CN114775571B - 一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法,本发明方法将水泥与原位污染黏土进行混合养护之后然后进行筛分,得到不同粒径的颗粒,将颗粒质量百分含量小于10%的粒径记作d0,将n个级别的粒径d1~dn分别与粒径为d0的颗粒以不同的质量比进行混合,基于粒径混合配比计算公式,获取最优粒径与粒径比,将得到的最优粒径分别放入碱溶液常温下浸泡8‑12小时;然后选取多个最优粒径比进行混合压实得到回填材料,将需要回填的基坑开挖成倒梯形,从下到上依次填入多个配比混合颗粒,压实至最大密度,形成梯度防渗地基材料。采用本发明方法采用原位污染黏土,得到的回填材料能够减少地基的冻胀融沉,防止水分进入,提高地基的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程中岩土工程技术领域,尤其涉及一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法。
背景技术
含黏土矿物的土壤中吸附的Zn、Pb、Cr等重金属难以解吸附,会在地下复杂环境中富集并迁移,严重危害环境及人类健康。稳定固化法(stabilization/solidificationmethod)修复污染土壤具有低成本且高效的特点,其中水泥基材料为最常用的固化剂,在欧美国家中常说的固化稳定化通常指的是水泥固化稳定化。但是,地下复杂环境下重金属固化稳定化效果产生衰减,仍需要集中堆放处理。因此,亟需开发大规模处治固化污染黏土的方法。
在冻土地区,土体冻结过程中由于土中水分冻结会出现体积膨胀现象,这种冻胀作用会产生切向力,最终对基础产生冻拔作用,造成基础发生水平位移和倾斜。相反地,在地温升高或人工活动影响下,冻土也会因为融化而发生下沉的现象,造成基础发生不均匀沉陷或倾覆破坏。多孔隔热混凝土属于保温隔热材料的范畴,覆盖在热力设备、管道和建筑物的表面,能阻止或减少与外界发生热交换,减少热量耗散。目前,常见的填充材料包括陶粒、玻化微珠、秸秆、矿渣、煤矸石等。但是,导热系数通常在0.10W/(m·K)~0.27W/(m·K)之间,仅为传统混凝土的1/10~1/20。而且,混凝土与多孔填充材料制备保温混凝土的方法仍需要消耗大量水泥,且水泥生产耗能大、温室气体排放量大,不符合国家双碳战略的发展目标。东南大学毕钰璋和杜延军2020年提出一种废气网球与填充材料组成的保温层,采用固化剂与黏土混合作为填充材料。但是废弃网球材料不具备普遍性,难以大规模应用。由于保温材料属于多孔介质,通常渗透性通常较高,渗透系数在0.6~1.5mm/s。在常温常压下,液态水的导热系数约为0.59W/(m·K)。因此,水的入渗也会增加材料的导热系数。综上所述,建筑中的保温材料尚存在的问题如下:(1)尚未采用固化污染黏土;(2)仍需大量消耗水泥;(3)较高的热传导系数;(4)渗透系数较高。因此,本发明专利提出一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法,用于冻土地区的地基保温,减少地基的冻胀融沉,防止水分进入,提高地基的耐久性。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提出一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法,用于冻土地区的地基保温,减少地基的冻胀融沉,防止水分进入,提高地基的耐久性。
一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1、将水泥与污染黏土进行混合,得到水泥基固化污染黏土,将混合得到的水泥基固化污染黏土放入养护箱中养护28天;
步骤2、将经过28天养护后的水泥基固化污染黏土放入粉碎机中进行破碎得到破碎颗粒将破碎颗粒放入干燥箱,调整干燥温度为100℃进行烘干,脱除自由水;
步骤3、采用标准筛,将破碎颗粒进行分级筛分并称重,求得不同粒径下的以质量百分数表示的粒度分布,将颗粒质量百分含量小于10%的粒径记作d0,其余粒径将颗粒粒径从小到大分为n级,分别为d1~dn,当粒径达到dn时,d0-dn粒径范围内的质量百分含量达到100%;
步骤4、将n个级别的粒径d1~dn分别与粒径为d0的颗粒以不同的质量比进行混合,粒径为d0的颗粒为细颗粒,粒径为d1~dn的颗粒统称粗颗粒,获取粗细颗粒混合体系的最小孔隙比emin、粒径为d0的细颗粒的体积Vs0以及加入粒径为d0的细颗粒后压实状态下的粗细颗粒混合体系的体积增加量ΔV的计算公式,计算公式如下:
式中:Vs1~Vsn表示粒径为d1~dn的固体颗粒体积;
Vv1~Vvn表示粒径为d1~dn的颗粒形成的压实状态下的孔隙体积,对应的孔隙比为e1-en;
f0为粒径为d0的细颗粒的质量与粗细颗粒混合体系总质量m的比值;
V为压实颗粒体系的总体积;
Gs为固化污染黏土的比重;
ρw为水的密度;
步骤5、将步骤4得到的混合颗粒f0以及ΔV/V,采用一元二次方程进行拟合,得到平滑曲线,拟合公式如下:
求得ΔV/V最小时对应的粒径为d0的细颗粒对应的f0;
选取ΔV/V最小的三个f0,记作f01、f02、f03,以及对应的粗粒径,记作da、db、dc,a<b<c∈[1n];
步骤6、选取步骤5获得的粒径为da、db、dc以及粒径为d0的四组破碎固化软黏土颗粒,分别放入碱溶液常温下浸泡8-12小时;
步骤7、将经碱液处理后的四组破碎固化软黏土颗粒da、db、dc和d0取出,分别与硅灰混合搅拌后筛出粒径为0.075mm以下的四组颗粒记作da1、db1、dc1、d01,制成改性破碎固化软黏土颗粒;
步骤8、将步骤7得到的四组改性破碎固化软黏土颗粒中,d01颗粒分别与da1、db1、dc1三组颗粒,按照质量配比为f01、f02、f03的配比进行混合,搅拌均匀,制成三种混合颗粒A1、A2、A3;分别将三种混合颗粒A1、A2、A3装入模具,采用击实锤压实至最大干密度得到三种混合颗粒防渗地基材料;
步骤9、开挖下窄上宽的倒梯形地基基坑,在地基基坑内,首先填入原地基土、然后从下到上依次回填步骤8中经压实至最大密度A3、A2、A1混合颗粒防渗地基材料,A1混合颗粒防渗地基材料上方设置建筑扩大基础。
进一步地,步骤1中破碎机的破碎时长为10分钟。
进一步地,污染黏土为高岭石为主的矿物黏土。
进一步地,所述方法得到的混合颗粒防渗地基材料用于冻土层的基坑回填。
有益效果:采用本发明的方法,利用水泥与污染黏土混合进行地基基坑回填,解决固化污染黏土的大规模利用问题,以及保温地基的水泥消耗量大、导热系数和渗透系数高的问题。本发明采用。多级配设计的水泥固化污染土梯度防渗保温地基内部温度保温、防渗效果好,具有如下优势:
(1)大量消耗固化污染土;(2)保温层施工不使用水泥,降低碳排放量;(3)较低的热传导系数,防止地基冻胀;(4)较低的渗透系数,防止水分进入,提高地基的耐久性。
附图说明
图1为本发明破碎后的固化污染黏土的级配曲线图;
图2为本发明ΔV/V与质量比f0的曲线图;
图3为本发明梯度防渗保温地基结构;
图4为多级配设计水泥固化污染黏土与其他保温材料渗透系数对比图;
图5多级配设计水泥固化污染黏土与其他保温材料热传导系数对比图;
图6梯度防渗保温地基沿深度的含水率分布曲线图;
图7梯度防渗保温地基沿深度的温度分布图。
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用以解释本发明,并不用于限定本发明,即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法,所述方法包括以下步骤:
1)按照水泥与干黏土按照质量比为15.0%选取水泥掺入量,采用20%初始含水率,选用1.48g/cm3的初始干密度,铅离子的质量浓度为2.0%。
2)将混合物在养护箱中养护28天,无侧限抗压强度4MPa。养护后的水泥基固化污染黏土在粉碎机中进行破碎10分钟,放入干燥箱,调整干燥温度为100℃进行烘干,脱除自由水。
3)采用标准筛,将破碎颗粒进行1~20mm分级筛分并称重,求得以质量百分数表示的粒度分布(图1)。将颗粒质量含量小于10%的粒径作为d0=1mm,其余粒径范围划分为10级,其所对应的颗粒粒径分别为d1~d10,d1为2mm,d2为4mm、d3为6mm,d4为8mm、d5为10mm、d6为12mm,d7为14mm、d8为16mm,d9为18mm、d10为20mm算取质量百分数所选取的粒径区间范围分别为1~2mm、1~4mm、1~6mm…1~20mm。
4)采用Vs1~Vs10表示粒径为d1~d10的固体颗粒体积,采用Vv1~Vv10表示粒径为d1~d10的颗粒形成的压实状态下的孔隙体积,对应的孔隙比为e1-e10。Vs0表示粒径为d0的细颗粒的体积,ΔV表示加入粒径为d0的细颗粒后压实状态下的粗、细颗粒混合体系的体积增加量,f0为粒径为d0的细颗粒的质量与粗、细颗粒混合体系总质量m的比值。V为压实颗粒体系的总体积。emin为粗、细颗粒混合体系的最小孔隙比。Gs为固化污染黏土的比重,ρw为水的密度。以上参数满足如下关系:
5)试验得到不同di/d0(i=1~n)的Vs0与ΔV/V,采用一元二次方程进行拟合,得到平滑曲线,如图2所示,拟合公式如下:
求上式的极值得到ΔV/V最小时对应的粒径为d0的细颗粒含量,选取ΔV/V最小的三个含量f01、f02、f03,以及对应的d2/d0、d4/d0、d7/d0。
6)选取所需粒径的d2、d4、d7、d0的破碎固化软黏土,放入碱溶液常温下浸泡8-12小时。
7)将碱液处理后的破碎固化软黏土取出,与硅灰混合搅拌后,筛出0.075mm以下的颗粒,制成改性破碎固化软黏土颗粒
8)按照一定的重量百分比,将破碎固化软黏土颗粒(包括比例为f01、f02、f03的细颗粒,1-f01、1-f02、1-f03的粗颗粒)进行混合,搅拌均匀,制成三种混合颗粒A1、A2、A3;混合颗粒装入模具,采用击实锤压实至最大干密度。回填材料A1:粒径d2与d0混合;回填材料A2:粒径d4与d0混合;回填材料A3:粒径d7与d0混合;
9)开挖下窄上宽的倒梯形地基基坑,在地基基坑内,首先填入原地基土、然后从下到上依次回填步骤8中经压实至最大密度A3、A2、A1混合颗粒防渗地基材料,A1混合颗粒防渗地基材料上方设置建筑扩大基础。现场按照图3顺序依次回填,制成具备梯度功能的保温防渗地基材料。附图中1为回填材料A1,2为回填材料A2,3为回填材料A3,4为建筑基础,5为原地基土。
10)图4为本实施例中多级配设计水泥固化污染黏土与泡沫混凝土、EPS颗粒混凝土渗透系数对比,对比结果显示,渗透系数降低一个数量级以上。图5为本实施例中多级配设计水泥固化污染黏土与泡沫混凝土、EPS颗粒混凝土热传导系数对比,对比结果显示,泡沫混凝土和EPS颗粒混凝土热传导系数在0.048~0.08W/m·K,1~5mm粒径水泥固化污染土在最小体积比ΔV/V下的热传导系数为0.03W/m·K,1~10mm粒径水泥固化污染土在最小体积比ΔV/V下的热传导系数为0.02W/m·K,1~20mm粒径水泥固化污染土在最小体积比ΔV/V下的热传导系数为0.01W/m·K。
11)进行1:1比例地基土水力传导与热传导模拟试验,1~5mm粒径水泥固化污染土A1、1~10mm粒径水泥固化污染土A2、1~20mm粒径水泥固化污染土A3的厚度为1m。对比试验,泡沫混凝土、EPS颗粒混凝土的厚度均为3m。在1m、2m、3mm埋设水分传感器和温度传感器。首先在表面施加1m水头,90天后后,含水率的分布如图6所示,结果显示,基于多级配设计的水泥固化污染土梯度防渗保温地基内部含水率显著低于泡沫混凝土、EPS颗粒混凝土,证明了良好的防渗效果。其次,在表面控制温度为0℃,温度的分布如图6所示,结果显示,基于多级配设计的水泥固化污染土梯度防渗保温地基内部温度显著高于泡沫混凝土、EPS颗粒混凝土,证明了良好的保温效果。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1、将水泥与污染黏土进行混合,得到水泥基固化污染黏土,将混合得到的水泥基固化污染黏土放入养护箱中养护28天;
步骤2、将经过28天养护后的水泥基固化污染黏土放入粉碎机中进行破碎得到破碎颗粒将破碎颗粒放入干燥箱,调整干燥温度为100℃进行烘干,脱除自由水;
步骤3、采用标准筛,将破碎颗粒进行分级筛分并称重,求得不同粒径下的以质量百分数表示的粒度分布,将颗粒质量百分含量小于10%的粒径记作d0,其余粒径将颗粒粒径从小到大分为n级,分别为d1~dn,当粒径达到dn时,d0-dn粒径范围内的质量百分含量达到100%;
步骤4、将n个级别的粒径d1~dn分别与粒径为d0的颗粒以不同的质量比进行混合,粒径为d0的颗粒为细颗粒,粒径为d1~dn的颗粒统称粗颗粒,获取粗细颗粒混合体系的最小孔隙比emin、粒径为d0的细颗粒的体积Vs0以及加入粒径为d0的细颗粒后压实状态下的粗细颗粒混合体系的体积增加量ΔV的计算公式,计算公式如下:
式中:Vs1~Vsn表示粒径为d1~dn的固体颗粒体积;
Vv1~Vvn表示粒径为d1~dn的颗粒形成的压实状态下的孔隙体积,对应的孔隙比为e1-en;
f0为粒径为d0的细颗粒的质量与粗细颗粒混合体系总质量m的比值;
V为压实颗粒体系的总体积;
Gs为固化污染黏土的比重;
ρw为水的密度;
步骤5、将步骤4得到的混合颗粒f0以及ΔV/V,采用一元二次方程进行拟合,得到平滑曲线,拟合公式如下:
求得ΔV/V最小时对应的粒径为d0的细颗粒对应的f0;
选取ΔV/V最小的三个f0,记作f01、f02、f03,以及对应的粗粒径,记作da、db、dc,a<b<c∈[1 n];
步骤6、选取步骤5获得的粒径为da、db、dc以及粒径为d0的四组破碎固化软黏土颗粒,分别放入碱溶液常温下浸泡8-12小时;
步骤7、将经碱液处理后的四组破碎固化软黏土颗粒da、db、dc和d0取出,分别与硅灰混合搅拌后筛出粒径为0.075mm以下的四组颗粒记作da1、db1、dc1、d01,制成改性破碎固化软黏土颗粒;
步骤8、将步骤7得到的四组改性破碎固化软黏土颗粒中,d01颗粒分别与da1、db1、dc1三组颗粒,按照质量配比为f01、f02、f03的配比进行混合,搅拌均匀,制成三种混合颗粒A1、A2、A3;分别将三种混合颗粒Al、A2、A3装入模具,采用击实锤压实至最大干密度得到三种混合颗粒防渗地基材料;
步骤9、开挖下窄上宽的倒梯形地基基坑,在地基基坑内,首先填入原地基土、然后从下到上依次回填步骤8中经压实至最大密度A3、A2、A1混合颗粒防渗地基材料,A1混合颗粒防渗地基材料上方设置建筑扩大基础;
所述方法得到的混合颗粒防渗地基材料用于冻土层的基坑回填;
步骤1中破碎机的破碎时长为10分钟;
2.根据权利要求1所述的一种利用固化污染黏土制备低渗梯度保温地基的方法,其特征在于,污染黏土为高岭石为主的矿物黏土。
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