CN114988739A - 一种改良膨胀土、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程的技术领域，具体涉及一种改良膨胀土、其制备方法及应用，按照质量百分数计包括：改性椰壳纤维0.5％～1.5％、蔗渣灰6％～25％、膨胀土73.5％～93.5％。本发明使用的椰壳纤维天然无公害、绿色环保；椰壳纤维韧性强、强度高、来源广而且成本低廉。本发明利用椰壳纤维与蔗渣灰改良膨胀土，与传统膨胀土治理方法相比，其施工成本低，施工工艺简单可行，可广泛应用于路基、地基、堤岸、边坡等岩土和水利工程领域。本发明使用的蔗渣灰为糖厂废弃物，通常处理方法是将其丢弃填埋，不仅浪费资源，还会带来环境问题。本发明使用了大量的蔗渣灰，不仅节约了资源还保护了环境。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程的技术领域，具体涉及一种改良膨胀土、其制备方法及应用。
背景技术
膨胀土在我国分布范围很广，据现有的资料，广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等20多个省、自治区、市均有膨胀土。膨胀土含有强亲水性黏土矿物成分，具有强烈的胀缩特性、多裂隙性和强度衰减性，遇水膨胀，变形急剧增长，对工程建设极为不利。如何对膨胀土弃方合理处治及利用，一直是路基工程中十分关注的问题。目前处理膨胀土的主要方法有：换填法、物理化学改性法、封闭包盖法和夹层法。
椰壳纤维被证明具有良好的抗拉强度、刚度、水力性能和长期抗生物降解性。椰子纤维含有较多的纤维素和木质素以及半纤维素和果胶。纤维素为纤维提供强度、硬度和稳定性。
甘蔗灰又为蔗渣灰，是在制糖工艺中，甘蔗榨汁制糖后得到副产物甘蔗渣，蔗渣在经过焚烧后由除尘装置得到的细灰，即为甘蔗灰，这是我国甘蔗制糖厂通过燃烧蔗渣进行发电的锅炉中排出的主要废物，其主要含二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化钾(K2O)等。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种改良膨胀土，效果可靠、施工高效、成本低廉和生态环保。
本发明的目的之二在于提供一种改良膨胀土的制备方法，制备工艺简便，易于调节。
本发明的目的之三在于提供一种改良膨胀土的应用。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种改良膨胀土，按照质量百分数计包括：改性椰壳纤维0.5％～1.5％、蔗渣灰6％～25％、膨胀土73.5％～93.5％。
优选地，所述蔗渣灰为糖厂废弃物。
优选地，所述改性椰壳纤维为经碱处理后的椰壳纤维。
优选地，所述改性椰壳纤维的制备方法为：将椰壳纤维浸泡在由浓度为4wt％-6wt％的NaOH溶液中6-24小时，浸泡结束后水洗、干燥，得到改性椰壳纤维。
优选地，水洗后在室温下进行干燥。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的改良膨胀土的制备方法，将蔗渣灰和膨胀土混合均匀得到混合物，再加入改性椰壳纤维得到改良膨胀土。
本发明实现目的之三所采用的方案是：一种所述的改良膨胀土的应用，将所述改良膨胀土用于制备改良膨胀土填料，包括以下步骤：
(1)按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率和最大干密度；
(2)按确定的最佳含水率的含水量添加水到步骤(1)得到的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
本发明方案改良膨胀土的改良原理如下：
蔗渣灰被归类为火山灰材料，富含较多的Al3+、Ca2+和Fe3+等高价阳离子，掺入膨胀土中后会进行阳离子交换(蔗渣灰中的高价阳离子置换出膨胀土中的低价阳离子)、火山灰反应和胶结形式的化学反应。当发生阳离子交换时，粘土颗粒变得更粗糙，其塑性降低，置换后土颗粒表面的结合水膜变薄，亲水性降低，土颗粒之间的引力变大，膨胀土的膨胀性变弱。因此与改良前的膨胀土相比，稳定土的收缩和膨胀潜力降低得更有效。此外，胶结过程有助于改善粘土颗粒之间的化学结合，从而提高土体强度。
椰壳纤维被证明具有良好的抗拉强度、刚度、水力性能和长期抗生物降解性。椰子纤维含有较多的纤维素和木质素以及半纤维素和果胶。纤维素为纤维提供强度、硬度和稳定性。椰壳纤维掺入膨胀土中增加了抗拔力，能够分担土壤中产生的更多应力。
本发明方案碱处理椰壳纤维的原理如下：
椰壳纤维中的纤维素，它含有大量的羟基，这使得椰壳纤维在性质上具有亲水性。当用作补强材料时，它会导致抗吸湿性差和界面粘结力弱。木质素赋予纤维刚性，确保其免受生物攻击。半纤维素本质上是亲水性的，含有大量的羟基和乙酰基。它通过氢键与纤维素结合。椰壳纤维的柔韧性由果胶提供。由于纤维中存在游离羟基和含氧基团，它有通过氢键形成吸引水分子的倾向，从而导致纤维膨胀。这导致纤维中的纤维素分子暴露在微生物的攻击之下。微生物的侵蚀会降解并降低纤维的强度。同样，当椰壳纤维暴露在化学环境中时，会发生水解、氧化或脱水反应，导致椰壳纤维的抗拉强度降低。为了提高耐久性、界面附着力，并最大限度地减少强度损失，椰壳纤维需要采用某种物理或化学方法进行处理，通过阻止纤维中存在的游离羟基，减少吸湿性，降低纤维的亲水性。
椰壳纤维的碱处理对于改善纤维的物理、机械和耐久性非常有效。它降低了它们的亲水性，并阻止了与纤维素纤维和基质其余部分之间形成键有关的羟基。这降低了椰壳纤维的吸水率，提高了纤维的机械性能和耐久性。碱处理也会去除半纤维素，并将纤维分裂成原纤维，这对增强纤维的界面强度起到了重要作用。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明使用的椰壳纤维天然无公害、绿色环保；椰壳纤维韧性强、强度高、来源广而且成本低廉。
(2)本发明利用椰壳纤维与蔗渣灰改良膨胀土，与传统膨胀土治理方法相比，其施工成本低，施工工艺简单可行，可广泛应用于路基、地基、堤岸、边坡等岩土和水利工程领域。
(3)本发明使用的蔗渣灰为糖厂废弃物，通常处理方法是将其丢弃填埋，不仅浪费资源，还会带来环境问题。本发明使用了大量的蔗渣灰，不仅节约了资源还保护了环境。
附图说明
图1是不同椰壳纤维与蔗渣灰掺量下改良膨胀土填料的最大干密度的变化图；
图2是不同椰壳纤维与蔗渣灰掺量下改良膨胀土填料的最佳含水量的变化图；
图3是不同椰壳纤维与蔗渣灰掺量下改良膨胀土填料的无侧限抗压强度变化图；
图4是不同椰壳纤维与蔗渣灰掺量下改良膨胀土填料的CBR值变化图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明中所采用的椰壳纤维、蔗渣灰和膨胀土为常规原料。
所述的膨胀土经烘干研磨并过2mm筛，其主要物理性质如表1所示。
表1膨胀土的物理性质
所述的改性椰壳纤维随机分散在膨胀土与蔗渣灰的混合物中，特性如表2所示。
表2改性椰壳纤维的特性
| 平均长度(mm) | 密度(kN/m<sup>3</sup>) | 平均抗拉强度(MPa) |
| 60 | 14 | 150 |
所述的蔗渣灰取自于某糖厂，烘干研磨并过2mm筛，物理性质如表3所示，其主要成分如表4所示。
表3蔗渣灰的物理性质
| 比重(kN/m<sup>3</sup>) | 比表面积(cm<sup>2</sup>/g) | pH值 |
| 2.32 | 228 | 8.64 |
表4蔗渣灰的化学组成
| SiO<sub>2</sub> | TiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | MgO | CaO | K<sub>2</sub>O | Na<sub>2</sub>O | 灰分 |
| 60.05 | 0.039 | 1.76 | 1.62 | 3.76 | 4.56 | 22.99 | 0.21 | 14.71 |
实施例1：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在5wt％的NaOH溶液浸泡18小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝0.5:6:93.5，称取所需膨胀土质量935g，蔗渣灰60g，改性椰壳纤维5g，先将60g的蔗渣灰和935g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将5g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为15.2％；
第四步，将15.2g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
实施例2：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在4wt％的NaOH溶液浸泡24小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝0.5:18:81.5，称取所需膨胀土质量815g，蔗渣灰180g，改性椰壳纤维5g。先将180g的蔗渣灰和815g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将5g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为15.8％。
第四步，将15.8g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
实施例3：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在6wt％的NaOH溶液浸泡6小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝0.5:25:74.5，称取所需膨胀土质量745g，蔗渣灰250g，改性椰壳纤维5g。先将250g的蔗渣灰和745g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将5g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为16.5％。
第四步，将16.5g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
实施例4：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在5wt％的NaOH溶液浸泡24小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝1:6:93，称取所需膨胀土质量930g，蔗渣灰60g，改性椰壳纤维10g。先将60g的蔗渣灰和930g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将10g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为15.8％。
第四步，将15.8g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
实施例5：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在5wt％的NaOH溶液浸泡24小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝1:18:81，称取所需膨胀土质量810g，蔗渣灰180g，改性椰壳纤维10g。先将180g的蔗渣灰和810g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将10g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为16.0％。
第四步，将16.0g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
实施例6：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在5wt％的NaOH溶液浸泡24小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝1:25:74，称取所需膨胀土质量740g，蔗渣灰250g，改性椰壳纤维10g。先将250g的蔗渣灰和740g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将10g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为16.9％。
第四步，将16.9g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
实施例7：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在5wt％的NaOH溶液浸泡24小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝1.5:6:92.5，称取所需膨胀土质量925g，蔗渣灰60g，改性椰壳纤维15g。先将60g的蔗渣灰和925g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将15g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为16.4％。
第四步，将16.4g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
实施例8：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在5wt％的NaOH溶液浸泡24小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝1.5:18:80.5，称取所需膨胀土质量805g，蔗渣灰180g，改性椰壳纤维15g。先将180g的蔗渣灰和805g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将15g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为16.6％。
第四步，将16.6g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
实施例9：
一种改良膨胀土填料的制备方法如下：
第一步，先将椰壳纤维浸泡在5wt％的NaOH溶液浸泡24小时，浸泡完成后，取出椰壳纤维，用水清洗处理过的椰壳纤维，以去除纤维表面的残余碱，然后，在室温(27℃22℃)下干燥7天，最后，干燥处理的改性椰壳纤维被储存在密封的塑料袋中；
第二步，配置1000g的混合土，按质量百分比改性椰壳纤维：蔗渣灰：膨胀土＝1.5:25:73.5，称取所需膨胀土质量735g，蔗渣灰250g，改性椰壳纤维15g。先将250g的蔗渣灰和735g的膨胀土混合均匀得到混合物，再将15g的改性椰壳纤维掺入混合物中得到改良膨胀土；
第三步，按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率为17.4％。
第四步，将17.4g的水加入到第二步的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
将上述制备的改良膨胀土填料进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
对比例1：
一种膨胀土填料的制备方法如下：配置1000g的膨胀土，按照《公路土工试验规程》JTG3430-2020中轻型击实试验确定膨胀土的最佳含水率为14.1％，最大干密度为1.89g/cm3。将上述制备的膨胀土进行CBR试验、无侧限抗压强度试验，试验结果如下表5所示。
表5蔗渣灰与椰壳纤维改良膨胀土的强度特性
从表5中可以看出，随着改性椰壳纤维与蔗渣灰的掺入，膨胀土的无侧限抗压强度与CBR值均有较大的提高，在改性椰壳纤维掺量为1.0％、蔗渣灰掺量为25％时，膨胀土的无侧限抗压强度与CBR值均达到最大值。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种改良膨胀土，其特征在于，按照质量百分数计包括：改性椰壳纤维0.5％～1.5％、蔗渣灰6％～25％、膨胀土73.5％～93.5％。
2.根据权利要求1所述的改良膨胀土，其特征在于：所述蔗渣灰为糖厂废弃物。
3.根据权利要求1所述的改良膨胀土，其特征在于：所述改性椰壳纤维为经碱处理后的椰壳纤维。
4.根据权利要求1所述的改良膨胀土，其特征在于：所述改性椰壳纤维的制备方法为：将椰壳纤维浸泡在由浓度为4wt％-6wt％的NaOH溶液中6-24小时，浸泡结束后水洗、干燥，得到改性椰壳纤维。
5.根据权利要求4所述的改良膨胀土，其特征在于：水洗后在室温下进行干燥。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的改良膨胀土的制备方法，其特征在于：将蔗渣灰和膨胀土混合均匀得到混合物，再加入改性椰壳纤维得到改良膨胀土。
7.一种如权利要求1-5中任一项所述的改良膨胀土的应用，其特征在于：将所述改良膨胀土用于制备改良膨胀土填料，包括以下步骤：
(1)按照《公路土工试验规程》JTG 3430-2020中轻型击实试验确定改良膨胀土的最佳含水率和最大干密度；
(2)按确定的最佳含水率的含水量添加水到步骤(1)得到的改良膨胀土中，搅拌均匀，在自然条件下闷料12-24h，得到改良膨胀土填料。
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