖相泥炭质土；本发明还公开了上述方法现场改良湖相泥炭质土的应用，采用三轴深搅机对现场搅拌深度范围内的湖相泥炭质土注入化学改良剂浆液，然后进行两喷三搅。本发明从土的成分入手，采用化学改良法加固湖相泥炭质土，通过水泥与湖相泥炭质土中的有机质反应产生加固作用，并凝结硬化构成水泥土骨架，提高了土体强度，同时通过控制水灰比使得水化产物逐渐搭接形成稳定的网络结构，进一步提高了改良后湖相泥炭质土的强度；本发明的应用提高了改良后湖相泥炭质土的强度。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种化学改良湖相泥炭质土的方法及应用。
背景技术
滇池湖相沉积的泥炭质土有机质含量高，属于特殊的区域性软土，其极差的工程特性对泥炭质土场地上的工程设计及施工产生了非常大的影响，出现很多工程事故，需对其进行处理才能满足工程需要。因此，对湖相泥炭质土改良剂方面的研究成为了热点。
改良剂的种类很多，工程上最常用水泥等建筑材料作为改良剂，对泥炭质土进行固化以提高其强度，但存在外加剂种类少，固化效果基本都基于室内试验，且仅选择一个工点的泥炭质土进行试验研究。也有利用微生物作用于泥炭质土，通过加快土中有机质分解速率，在较短时间内显著降低有机质含量、改善其工程性质；虽然微生物改良选择多个场地泥炭质土进行室内试验，但改良后的强度没有明显增长，且时间成本及改良成本均较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种化学改良湖相泥炭质土的方法。该方法从土的成分入手，采用化学改良法加固湖相泥炭质土，通过水泥与湖相泥炭质土中的有机质反应产生加固作用，并凝结硬化构成水泥土骨架，提高了土体强度，同时通过控制水灰比使得水化产物逐渐搭接形成稳定的网络结构，进一步提高了改良后湖相泥炭质土的强度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、向湖相泥炭质土中掺入化学改良剂得到混合物，并控制混合物中的水灰比为0.6:1～1.2:1，然后搅拌均匀并压实成型，经密封闷料24h后得到预制件；所述化学改良剂中含有水泥，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％～30％；
步骤二、将步骤一中得到的预制件放置于湿度为95％、温度为20℃的条件下养护，得到化学改良后的湖相泥炭质土。
本发明采用含有水泥的化学改良剂对湖相泥炭质土进行作用，通过水泥与湖相泥炭质土中的有机质反应产生加固作用，即水泥加入后与湖相泥炭质土中的水不断地进行水解水化反应，生成的水泥水化产物Ca(OH)2与土中活性物质火山灰发生反应，使得硅酸钙类及铝酸钙类水化物晶体与土颗粒结合形成牢固的空间联结，产生胶结作用使土体强度提高，同时凝结硬化构成水泥土骨架，协同提高土体强度；另外，水泥中的Ca2+，A13+离子与湖相泥炭质土中的腐殖酸发生反应生成钙、铝键等复合体，减少了湖相泥炭质土中的有机质含量，降低了有机质与水泥中矿物经吸附作用形成吸附层延缓水泥水化进程、以及有机质中富啡酸的分解作用破坏水泥土结构形成的不良影响。综上，本发明采用含有水泥的化学改良剂对湖相泥炭质土进行作用，一方面增加了水泥强度，另一方面也减少了有机质中成分对水泥加固的影响。
水泥优选采用硅酸盐水泥，硅酸盐水泥主要包括提高早期强度的硅酸三钙(3CaO·SiO2)、增强后期强度的硅酸二钙(2CaO·SiO2)、促进早凝的铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、促进早期强度但强度低含量较少的铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)、硫酸钙(CaSO4)等。水泥在加固土体时的化学反应如下：
(1)2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2
生成强度高的凝胶形态水化硅酸钙，晶体状氢氧化钙；
(2)2(3CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2
(3)3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O
(4)4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O
从化学反应(1)～(4)可知，加入化学改良剂后，湖相泥炭质土中的土颗粒周围吸附着水化硅酸钙和水化铝酸钙，形成紧密的网状，使水泥土强度提高。
同时，本发明通过控制水灰比为0.6:1～1.2:1，保证了水泥的充分分散，从而随着水泥水解水化过程的进行，水化产物逐渐搭接形成稳定的网络结构，进一步提高了改良后湖相泥炭质土的强度。
上述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，步骤一中所述化学改良剂中水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％。
上述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，步骤一中所述化学改良剂还包括生石灰和粉煤灰，且生石灰的质量为水泥质量的5％～8％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％，所述水灰比为0.6:1～1:1。本发明通过添加粉煤灰有利于消除了湖相泥炭质土有机质中的胡敏酸及富里酸与水泥矿物形成吸附层延缓水泥水化进程、同时使水泥产生的水化产物解体、破坏固化土结构形成的不良影响。同时，湖相泥炭质土中加入生石灰后生成氢氧化钙结晶体并形成结晶体的网络架构，进而发展为凝胶和结晶体组合架构，并最终转化成结晶缩合结构体，使得改良后湖相泥炭质土的强度、刚度和水稳性均得到很大的提高和改善。
上述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和粉煤灰，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的6％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％，所述水灰比为1:1。粉煤灰与泥炭质土中水发生反应生成粉煤灰玻璃微珠，水泥与土中水发生反应生成的化合物形成有一定强度的水泥骨架，粉煤灰后续反应生成的产物则会对水泥骨架的空隙进行填充，从而使加固土强度得到提升，上述优选的化学改良剂组成有效促进了粉煤灰后续产物的填充作用。
上述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和粉煤灰，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的30％，生石灰的质量为水泥质量的6％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％，所述水灰比为0.6:1。
上述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，步骤二中所述养护的天数为60d。该养护天数保证了化学改良剂与湖相泥炭质土进行充分反应，实现了最佳的强化效果。
上述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，步骤一中所述化学改良剂中还包含早强剂或减水剂；所述早强剂为硫酸钠、氯化钠或三乙醇胺，所述减水剂为聚羧酸、西卡YP-1、SP-1或SP-2。通过加入强电解质提高水泥中的离子强度，促进水泥的反应，同时硫酸钠与水化产物氢氧化钙反应生成石膏和氢氧化钠，溶液pH升高，促进粉煤灰溶解，当硫酸钠掺量达2％以上时，有效减缓了粉煤灰对水泥水化早期的抑制作用。
另外，本发明还提供了一种利用上述的方法现场改良湖相泥炭质土的应用，其特征在于，该方法包括以下步骤：采用三轴深搅机对现场搅拌深度范围内的湖相泥炭质土注入化学改良剂的浆液，然后依次进行两喷三搅；所述三轴深搅机的下沉及提升速度为0.5m/min～1.0m/min，所述注入的流量为90L/min，注入采用的注浆泵的压力为0.8MPa～1.0MPa。
本发明将化学改良湖相泥炭质土的方法应用到现场中，采用两喷三搅的方式，使得化学改良剂充分进入到湖相泥炭质土中，同时把相邻土体即湖相泥炭质土上下周围的填土、有机质土及粉土带入搅拌、置换，由于化学改良剂对相邻土体的增强幅度均高于泥炭质土，进一步提高了改良后湖相泥炭质土的强度。
上述的应用，其特征在于，所述化学改良剂中含有水泥、生石灰，以及早强剂或减水剂，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的5％～8％，早强剂或减水剂的质量为水泥质量的3％，所述水灰比为1.0:1～1.2:1；所述早强剂为硫酸钠、氯化钠或三乙醇胺，所述减水剂为聚羧酸、西卡YP-1、SP-1或SP-2。由于湖相泥炭质土易受温度、湿度等因素的干扰，室内无法配制重塑土样，而通常改良剂的配比均是通过室内试验得到，因此，在现场施工时，根据实际情况对化学改良剂的组分进行改进调整。上述优选的化学改良剂组分适应了温度和湿度对湖相泥炭质土的影响作用，有利于实现对湖相泥炭质土的化学改良。
上述的应用，其特征在于，所述现场搅拌深度范围内的湖相泥炭质土包括素填土、有机质粘土、泥炭质土和粉土。素填土为天然土经人为扰动和搬运堆填而成，工程性能差；有机质粘土中有机质含量超过5％；泥炭质土含有大量分解不充分的植物残体积累形成的泥炭层；粉土为粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50％，且塑性指数Ip小于或等于10的土。由于化学改良剂中的水泥主要与土中的有机质反应，对粉土及素填土改良效果不大，而泥炭质土具有含水率高，密度大等特点，化学改良剂的组分如早强剂、生石灰很好地改良这一性状，所以泥炭质土比有机质粘土强度大大提高。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明从土的成分入手，采用化学改良法加固湖相泥炭质土，通过水泥与湖相泥炭质土中的有机质反应产生加固作用，并凝结硬化构成水泥土骨架，提高了土体强度，同时通过控制水灰比使得水化产物逐渐搭接形成稳定的网络结构，进一步提高了改良后湖相泥炭质土的强度。
2、本发明的化学改良剂中通过添加粉煤灰有利于消除了湖相泥炭质土有机质的不良影响，结合加入生石灰使得改良后湖相泥炭质土的强度、刚度和水稳性均有很大的提高和改善。
3、本发明将化学改良湖相泥炭质土的方法应用到现场中，采用两喷三搅的方式，使得化学改良剂充分进入到湖相泥炭质土中，同时把相邻土体即湖相泥炭质土上下周围的填土、有机质土及粉土带入搅拌、置换，进一步提高了改良后湖相泥炭质土的强度。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明的化学改良湖相泥炭质土的方法通过实施例1～实施例7进行详细描述。
本发明实施例1～实施例5中的湖相泥炭质土均取自于昆明地铁五号线的金海新区及兴体路站站基坑，实施例6～实施例7中的湖相泥炭质土取自于昆明地铁五号线的景慧中心，各湖相泥炭质土的物理力学性能指标如表1所示。
表1
从表1可知，上述湖相泥炭质土的孔隙比(e)较大，平均值都在3～7之间；含水量(w)高，平均值都在100％～280％左右；有机质(wu)含量高，平均值在17％～58％之间；液限(Il)和塑限(Ip)大，抗剪强度
低。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、向湖相泥炭质土中掺入化学改良剂得到混合物，并控制混合物中的水灰比为1：1，然后搅拌均匀并压实成型，经密封闷料24h后得到预制件；所述化学改良剂中含有水泥，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％；
步骤二、将步骤一中得到的预制件放置于湿度为95％、温度为20℃的条件下养护60d，得到化学改良后的湖相泥炭质土。
经检测，本实施例化学改良后的湖相泥炭质土的无侧限抗压强度qu为1033.87MPa。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、向湖相泥炭质土中掺入化学改良剂得到混合物，并控制混合物中的水灰比为1：1，然后搅拌均匀并压实成型，经密封闷料24h后得到预制件；所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和粉煤灰，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的6％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％；
步骤二、将步骤一中得到的预制件放置于湿度为95％、温度为20℃的条件下养护60d，得到化学改良后的湖相泥炭质土。
经检测，本实施例化学改良后的湖相泥炭质土的无侧限抗压强度qu为1171.38MPa。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、向湖相泥炭质土中掺入化学改良剂得到混合物，并控制混合物中的水灰比为0.6：1，然后搅拌均匀并压实成型，经密封闷料24h后得到预制件；所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和粉煤灰，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的30％，生石灰的质量为水泥质量的6％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％；
步骤二、将步骤一中得到的预制件放置于湿度为95％、温度为20℃的条件下养护60d，得到化学改良后的湖相泥炭质土。
经检测，本实施例化学改良后的湖相泥炭质土的无侧限抗压强度qu为1069.52MPa。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、向湖相泥炭质土中掺入化学改良剂得到混合物，并控制混合物中的水灰比为1：1，然后搅拌均匀并压实成型，经密封闷料24h后得到预制件；所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和粉煤灰，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的5％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％；
步骤二、将步骤一中得到的预制件放置于湿度为95％、温度为20℃的条件下养护60d，得到化学改良后的湖相泥炭质土。
经检测，本实施例化学改良后的湖相泥炭质土的无侧限抗压强度qu为1081.25MPa。
实施例5
本实施例包括以下步骤：
步骤一、向湖相泥炭质土中掺入化学改良剂得到混合物，并控制混合物中的水灰比为1：1.2，然后搅拌均匀并压实成型，经密封闷料24h后得到预制件；所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和粉煤灰，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的8％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％；
步骤二、将步骤一中得到的预制件放置于湿度为95％、温度为20℃的条件下养护60d，得到化学改良后的湖相泥炭质土。
经检测，本实施例化学改良后的湖相泥炭质土的无侧限抗压强度qu为1135.40MPa。
实施例6
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述化学改良剂中还含有聚羧酸减水剂，且聚羧酸减水剂的质量为水泥质量的3％。
经检测，本实施例化学改良后的湖相泥炭质土的无侧限抗压强度qu为1173.51MPa。
本实施例中的聚羧酸减水剂还可替换为西卡YP-1、SP-1或SP-2。
实施例7
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述化学改良剂中还含有早强剂硫酸钠，且早强剂硫酸钠的质量为水泥质量的3％。
本实施例中的早强剂硫酸钠还可替换为氯化钠或三乙醇胺。
经检测，本实施例化学改良后的湖相泥炭质土的无侧限抗压强度qu为1175.30MPa。
本发明化学改良湖相泥炭质土的方法的应用通过实施例8～实施例10进行详细描述。
实施例8
本实施例包括以下步骤：采用三轴深搅机对景慧中心地铁基坑内湖相泥炭质土搅拌深度范围内的素填土、有机质粘土、泥炭质土和粉土注入化学改良剂配制的浆液，然后依次进行两喷三搅；所述三轴深搅机的下沉及提升速度为0.5m/min～1.0m/min，所述注入的流量为90L/min，注入采用的注浆泵的压力为0.8MPa～1.0MPa；所述化学改良剂根据现场应用后的改良土强度效果，在实施例2的化学改良剂的基础上进行成分调整，该化学改良剂中含有水泥、生石灰和早强剂，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的6％，早强剂硫酸钠的质量为水泥质量的3％，所述水灰比为1.0:1。
对本实施例经改良后的素填土、有机质粘土、泥炭质土和粉土分别进行轻型圆锥动力触探试验，分别检测其3d、7d、14d、28d的锤击数。由于14d及28d龄期的搅拌桩因桩身强度太高，动力触探试验无法贯入，故取消试验；试验结果如表2所示，表2中击的数据为动力触探的平均击数。
表2
从表2可看出，经过改良后每一层土体的动力触探击数都提高很多，与其它土层相比，泥炭质土改良后动力触探击数提高最大，即改良后的土体强度增长很快，改良效果较好，养护期3d的击数提高232％，是原来土层的3.32倍，7d时提高598％，是原来土层的6.98倍。按提高的幅值由大到小排序，分别为泥炭质土、有机质土、粉土及素填土。从选用添加剂的机理分析，水泥主要与土中的有机质反应，所以对粉土及素填土改良效果不大，而泥炭质土含水率高，密度大等特点，早强剂、生石灰又可以很好的改良这一性状，所以泥炭质土比有机质土强度提高幅度大。
对本实施例经改良后的有机质粘土、泥炭质土和粉土成桩后7d、14d、28d的深层搅拌桩采用薄壁取土器钻芯法取样；钻芯取样法，如泥炭质土是在其深度范围的搅拌桩体上、中、下部位，每一钻孔取样6件，进行室内无侧限抗压强度qu试验后取平均值；室内qu试验的结果如表3所示，表3分别与给出14d及28d龄期的qu与7d龄期的qu相比提高的幅值。
表3
从表3可看出，搅拌桩加入外加剂进行搅拌改良后，无论哪一种土层中仅14d的养护龄期的qu都已大于1MPa，强度提高非常快，提高幅值都超过了200％，说明现场搅拌与室内搅拌试验相比，现场取出改良后的泥炭质土已经不完全是泥炭质土中加入外加剂，因采用三轴搅拌设备对加入场地中的浆液进行两喷三搅时，已经带入上下的填土、有机质土及粉土进入泥炭质土中进行拌和、置换，所以强度提高很快，远高于室内改良后的土体强度值。
本实施例中的早强剂硫酸钠还可替换为氯化钠或三乙醇胺。
实施例9
本实施例与实施例8的不同之处在于：所述化学改良剂中生石灰的质量为水泥质量的5％。
实施例10
本实施例与实施例8的不同之处在于：所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和聚羧酸减水剂，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的8％，聚羧酸减水剂的质量为水泥质量的3％，所述水灰比为1.2:1。
本实施例中的聚羧酸减水剂还可替换为西卡YP-1、SP-1或SP-2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、向湖相泥炭质土中掺入化学改良剂得到混合物，并控制混合物中的水灰比为0.6:1～1.2:1，然后搅拌均匀并压实成型，经密封闷料24h后得到预制件；所述化学改良剂中含有水泥，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％～30％；
步骤二、将步骤一中得到的预制件放置于湿度为95％、温度为20℃的条件下养护，得到化学改良后的湖相泥炭质土。
2.根据权利要求1所述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，步骤一中所述化学改良剂中水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％。
3.根据权利要求1所述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，步骤一中所述化学改良剂还包括生石灰和粉煤灰，且生石灰的质量为水泥质量的5％～8％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％，所述水灰比为0.6:1～1:1。
4.根据权利要求3所述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和粉煤灰，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的6％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％，所述水灰比为1:1。
5.根据权利要求3所述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，所述化学改良剂中含有水泥、生石灰和粉煤灰，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的30％，生石灰的质量为水泥质量的6％，粉煤灰的质量为水泥质量的1％，所述水灰比为0.6:1。
6.根据权利要求1所述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，步骤二中所述养护的天数为60d。
7.根据权利要求1所述的一种化学改良湖相泥炭质土的方法，其特征在于，步骤一中所述化学改良剂中还包含早强剂或减水剂；所述早强剂为硫酸钠、氯化钠或三乙醇胺，所述减水剂为聚羧酸、西卡YP-1、SP-1或SP-2。
8.一种利用如权利要求1～权利要求7中任一权利要求所述的方法现场改良湖相泥炭质土的应用，其特征在于，该方法包括以下步骤：采用三轴深搅机对现场搅拌深度范围内的湖相泥炭质土注入化学改良剂的浆液，然后依次进行两喷三搅；所述三轴深搅机的下沉及提升速度为0.5m/min～1.0m/min，所述注入的流量为90L/min，注入采用的注浆泵的压力为0.8MPa～1.0MPa。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述化学改良剂中含有水泥、生石灰，以及早强剂或减水剂，且水泥的质量为湖相泥炭质土质量的25％，生石灰的质量为水泥质量的5％～8％，早强剂或减水剂的质量为水泥质量的3％，所述水灰比为1.0:1～1.2:1；所述早强剂为硫酸钠、氯化钠或三乙醇胺，所述减水剂为聚羧酸、西卡YP-1、SP-1或SP-2。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述现场搅拌深度范围内的湖相泥炭质土包括素填土、有机质粘土、泥炭质土和粉土。
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