專利名稱：一種改良膨脹土的方法及其施工方法
技術領域：
本發明涉及的是一種膨脹土改良及施工方法，屬于地質災害處理及巖土工程技術領域。
背景技術：
到目前為止，膨脹土改良方法主要有:夯實法、物理改良法、化學改良法、保濕法、換土法和生物改良法。
(I)夯實法是將膨脹土壓實到所要求的密度。夯實法費用低，但是有一定的適用性限制，它一般適用于弱膨脹土地基，夯實后的膨脹土地基干密度會增加，而且凝聚力和內摩擦角也增大，地基承載力提高。
(2)物理改良法包括土釘墻，樁基礎，加土工織物和向膨脹土中摻入砂礫石改變土的級配等方法。物理改性法施工簡單，但施工條件、適用范圍有限。
(3)化學改良方法是向土中摻無機鹽類或有機物質等，通過催化活化土粒表面反應來改善水和土之間的相互作用，使土的性質在水的影響下仍能達到既定指標，改善膨脹土的工程性質。
(4)保濕法是含水率的變化是引起膨脹土干縮濕脹的最直接的因素，保濕法就是保持土中的含水率不變。
(5)換土法是一種將地基下膨脹土挖去而換成普通土類或灰土的方法，這種方法能徹底根治膨脹土造成的危害。
(6)生物改良法就是利用生物表面活性劑附著在粘土礦物的表面上可以降低液面張力和使粘土礦物表面疏水化，破壞礦物表面水化膜或使之變薄，從而使粒間粘結力變大，土的抗剪強度提高，脹縮性減小。
(7)既有物理改良又有化學改良方法是指在膨脹土中按一定比例摻入石灰、水泥、粉煤灰、礦渣及其混合料，再加上一定量的活性催化劑促進改良劑與土的反應穩定土。
歸結以上7種方法膨脹土的改造主要有改性和結構性改造兩大類，其中，改性方法中比較成熟的常用的方法為石灰、水泥改良，這兩種方法都是利用硅酸鹽和鋁的水化物與土顆粒相互間的膠結作用，隨著膠結物逐漸脫水和新生礦物的結晶作用，形成膠凝成分來膠結土壤、堵塞土壤的毛細結構，從而降低液限，增大土體的抗剪強度。這是目前較為成功的土壤固化劑，但石灰和水泥與土的反應速度較慢，所生成的水化物強度較低，耐久性較差，而且石灰摻量在8%以上，水泥摻量在6%以上才能達到一定的效果，施工費用有點高，施工時需要反復拌和均勻，周期長，耗工時，且不易把握，容易出現質量隱患。同時它也存在污染環境、不利于綠化等問題。為尋求經濟、有效、環保的膨脹土填料改良新途徑，國內外學者從不同途徑提出了大量添加劑方法，其中高分子材料作為添加劑已成為熱點。但是，目前國內的添加方案的試驗效果并不理想、而且可推廣性較差。
而高爐水渣是煉鐵過程中產生的，當它浮在鐵水層上面并以高溫熔融狀態流出時水淬急冷而成的一種粒化廢渣俗稱高爐水渣。據統計每煉出I噸生鐵,可產爐渣250 300kg，我國目前渣場積存的高爐水渣已超過I億噸。高爐水渣的任意堆積和排放會對環境和水體造成嚴重的污染，對其進行回收再利用可以帶來經濟效益和環境效益。發明內容
本發明的目的就在于克服上述水泥石灰的摻量大、高爐水渣污染重的缺陷，本發明提供了一種改良膨脹土的方法及其施工方法，能有效的解決膨脹土的脹縮變形帶來的路基破壞問題及提高膨脹土的強度，易于推廣。
本發明的技術方案為:一種改良膨脹土的方法，步驟為:
第一步，按改良劑質量與干土質量之比為15% 20%的比例，將改良劑和膨脹土拌合均勻得到混合土；
第二步，通過《公路土工試驗規程》JTJ-051-93中的重型擊實試驗確定第一步得到的混合土的最佳含水率；
第三步，調整第一步得到的混合土的含水量使保持在最佳含水率，然后在自然條件下悶料5 7天，即得到改良膨脹土 ；其特征在于，所述的改良劑為高爐水渣，所述的高爐水渣的主要化學成分，以質量百分比計為=CaO 38% 43%、SiO2 33 % 38%、Al2O315% 16%、Mg0 4% 8%。
改良膨脹土的施工方法，施工步驟為:
第一步，將高爐水渣改性土卸到指定地點后，攤鋪均勻，攤鋪厚度為30 35cm ；
第二步，檢測含水率達到最佳含水率后，用壓路機快速靜壓并精確整平；
第三步，碾壓路面至施工要求的壓實度。
有益效果:
首先，本發明直接使用廢棄的高爐水渣改良膨脹土，既節約了工程成本，又使高爐水渣得到再利用，保護了環境，又為減少膨脹土引起的工程災害開拓了一個新的改良方法。經過改良后的膨脹土可以消除膨脹土的膨脹性，提高膨脹土的水穩定性，滿足工程需要。
其次，廢棄的高爐水渣作為粗骨料添加，可以起到骨架作用，并且還可以改善混合物級配，使得高爐水渣在膨脹土中均勻分布，具有優良的物理性能，屬于物理改良方法；
再次，高爐水渣中含有的CaO、SiO2, A1203、MgO等成分與膨脹土中的成分反應生成新的絡合物，可以填充混合土樣的空隙，增加密實度，進而有效提高膨脹土強度，屬于化學改良，本發明有效的結合了物理改良和化學改良方法的優點。
具體實施方式
高爐水渣材料取自于馬鞍山鋼鐵公司第二煉鐵廠，主要化學成分，以質量百分比計:Ca0、Si02、Al203、Mg0。
一種高爐水渣改良膨脹土的方法，步驟為:
第一步，按摻渣率(摻渣率是指高爐水渣質量與干土質量之比)為15% 20%的比例，稱取高爐水渣和膨脹土，拌合均勻；以質量百分比計為=CaO 38% 43 %、SiO233% 38%、A1203 15% 16%、Mg0 4% 8%。
第二步,通過試驗確定混合土樣的最佳含水率；
第三步，通過翻挖晾曬和加水的辦法使得第一步得到的混合土的含水量保持在最佳含水率，拌合均勻后在自然條件下悶料5 7天，這樣就可以得到經過高爐水渣改良后的改性土。
使用所述的高爐水渣改良膨脹土的方法得到高爐水渣改良膨脹土的施工方法，其施工步驟為:
第一步，將改良后的高爐水渣改性土卸到指定地點后，攤鋪均勻，攤鋪厚度為30 35cm ；
第二步，檢測含水率符合最優含水率要求后，用壓路機快速靜壓并精確整平；
第三步，碾壓路面至所需壓實度。經過改良后的膨脹土可以消除膨脹土的膨脹性，提高膨脹土的水穩定性，滿足工程所需強度。
具體改良原理
1、高爐水渣加入一定含水量的膨脹土中，高爐水渣中的CaO和H2O反應生成Ca(OH)20這一反應具有多方面功效。①減少膨脹土中的含水量。反應過程消耗一部分水分，反應放熱又使一部分水蒸發；②增大土的PH值，提高了粘礦物中硅酸鹽和鋁酸鹽的溶解度，從而加速其水化反應。③生成大量的Ca2+，OF, Ca(OH)2，為后續反應提供條件。
2、當高爐水渣加入到膨脹土中，土孔隙溶液中Ca2+濃度大幅度增加，可置換出蒙脫石等礦物中吸附的水合Na+，此反應可表示為:
Na+-Al2 [Si4O10] (OH) 2.nH20+Ca2+ — Ca2+-Al2 [Si4O10] (OH) 2.nH20+Na.
這個過程可降低粘土顆粒的水膜層厚度，粘土顆粒凝聚作用增加，有利于粘土顆粒間形成較強的結構連結。
3、高爐水渣中Ca2+、Si2+、Al3+、Mg2+等對膨脹土存在固化作用，主要體現在高爐水渣加入一定含水量的膨脹土中后，各組分與水反應，生成硅酸鹽、鋁酸鹽和氫氧化鈣，具體反應如下:
2 (3Ca0.SiO2) +6H20 = 3Ca0.2Si02.3H20+3Ca (OH) 2
2 (2Ca0.SiO2) +4H20 = 3Ca0.2Si02.3H20+Ca (OH) 2
Ca(OH)2滲入土壤內部，與粘土礦物發生反應，繼續生成凝膠物質，可減少親水礦物的含量，并提高土顆粒間的連接強度，反應如下:
4Ca0.Al2O3Ca (OH) 2.Fe2O3+10H20+2Ca (OH) 2 = 6Ca0.Al2O3.Fe2O3.12H20
3Ca0.Al203+12H20+Ca (OH) 2 = 3Ca0.Al2O3.Ca(OH)2.12H20
3Ca0.Al203+10H20+CaS04.2H20 = 3Ca0.Al2O3Fe2O3.CaSO4.12H20
實施例1
混合土配制，以配制1.15kg混合土為例。混合土配制的工藝步驟如下:(I)需改良的膨脹土的干土質量為1.0kg，按摻渣率為15%的比例稱取所需的高爐水渣質量0.15kg ；(2)昆合均勻后，由《公路土工試驗規程》(JTJ-051-93)中重型擊實試驗中得到的最佳含水率19%，將1.15kgX0.19 = 218g水加入到該混合土中，拌合均勻防止形成疙瘩即得到高爐水渣改性土。
改良施工方法步驟為:將改良后的高爐水渣改性土卸到指定地點后，攤鋪均勻，攤鋪厚度為30 35cm ;檢測含水率符合最佳含水率要求后，用壓路機快速靜壓并精確整平；碾壓路面至所需壓實度。
改良效果:⑴脹縮性:按照《公路土工試驗規程》(JTJ-051-93)所做膨脹總率試驗，純膨脹土膨脹總率為1.9%，當摻渣率達到15%時，高爐水渣改性土壓實度為96%時膨脹總率僅為0.06%，滿足《公路路基施工技術規范》所規定的改良膨脹土的膨脹總率esp ( 0.7%的要求；⑵強度:按照《公路土工試驗規程》(JTJ-051-93)所做無側限抗壓強度試驗，當純膨脹土含水率為20.3%時，其非飽和無側限抗壓強度為678kpa，飽和無側限抗壓強度為5.4kpa。其吸水軟化非常明顯，故容易產生脹縮變化導致工程質量受損，而摻高爐水渣率達到15%時，其混合物高爐水渣改性土的強度峰值為904kpa，滿足《公路路基施工技術規范》(JTJ-033-95)所規定的無側限抗壓強度qu彡SOOkPa的要求，并且強度強度隨含水率影響較小；(3)水穩定性:純膨脹土浸水72h后明顯崩解，當摻渣率達到20%時，改良后的高爐水渣改性土浸水72h后無明顯崩解。
具體試驗數據如下:
1、界限含水量試驗 土類βτ/%ω /%Ip __P_￡_ 素土48.119.528.6
摻渣 10%42.223.518.7 摻渣 15%40.824.316.5 摻渣 20%40.224.615.6
2、自由膨脹率試驗r π 摻渣率(％) O101520
-—- 自由膨脹率(％)_51_34_30_28
3、抗剪強度試驗
,尊最大干密入θ飽水剪非飽水剪土類, 3 含水量/% - _度/kg/cm3_C/kPaΦ/(。)CZkPaΦ/(。) 16.48.79.5107.632.4素土1.6818.49.29.1137.117.8 _204_9J_l_L9_85J_28.9 14.345.329.6149.441.3 摻渣 10% 1.74 16.3 53.2 25.2 162.2 31.2 _IO_5X9_2^6_151.7_40.6 15.463.428.3159.343.5 摻渣 15% 1.76 17.4 69.4 26.4 216.4 30.1 _19A_68J_214_196.7_44.2 15.830.2 33.5 168.8 42.5 摻渣 20% 1.75 17.8 36.7 31.3 179.9 33.6 _1^8_26Λ_28J_183.6_38.1
4、無側限抗壓強度試驗
權利要求
1.一種改良膨脹土的方法，步驟為: 第一步，按改良劑質量與干土質量之比為15% 20%的比例，將改良劑和膨脹土拌合均勻得到混合土； 第二步，通過《公路土工試驗規程》JTJ-051-93中的重型擊實試驗確定第一步得到的混合土的最佳含水率； 第三步，調整第一步得到的混合土的含水量使保持在最佳含水率，然后在自然條件下悶料5 7天，即得到改良膨脹土 ；其特征在于，所述的改良劑為高爐水渣，所述的高爐水渣的主要化學成分，以質量百分比計為:CaO 38% 43%、SiO2 33% 38%、Al2O3 15% 16%、Mg04% 8%。
2.權利要求1所述的改良膨脹土的方法得到改良膨脹土的施工方法，其特征在于，施工步驟為: 第一步，將改良膨脹土卸到指定地點后，攤鋪均勻，攤鋪厚度為30 35cm ； 第二步，檢測含水率達到最佳含水率后，用壓路機快速靜壓并精確整平； 第三步，碾壓路面至施工要求的壓實度。
全文摘要
本發明公開了一種改良膨脹土的方法及其施工方法，改良方法步驟為第一步，按改良劑質量與干土質量之比為15%～20%的比例，將改良劑和膨脹土拌合均勻得到混合土；第二步，確定混合土的最佳含水率；第三步，調整第一步得到的混合土的含水量使保持在最佳含水率，然后在自然條件下悶料得到改良膨脹土；其特征在于，所述的改良劑為高爐水渣，所述的高爐水渣的主要化學成分，以質量百分比計為CaO 38%~43%、SiO2 33%~38%、Al2O3 15%~16%、MgO4%~8%。經過改良后的膨脹土可以消除膨脹土的膨脹性，提高膨脹土的水穩定性，滿足工程所需強度。
文檔編號C09K103/00GK103184733SQ20111044406
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者孫樹林, 唐俊, 鄭青海 申請人:河海大學