專利名稱：膨脹巖土改性劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基礎工程領域中能使膨脹巖土消除其膨脹性能的膨脹巖土改性劑。
背景技術：
在國民經濟的建設和發展中，各個工程領域經常要遇到處理那些難于處理的膨脹巖土。我國是膨脹巖土分布最廣的國家之一，先后發現有20多個省市自治區有膨脹巖土，分布面積達50～60萬km2左右，有3億以上人口生活在膨脹巖土分布地區。據統計，全國公路總里程的1/10左右在膨脹巖土地區通過。全世界每年因膨脹巖土造成的經濟損失大約為50億美元以上。我國每年因膨脹巖土所造成的經濟損失超過100億人民幣。
膨脹巖土的特征性能是當含水量小時，膨脹巖土十分干硬板結，極不容易進行施工處理；而當含水量大時，特別是遇到大雨或連綿陰雨時，又會遇水膨脹，膨脹系數大，膨脹力量強。膨脹巖土的干縮性能和膨脹性能往往會使已經建設完好的工程毀于一旦。有時又會造成大面積的滑坡，或使建筑物基礎隆拱造成破壞巨大的工程事故。這給我國經濟建設中眾多的公路工程、鐵路工程、建筑工程、水利工程、水電工程等在投資、工程建設、工期帶來很大的麻煩，尤其是給工程質量帶來潛在的危害。因此如何使膨脹巖土改性這一問題雖然在本技術行業領域中展開研究了很長一段時間，雖然也取得了一些成果，但真正能夠解決實際問題行之有效的方法還不多見。
因此在以往膨脹巖土區域的各工程施工中，往往會無可奈何地采用換土處理，亦即將工程所在地的膨脹巖土挖出運走，再從其他地方運來性能適合的土體或沙石集料充填。例如，80年代從廣西至云南境內的一條等級較高的公路近200多公里的路段大多是經過膨脹巖土路基。工程采用的是換土技術和復雜的防滲技術處理，給工程投資造成巨大的壓力。在湖北境內的某一級公路，公路兩側是膨脹巖土斜坡，處理年年滑坡事故幾乎成了該地護路工程人員每年必做的作業。再如，2001年，西電東送工程廣西境內的一個開關站正好座落在膨脹巖土基礎上，連續幾天的大雨使本已筑好的基礎向四周大幅延伸，將本已筑好的近1米厚的混凝土擋土墻發生平面位移。致使工程延期近半年。
傳統的處理膨脹性巖土的方式還有使用石灰、水泥等方法，但經過這些方法處理過的膨脹巖土水穩定性能差，改性后的膨脹土性能不穩定，水理性能和力學性能往往達不到預期的改性效果。
發明內容
本發明的目的為了解決的上述存在的問題，提供一種膨脹巖土改性劑，對膨脹巖土具有抑制膨脹性能的效果，使膨脹巖土不再對所在工程造成危害。通過膨脹巖土改性劑與膨脹巖土的物理化學作用對膨脹巖土進行改性處理，以達到抑制裂隙發育、降低膨脹巖土的膨脹潛勢、增加強度和水穩定性能的目的。
一種膨脹巖土改性劑，其主要組分按重量百分計具活性的金屬氧化物Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO，其中Al2O316.7～18.5％，Fe2O35.8～6.9％，CaO 18.4～24.3％，MgO 3.2～4.6％。
具活性非金屬氧化物SiO2、SO3，SO3以SO42-形態存在，其中SiO238.5～41.5％，SO31.3～3.5％；成核材料錳渣皮8.0～8.8％。成核材料錳渣皮粒度為30目，含MnO254.6％，Fe2O37.5％，SiO237.1％，P2O50.8％。
一種膨脹巖土改性劑的制備方法，按以下步驟進行(1)將金屬氧化物、非金屬氧化物和錳渣皮分別在爐中按1000℃1h，1200℃1h，1450℃3h的順序焙燒；(2)將金屬氧化物、非金屬氧化物和錳渣皮按確定組分和確定的質量分量配制成膨脹巖土改性劑混合毛料；(3)將配制出的膨脹巖土改性劑混合毛料置于磨機中粉磨至比表面積≥380m2/kg即成為膨脹巖土改性劑成品。
膨脹巖土的一般化學成分如表1.所示。
表1膨脹巖土的一般化學成分單位％
不同地區的膨脹巖土的化學成分含量雖有差異，但主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3，三種氧化物總量為84％左右，這一現象表明在膨脹巖土粗顆粒中，石英礦物相對富集；在膨脹巖土細小的粘土顆粒中，鋁硅酸鹽粘土礦物相對富集。
膨脹巖土膨脹的主要原因是其強吸水性，有時能吸附相當于自身體積8～15倍的水量，吸附后最多時可膨脹至30倍的自身體積。其吸附水性能主要來源于蒙脫石和伊利石。
膨脹巖土改性劑抑制膨脹巖土膨脹性能的原理分述如下作為膨脹巖土成分之一的蒙脫石是一種具有層狀結構的硅酸鹽，其層間域具有一定的活性。當改性劑進入層間后，生成分子級支柱，會不同程度地將層間撐開，使蒙脫石形成二維微孔結構，生成的分子級支柱并具有較強的吸附力，能將土體中的其它粒子、有機物、離子等吸附充填，這就使得原先所具有的吸水膨脹性能結構變性為弱膨脹性能結構。
伊利石是膨脹巖土另一成分，富含鉀(K2O 6～9％)、鋁(Al2O330～50％)，具有很強的黏結性和吸水性。伊利石屬于復合型層狀結構粘土礦物。膨脹巖土改性劑的金屬氧化物、非金屬氧化物及成核材料對伊利石的改性除了改變其層狀結構外，還使其富含的鉀、鋁鹽生成穩定的鋁、鐵、鈣、鉀硅酸鹽混晶，吸水膨脹性能大大減弱。
具體來說膨脹巖土改性劑與膨脹巖土的物理化學作用是通過鹽基交換、次生碳酸鈣產生的膠結作用，特別是離解形成的Ca2+、Mg2+、H+與膨脹巖土表面附著的活潑金屬陽離子Na+、K+交換，Na+、K+屬于吸水性能極強的離子，使吸附在土粒上的極性水形成自由水釋放出來，從而減少土粒之間的距離，降低土體對環境中水分變化的靈敏性。與此同時，改性劑中的某些組分與膨脹巖土的部分組分生成新的水合硅酸鈣(即雪硅鈣石3CaO·2SiO2·3H2O)和硫鋁酸鈣(即鈣礬石3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)結晶。減弱了膨脹巖土的膨脹勢能，改變了膨脹巖土顆粒結構特性，永久地改變了膨脹巖土的屬性。特別是降低了膨脹巖土的液限，增大了膨脹巖土的塑限和抗剪強度，同時還改善土的壓實性并生成微型加筋結構，提高土的強度。
膨脹巖土改性劑的另一作用原理是，在高價陽離子如Si4+、Al3+、Fe3+等的電離作用下，可對分散的粘土顆粒產生絮凝作用，以減少膨脹巖土顆粒的比表面積和親水性，從而減小膨脹巖土的脹縮性。
另外，各種類型的膨脹巖土都含有一定數量的結核，在膨脹巖土中起骨架作用。這些結核以鐵錳質結核為主，也存在少量的鈣質結核。這些結核大多組成土的粒狀物質，一部分富集成層成為土中骨架，對土的穩定性起著重要的作用。膨脹巖土由于結核含量小，致使膨脹巖土的穩定性差。膨脹巖土改性劑為膨脹巖土改性提供了充足的成核元素鐵錳鈣，使改性后的膨脹巖土中的骨架有一個較大幅度的增長。這就從結構上改變了原生態的膨脹巖土，使其力學性能發生永久性的變化并保持穩定。
本發明的膨脹巖土改性劑使改性后的膨脹巖土具有防滲、環保、低強度、低彈模等性能特征。
本發明還針對不同工程對改性后的膨脹巖土功能要求不同，相應地對改性劑的組分元素和組分含量按工程要求適當調整，使改性劑對膨脹巖土達成最佳包裹條件時，在實驗室試驗時很容易獲得上述參數，可將膨脹巖土按工程所期望的性能進行調理和改性。例如我國重大水資源配置工程希望膨脹巖土處理后的水質應符合國家飲用水標準。使用本發明的膨脹巖土改性劑處理我國重大水資源配置工程的膨脹巖土后，其水質檢測情況如表2.所示。表2.中的數據說明，改性后的膨脹巖土浸泡水水質高于國家飲用水標準要求。
表2我國重大水資源配置工程膨脹巖土改性后的水質結果
具體實施方式
表3.是本發明膨脹巖土改性劑實施例1～4所用原料及配比表3膨脹巖土改性劑各實施例所用原料及配比單位％
表4.是按表3.所示的實施例1～4所用原料及配比的膨脹巖土改性劑對我國重大水資源配置工程原生膨脹巖土的處理結果。
表4膨脹巖土改性劑對我國重大水資源配置工程原生態膨脹巖土的處理結果
膨脹巖土改性劑的制備方法，按以下步驟進行(1)將金屬氧化物、非金屬氧化物和錳渣皮分別在爐中按1000℃1h，1200℃1h，1450℃3h的順序焙燒；(2)將金屬氧化物、非金屬氧化物和錳渣皮按確定組分和確定的質量分量配制成膨脹巖土改性劑混合毛料；(3)將配制出的膨脹巖土改性劑混合毛料置于磨機中粉磨至比表面積≥380m2/kg即成為膨脹巖土改性劑成品。
權利要求
1.一種膨脹巖土改性劑，其主要組分按重量百分計具活性的金屬氧化物Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO，其中Al2O316.7～18.5％，Fe2O35.8～6.9％，CaO 18.4～24.3％，MgO 3.2～4.6％；具活性非金屬氧化物SiO2、SO3，SO3以SO42-形態存在，其中SiO238.5～41.5％，SO31.3～3.5％；成核材料錳渣皮8.0～8.8％。
2.根據權利要求1所述的膨脹巖土改性劑，所述的成核材料錳渣皮的粒度為30目，含MnO254.6％，Fe2O37.5％，SiO237.1％，P2O50.8％。
3.一種膨脹巖土改性劑的制備方法，按以下步驟進行(1)將金屬氧化物、非金屬氧化物和錳渣皮分別在爐中按1000℃1h，1200℃ 1h，1450℃ 3h的順序焙燒；(2)將金屬氧化物、非金屬氧化物和錳渣皮按確定組分和量配制成膨脹巖土改性劑混合毛料；(3)將配制出的膨脹巖土改性劑混合毛料置于磨機中粉磨至比表面積≥380m2/kg，得膨脹巖土改性劑成品。
全文摘要
本發明提供一種膨脹巖土改性劑，其主要成分包括各種具活性的金屬氧化物和具活性的非金屬氧化物以及成核材料。膨脹巖土改性劑的制備方法，系將金屬氧化物、非金屬氧化物和成核材料進行高溫焙燒活化，然后按確定的組分及確定的質量分量配制并磨細即成。本發明的膨脹巖土改性劑可使原生態的膨脹巖土改性，成為低膨脹性巖土或無膨脹性巖土，這種膨脹巖土改性劑可以抑制膨脹巖土的膨脹性能，可使其膨脹力和膨脹量趨于零。
文檔編號C04B22/14GK1962521SQ20061012512
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月23日 優先權日2006年11月23日
發明者季光明, 楊國錄, 童忠堯 申請人:武漢路德科技有限責任公司