CN1683719A - 膨胀土生态改性剂及施工方法 - Google Patents

Abstract

膨胀土生态改性剂及施工方法是采用化学试剂治理膨胀土的技术。膨胀土生态改性剂是由CMA弱酸树脂液+水+活性石灰充分搅拌组成。将改性剂分1～3次均匀喷洒在膨胀土体的表面上，经渗透进入土体。通过离子交换、胶合、固化作用，改变其膨胀土颗粒的结构特征，从而提高膨胀土的强度，增强膨胀土的水稳性，永久的改变膨胀土的属性，将膨胀土改为非膨胀土。该技术施工方法简单，改性后的土体具有绿化还原与生态的功能，适用于公路、铁路、水利等工程膨胀土的治理，有较好的经济效益和社会效益。

Description

膨胀土生态改性剂及施工方法

                              技术领域

本发明涉及岩土工程，是一种用化学试剂治理膨胀土的技术。

                              背景技术

一膨胀土特性

膨胀土在我国分布广泛，其矿物组成多以伊利石、蒙脱石为主，夹少量的高岭石。这些亲水性的粘土矿物遇水膨胀，失水收缩，具有明显的胀缩性、多裂隙性、超固结性，以及强度减弱性。容易造成沉陷、溜塌、纵裂、坍塌等事故。在公路、铁路、水利、工民建等工程建设中，不可避免地要经过膨胀土地区，治理膨胀土，确保工程安全与质量一直是困扰工程界的重大技术难题，属国家重点科研攻关项目。

二膨胀土危害工程的主要原因

膨胀土的矿物成分及结构形式，使它具有胀缩特性，含水量的变化使其这一特性显示出来。新开挖的膨胀土地基与边坡，受雨水、大气、地下水、土压力等因素的影响，使膨胀土含水量发生变化。反复胀缩导致了膨胀土土体的松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，裂隙破坏了土体的整体性，使水的侵入和土中水分的蒸发更为容易。土体含水量的波动引起胀缩变形的反复发生，又进一步导致了裂隙的扩展和向土层深部发展，使土体强度大为降低，形成风化层。风化层深度一般在1～1.2m。风化层深度范围内，土体湿胀干缩效应明显，土体的粘聚力和抗剪强度急剧下降，所以大气风化作用层是产生各种地基，及边坡病害的直接引导层。对地基及边坡稳定性危害极大。因此膨胀土大气风化作用层是危害工程的主要原因。是工程防护和治理的重点对象。

膨胀土含水量的变化是受多种因素的影响，雨水渗入只是其中的一个比较重要的因素。因此治理膨胀土地基及边坡，仅仅依靠防止雨水渗入土体是远远不够的。它应该是对大气风化作用层影响深度范围内土体的彻底治理。

三传统治理膨胀土方法

对于膨胀土挖方边坡传统的处置方案，一般采用全封闭形式的刚性防护。其主要观点认为：膨胀土边坡失稳的主要原因是受降水影响，当土体吸水由非饱和态进入饱和态这一过程中，土体的抗剪强度则由强逐渐变弱，当土体的剪切指标值随含水量增加而衰减时，其边坡稳定性随之递减直至产生变形破坏。因此采用边坡封闭防护以阻止降水被非饱和土吸收，其主要方式如浆砌片石满铺防治、混凝土六角块满铺防护、土钉墙加固边坡等。实践证明这些刚性防护方案治理膨胀土效果较差。不能从根本上解决在大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的胀缩问题。因为膨胀土新开挖的坡面受大气、地下水、土压力变化等多种因素影响，既使没有降水的浸入，也会发生膨胀与收缩，必然产生一定的变形，以求达到新的平衡。即使这种变形不大，也会对刚性防护结构起破坏作用。慢慢形成裂缝，雨水就会从裂缝中渗入，加剧膨胀土的胀缩变形，恶性循环，直至引发连锁破坏。刚性防护结构还有产生眩光、燥声，不能还原生态环境等缺陷。

对于膨胀土路基的处理方法通常采用换填土及在膨胀土路堤填料中掺石灰、水泥等方法处理，石灰固化机理是硅酸盐和铝的水化物与颗粒相互间的胶结作用，胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，从而降低了液限，增大土体的抗剪强度。以上两种方法虽有一定的效果，但我们通过多年的施工经验和已通车道路的调查以及室内、室外试验，发现石灰和水泥与土的反应速度较慢，所生成的水化物强度较低，耐久性较差，而且石灰掺量在8％以上，水泥掺量在6％以上才能达到一定的效果。而在施工时需要反复拌和均匀，周期长，耗工时，施工性能不好，造价高。

                                     发明内容

一膨胀土生态改性剂改性原理

膨胀土生态改性剂是由CMA弱酸树脂液+水+活性石灰充分搅拌组成。具有电解和离子交换的作用，有较强的渗透性，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子[X]ⁿ⁺和带负电荷的阴离子[Y]n-，阳离子与膨胀土胶体表面的阳离子[M]ⁿ⁺产生交换作用，将这些原本吸附在膨胀土颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走，代之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。使膨胀土颗粒上的吸附水的化学键破坏形成自由水，改性后土颗粒形成键状和网状结构加快反应和离子交换，自由水通过重力、蒸发、压实作用排除，改变了膨胀土颗粒的结构特征，从而提高膨胀土的抗剪强度，增强膨胀土的水稳性，永久的改变膨胀土的属性，将膨胀土改性为非膨胀土。且具有比石灰土更稳固更持久的效果。即：

[土壤胶体]^n-[M]ⁿ⁺+[X]ⁿ⁺--＞[土壤胶体]n-[X]ⁿ⁺+[M]ⁿ⁺

而离解出来的阴离子则与土壤中铝产生络合作用：

[土壤颗粒]+[Y]^n--->[侵蚀的土壤颗粒]^3-+[AIY]^3-n

铝离子的树脂络合物[AIY]^3-n再与[土壤胶体]^n-[X]ⁿ⁺作用，使树脂得以再生：

[AIY]^3-n+[土壤胶体]^n-[X]ⁿ⁺-->Yⁿ-Xⁿ⁺[Al(土壤胶体)]

总反应式是：

[土壤胶体]^n-[M]ⁿ⁺+[X]ⁿ⁺-->Al[脱铝的土壤胶体]+[M]ⁿ⁺

膨胀土生态改性剂是在水中电解出离子与膨胀土颗粒离子进行交换作用，从而达到将膨胀土改性的目的，它与其它的胶合材料不同，自身与土粒并不结合，而且具有再生功能，它与膨胀土作用时其总量并没有减少。其功效并不会随着时间的推移而逐渐减弱，相反，只要膨胀土中有水分，它的功效就会延续下去，这种作用是永久的不可逆的。作用过程大致是：当膨胀土生态改性剂喷洒在土体上通过渗透达到一定深度将其改性，还可以通过土体本身含水量经土体毛细孔隙到达一定深度。更重要的是膨胀土生态改性剂具有较强的渗透性，能溶于水，它可以随雨水渗透，到达雨水能到达的深度，这样就从根本上解决了雨水渗入对膨胀土的影响，做到对大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的彻底治理。

膨胀土生态改性剂改性膨胀土有如下特点：

1、改善膨胀土湿胀干缩的特性：

膨胀土湿胀干缩特性是其所含的矿物与水作用的结果，在膨胀土矿物颗粒表面吸附着一层水，这层吸附水是从静电引力的形式被吸附在膨胀土矿物颗粒的表面上，由于静电引力的作用，这层吸附水与膨胀土矿物颗粒结合得非常牢固，重力、较小机械力不能将其排出。土壤通过风干可以除去大部分的吸附水，但环境湿度增加会导致其重新吸收水分，由于膨胀土矿物颗粒很小，其表面积非常巨大，吸附水的吸收或排出，势必引起土体强烈的湿胀干缩，从而导致岩土工程的破坏。离子交换作用结果，是使原来作用于土壤颗粒表面的吸附水静电引力被打破，吸附水变成自由水。经离子交换作用膨胀土颗粒不再容易与水分子结合，从而容易被排出，这样就从根本上改善了膨胀土湿胀干缩的特性，将膨胀土改性为非膨胀土，优于正常土。

2、改性后的土体具有人造沉积岩倾向：

由于改性后的土体水分在膨胀土生态改性剂的作用下被排除，改性土在重力的作用下被压实，在石灰和离子反应中形成胶状晶体的粘合作用下被固化。固结形成密实的板状结构，而且具有良好的弹性，不会发生裂隙，具有人造沉积岩的倾向。

3、水的渗透不会引起岩土工程的破坏：

水的渗透需要有气孔。未经处理过的土壤其中的气孔及虚空空间很多，水很容易渗透进去，渗透进去的水还会被膨胀土颗粒吸附而使土壤膨胀，导致岩土工程破坏。经过膨胀土生态改性剂处理的土体，由于其排水作用而使大部分的气孔也被压缩，且气孔里大部分空问会被再结晶物质所充填，虽然改性后的土体水还是能渗透进去，但由于这些水不会再被吸附而很快被排出。所以，这些渗透水并不会引起岩土工程的破坏。

二膨胀土生态改性剂配制

膨胀土生态改性剂是由CMA弱酸树脂液+水+活性石灰充分搅拌均匀组成。其中CMA弱酸树脂液所占比例为0.5％～2％。水所占比例为92％～95.5％。活性石灰所占比例为4％～6％。因土体性质不同，掺配比例视土体性质而定。CMA弱酸树脂液是一种有机化工产品。该产品由武汉中财科贸公司生产。市场有售。

三膨胀土生态改性剂改性膨胀土的施工方法与要求

1路堑边坡

(1)施工前的准备

改性施工前，首先在路堑边坡上选择有代表性原状土土样，通过室内试验，配制适合该土体的膨胀土生态改性剂。改性的边坡可按一般正常土的坡比进行设计，边坡率控制在1∶1.5～1∶1.75之间。无需工程防护结构。坡顶上部应设有导流明沟，截流和排出雨水。要充分调查地下水源发育情况，尽量防止地下水进入坡体。施工前认真检查坡面土体的干湿程度，土体要干燥，以坡体表面出现裂纹为宜。应选择在晴天施工。土方施工应在改性前按设计要求成形到位，改性后不宜再拢动边坡土体，以免影响改性效果。

(2)改性施工

将膨胀土生态改性剂充分搅拌均匀，按5kg/m²～8kg/m²均衡喷洒在坡体表面。通过渗透方法透入土体，待土体干燥后，用同样办法喷洒第二次、第三次。当土体含水量较大时，可采用打眼灌入的方法进行施工。改性剂与土体初步反应完成后(时间控制在1～2月)，方可进行正常绿化施工。

此施工方法适用于河堤、引水干渠的膨胀土边坡治理以及山体边坡的水土流失。

2路基

将路基翻挖晾晒，翻挖深度一般在15～20cm(土体干燥时也可以不翻挖)，待土体干燥后喷洒膨胀土生态改性剂，喷洒方法和数量与路堑边坡相同。改性后的土体碾压时含水量应严格控制在高于最佳含水量2％～3％。碾压方法按公路规范执行。

3填方路堤

用膨胀土作为路堤的填料填筑路堤时，可先按常规施工方法填筑和分层碾压。堤筑施工中应避免雨水侵入。强膨胀土不能作为筑路的填料。碾压时含水量应严格控制在高于最佳含水量2％～3％。待路堤完全筑成后，将堤顶和路边实施包边改性。也可以分层改性。改性施工方法同上。

                                  具体实施实例

为了检验膨胀土生态改性剂的效果，我委托相关单位做了大量的室内试验和室外工程实体试验，发现经过改性的膨胀土自由膨胀率、膨胀量、膨胀力、线缩率、收缩系数各有明显的下降，缩限呈明显上升趋势，CBR和无侧限抗压强度大幅度提高。同时做了与石灰土相比较的长期泡水试验，各项指标明显比石灰土表现平稳。

下面介绍具体实施实例之一：

西安南京高速铁路合肥南京段全段都在膨胀土地区上，为确保工程的安全与质量，铁道部在安徽省全椒县六镇进行了膨胀土路基试验项目，该项目由铁道第四勘察设计院主持实施，武汉中财科贸公司受铁四院的委托，在试验项目内，采用膨胀土生态改性剂对膨胀土路堑边坡，进行坡体土质改性试验。

根据试验设计方案，改性试验范围选择在合宁铁路正线里程为DK1143+900～DK1144+000和DK1143+750～770段的两侧路堑边坡上，边坡高度最高为6m，最低为2.7m，坡率为1∶1.5，全长120m，实际改性面积1220m²，试验中由于土体含水量较大，采用了打眼灌入法施工，(在土壤较干燥时可直接喷洒)分三次喷洒施工，施工完成后，在桩号DK1143+760处打孔取样，为了区分不同深度的改性效果，我们将深度为0.0～0.3m、0.3～0.6m、0.6～1.0m分三个土样送交检验。为了使该试验检验结果具有严肃性、权威性，由铁四院项目部指定委托地质矿产部南京综合岩矿测试中心进行该试验的检测，检测结果详见如下

                                        表1：  基本物理指标结果

样品名称		液限(WL)(％)	塑限(Wp)(％)	塑性指数(Ip)	颗粒分析(％)						自  由膨胀率(％)
												0.5～0.25	0.25～0.075	0.075～0.05	0.05～0.005	0.005～0.002	＜0.002
					(mm)
												原状土		38.9	21.6	17.9	1.2	3.5	1.9	57.8	15.8	19.8	61
改良土	0.0～0.3m	42.4	29.8	12.6		3.3	13.3	61.7	9.8	11.9	20
												0.3～0.6m	40.4	26.1	14.3	25
	0.6～1.0m	39.7	23.5	16.2							35

1、从检测结果可以看出，改性土的可塑性发生了变化，液限变化较小，塑限有很大程度的增加，塑性指数明显降低，这表明改性土亲水性大大减弱。

2、自由膨胀率是体现膨胀土特征的重要指标，一般自由膨胀率小于40％视为非膨胀土，不同深度的三个改性土样的自由膨胀率均在40％以下，达到了将膨胀土改性为非膨胀土的目的。

3、颗粒分析结果可以看出改性土土体中的砂粒含量增加，粘粒、胶粒含量明显减少，表明土体的土表面积减少，土粒分散程度得到降低，土的相互聚集形成结构较为紧密的絮凝结构，土颗粒与水分的接触面积减少。

                       表2：击实试验结果

土样名称		击实实验
				最优含水率(％)	最大干密度(g/cm3)
		原状土				16.1	1.848
改性土	0.0～0.3m			17.1	1.803
		0.3～0.6m	16.8			1.815
	0.6～1.0m			16.3	1.835

                         表3：剪切无侧限抗压强度试验结果

样品名称		剪切试验		无侧限抗压强度(Kpa)
					粘聚力C(Kpa)	内摩擦角Φ(°)	平均值
		原状土		105.8				24.1	1116
改良土	0.1～0.3m				193.5	26.3	2046
		0.4～0.8m	162.1	25.8				1731
	0.8～1.1m				151.0	24.9	1301

4、改性土各项强度指标大幅度提高，φ值提高明显，C值和无侧限抗压强度为原状土的2倍左右，这说明改性土的工程性质得到了很大程度的改善

                           表4：湿化崩解试验结果

土样名称	初始溶裂时间及状况	最终溶裂状况
			原状土	试块下水后，即开始溶裂，3分钟开始塌落，30分钟塌落50％	24小时后剩下约十几个大于网眼的小团状土块，塌落量为88.9％
改性土0.6-1.0m	试块下水后出现大量气泡上浮，10分钟出现裂缝并逐渐扩大，1小时开始慢慢向下掉土屑	24小时后掉土屑量为51.1％
			改性土0.3-0.6m	试块下水后出现微量气泡，整体无变化。	48小时无变化，48小时之后表面起皮，随之开始慢慢掉土屑，48-72小时之间掉土屑25.5％
改性土0.0-0.3m	试块于3月26日下水无任何反应	在72小时无崩解的情况下，继续观察，截止4月26日720小时无崩解，无溶裂，无变形，整体保持完好。

5、湿化试验是最直观反映改性效果的检验方法，试验结果说明CMA改性剂改性膨胀土能达到较好的水稳性效果，特别是自由膨胀率在20％以下的改性土能达到长期浸泡无崩解的效果。

     表5：阳离子交换量试验结果

土样名称	C.E  C计量单位mmol/100g
		原状土	20.6
改性土	17.92

6、膨胀土生态改性剂是一种交换剂通过离子交换改变土粒的亲水特性，所以改性土阳离子下降。这些离子交换作用并不影响矿物质的成份结构，故试验结果中的蒙脱石含量保持不变。

7、改性后的土体从表面观察与手触与原状土相比变化明显，改性后的土体具有砂土的特征。

  表6膨胀土传统防护方案与膨胀土生态改性剂处理边坡

                      价格对比表

膨胀土边坡防护方案	工程单价元/M2
		浆砌块石满铺δ＝30cm	56.7
混凝土六角块满铺δ＝25cm	119
		锚杆框架梁	186
膨胀土生态改性剂改性处理	25

8以上价格仅是施工直接价格的比较，不包括膨胀土生态改性剂改性后的边坡可按正常土质边坡率设计所节约的用地面积和少挖土方量等间接费用。

该试验于2004年5月经铁道部验收并作为科技成果获得以周竟院士为主任的铁道部专家评审委员会评审通过。成果的结论为：

1、改性结果：对膨胀土能起到较好的改性效果，能将膨胀土改性为非膨胀土，将膨胀土由原来的亲水性改变成憎水性。改性深度可达到雨水渗透深度及大气风化作用层的影响深度。能使膨胀土土体永久改变属性。增强土的强度，水稳性好，改性后的边坡稳定。

2、环保产品：膨胀土生态改性剂其PH值界于6～7之间，为中性水溶液，且无毒，无腐蚀性，不可燃，无污染，属生态环保产品。

3、生态环境保护：改性后的土体能种植灌木和草皮，具有绿化美化环境的功能，满足水土保持，消声敛光等特点。

4、经济适用：工程单价仅是锚杆框架梁的13％、混凝土六角块的21％、浆砌块石的44％。改性土边坡可按正常土质边坡率设计，节约用地，减少挖方量。工程造价低。能按不同的土体配制，适用与铁路公路等工程，对路基边坡强、中、弱各种类型的膨胀土的改性处理。

5、施工方便：施工简单，施工性能好，工期短，施工进度快。可多组同时施工，平行流水作业。膨胀土生态改性剂与施工技术，是一种经济可行的治理膨胀土路堑边坡的新方法。评审资料的原件铁道部、铁四院可查。

Claims (8)

1、膨胀土生态改性剂及施工方法是一种用化学试剂治理膨胀土的技术。其特征是：CMA弱酸树脂液+水+活性石灰经充分搅拌组成膨胀土生态改性剂。将膨胀土生态改性剂分1～3次均匀喷洒在膨胀土土体表面。通过渗透进入土体，经离子交换作用、胶合、固化作用，提高膨胀土的强度，增强膨胀土的水稳性。将膨胀土改性为非膨胀土，优于正常土。

2、如权利要求1所说采用膨胀土生态改性剂及施工方法，其特征是：CMA弱酸树脂液+水+活性石灰的比例为：CMA弱酸脂液所占比例为0.5％～2％；水所占比例为92％～95.5％；活性石灰所占比例为4％～6％。因土体性质不同，掺配比例视土体性质而定。

3、如权利要求1、2所说膨胀土生态改性剂及施工方法，其特征是：用于路堑边坡的施工时，改性施工前，首先在路堑边坡上选择有代表性原状土土样，通过室内试验，配制适合该土体的膨胀土生态改性剂。改性的边坡可按一般正常土的坡比进行设计，边坡率控制在1∶1.5～1∶1.75之间。无需工程防护结构。坡顶上部应设有导流明沟，截流和排出雨水。要充分调查地下水源发育情况，尽量防止地下水进入坡体。施工前认真检查坡面土体的干湿程度，土体要干燥，以坡体表面出现裂纹为宜。应选择在晴天施工。土方施工应在改性前按设计要求成形到位，改性后不宜再拢动边坡土体，以免影响改性效果。将胀土生态改性剂充分搅拌均匀，按5kg/m²～8kg/m²均衡喷洒在坡体表面。通过渗透方法透入土体，待土体干燥后，用同样办法喷洒第二次、第三次。当土体含水量较大时，可采用打眼灌入的方法进行施工。

4、如权利要求1、2、3所说膨胀土生态改性剂及施工方法，其特征是：用于路基的施工时，路基应翻挖晾晒，翻挖深度一般在15～20cm，(土体干燥时也可以不翻挖)待土体干燥后喷洒膨胀土生态改性剂，喷洒方法和数量与路堑边坡相同。改性后的土体碾压时含水量应严格控制在高于最佳含水量2％～3％。碾压方法按公路规范执行。

5、如权利要求1、2、3所说膨胀土生态改性剂及施工方法，其特征是：用于路堤的施工时，用膨胀土作为路堤的填料填筑路堤，可先按常规施工方法填筑和分层碾压。堤筑施工中应避免雨水侵入。强膨胀土不能作为筑路的填料。碾压时含水量应严格控制在高于最佳含水量2％～3％。待路堤完全筑成后，将堤顶和路边实施包边改性。也可以分层改性，改性施工方法同上。

6、如权利要求1、2、3所说膨胀土生态改性剂及施工方法，其特征是：改性后的路堑边坡待，改性剂与土体初步反应完成后，时间控制在1～2个月之间，可种植灌木和草皮。种植方法如传统方法相同。

7、如权利要求1、2、3所说膨胀土生态改性剂及施工方法，其特征是：适用于河堤、引水干渠的膨胀土边坡治理以及山体边坡的水土流失。

8、如权利要求1、2、3、4所说膨胀土生态改性剂及施工方法，其特征是：适合于其它建筑工程膨胀土的治理。