CN1293644A - 一种用来改进土壤的工程性质的化学剂 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种包括一种混合水泥(总质量的5%至60%)、硫酸钙(总质量的20%至80%)、石灰(总质量的15%至50%)和二氧化硅(总重量的1%至30%)的用来改进土壤的工程性质的化学剂。混合物中也可包括单丝纤维。

Description

一种用来改进土壤的工程性质的化学剂
本发明涉及一种用来改进土壤的工程性质的化学剂。
在许多民用工程中都需要将现场的土壤的工程性质加以改进再运用到建设工程中。这种改进在道路建设中尤其重要，因为一旦在道路建设中没有合适地稳定作为基础的土壤就会在使用中导致道路的下沉和裂缝。
最简单的改进土壤工程性质的方法是压实它。但是，由于土壤包括从沙质到粘土质的多种特性，简单地压实土壤并不一定能充分地改进土壤的工程性质使之能支持建设在它上面的工程。所以，有人建议在土壤中混入化学剂来改良它，并且已经使用了许多基于聚合物的稳定剂。这种做法成功地改进了土壤的工程性质，但是只能在一个相对比较短的时期内起作用。最后，聚合物从土壤中溶出，它的作用也就失去了。
本发明所述化学剂不但特别能用来稳定用于支质持一个工程的一块区域，也可以用来制造建造廉价房屋的建筑构件，其制造方法为把本化学剂与土壤混合并把混合物压入模具。
本发明提供了一种用来改进土壤的工程性质的化学剂，它包含：
介于总质量5％到60％之间的一种混合水泥(a cementitiouspozzalan)；
介于总质量20％到80％之间的硫酸钙；以及
介于总质量15％到50％之间的一种石灰；
一种优选的用来改进土壤的工程性质的化学剂包含：
介于总质量15％到35％之间的一种混合水泥(a cementitiouspozzalan)；
介于总质量40％到60％之间的硫酸钙；以及
介于总质量20％到40％之间的一种石灰；
另一优选的化学剂组成是：
介于总质量25％到30％之间的一种混合水泥(a cementitiouspozzalan)；
介于总质量30％到40％之间的硫酸钙；以及
介于总质量25％到30％之间的一种石灰；
首选的混合水泥是由高炉矿渣和普通硅酸盐水泥组成的混合物，最好是等质量混合。高炉矿渣通常被简称为“slagment”。
本化学剂也可以包含其它水泥(pozzalans)，这些水泥可选自普通硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、硅酸盐水泥15 SL、硅酸盐水泥15 FA、粉煤灰和普通硅酸盐水泥的混合物、以及砌筑水泥。
本化学剂可包含加强纤维如化纤。优选的纤维是单丝聚丙烯。
每100千克的化学剂中可加入1千克到10千克的纤维。
石灰可以是氧化钙(CaO)或氢氧化钙(Ca(OH)2)的形式。硫酸钙可以是矿物石膏或半水石膏(CaSO4·1／2H2O)。
每一种形式的本化学剂包含占总质量1％到30％不等的二氧化硅(SiO2)。
一种专门用来改进路表面性质的化学剂包含：
矿物石膏(CaSO4)            总质量的35％
石英砂                     总质量的12％
氧化钙或氢氧化钙           总质量的25％
高炉矿渣硅酸盐水泥         总质量的28％
根据本发明的一个方面，提供了一种通过翻动、碾碎土壤，在土壤中加入如上所述的化学剂，然后混合土壤和化学剂，最终压实土壤来改进土壤的工程性质的方法。
根据本发明的另一个方面，提供了一种通过碾碎土壤，把土壤与本化学剂混合，将混合物压入模具并等待混合物固化变硬来制造砌块的方法。
实施例1
本发明所述化学剂可以通过如上所述方法被用来改进将要铺以混凝土、柏油、砖，或以沥青表面密封垫密封的砾石质或泥土质路的土壤的性质。不过，在改进了土壤的性质之后，铺以沥青或混凝土之前，路面上就已经可以跑车了。
已有的砾石路被翻动到能满足稳定性的深度。在翻动破坏并粉碎了路表层之后，原处的土壤被用平地机或中耕机充分地混合。
接着，把预定用量的具有如下组成的化学剂铺在翻动过的土壤上，此用量是通过实验室试验确定的。这种实验室试验将在下文中的实施例2等中描述。
矿物石膏(CaSO4)          总质量的35％
石英砂                   总质量的12％
氧化钙(CaO)或氢氧化钙(Ca(OH)2)总质量的25％
高炉矿渣硅酸盐水泥   总质量的28％
矿物石膏和石英砂可以被预先混合。此混合物以商品名“Cretestone”出售。被使用的此混合物占化学剂总质量的47％。高炉矿渣硅酸盐水泥是等质量的粉碎后的高炉矿渣和普通硅酸盐水泥的混合物。每百千克的上述混合物中可以加入一千克的加强纤维。可以使用的其他产品是“CB Plaster”和“Hydrostone”，他们都包含矿物石膏和石英砂。
向土壤中施用的本化学剂的量随着各种类型的土壤的性质的不同而有所差别，而且做为该类型土壤所需最少量的一个函数。但是施用的化学剂的量通常占待改良土壤的总质量的2％至10％。
然后，把本化学剂与翻动后的那层土壤充分地混合直到获得一层均匀的土壤。试验性的工作表明中耕机可以将化学剂和土壤以最令人满意的方式混合。
现在，向混合物中加入水并混合直到水均匀地分布在混合物中并达到早些时候在实验室中确定的稳定后土壤的最佳含水量(OMCoptimum moisture content)。
接着，用压路机把被稳定了的那层土壤压实直到达到规定的层密度。最后，稳定了土壤层被修整到最终路面水平并被压平直到获得平整的路表。
实验证明，当本化学剂固化了之后，本化学剂就不会从土壤中溶出了。
实施例2
我们在马来西亚测试了一种土壤。这种土壤是一种被归为A 2-6类的粉砂质(粘土质)沙。它被用标准无侧限抗压强度(UCS standardunconfined compressive strenth)测试和加州承载比(CBR CaliforniaBearing Ratio)测试两种方法来进行测试。使用的化学剂与实施例1中使用的化学剂相同。
样品土壤具有如下特性：
塑性指数                   12(在材料＜0．425毫米时)
最大干燥密度(MDD)          2039千克／立方米
最佳含水量(OMC optimum moisture content)9．2％
标准的无侧限抗压强度测试的结果
化学剂百分含量 兆帕斯卡
未处理的2％4％6％ 0．672．222．542．85
加州承载比测试的结果
化学剂百分含量 在密度为如下百分比的最大干燥密度时的加州承载比(％)
93 95 98 100
未处理的2％4％6％ 8163366 132652106 2550104210 3979165340
通过上述的测试可以看出，经过处理的材料的强度与它原来的强度相比增加了3到4倍。
实施例3
以色列标准学院在以色列测试了两种样品。样品1是软石灰石沙砾，样品2是绿色碳酸盐土。表1列出了这两种样品的特性。
测试是在直径为35毫米，高为80毫米的圆柱状样品上进行的。样品的尺寸和预备方法是依照美国材料试验标准2850-87“粘性土的不固结不排水的三轴压缩试验的标准测试方法”(standard ASTMD2850-87“Standard Test Method for Unconsolidated，UndrainedCompressive Strength of Cohesive Soil in Triaxial Compression”)选择的。
图1和图2显示了实施例1中的化学剂对样品1和样品2各自的影响。图3和图4显示了对样品1和样品2的加州承载比测试的结果。可以看出，随着使用的本发明所述化学剂的百分比的增长，样品的性能极大地提高了。术语RBI代表了一种具有如实施例1中所述组成的化学剂。
实施例4
如果想用本发明所述化学剂来制造建筑构件如砖或砌块，那么可以把实施例1中所述的化学剂与土壤混合。比如，可以把化学剂和从某个建筑物的地基中挖出的土壤混合。接着，把混合物放入模具中并压实。一旦混合物固化到了足够的程度，就可以把建筑构件从模具中取出让它在用于建筑目的以前继续固化。
实施例5
我们对一种具有如下特性的斯里兰卡产的砂砾进行了测试。
砂砾来源 材料描述 塑性指数 最大干燥密度(千克／立方米) 最佳含水量(百分比) 100％标准密度时的加州承载比(％)
GetamaneRaja MahaVihara(Matara区) 含铁砂砾 11 1900 12．6 24
在样品中混入总质量的6％的实施例1所述的化学剂之后，就获得了如下的加州承载比的测试结果。
未处理的材料 用6％的RBI 81稳定后的材料
最大干燥密度(千克／立方米) 最佳含水 量(百分比) 100％标准密度时的加州承载 比(％) 在密度为如下百分比的美国各州公路和运输官方协会标准密度(AASHTO-density)时的加州承载比(％)
100 98 95 93 90
1900 12．6 24 213 150 88 62 37
由此可知，当用6％的化学剂稳定了之后，100％标准密度时的加州承载比(％)从24猛长到了213也就是说上升到未稳定时的加州承载比(％)的8至9倍。这就表明用本化学剂稳定之后，加州承载比强度有一个极大的增长。
实施例6
在本测试中使用了一种具有如下特性的分散有砾石的带淤泥的粘土质砂。
筛眼孔径(毫米)/通过百分率 阿特贝而格单位(Atterberg Units)
  75   63   53   37.5   26.5   13.2   109   4.75   2.00   0.24   0.075   LL   PL   PI
  100   95   92   90   88   82   76   58   47   35   13   18   13   5
此种土壤按照美国各州公路和运输官方协会分类法(AASHTclassification)被分为A．1-b类。
混入供测试用土壤的化学剂具有如下组成：
石膏(CaSO4)                 总质量的33％
生石灰(CaO)                 总质量的27％
普通硅酸盐水泥／高炉矿渣    总质量的27％
石英砂                      总质量的13％
如下的测试结果是通过加州承载比测试获得的：
加入的化学剂的百分比 未处理的 2％ 4％ 6％
在密度为98％的美国各州公路和运输官方协会标准密度(AASHTO-density)时的加州承载比(％) 130 207 270 285
土壤的承压强度有了极大的增长。道路所需的维修保养极大地减少了。在雨季里，路表所受的冲刷成穴作用和丢失的砂砾也减少了。
实施例7
我们从KwaZulu Natal地区的一条路上获得了一种棕色花岗岩样品。这种样品具有如下特性并且也被归位A．1-b类型：
    筛眼孔径(毫米)/通过百分率 阿特贝而格范围(Atterberg limits)
  35.7    26.5    19.0    13.2    4.75    2.00  0.425    0.075  LL  PL     PT
  -    100    97    93    73    63    30    11  -  -     SP
本测试中使用的化学剂具有如下组成：
CB Plaster(CaSO4)                     总质量的60％
熟石灰(Ca(OH)2)                       总质量的15％
高炉矿渣和普通硅酸盐水泥的等量混合物  总质量的25％
如下的测试结果是通过加州承载比测试获得的：
最大干燥密度(千克／立方米) 最佳含水量(百分比) 在密度为98％的美国各州公路和运输官方协会标准密度(AASHTO-density)时的加州承载比(％)
未处理的材料 用4％的化学剂稳定后的材料
2080 6．8 11 103
经处理的样品的加州承载比与未经处理的相比有极大的增长。最终产品坚硬并适合作为路的表面。它并不像申请人希望的那样耐久但是也没有使用使产品变得对于一般用途来说过于昂贵的高百分比的昂贵的石膏。在处理过的土壤作为将要被铺上沥青或混凝土等物的底层的情况下使用本化学剂相当合适。实施例8
我们从一个住宅区的一条次要的路上获得了一种据认为是来自砂岩或花岗岩的碎石和泥土的混合土壤。由于排水不充分，这条路上出现了坑洼、皱纹和侵蚀。它按照美国各州公路和运输官方协会分类法也被分为A．1-b类。这种土壤的特性如下：
阿特贝而格范围(Atterberg limits) LL PL PT
- - SP
筛眼孔径(毫米)／通过百分率
53 37．5 26．5 19．0 13．2 4．75 2．00 0．425 0．075
100 98 96 94 90 77 69 46 11
用来处理样品土壤的化学剂组成如下：
石膏(CaSO4)               总质量的60％
石灰(Ca(OH)2)             总质量的20％
高炉矿渣／普通硅酸盐水泥  总质量的20％
请注意，本化学剂不包含任何石英砂。
处理后的路表坚固耐用但是产品因为高含量的石膏而过于昂贵从而不适用于一般用途。
实施例9
我们在一种被归为A．3类的细砂(fine sand)上进行了测试。使用的化学剂的化学组成如下：
石膏(CaSO4)                 总质量的45％
石灰(Ca(OH)2)               总质量的50％
普通硅酸盐水泥和高炉矿渣    总质量的5％
未经处理的沙子的加州承载比(％)为30，而用沙子质量的5％的本化学剂处理过的沙子的加州承载比(％)为178。但是当通过过车而使其承受过大的压力的时候，最终产品破碎了。这种产品不能结实到可作为表层使用，但是作为非重载区的底层使用已经足够了。
这种由一种混合水泥、硫酸钙和一种石灰组成的混合物对无论是沙质的还是粘土质的土壤都能起作用并且都能提高它们的加州承载比值。但是，本发明中的某些化学剂，尤其是那些使用了高百分比的硫酸钙的化学剂由于过于昂贵而不适宜为了一般目的来改进将要成为路表或路基的土壤的工程性质。但是在一个工程性质需要有实质性的改进的小区域里，它们还是可以被使用的。其它的化学剂可以改进土壤的加州承载比值但是处理后的土壤还不能达到作为路表使用所需要的耐久度。用这些化学剂处理过的土壤作为将要铺砖、铺混凝土、铺沥青等的底层使用还是合适的。
制造此化学剂时首先应将所需量的CaO和CaSO4称出并均匀混合。接着加入所需量的石英砂并均匀混合。最后，把混合水泥混入CaO、CaSO4和石英砂的混合物。
化学剂中可以使用多种类型的石灰，以下是一些例子：
石灰的种类 CaO/MgO CaO+MgO(质量与质量的百分比) 可利用的石灰(质量与质量的百分比)
熟化后的 生的 熟化后的 生的
钙质石灰镁质石灰白云石质石灰 ≥14．0≥2．0-＜14．0≥1．3-＜2．0 757575 857575 503530 803530
镁含量应小于总质量的5％并且氧化钙与氧化镁的比应大于14比1。
表一

Claims (14)

1、一种改进土壤工程性质的化学剂，其特征在于，它包括：
介于总质量5％到60％之间的一种混合水泥(a cementitiouspozzalan)；
介于总质量20％到80％之间的硫酸钙；以及
介于总质量15％到50％之间的一种石灰。
2、根据权利要求1所述的化学剂，其特征在于，它包括：
所述混合水泥介于总质量15％到35％之间；
所述硫酸钙介于总质量40％到60％之间；以及
所述石灰介于总质量20％到40％之间。
3、根据权利要求1所述的化学剂，其特征在于，它包括：
所述混合水泥介于总质量25％到30％之间；
所述硫酸钙介于总质量30％到40％之间；以及
所述石灰介于总质量25％到35％之间。
4、根据权利要求1、2或3所述的化学剂，其特征在于，所述混合水泥包括高炉矿渣硅酸盐水泥。
5、根据权利要求4所述的化学剂，其特征在于，所述化学剂中也包含火山灰质硅酸盐水泥(additional pozzalans selected fromordinary Portland cement)，矿物石膏(mineral gypsum)和半水石膏。
6、根据权利要求4或5所述的化学剂，其特征在于：所述化学剂中包含等质量的高炉矿渣硅酸盐水泥(blast furnace slag cement)和普通硅酸盐水泥。
7、根据前述的任何一项权利要求所述的化学剂，其特征在于，所述化学剂中包含加强纤维。
8、根据权利要求7所述的化学剂，其特征在于，所述纤维是一种合成树脂材料。
9、根据权利要求7或8所述的化学剂，其特征在于：每100千克的化学剂中加入1千克到10千克的纤维。
10、根据前述的任何一项权利要求所述的化学剂，其特征在于，所述石灰是氧化钙(CaO)或氢氧化钙(Ca(OH)2)的形式。
11、根据前述的任何一项权利要求所述的化学剂，其特征在于，所述化学剂中包含总质量的1％到30％的二氧化硅。
12、根据权利要求1所述的化学剂，其特征在于，它具有如下组成：
矿物石膏(CaSO4)              总质量的35％
石英砂                        总质量的12％
氧化钙或氢氧化钙              总质量的25％
高炉矿渣硅酸盐水泥            总质量的28％
13、一种改进土壤工程性质的方法，其特征在于，包含翻动、碾碎土壤，在土壤中加入如权利要求1至12中的任何一种所述化学剂，并混合土壤和化学剂，最终压实土壤这些步骤。
14、一种用土壤来制造砌块的方法，其特征在于，包括粉碎土壤，将其与如权利要求1至12中的任何一项所述化学剂混合，将土壤与化学剂的混合物在模具中压实并等待土壤与化学剂的混合物固化变硬这些步骤。
CNB998041521A 1998-04-15 1999-04-15 应用化学剂改进土壤工程性质的方法及制造砌块的方法 Expired - Lifetime CN100343193C (zh)

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