CN114753346B - 一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法，包括如下步骤：首先对淤泥质粘性土地层进行原位钻孔、取土，然后加入复合黏土分散剂溶液，进行一次搅拌处理形成淤泥质软土悬浮浆液；再加入颗粒填料，进行二次搅拌处理，得混合土悬浊浆液；最后加入复合软土固化剂，搅拌混合均匀，即得预拌流态固化土。本发明采用“两阶段”流态固化土的制作方法，并对分散剂、固化剂配方和搅拌条件进行优化，可有效解决现有原位预拌淤泥质软黏土流态固化土及其制备过程中存在的强度低、搅拌不均、成本高、受环境影响限制等问题，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法。
背景技术
城市改、扩建过程中，会形成大量的废弃混凝土、砖块等建筑垃圾，这部分建筑垃圾可以加工成满足一定给配要求的中、粗、细颗粒骨料，这些骨料可以作为混凝土的粗、细骨料。同时，城市改、扩建过程中(诸如基坑开挖、地铁隧道开挖等)会形成大量的颗粒成分复杂的弃土，针对这些弃土，可以通过洗沙的方法，将粗细颗粒分离，满足一定给配要求的粗颗粒土可以作为混凝土骨料。针对粗颗粒很少的淤泥质粘性土，传统的水泥土搅拌桩很难形成完整稳定的桩体，而具有一定粗颗粒填料的淤泥质软土，传统的水泥土搅拌桩的成桩效果好，通过往淤泥质软土浆液中添加一定质量的中、粗、细骨料，可以大大提高固化土抗压强度。原位预拌流态水泥土能够很好地解决深厚海相淤泥质软土的成桩完整性问题。
目前，传统流态土的制备工艺通常需要首先对原位淤泥质软土进行烘干、破碎、筛分处理，制作成本高；也可采用天然暴晒、破碎、筛分处理，但受到工期和天气等因素的制约，很难大规模推广到工程领域。现有固化工艺通常没有针对淤泥质粘性土搅拌过程中形成的“泥球”进行特殊处理，采用常规的搅拌工艺难以满足流动度要求和龄期强度要求。原位淤泥质软土在搅拌过程中，很容易粘在搅拌叶片上，形成“泥饼”，大大降低搅拌效果；现有无机分散剂如，三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、草酸钠等价格便宜，但针对粘土颗粒分散效果差；有机分散剂分散效果较好，但价格昂贵，不利于大规模的工程推广应用。因此，需要进一步研制专用的淤泥质软土复合分散剂，有效解决上述淤泥质软土形成“泥饼”的问题，大大提高搅拌效率。
在我国大力发展节能、节土、利废和保护环境的大背景下，原位淤泥质软黏土改良后的流态固化混合土可以用于地基处理、路基填筑、基坑回填、管廊回填等工程，具有重要的推广价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法，在对基于原位淤泥质粘性土的流态混合固化土进行拌制过程中，首先引入复合黏土分散剂溶液，并对搅拌条件进行优化，形成淤泥质软土悬浮浆液，然后添加颗粒填料和复合软土固化剂，充分拌合形成满足流动度要求的混合流态固化土，有效解决现有原位预拌淤泥质软黏土流态固化土及其制备过程中存在的强度低(且固化强度不可控)、搅拌不均、成本高、受环境影响限制等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法，包括如下步骤：
1)对淤泥质粘性土地层进行原位钻孔、取土，然后将所得淤泥质粘性土置于搅拌装置中；
2)加入复合黏土分散剂溶液，进行一次搅拌处理，形成淤泥质软土悬浮浆液；其中复合黏土分散剂以偏磷酸钠、草酸钠、氢氧化钠和硅酸钠为主要原料复合而成；
3)向所得淤泥质软土悬浮浆液中进一步加入颗粒填料，进行二次搅拌处理，得混合土悬浊浆液；
4)在搅拌条件下，向步骤3)所得浆液中加入复合软土固化剂，混合均匀，即得所述预拌流态固化土。
上述方案中，所述淤泥质粘性土的含水率为50％以上，有机质含量为5wt％以上，孔隙率为1.0-1.5，强度10-20kPa，压缩系数0.5-3.0MPa-1；并且具有含水率高、有机质高、硫酸根离子含量高、含沙率低、天然重度小等特点，在形成流态土的过程中，普通的水泥固化料难以得到较高的龄期固化强度；同时在搅拌过程中，在搅拌叶片上容易形成“泥球”，降低搅拌效率，很难形成满足流动度要求的固化土。
上述方案中，所述复合黏土分散剂溶液的浓度为2～6wt％。
上述方案中，所述复合黏土分散剂中各组分及其所占重量份数包括：偏磷酸钠50～70份，草酸钠20～40份，氢氧化钠2～10份，硅酸钠5～20份。
优选的，所述复合黏土分散剂中各组分及其所占重量份数包括：偏磷酸钠55-65份，草酸钠20-30份，氢氧化钠2-4份，硅酸钠6-10份。
上述方案中，步骤1)所述淤泥质粘性土与复合黏土分散剂溶液的体积比为1:(1.0-2.0)；优选为1:1.5。
上述方案中，步骤2)所述一次搅拌处理步骤采用的起始搅拌速率为60～70r/min，每间隔4～6min改变搅拌方向并以4.5～5.5r/min的增量提高搅拌速率，直至搅拌速率为100～110r/min，最后搅拌9～10min。
上述方案中，步骤3)所述二次搅拌处理步骤采用的起始搅拌速率为100～110r/min，每间隔4～6min改变搅拌方向并以4.5～5.5r/min的增量提高搅拌速率，直至搅拌速率为115～120r/min，最后搅拌9～10min。
上述方案中，所述搅拌方向为顺时针或逆时针。
上述方案中，所述颗粒填料的添加量占淤泥质粘性土质量的10～15％。
上述方案中，所述颗粒填料包括细颗粒土、中颗粒土和粗颗粒土；具体可选用建筑垃圾加工颗粒、城市建设开挖弃土筛选颗粒或沙土颗粒等；其中细颗粒土的粒径为0.25mm以下，中颗粒土的粒径为0.25mm(不包括0.25mm)～0.5mm；粗颗粒土的粒径为0.5mm(不包括0.5mm)～1mm。
优选的，所述颗粒填料中各粒级颗粒及其所占质量百分比为：0.25mm以下10～20％，0.25mm(不包括0.25mm)～0.5mm 40～80％，0.5mm(不包括0.5mm)～1mm 20～30％。
上述方案中，所述复合软土固化剂以矿渣、水泥、生石膏、碱性触发剂和缓凝剂为主要原料复合而成。
上述方案中，所述复合软土固化剂中各组分及其所占重量份数包括：矿渣30～50％，水泥44～70％，碱性触发剂1～2％，生石膏2～4％，缓凝剂0.1～1％。
上述方案中，所述矿渣为高炉矿渣，其密度≥2.8g/cm3，比表面积≥400m2/kg；具体可选用S95粒化高炉矿渣或S90粒化高炉矿渣等；所述水泥为普通硅酸盐水泥，比表面积≥300m2/kg；具体可选用42.5普通硅酸盐水泥等。
上述方案中，所述碱性触发剂可选用氧化镁或苛性碱等；缓凝剂可选用木质磺酸钠或羟基羧酸盐等。
上述方案中，所述复合软土固化剂占原位取土质量的15～22％，复合软土固化剂与淤泥质粘性土的改良混合土进行充分混合，无需配置专用固化料浆液。
上述方案中，步骤4)采用的搅拌速率为60～120r/min，搅拌至所得浆料的坍落度为180mm以上。
优选地，整个搅拌过程中，将搅拌装置的所有敞口全部封闭，整个搅拌在一个密闭环境中进行。
优选的，所述搅拌过程中采用改进的搅拌装置，它包括搅拌箱体和均匀分布在其中的若干个(三个以上)设置搅拌叶轮的搅拌轴，其中搅拌轴的转速在60-150r/min之间可调，转向沿顺时针和逆时针方向可调。
优选的，所述搅拌过程中，保持搅拌装置中的搅拌轴不同时采用一个方向旋转。
将根据上述方案所得预拌流态固化土经输送泵回灌到原位孔中，形成完整桩体。
本发明对流态固化土的制备过程中，不需要对原状淤泥质粘性土进行烘干、破碎和筛分处理，首先将原状淤泥质粘性土与复合分散剂溶液充分拌合搅拌，形成淤泥质粘性土悬浮浆液，然后向悬浮浆液内添加适量的细、中、粗粒改良填料，形成悬浊浆液，最后添加复合黏土固化剂；整个过程均在多轴多向搅拌条件下进行，可实现比单轴和双轴更高的搅拌效率；与传统的流态土制作方法相比，涉及的制作成本低，效率高，不受气候和工期条件限制，且固化强度可控，可以大大提高流态固化土的质量，保障施工效果，有力的拓展原位预拌流态土的推广应用范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明首次提出“两阶段”流态固化土的制作方法，将复合分散剂与复合软土固化剂分两个阶段与原状土进行拌合；其中复合分散剂可有效解决淤泥质粘性土搅拌过程中形成的“泥球”问题，形成具有一定流动度的淤泥质粘性土的悬浊浆液；复合软土固化剂采用干掺的方式，与悬浊浆液进行充分拌合形成超流态固化土，可有效解决固化土流动度与龄期强度的矛盾问题，满足水泥土搅拌桩所要求的桩身强度要求，为原位超流态固化土灌注桩的施工工艺提供技术支撑；
2)本发明通过对搅拌条件进行优化，可有效提高搅拌效率，并进一步改善淤泥质粘性土搅拌过程中形成的“泥球”问题；可实现在中低速搅拌条件下淤泥质粘性固化土的高效搅拌；
3)本发明涉及的制作成本低，效率较高，不受气候和工期条件限制，且固化强度可控，可以大大提高流态固化土的质量，保障施工效果，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例中采用搅拌装置的结构示意图；
图中，1为电机，2为料箱，3为叶轮，4为连轴器，5为传动轴。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，采用的矿渣为S95粒化高炉矿渣，密度为2.88g/cm3，比表面积为430m2/kg；所述水泥可选用42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为360m2/kg。
采用的碱性触发剂为氧化镁或苛性碱；缓凝剂为木质磺酸钠或羟基羧酸盐。
以下实施例中采用的搅拌装置为卧式四轴多向搅拌装置，其结构示意图见图1(图中为清楚显示结构，省略了其它三个转动轴的叶轮结构)；外接搅拌设备自动化操作平台，对每个旋转轴可以实现搅拌方向、搅拌速度的预先参数设置，并且在搅拌过程中可任意改变每个旋转轴(转动轴)的搅拌速度和搅拌方向；搅拌轴上的活动叶片实现了在旋转轴正向、反向双向方向的搅拌基础之上实现了多向搅拌，大大提高了搅拌效率；所述搅拌叶片与搅拌箱底壁之间、四根转动轴的叶片之间具有间隙，保证搅拌箱内的土料搅拌充分，且不会发生彼此碰撞；且四根转动轴中，始终保持两根转动轴与剩余的两根转动轴的转动方向相反。
实施例1
一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法，包括如下步骤：
1)取土：针对淤泥质粘性土地层，采用长螺旋钻机原位成孔、取土，并将所得淤泥质粘性土(原状土)倒入专用搅拌设备的搅拌桶中；其中原状土为饱和淤泥质粉质黏土，其含水率为60％，有机质含量为7wt％，孔隙率为1.2％，强度为15kPa，压缩系数为2MPa-1；
2)将复合黏土分散剂溶液倒入搅拌桶中，启动搅拌驱动装置，在四轴多向搅拌条件下对搅拌箱中淤泥质粘性土进行搅拌：设置初始搅拌速率为70r/min，每隔5min改变一次每个旋转轴的转向(顺时针或逆时针)和转速(每次增幅为5r/min)，直至转速增加至100r/min，搅拌10min，形成淤泥质黏土悬浮浆液；其中复合黏土分散剂溶液的浓度为6wt％，其与淤泥质粘性土的体积比为1:1.5；复合黏土分散剂中各组分及其所占重量份数为：六偏磷酸钠60份，草酸钠30份，氢氧化钠5份，硅酸钠5份；
3)添加满足给配要求的细、中、粗颗粒填料，在四轴多向搅拌条件下对搅拌箱中淤泥质粘性土进行搅拌，形成淤泥质粘性改良土悬浊浆液(混合土悬浊浆液)，其中搅拌步骤包括：设置初始搅拌速率为100r/min，每隔5min改变一次每个旋转轴的转向和转速每次增幅为5r/min，直至转速增加至120r/min然后搅拌10min；其中颗粒填料的添加量为原状土质量的10％；采用的颗粒填料为粗砂，其中各粒级颗粒及其所占质量百分比为：0.25mm以下占20％，0.25mm(不包括0.25mm)～0.5mm占50％，0.5mm(不包括0.5mm)～1mm占30％；
4)在搅拌条件下，向步骤3)所得浆液中加入复合软土固化剂，复合软土固化剂的添加量分别占原状土质量的18％、20％、22％和25％，首先以70r/min的转速搅拌10min，然后以120r/min转速搅拌直至所得浆料的坍落度大于180mm，即得满足灌注要求的预拌流态固化土；所述复合软土固化剂中各组分及其所占质量百分比为：S95粒化高炉矿渣30％，水泥64％，生石膏4％，苛性碱1％，木质磺酸钠1％。
将所得预拌流态固化土注入直径为50mm、高度为50mm的模具中；在温度为25℃、湿度为90％的养护室进行标准养护48h小时后脱模；继续养护14、28、60、90天测定4组试样的无侧限抗压强度，结果见表1。
表1实施例1所得四组试样不同养护时间条件下的性能测试结果(kPa)
实施例2
一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：
1)钻孔取得的饱和淤泥质粉质粘土的含水率为70％，有机质含量为10wt％，孔隙率为1.5％；
2)颗粒填料的添加量为原状土质量的15％；
3)复合黏土分散剂中各组分及其所占重量份数为：六偏磷酸钠70份，草酸钠20份，氢氧化钠5份，硅酸钠5份；
4)复合软土固化剂中各组分及其所占质量百分比为：S95粒化高炉矿渣50％，水泥44％，生石膏4％，碱性触发剂(苛性碱)1％，缓凝剂(木质磺酸钠)1％。
将本实施例所得预拌流态固化土注入直径为50mm、高度为50mm的模具中；在温度为25℃、湿度为90％的养护室进行标准养护48h小时后脱模；继续养护14、28、60、90天测定4组试样的无侧限抗压强度，结果见表2。
表2实施例2所得四组试样不同养护时间条件下的性能测试结果(kPa)
将根据上述方案所得预拌流态固化土经输送泵回灌到原位孔中，可形成完整桩体。
对比例1～4
对比例1～4所述利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法与实施例1大致相同，不同之处在于采用的分散剂组成分别见表3。
表3对比例采用分散剂的组成(重量份)
| 序号 | 偏磷酸钠 | 草酸钠 | 氢氧化钠 | 硅酸钠 |
| 对比例1 | 0 | 0 | 3 | 8 |
| 对比例2 | 60 | 0 | 3 | 8 |
| 对比例3 | 60 | 0 | 0 | 8 |
| 对比例4 | 60 | 0 | 3 | 0 |
参考实施例1所述方法，测试利用对比例2所得分散剂固化土在不同养护时间条件下的无侧限抗压强度测试结果，结果见表4。
表4对比例2不同养护时间条件下的无侧限抗压强度测试结果(kPa)
表5对比例和实施例所得浆料的坍落度测试结果(cm)
| 序号 | 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对比例4 |
| 坍落度 | 19 | 18 | 2 | 3 | 2 | 2 |
上述结果表明，将实施例1、2所述分散剂应用于制备预拌流态固化土中，其各项性能均满足流态固化土灌注要求，并呈现出极好的快速和长效分散效果，同时可进一步提升所得固化土的力学性能。
对比例5
一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法，其步骤1与实施例1的步骤1相同，不同之处在于，步骤2)和步骤3)采用的搅拌条件不同，不同之处在于：
1)将所述将复合黏土分散剂溶液倒入搅拌桶中，启动搅拌装置，设置转速为100r/min，搅拌40min；
2)添加满足给配要求的细、中、粗颗粒填料，对搅拌桶中淤泥质粘性土进行搅拌，设置转速为120r/min，搅拌时间为20min，形成淤泥质粘性改良土悬浊浆液(混合土悬浊浆液)。
3)向2)所得浆液中加入复合软土固化剂，设定转速为120r/min，搅拌20min。
将所得预拌流态固化土注入直径为50mm、高度为50mm的模具中；在温度为25℃、湿度为90％的养护室进行标准养护48h小时后脱模；继续养护14、28、60、90天测定4组试样的无侧限抗压强度，结果见表6。
表6对比例5不同养护时间条件下的无侧限抗压强度测试结果(kPa)
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用原位淤泥质粘性土制备预拌流态固化土的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对淤泥质粘性土地层进行原位钻孔、取土，然后将所得淤泥质粘性土置于搅拌装置中；
2)加入复合黏土分散剂溶液，进行一次搅拌处理，形成淤泥质软土悬浮浆液；其中复合黏土分散剂以偏磷酸钠、草酸钠、氢氧化钠和硅酸钠为主要原料复合而成；
3)向所得淤泥质软土悬浮浆液中进一步加入颗粒填料，进行二次搅拌处理，得混合土悬浊浆液；
4)在搅拌条件下，向步骤3)所得浆液中加入复合软土固化剂，混合均匀，即得所述预拌流态固化土；
所述复合黏土分散剂中各组分及其所占重量份数包括：偏磷酸钠50～70份，草酸钠20～40份，氢氧化钠2～10份，硅酸钠5～20份；
所述复合软土固化剂以矿渣、水泥、生石膏、碱性触发剂和缓凝剂为主要原料复合而成；各组分及其所占重量份数包括：矿渣30～50％，水泥44～70％，碱性触发剂1～2％，生石膏2～4％，缓凝剂0.1～1％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淤泥质粘性土的含水率为50％以上，有机质含量为5wt％以上，孔隙率为1.0～1.5％，强度10～20kPa，压缩系数0.5～3.0MPa-1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合黏土分散剂溶液的浓度为2～6wt％；淤泥质粘性土与复合黏土分散剂溶液的体积比为1:(1.0～2.0)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述一次搅拌处理步骤采用的起始搅拌速率为60～70r/min，每间隔4～6min改变搅拌方向并以4.5～5.5r/min的增量提高搅拌速率，直至搅拌速率为100～110r/min，最后搅拌9～10min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)所述二次搅拌处理步骤采用的起始搅拌速率为100～110r/min，每间隔4～6min改变搅拌方向并以4.5～5.5r/min的增量提高搅拌速率，直至搅拌速率为115～125r/min，最后搅拌9～10min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒填料的添加量占淤泥质粘性土质量的10～15％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述颗粒填料包括细颗粒土、中颗粒土和粗颗粒土；其中细颗粒土的粒径为0.25mm以下，中颗粒土的粒径为0.25～0.5mm；粗颗粒土的粒径为0.5～1mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合软土固化剂占原位取土质量的15～22％。
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