CN113336487A - 一种地聚合物及其用于高压旋喷桩加固路基的施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种地聚合物及其用于高压旋喷桩加固路基的施工方法，地聚合物由钢渣微粉、粉煤灰、纤维以及碱激发剂与水拌和组成；各组分按照质量百分比计，所述钢渣微粉的掺量为50％～60％，所述粉煤灰的掺量为17％～20％，纤维的掺量为3％～4％，碱激发剂的掺量为钢渣微粉与粉煤灰总质量的5％～7％，与水拌和后组成的地聚合物水胶比范围为0.29～0.35。施工方法包括制备地聚合物：按量先将钢渣微粉与粉煤灰进行干拌至颜色均匀，而后再加入纤维进行搅拌至分散均匀；加入碱激发剂与拌合水的混合液搅拌均匀，得到地聚合物；确定孔位并进行造孔；喷射注浆；成桩成墙；充填回灌。本发明实现了固体废弃物循环利用，加固效果好。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，为一种地聚合物及其用于高压旋喷桩加固路基的施工方法。
背景技术
钢渣量随着钢铁工业的快速发展呈现迅速增长的态势，长期堆积的钢渣不仅占用大量土地，还存在环境污染、资源浪费等问题。同时，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，已成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰不加处理，会污染大气，若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。目前，全国钢渣与粉煤灰的综合利用率较低。钢渣主要矿物含有硅酸三钙、硅酸二钙、橄榄石、铁酸钙等，其中硅酸三钙、硅酸二钙、铁酸盐等矿物具有水硬性，粉煤灰主要矿物含有二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙等，它们与水泥熟料的矿物组成具有相似之处，是一种在碱性水环境下具有胶凝活性的胶结材料。
在道路工程或岩土工程建设中，不可避免的会遇到工程性质不良的土体或道路路基需要加固的情况，通过加固处理以满足工程建设的要求。水泥和石灰是土体化学加固中最为常用的胶凝材料，这些传统的胶凝材料虽然可以显著提高软弱土体的强度和刚度，但其耐久性较差，尤其是在硫酸盐或氯盐的侵蚀作用下，固化土体的物理力学性能会发生严重的劣化。水泥和石灰等存在的高能耗、高二氧化碳排放等缺点也限制了它们在土体加固中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种地聚合物及其用于高压旋喷桩加固路基的施工方法，完全利用钢渣与粉煤灰作为原材料，实现固体废弃物规模化资源循环利用，而且其制备工艺简单，生产能耗很低，并能够很好的进行道路路基加固。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种地聚合物，由钢渣微粉、粉煤灰、纤维以及碱激发剂与水拌和组成；
各组分按照质量百分比计，所述钢渣微粉的掺量为50％～60％，所述粉煤灰的掺量为17％～20％，所述纤维的掺量为3％～4％，所述碱激发剂的掺量为钢渣微粉与粉煤灰总质量的5％～7％，与水拌和后组成的地聚合物水胶比范围为0.29～0.35。
作为本发明地聚合物的一种优选方案，所述的钢渣微粉由钢渣颗粒进行压蒸处理之后磨成细粉，并通过100μm筛过滤所得，筛除100μm以上的细粉料。
作为本发明地聚合物的一种优选方案，所述的钢渣微粉与粉煤灰的掺量为3:1。
作为本发明地聚合物的一种优选方案，所述的碱激发剂选用NaOH与Na2SiO3溶液混合配制而成，NaOH与Na2SiO3溶液的掺配比例为1:1。
作为本发明地聚合物的一种优选方案，所述的纤维选用碳纤维、钢纤维、聚乙烯醇纤维以及甜高粱纤维中的任意一种或多种的组合物。
本发明还提供一种所述地聚合物用于高压旋喷桩加固路基的施工方法，包括以下步骤：
-制备地聚合物：
按量先将钢渣微粉与粉煤灰进行干拌至颜色均匀，而后再加入纤维进行搅拌至分散均匀；
加入碱激发剂与拌合水的混合液搅拌均匀，得到地聚合物；
-确定孔位并进行造孔；
-喷射注浆：采用高压喷射注浆法自下而上连续向孔内注入地聚合物，喷头旋摆提升；
-冒浆：根据孔口冒浆量的大小，判断被喷射切割地层的注浆效果；
-成桩成墙：将高压喷射注浆凝固体形成所需要的形状；
-充填回灌：每一孔的高压喷射注浆完成后，针对孔内的地聚合物浆体产生的析水沉淀情况，及时向孔内充填灌浆，直到孔口浆面不再下沉为止；待地聚合物凝固后完成加固。
作为本发明施工方法的一种优选方案，地聚合物注入过程中进行超声处理。
作为本发明施工方法的一种优选方案，喷射注浆采用的喷头为单嘴、双嘴和多嘴；
在所述的旋摆提升过程中，单嘴喷头摆360°为旋喷，小于360°为弧喷，小于等于180°为拱喷；小于等于90°为摆喷，摆角为0°时为单向定喷。
同轴双嘴喷头摆180°为旋喷，小于180°为双向拱喷，小于等于90°为双向摆喷，摆角为0°时为双向定喷；非同轴双嘴喷头有90°夹角、120°夹角、150°夹角，能用于摆喷和定喷。
作为本发明施工方法的一种优选方案，成桩成墙过程中旋喷形成圆柱状、盘形状，摆喷形成扇形状、亚铃状、梯形状、锥形状和墙壁状，定喷形成板状。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：
本发明利用钢渣与粉煤灰这两种含有硅酸盐矿物的固体废弃物作为胶结材料，在纤维与碱激发剂的激发作用下，形成了具有高流动性和高强度的新型地聚合物。这种地聚合物结合高压旋喷桩加固道路路基与特殊土体，具有低碳、低能耗且性能优异的特点。同时，该地聚合物不仅可以完全利用钢渣与粉煤灰作为原材料，降低固体废弃物处理成本，实现固体废弃物规模化资源循环利用，而且其制备工艺简单，生产能耗很低。与硅酸盐水泥相比，该新型地聚合物具有需水量小、水化热低、强度高、耐久性好等多种优点。本发明不仅能够加固道路基层、垫层与路基，具有良好效果，同时也适用于处理淤泥、淤泥质土等地基土处理。本发明的地聚合物在凝结硬化的过程中，稳定性较好。与波兰特水泥相比，其收缩率和膨胀系数都较低。试验得到该地聚合物7d的体积收缩率仅有波兰特水泥的1/6～1/8，28d也只有1/8～1/9。在0～1200℃，地质聚合物的膨胀系数为2.2×10－6～4.4×10－6。同时，本发明的地聚合物具有良好的界面亲和性，不存在硅酸钙的水化反应，且最终产物是以共价键为主的三维网状结构，与骨料结合很紧密。在该地聚合物中掺入一定量的纤维，不仅能有效提高地聚合物的抗弯强度和劈裂抗拉强度，还能显著改善地聚合物的脆性并增强其韧性。
进一步的，为了消除钢渣颗粒体积安定性不良的问题，本发明对钢渣颗粒进行压蒸处理之后磨成细粉，并通过100μm筛过滤所得，筛除100μm以上的细粉料。
进一步的，本发明碱激发剂选用NaOH与Na2SiO3溶液混合配制而成，NaOH与Na2SiO3溶液的掺配比例为1:1，激发作用较单一激发剂更为显著。
进一步的，本发明的施工方法在地聚合物注入过程中进行超声处理，不同于传统高压旋喷桩，传统的高压旋喷桩施工有单管法、双管法与三管法，而本发明利用地聚合物的特性加入了超声波，形成抗压强度和热稳定性均有所提高的地聚合物。主要原因是超声处理后Al和Si在碱液中的溶解速度变快，硅铝酸盐表面与凝胶相键合增强，缩聚过程及半晶到晶相的形成得到促进。其加固后路基土具有更高的强度与热稳定性。
附图说明
图1本发明实施例利用地聚合物进行特殊土基加固的高压旋喷桩施工流程图；
图2本发明实施例利用地聚合物进行路基加固的高压旋喷桩施工示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，还可以做出各种修改或改进，但是，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明权利要求的涵盖范围之内。
实施例1
利用固体废弃物：钢渣与粉煤灰，制备新型地聚合物用于道路路基加固，参见图1，主要解决路基不均匀沉降、路面翻浆、路基塌陷与特殊土地基等问题。
为保证实施例中选用的钢渣具有良好的体积安定性，试验前应对钢渣进行压蒸预处理，而后将钢渣磨成粉末并通过100μm筛，实施例中选用的钢渣与粉煤灰组成如下表所示。
表1钢渣与粉煤灰化学组成(％)
施工中地聚合物各组份：
60％的钢渣微粉，20％的粉煤灰，水胶比为0.32，NaOH与Na2SiO3溶液掺配质量是钢渣与粉煤灰质量的6％，并且两种溶液的浓度均为1.2mol/L，掺配比例是1:1。
在上述组份中掺入长度为7mm且体积掺量为3.5％的碳纤维。
按上述各组分的配比准备原材料后，先将钢渣粉与粉煤灰两种基本原材料加入搅拌机，进行干拌至物料颜色均匀，而后再加入碳纤维进行搅拌，直至碳纤维分散均匀。
加入NaOH与Na2SiO3溶液与70％拌合水的混合液搅拌60s，而后加入剩余的30％拌合水，继续搅拌30s制得新型地聚合物。
测量放线：根据设计的施工图和坐标网点测量放出施工轴线。
确定孔位：在施工轴线上确定孔位，编上桩号、孔号、序号，依据基准点测量各孔口地面高程。
钻机造孔：可采用泥浆护壁回转钻进、冲击套管钻进和冲击回转跟管钻进等方法。
测量孔深：钻孔终孔时测量钻杆钻具长度，孔深大于20m时，进行孔内测斜。
下喷射管：钻孔经验收合格后，方可进行高压喷射注浆。
搅拌制浆：搅拌机的转速和拌和能力应分别与所搅拌浆液类型和灌浆泵的排浆量相适应，并应能保证均匀、连续地拌制浆液。保证高压喷射注浆连续供浆需量。
供水供气：施工用高压水和压缩气的流量、压力应满足工程设计要求。
喷射注浆：高压喷射注浆法为自下而上连续作业。喷头可分单嘴、双嘴和多嘴，同时，为使利用高压旋喷桩进行地聚合物加固路基后强度更高，故提出在地聚合物体系中引入超声处理，形成抗压强度和热稳定性均有所提高的地聚合物。
冒浆：高压喷射注浆孔口冒浆量的大小，能反映被喷射切割地层的注浆效果。孔口冒出的浆液能否回收利用，取决于工程设计和冒浆质量的好与差，工程中尽可能利用回浆。
旋摆提升：单嘴喷头摆360°为旋喷；小于360°为弧喷；小于等于180°为拱喷；小于等于90°为摆喷；摆角为0°时为单向定喷。同轴双嘴喷头摆180°为旋喷；小于180°为双向拱喷；小于等于90°为双向摆喷；摆角为0°时为双向定喷。非同轴双嘴喷头有90°夹角、120°夹角、150°夹角，可用于摆喷和定喷。
成桩成墙：高压喷射注浆凝固体可形成设计所需要的形状，如旋喷形成圆柱状、盘形状，摆喷形成扇形状、亚铃状、梯形状、锥形状和墙壁状，定喷形成板状。
充填回灌：每一孔的高压喷射注浆完成后，孔内的地聚合物浆体很快会产生析水沉淀，应及时向孔内充填灌浆，直到饱满，孔口浆面不再下沉为止。
清洗结束：每一孔的高压喷射注浆完成后，应及时清洗灌浆泵和输浆管路，防止清洗不及时不彻底浆液在输浆管路中沉淀结块，堵塞输浆管路和喷嘴，影响下一孔的施工。
实施例2
利用固体废弃物：钢渣与粉煤灰，制备新型地聚合物用于特殊土路基施工，参见图2，主要解决路基不均匀沉降、路面翻浆、路基塌陷与特殊土地基等问题。
为保证实施例中选用的钢渣具有良好的体积安定性，试验前应对钢渣进行压蒸预处理，而后将钢渣磨成粉末并通过100μm筛，实施例中选用的钢渣与粉煤灰组成如下表所示。
表2钢渣与粉煤灰化学组成(％)
施工中地聚合物各组份：
60％的钢渣微粉，20％的粉煤灰，水胶比为0.32，NaOH与Na2SiO3溶液掺配质量是钢渣与粉煤灰质量的6％，并且两种溶液的浓度均为1.2mol/L，掺配比例是1:1。
在上述组份中掺入长度为7mm且体积掺量为3.5％的碳纤维。
按上述各组分的配比准备原材料后，先将钢渣粉与粉煤灰两种基本原材料加入搅拌机，进行干拌至物料颜色均匀，而后再加入碳纤维进行搅拌，直至碳纤维分散均匀。
加入NaOH与Na2SiO3溶液与70％拌合水的混合液搅拌60s，而后加入剩余的30％拌合水，继续搅拌30s制得新型地聚合物。
施工准备，在既有线路基边坡测量放样，钉木桩标出每个旋喷桩的位置，在路堤坡脚外挖沉淀池和排污池。
钻机就位调整，将钻机用汽车吊吊在作业平台上，调整钻杆和导向架达到设计角度，固定钻机并钻进。
钻机成孔，采用间隔跳打方式进行施工，提升速度20cm/min，转速20r/min，钻孔位置与设计位置允许偏差不得大于50mm。
插管喷射，钻机对位后将喷管插入地层预定的深度，插管与钻孔同时完成。插管过程中为防止泥沙堵塞喷嘴，采用边射水、边插管，水压力不超过1MPa，压力过大时有可能发生孔壁射塌现象。
在新型地聚合物浆液喷射前，在地聚合物体系中引入超声处理，形成抗压强度和热稳定性均有所提高的地聚合物。
喷管插入预定深度后，由下而上进行喷射作业。时刻注意检查水泥浆初凝时间、注浆流量、压力、旋转提升随度等参数，与设计要求进行比照，随时做好记录。
喷射施工完毕后，把注浆管等机具设备冲洗干净，采用新型地聚合物浆换成水，在地面喷射，清除泥浆泵、注浆管内、软管内残存地聚合物浆液。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种地聚合物，其特征在于：由钢渣微粉、粉煤灰、纤维以及碱激发剂与水拌和组成；
各组分按照质量百分比计，所述钢渣微粉的掺量为50％～60％，所述粉煤灰的掺量为17％～20％，所述纤维的掺量为3％～4％，所述碱激发剂的掺量为钢渣微粉与粉煤灰总质量的5％～7％，与水拌和后组成的地聚合物水胶比范围为0.29～0.35。
2.根据权利要求1所述地聚合物，其特征在于：所述的钢渣微粉由钢渣颗粒进行压蒸处理之后磨成细粉，并通过100μm筛过滤所得，筛除100μm以上的细粉料。
3.根据权利要求1所述地聚合物，其特征在于：所述的钢渣微粉与粉煤灰的掺量为3:1。
4.根据权利要求1所述地聚合物，其特征在于：所述的碱激发剂选用NaOH与Na2SiO3溶液混合配制而成，NaOH与Na2SiO3溶液的掺配比例为1:1。
5.根据权利要求1所述地聚合物，其特征在于：所述的纤维选用碳纤维、钢纤维、聚乙烯醇纤维以及甜高粱纤维中的任意一种或多种的组合物。
6.一种如权利要求1至5中任意一项所述地聚合物用于高压旋喷桩加固路基的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
-制备地聚合物：
按量先将钢渣微粉与粉煤灰进行干拌至颜色均匀，而后再加入纤维进行搅拌至分散均匀；
加入碱激发剂与拌合水的混合液搅拌均匀，得到地聚合物；
-确定孔位并进行造孔；
-喷射注浆：采用高压喷射注浆法自下而上连续向孔内注入地聚合物，喷头旋摆提升；
-冒浆：根据孔口冒浆量的大小，判断被喷射切割地层的注浆效果；
-成桩成墙：将高压喷射注浆凝固体形成所需要的形状；
-充填回灌：每一孔的高压喷射注浆完成后，针对孔内的地聚合物浆体产生的析水沉淀情况，及时向孔内充填灌浆，直到孔口浆面不再下沉为止；待地聚合物凝固后完成加固。
7.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于：地聚合物注入过程中进行超声处理。
8.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于：喷射注浆采用的喷头为单嘴、双嘴和多嘴；在所述的旋摆提升过程中，单嘴喷头摆360°为旋喷，小于360°为弧喷，小于等于180°为拱喷；小于等于90°为摆喷，摆角为0°时为单向定喷。
同轴双嘴喷头摆180°为旋喷，小于180°为双向拱喷，小于等于90°为双向摆喷，摆角为0°时为双向定喷；非同轴双嘴喷头有90°夹角、120°夹角、150°夹角，能用于摆喷和定喷。
9.根据权利要求6所述的施工方法，其特征在于：成桩成墙过程中旋喷形成圆柱状、盘形状，摆喷形成扇形状、亚铃状、梯形状、锥形状和墙壁状，定喷形成板状。
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