CN115849857A - 岛礁海域基建用土壤固化剂及其制备方法和土壤固化方法 - Google Patents
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- Consolidation Of Soil By Introduction Of Solidifying Substances Into Soil (AREA)
Abstract
本发明涉及一种岛礁海域基建用土壤固化剂，按质量百分比，该土壤固化剂的原材料包括：20～25％磷酸盐、40～45％珊瑚砂、0～25％有机溶解剂和0～40％水，其中有机溶解剂和水不全为0。与现有技术相比，本发明设计的固化剂在土基加固时提升效果迅速且显著，养生3d可达到设计强度的70％，养生7d可进行后续施工；而且固化剂制备过程中碳排放少，绿色环保，所采用的珊瑚砂其主要成分为碳酸钙、碳酸镁等碳酸盐，不会污染环境。
Description
技术领域
本发明涉及土壤固化剂技术领域，具体涉及一种岛礁海域基建用土壤固化剂及其制备方法和土壤固化方法。
背景技术
在岛礁区域分布着大量软土，此类软土天然含水率较高，具有承载力低、压缩性高和排水固结慢等缺点，严重制约岛礁建设。如果直接采用该种土质进行工程建设，会伴随大量的工程问题，所以对此类土质进行固化处理是工程建设的必须环节。土基加固可以改善土基抵抗振动液化的能力，消除工后差异沉降，以提升土基强度，节约工程成本，加固效果直接关系到工程的质量安全和施工进度。目前岛礁地区常用的土基加固方法有：换填法、碾压法、强夯法、搅拌粧、压密注浆、CFG桩法、堆载预压等。但传统土基加固方法有以下缺点：
(1)经济成本高。岛礁区域工业水平与内陆相比较薄弱，特别是填海岛屿建设，大型施工机械和工程材料需要从较远的内陆地区，通过船运的方式运送至岛礁区域施工现场，运输时间长，运费高昂，大大增加施工建设经济成本；同时伴随着我国工程建设量一直处于高位，工程材料量需求持续增大，土基加固常用的砂石以及各类固化剂的价格逐渐走高，材料成本居高不下。
(2)施工周期长。传统土基加固技术如采用钻孔灌注桩或打入钢管桩进行处理土基，需通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩，费工费时成孔速度慢；并且搅拌粧、CFG桩法、堆载预压等需要28～90d的养生龄期才能达到设计强度，进行后续施工，施工进度缓慢，如遇紧急事态，需要快速施工时，现有技术不能满足缩短工期的需求。
(3)环境友好性差。土基加固所使用的砂石材料，在各类工程领域需求都很高，而砂石的开采会对环境造成破坏；主流的土基固化材料为水泥基材料，该类固化材料在制造过程中伴随大量碳排放，影响环境生态；在土基加固过程中产生大量泥渣废物、残余化学固化剂等，造成施工现场附近环境污染。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种岛礁海域基建用土壤固化剂及其制备方法和土壤固化方法。该土壤固化剂在土基加固时提升效果迅速且显著，养生3d可达到设计强度的70％，养生7d可进行后续施工
本发明的构思为：磷酸盐溶液与珊瑚砂和土壤中的钙源，例如氧化钙、碳酸钙、氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶等发生化学反应，生成羟基磷灰石，分子式为Ca10(PO4)6(OH)2，该物质为脊椎动物骨骼和牙釉质的主要成分，具有良好的粘附性、化学稳定性以及较高的强度、刚度和比表面积，从而固化土基提升其承载力。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明目的之一在于一种岛礁海域基建用土壤固化剂，该土壤固化剂的原材料包括：质量比为(20～25):(40～50)的磷酸盐和珊瑚砂，以及有机溶解剂和水。
进一步地，该土壤固化剂的原材料包括：20～25％磷酸盐、40～45％珊瑚砂、0～25％有机溶解剂和0～40％水，其中有机溶解剂和水不全为0。
进一步地，所述的水与有机溶解剂的总质量不少于磷酸盐的质量。
进一步地，所述水的质量大于磷酸盐的质量，有机溶解剂用量为0；所述水的质量小于磷酸盐的质量，有机溶解剂用量为磷酸盐的质量减去水的质量。
进一步地，所述的磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸二氢氨、磷酸二氢钠或磷酸二氢钾中的一种或多种。
进一步地，所述的珊瑚砂为粒径小于1mm的珊瑚或贝壳破碎颗粒。
进一步地，所述的珊瑚砂中粒径小于0.05mm珊瑚砂占珊瑚砂总质量的60～100％。
进一步地，所述的有机溶解剂为乙二醇、异丙醇或丙烯酸中的一种或多种。
本发明目的之二在于一种如上所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂的制备方法，该制备方法为：依次向容器中加入磷酸盐、水和有机溶解剂，搅拌至磷酸盐完全溶解，再加入珊瑚砂继续搅拌，直至搅拌均匀，得到一种岛礁海域基建用土壤固化剂。此外，土壤固化剂可以在现场制备，也可在室内制备后运送至施工场地，在施工前搅拌不可停止，从固化剂制备过程中的加入珊瑚砂开始计时，应在4h以内全部用完，超过4h后应舍弃，重新进行制备。
本发明所提供的土壤固化剂用量应根据工程实际进行配置，方法如下：
步骤一、计算珊瑚砂比例：将需加固的土样分别与不同质量的珊瑚砂混合，其中珊瑚砂质量分别为土样质量10％、20％、30％、40％和50％，对5种组合进行击实试验，得到干密度最大的土样与珊瑚沙组合比例及对应的最佳含水率。
步骤二、计算珊瑚砂总量：根据加固区土颗粒总质量和步骤一中最佳组合结果，确定珊瑚砂总量。
步骤三、计算磷酸盐用量：磷酸盐用量为步骤二中珊瑚砂用量的50％。
步骤四、计算水的用量：水的用量为施工时土基达到最佳含水率所需的用水量。
步骤五、计算有机溶解剂用量：水与有机溶解剂的质量之和不少于步骤三所用磷酸盐质量，若步骤四中水的质量大于步骤三中磷酸盐质量，则有机溶解剂用量为0；若步骤四水的质量小于步骤三中磷酸盐用量，则有机溶解剂用量为步骤三磷酸盐质量减去步骤四中水的质量。
本发明目的之三在于一种如上所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂的固化方法，该固化方法为：将制备完成时间在4小时以内的土壤固化剂与浅层土壤混合压实或深层注浆搅拌后，养护至少7d，从而完成固化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点。
(1)本发明相比较现有技术产品，具有显著的经济成本优势。其中，珊瑚砂资源丰富，成本低廉；在沿海岛礁地区进行施工可就地取材，南海130余个岛礁以珊瑚碎块和珊瑚礁砂为主，占比高达60～80％，可直接开采珊瑚砂或将珊瑚礁石破碎后使用，材料直接成本低，同时就地开采可减少其他材料运送至施工现场的运输时间与经济成本；磷酸氢二铵等磷酸盐为化肥的主要成分，其本身作为一种常用的农业高效肥料，成本低廉。
(2)强度提升快，工期短。本发明设计的固化剂在土基加固时提升效果迅速且显著，养生3d可达到设计强度的70％，养生7d可进行后续施工。
(3)环境友好性强。固化剂主要成分珊瑚砂大量存在于岛礁地区，资源丰富，且开采时不会对环境造成严重破坏；固化剂制备过程中碳排放少，绿色环保；土壤固化剂所采用的珊瑚砂其主要成分为碳酸钙、碳酸镁等碳酸盐，不会污染环境，固化反应发生后的主要产物羟基磷灰石为脊椎动物骨骼和牙釉质的主要成分，无毒、无致癌性，具有优良的生物相容性，不会对环境造成严重污染。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种岛礁海域基建用土壤固化剂，按质量百分比，该土壤固化剂的原材料包括：20～25％磷酸盐、40～45％珊瑚砂、0～25％有机溶解剂和0～40％水，其中有机溶解剂和水不全为0。
水与有机溶解剂的总质量不少于磷酸盐的质量。水的质量大于磷酸盐的质量，有机溶解剂用量为0；水的质量小于磷酸盐的质量，有机溶解剂用量为磷酸盐的质量减去水的质量。磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸二氢氨、磷酸二氢钠或磷酸二氢钾中的一种或多种。珊瑚砂为粒径小于1mm的珊瑚或贝壳破碎颗粒。珊瑚砂中粒径小于0.05mm珊瑚砂占珊瑚砂总质量的60～100％。有机溶解剂为乙二醇、异丙醇或丙烯酸中的一种或多种。
实施例1
东南沿海地区某新建道路填土路基，采用本发明所设计的固化剂进行加固。根据需要，加固填方土体工程量为120m3。
(1)确定施工方案：填土厚度为0.8m，根据规范要求分2层施工，每层厚度0.4m。
(2)计算固化剂用量：
(a)珊瑚砂用量：进行室内试验，按珊瑚砂质量分别为土壤质量的10％、20％、30％、40％和50％共5种配比组合进行击实试验，得到珊瑚砂最优掺量比例为22％，最大干密度为1.61g/cm3，对应最佳含水率为16.8％。
经计算，加固土体需珊瑚砂34.8吨。
(b)磷酸盐用量：磷酸盐采用磷酸氢二铵，用量为珊瑚砂的50％，即17.4吨，磷酸氢二铵购自苏州尚昔化工有限公司。
(c)水和溶剂用量：用水量按最佳含水率计算共需32.5吨，因用水量超过磷酸盐用量，故不使用其他溶剂。
(3)分两层将固化剂与土体充分搅拌混合，压实机逐层进行碾压，每层压实度达到93％后完成施工，养生7d后可进行后续施工步骤。
对比例1
对比例1与实施例1的操作条件基本相同，不同之处在于对比例1采用与实施例1相同的200kg土壤，且不采用任何加固方法。
对比例2
对比例2与实施例1的操作条件基本相同，不同之处在于对比例2采用与实施例1相同的200kg土壤，不采用本发明设计的固化剂，采用石灰与粉煤灰混合物进行加固，石灰和粉煤灰的质量比为1:3，石灰和粉煤灰混合物的掺量为土质量的6％，最佳含水率为13.3％。
对比例2中的石灰购自建德市泰和新材料有限公司，粉煤灰购自河北泽旭建材科技发展有限公司；。
对比例3
与实施例1相比，不采用本发明所述固化剂，采用水泥进行加固。
对比例3与实施例1的操作条件基本相同，不同之处在于对比例3采用与实施例1相同的200kg土壤，不采用本发明设计的固化剂，采用P.O 32.5水泥进行加固，水泥掺量为土壤质量的6％，最佳含水率为13.8％。
将实施例1、对比例1～3中的固化后的土体进行物理、力学测试。
1、承载比(CBR)测试
参照现行规范JTG 3430-2020(《公路土工试验规程》)，进行承载比(CBR)测试，压实度控制为93％。测试试样应分3次倒入筒内，每层击实后的试样应高出1/3筒高1～2mm)，按规定的击数进行逐层进行击实，击锤应自由垂直落下，锤迹必须均匀分布于试样面上。每层击实完后，将试样层面“拉毛”，然后再装入套筒。击实后试样不宜高出筒高10mm。
控制压实度为93％的承载比(CBR)测试结果见表1。固化后土体的CBR值提升明显，高于对比例2、3两种目前常用的固化方法。
表1承载比测试结果
| 实施例1 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | |
| CBR/％ | 32.4 | 2.8 | 9.9 | 19.8 |
2、无侧限抗压强度测试
参照规范JTG E51-2009(《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》)进行无侧限抗压强度测试。测试采用圆柱形试模，尺寸为
成型后的试件高度误差为±1mm以内，质量损失5g以内。养生龄期为7d和28d。
无侧限抗压强度的测试加过见表2。固化后土体的无侧限抗压强度提升明显，并且养生7d就能达到养生28d强度的87％以上。
表2无侧限抗压强度测试结果
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种岛礁海域基建用土壤固化剂，其特征在于，该土壤固化剂的原材料包括：质量比为(20～25):(40～50)的磷酸盐和珊瑚砂，以及有机溶解剂和水。
2.根据权利要求1所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂，其特征在于，按质量百分比，该土壤固化剂的原材料包括：20～25％磷酸盐、40～45％珊瑚砂、0～25％有机溶解剂和0～40％水，其中有机溶解剂和水不全为0。
3.根据权利要求2所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂，其特征在于，所述的水与有机溶解剂的总质量不少于磷酸盐的质量。
4.根据权利要求3所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂，其特征在于，所述水的质量大于磷酸盐的质量，有机溶解剂用量为0；所述水的质量小于磷酸盐的质量，有机溶解剂用量为磷酸盐的质量减去水的质量。
5.根据权利要求1所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂，其特征在于，所述的磷酸盐为磷酸氢二铵、磷酸二氢氨、磷酸二氢钠或磷酸二氢钾中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂，其特征在于，所述的珊瑚砂为粒径小于1mm的珊瑚或贝壳破碎颗粒。
7.根据权利要求4所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂，其特征在于，所述的珊瑚砂中粒径小于0.05mm珊瑚砂占珊瑚砂总质量的60～100％。
8.根据权利要求1所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂，其特征在于，所述的有机溶解剂为乙二醇、异丙醇或丙烯酸中的一种或多种。
9.一种如权利要求1-6所述的一种岛礁海域基建用土壤固化剂的制备方法，其特征在于，该制备方法为：依次向容器中加入磷酸盐、水和有机溶解剂，搅拌至磷酸盐完全溶解，再加入珊瑚砂继续搅拌，直至搅拌均匀，得到一种岛礁海域基建用土壤固化剂。
10.一种岛礁海域基建用土壤的固化方法，其特征在于，该固化方法为：将制备完成时间在4小时以内的一种如权利要求1-6任一项权利要求所述的岛礁海域基建用土壤固化剂与浅层土壤混合压实或深层注浆搅拌后，养护至少7d，从而完成固化。
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