专利名称：一种改良膨胀土的方法及其施工方法
技术领域：
本发明涉及的是一种膨胀土改良及施工方法，属于地质灾害处理及岩土工程技术领域。
背景技术：
到目前为止，膨胀土改良方法主要有:夯实法、物理改良法、化学改良法、保湿法、换土法和生物改良法。
(I)夯实法是将膨胀土压实到所要求的密度。夯实法费用低，但是有一定的适用性限制，它一般适用于弱膨胀土地基，夯实后的膨胀土地基干密度会增加，而且凝聚力和内摩擦角也增大，地基承载力提高。
(2)物理改良法包括土钉墙，桩基础，加土工织物和向膨胀土中掺入砂砾石改变土的级配等方法。物理改性法施工简单，但施工条件、适用范围有限。
(3)化学改良方法是向土中掺无机盐类或有机物质等，通过催化活化土粒表面反应来改善水和土之间的相互作用，使土的性质在水的影响下仍能达到既定指标，改善膨胀土的工程性质。
(4)保湿法是含水率的变化是引起膨胀土干缩湿胀的最直接的因素，保湿法就是保持土中的含水率不变。
(5)换土法是一种将地基下膨胀土挖去而换成普通土类或灰土的方法，这种方法能彻底根治膨胀土造成的危害。
(6)生物改良法就是利用生物表面活性剂附着在粘土矿物的表面上可以降低液面张力和使粘土矿物表面疏水化，破坏矿物表面水化膜或使之变薄，从而使粒间粘结力变大，土的抗剪强度提高，胀缩性减小。
(7)既有物理改良又有化学改良方法是指在膨胀土中按一定比例掺入石灰、水泥、粉煤灰、矿渣及其混合料，再加上一定量的活性催化剂促进改良剂与土的反应稳定土。
归结以上7种方法膨胀土的改造主要有改性和结构性改造两大类，其中，改性方法中比较成熟的常用的方法为石灰、水泥改良，这两种方法都是利用硅酸盐和铝的水化物与土颗粒相互间的胶结作用，随着胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用，形成胶凝成分来胶结土壤、堵塞土壤的毛细结构，从而降低液限，增大土体的抗剪强度。这是目前较为成功的土壤固化剂，但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，施工费用有点高，施工时需要反复拌和均匀，周期长，耗工时，且不易把握，容易出现质量隐患。同时它也存在污染环境、不利于绿化等问题。为寻求经济、有效、环保的膨胀土填料改良新途径，国内外学者从不同途径提出了大量添加剂方法，其中高分子材料作为添加剂已成为热点。但是，目前国内的添加方案的试验效果并不理想、而且可推广性较差。
而高炉水渣是炼铁过程中产生的，当它浮在铁水层上面并以高温熔融状态流出时水淬急冷而成的一种粒化废渣俗称高炉水渣。据统计每炼出I吨生铁,可产炉渣250 300kg，我国目前渣场积存的高炉水渣已超过I亿吨。高炉水渣的任意堆积和排放会对环境和水体造成严重的污染，对其进行回收再利用可以带来经济效益和环境效益。发明内容
本发明的目的就在于克服上述水泥石灰的掺量大、高炉水渣污染重的缺陷，本发明提供了一种改良膨胀土的方法及其施工方法，能有效的解决膨胀土的胀缩变形带来的路基破坏问题及提高膨胀土的强度，易于推广。
本发明的技术方案为:一种改良膨胀土的方法，步骤为:
第一步，按改良剂质量与干土质量之比为15% 20%的比例，将改良剂和膨胀土拌合均匀得到混合土；
第二步，通过《公路土工试验规程》JTJ-051-93中的重型击实试验确定第一步得到的混合土的最佳含水率；
第三步，调整第一步得到的混合土的含水量使保持在最佳含水率，然后在自然条件下闷料5 7天，即得到改良膨胀土 ；其特征在于，所述的改良剂为高炉水渣，所述的高炉水渣的主要化学成分，以质量百分比计为=CaO 38% 43%、SiO2 33 % 38%、Al2O315% 16%、Mg0 4% 8%。
改良膨胀土的施工方法，施工步骤为:
第一步，将高炉水渣改性土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为30 35cm ；
第二步，检测含水率达到最佳含水率后，用压路机快速静压并精确整平；
第三步，碾压路面至施工要求的压实度。
有益效果:
首先，本发明直接使用废弃的高炉水渣改良膨胀土，既节约了工程成本，又使高炉水渣得到再利用，保护了环境，又为减少膨胀土引起的工程灾害开拓了一个新的改良方法。经过改良后的膨胀土可以消除膨胀土的膨胀性，提高膨胀土的水稳定性，满足工程需要。
其次，废弃的高炉水渣作为粗骨料添加，可以起到骨架作用，并且还可以改善混合物级配，使得高炉水渣在膨胀土中均匀分布，具有优良的物理性能，属于物理改良方法；
再次，高炉水渣中含有的CaO、SiO2, A1203、MgO等成分与膨胀土中的成分反应生成新的络合物，可以填充混合土样的空隙，增加密实度，进而有效提高膨胀土强度，属于化学改良，本发明有效的结合了物理改良和化学改良方法的优点。
具体实施方式
高炉水渣材料取自于马鞍山钢铁公司第二炼铁厂，主要化学成分，以质量百分比计:Ca0、Si02、Al203、Mg0。
一种高炉水渣改良膨胀土的方法，步骤为:
第一步，按掺渣率(掺渣率是指高炉水渣质量与干土质量之比)为15% 20%的比例，称取高炉水渣和膨胀土，拌合均匀；以质量百分比计为=CaO 38% 43 %、SiO233% 38%、A1203 15% 16%、Mg0 4% 8%。
第二步,通过试验确定混合土样的最佳含水率；
第三步，通过翻挖晾晒和加水的办法使得第一步得到的混合土的含水量保持在最佳含水率，拌合均匀后在自然条件下闷料5 7天，这样就可以得到经过高炉水渣改良后的改性土。
使用所述的高炉水渣改良膨胀土的方法得到高炉水渣改良膨胀土的施工方法，其施工步骤为:
第一步，将改良后的高炉水渣改性土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为30 35cm ；
第二步，检测含水率符合最优含水率要求后，用压路机快速静压并精确整平；
第三步，碾压路面至所需压实度。经过改良后的膨胀土可以消除膨胀土的膨胀性，提高膨胀土的水稳定性，满足工程所需强度。
具体改良原理
1、高炉水渣加入一定含水量的膨胀土中，高炉水渣中的CaO和H2O反应生成Ca(OH)20这一反应具有多方面功效。①减少膨胀土中的含水量。反应过程消耗一部分水分，反应放热又使一部分水蒸发；②增大土的PH值，提高了粘矿物中硅酸盐和铝酸盐的溶解度，从而加速其水化反应。③生成大量的Ca2+，OF, Ca(OH)2，为后续反应提供条件。
2、当高炉水渣加入到膨胀土中，土孔隙溶液中Ca2+浓度大幅度增加，可置换出蒙脱石等矿物中吸附的水合Na+，此反应可表示为:
Na+-Al2 [Si4O10] (OH) 2.nH20+Ca2+ — Ca2+-Al2 [Si4O10] (OH) 2.nH20+Na.
这个过程可降低粘土颗粒的水膜层厚度，粘土颗粒凝聚作用增加，有利于粘土颗粒间形成较强的结构连结。
3、高炉水渣中Ca2+、Si2+、Al3+、Mg2+等对膨胀土存在固化作用，主要体现在高炉水渣加入一定含水量的膨胀土中后，各组分与水反应，生成硅酸盐、铝酸盐和氢氧化钙，具体反应如下:
2 (3Ca0.SiO2) +6H20 = 3Ca0.2Si02.3H20+3Ca (OH) 2
2 (2Ca0.SiO2) +4H20 = 3Ca0.2Si02.3H20+Ca (OH) 2
Ca(OH)2渗入土壤内部，与粘土矿物发生反应，继续生成凝胶物质，可减少亲水矿物的含量，并提高土颗粒间的连接强度，反应如下:
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
实施例1
混合土配制，以配制1.15kg混合土为例。混合土配制的工艺步骤如下:(I)需改良的膨胀土的干土质量为1.0kg，按掺渣率为15%的比例称取所需的高炉水渣质量0.15kg ；(2)昆合均匀后，由《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)中重型击实试验中得到的最佳含水率19%，将1.15kgX0.19 = 218g水加入到该混合土中，拌合均匀防止形成疙瘩即得到高炉水渣改性土。
改良施工方法步骤为:将改良后的高炉水渣改性土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为30 35cm ;检测含水率符合最佳含水率要求后，用压路机快速静压并精确整平；碾压路面至所需压实度。
改良效果:⑴胀缩性:按照《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)所做膨胀总率试验，纯膨胀土膨胀总率为1.9%，当掺渣率达到15%时，高炉水渣改性土压实度为96%时膨胀总率仅为0.06%，满足《公路路基施工技术规范》所规定的改良膨胀土的膨胀总率esp ( 0.7%的要求；⑵强度:按照《公路土工试验规程》(JTJ-051-93)所做无侧限抗压强度试验，当纯膨胀土含水率为20.3%时，其非饱和无侧限抗压强度为678kpa，饱和无侧限抗压强度为5.4kpa。其吸水软化非常明显，故容易产生胀缩变化导致工程质量受损，而掺高炉水渣率达到15%时，其混合物高炉水渣改性土的强度峰值为904kpa，满足《公路路基施工技术规范》(JTJ-033-95)所规定的无侧限抗压强度qu彡SOOkPa的要求，并且强度强度随含水率影响较小；(3)水稳定性:纯膨胀土浸水72h后明显崩解，当掺渣率达到20%时，改良后的高炉水渣改性土浸水72h后无明显崩解。
具体试验数据如下:
1、界限含水量试验 土类βτ/%ω /%Ip __P_￡_ 素土48.119.528.6
掺渣 10%42.223.518.7 掺渣 15%40.824.316.5 掺渣 20%40.224.615.6
2、自由膨胀率试验r π 掺渣率(％) O101520
-—- 自由膨胀率(％)_51_34_30_28
3、抗剪强度试验
,尊最大干密入θ饱水剪非饱水剪土类, 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 掺渣 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 掺渣 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 掺渣 20% 1.75 17.8 36.7 31.3 179.9 33.6 _1^8_26Λ_28J_183.6_38.1
4、无侧限抗压强度试验
权利要求
1.一种改良膨胀土的方法，步骤为: 第一步，按改良剂质量与干土质量之比为15% 20%的比例，将改良剂和膨胀土拌合均匀得到混合土； 第二步，通过《公路土工试验规程》JTJ-051-93中的重型击实试验确定第一步得到的混合土的最佳含水率； 第三步，调整第一步得到的混合土的含水量使保持在最佳含水率，然后在自然条件下闷料5 7天，即得到改良膨胀土 ；其特征在于，所述的改良剂为高炉水渣，所述的高炉水渣的主要化学成分，以质量百分比计为:CaO 38% 43%、SiO2 33% 38%、Al2O3 15% 16%、Mg04% 8%。
2.权利要求1所述的改良膨胀土的方法得到改良膨胀土的施工方法，其特征在于，施工步骤为: 第一步，将改良膨胀土卸到指定地点后，摊铺均匀，摊铺厚度为30 35cm ； 第二步，检测含水率达到最佳含水率后，用压路机快速静压并精确整平； 第三步，碾压路面至施工要求的压实度。
全文摘要
本发明公开了一种改良膨胀土的方法及其施工方法，改良方法步骤为第一步，按改良剂质量与干土质量之比为15%～20%的比例，将改良剂和膨胀土拌合均匀得到混合土；第二步，确定混合土的最佳含水率；第三步，调整第一步得到的混合土的含水量使保持在最佳含水率，然后在自然条件下闷料得到改良膨胀土；其特征在于，所述的改良剂为高炉水渣，所述的高炉水渣的主要化学成分，以质量百分比计为CaO 38%~43%、SiO2 33%~38%、Al2O3 15%~16%、MgO4%~8%。经过改良后的膨胀土可以消除膨胀土的膨胀性，提高膨胀土的水稳定性，满足工程所需强度。
文档编号C09K103/00GK103184733SQ20111044406
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者孙树林, 唐俊, 郑青海 申请人:河海大学