专利名称：利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土的方法
技术领域：
本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土 的方法。
二背景技术：
现有的改良膨胀土方法主要有: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。
(1) 夯实法是将膨胀土压实到所要求的密度，夯实后的膨胀土地基干密度会增 加，凝聚力和内摩擦角也增大，地基承载力提高；虽然夯实法费用低，但是有一 定的适用性限制， 一般只适用于弱膨胀土地基。
(2) 物理改良法包括土钉墙、桩基础、加土工织物和掺入砂砾石等方法，物理 改性法虽然施工简单，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) 保湿法利用含水率变化引起膨胀土干缩湿胀这一原理，采用保持土中的含 水率不变，从而达到改良目的。
(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。
以上各种改良膨胀土的方法，主要可归结为结构性改造和改性两大类，其 中，改性方法从根本上对膨胀土的性质进行改良，效果稳定可靠，具有很好的研 究前景。在改性方法中，比较成熟和常用的办法为石灰改良和粉煤灰改良，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，施工量很高，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 时该法也存在污染环境、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。
发明内容
技术问题本发明克服了现有技术的不足，提供一种利用废弃轮胎胶粉改 良膨胀土的方法，有效地提高了膨胀土强度、解决了膨胀土胀缩变形破坏等问 题。
技术方案
本发明通过以下技术方案实现
一种利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土的方法，步骤为采用干法常温粉碎法对 废弃轮胎材料进行粗碎，制得5-10目的粗胶粉；然后釆用空气涡轮膨胀制冷粉碎 法对制得的粗胶粉进行细碎，制得20目的细股粉；将制得的细胶粉与膨胀土、 水混合，充分搅拌均勻，制得胶粉-膨胀土土料，所述胶粉-膨胀土土料中细胶粉 和水的质量百分含量分别为细胶粉10%~30%、水20%,余量为膨胀土，在混 合胶粉与膨胀土的过程中加入水，使胶粉-膨胀土充分湿润；将制得的胶粉-膨胀 土土料平铺在需要固化的土壤表面，形成厚度为20~80cm的表面改良层，并喷洒 水分使其充分浸润，待表面干燥后进行第二次喷洒水分，喷洒和干燥共重复进行 2-3次，使胶粉-膨胀土充分粘聚，达到增高强度、减少变形。
作为本发明的一个优选，在细胶粉与膨胀土、水混合时，细胶粉、膨胀土和 水的质量百分配比为细胶粉20%;膨胀土60%;水20%。
有益效果
本发明提供了 一种利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土的方法，所加入的胶粉能够 填充空隙、改善膨胀土的界面状况、约束膨胀土内微裂缝的产生和发展，从而提高膨胀土的强度和降低膨胀变形特性，改善膨胀土的工程性质。该作用的产生原 理为利用胶粉中的部分Si元素及其氧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:l裏的毛 细结构，从而降低液限，增大土体的抗剪强度；同时胶粉里的Si等元素与膨胀土 中的蒙脱石、伊利石发生作用产成胶凝成份较少膨胀土的变形量。
用本发明的废弃轮胎胶粉改良后的膨胀土具有强度高、胀缩变形小、质轻、 耐用、弹性好、透水性好等特点，可改善路面变形和排水条件，有利于路基的稳 定，且施工速度较快，建筑、造价及路面造价与维护费用低，可广泛应用于水 利、建筑、交通、地铁、隧道、i是坝、垃圾填埋场等土木工程、水利工程和环境 工程领域。
此外，本发明还公开了 一种将常温粉碎法和低温粉碎法相结合制备胶粉的方
法。对于胶粉的制备，主要有冷冻粉碎法和常温粉碎法两种常温粉碎方法一般 采用剪切撕裂、摩擦、高速加载等方式的粉碎机,并辅以循环冷却,胶粒不需冷冻, 直接送入粉碎机粉碎。常温粉碎法可分为干法和湿法。干法粉碎根据其粉碎方式 和设备的不同可分为辊筒式、旋盘式、挤出式、高压柱塞式等;湿法粉碎是物料在 溶剂或溶液中进行粉碎的方法。湿法粉碎和干法粉碎相比，前者制得的胶粉粒径 小， 一般在200目以上，受热降解少，胶粉性能优于干法粉碎。从技术经济指标 上看，常温粉碎法优于低温粉碎法。常温粉碎法制得的胶粉表面凸凹不平，易于 后续的活化改性，当其与其它聚合物共混时也具有较大的结合力。常温粉碎法制 得的胶粉料度较粗，0.25mm以下的细粉较少，粗胶粉不利于废胶粉的应用，但其 技术经济指标优于低温粉碎法。而低温粉碎法虽能制得性能优良的胶粉，但能耗 大，成本高，若单独用此法就没有大的经济效益。本发明在制备过程中根据常温 粉碎法和低温粉碎法各自的优缺点，先用常温粉碎法进行粗碎制得5-10目的粗胶 粉,再用空气涡轮膨胀制冷粉碎法对其进行细碎，将低温粉碎法与常温粉碎法结合 使用，扬长避短，不但降低了成本、减少能耗，还制得了粒径小、表面光滑、受 热氧化程度低的精细胶粉。
最后，本发明用于改良膨胀土的原料为废弃轮胎胶粉，这种将废旧材料加以 利用的方法，节约了工程成本，减小了经济耗费，同时又能提高资源的循环利 用，具有明显的经济效益和环境效益，推广前景4艮好。
具体实施例方式
以下的描述是对本发明的具体说明，不应看作是对本发明的限定。以下实施例l-3是本发明的3个具体例子。 实施例l
先用干法常温粉碎法对废弃轮胎材料进行粗碎，制得5-10目的粗胶粉；然后 用空气涡轮膨胀制冷粉碎法对制得的粗胶粉进行细碎，制得20目的细胶粉；将 制得的细胶粉与膨胀土混合，同时加入水，用机器充分搅拌均匀，加入的细胶 粉、膨胀土和水的质量百分配比为细胶粉10%;膨胀土70°/。；水20%，制得胶 粉-膨胀土土料；将制得的胶粉-膨胀土土料平铺在需要固化的土壤表面，形成 20~80cm表面改良层，并喷洒水分使其充分浸润，待表面干燥后进行第二次喷洒 水分，使胶粉与膨胀土充分粘聚，重复进行干燥和喷洒2-3次，使充分浸润，达 到改良效果。
对以上胶粉-膨胀土土料进行固结快剪试验、无侧限抗压强度试验、击实试验 及无荷自由膨胀试验。试验结果为与没加胶粉的膨胀土相比，抗剪强度和无侧 限抗压强度均提高10 % - 15 % ,最大干密度增加约10%，膨胀变形减少60 % 。
与以往用粉煤灰，石灰，化学试剂等现有的改良膨胀土方法相比本发明的 改良方法对膨胀土的抗剪强度和无侧限抗压强度提高的幅度多2%-5%,最佳含水 量及最大干密度增加大致相等，膨胀变形减小的幅度多5%-10%左右。
实施例2
先用干法常温粉碎法对废弃轮胎材料进行粗碎，制得5-10目的粗胶粉；然后 用空气涡轮膨胀制冷粉碎法对制得的粗胶粉进行细碎，制得20目的细胶粉；将 制得的细胶粉与膨胀土混合，同时加入水，用机器充分搅拌均匀，加入的细胶 粉、膨胀土和水的质量百分配比为细胶粉20%;膨胀土60%;水20%，制得胶 粉-膨胀土土料；将制得的胶粉-膨胀土土料平铺在需要固化的土壤表面，形成 20~80cm表面改良层，并喷洒水分使其充分浸润，待表面干燥后进行第二次喷洒 水分，使胶粉与膨胀土充分粘聚，重复进行干燥和喷洒，使充分浸润，达到改良 效果。
对于上述制得的胶粉-膨胀土土料进行固结快剪试验、无侧限抗压强度试验、 击实试验及无荷自由膨胀试验。试验结果为与没加胶粉的膨胀土相比，抗剪强 度和无侧限抗压强度均提高40%-50%，最大干密度增加约25%,膨胀变形减 少80%。
与以往用粉煤灰，石灰，化学试剂等现有的改良膨胀土方法相比本发明的 改良方法使膨胀土的抗剪强度和无侧限抗压强度提高的幅度多3%-8%,最佳含水 量及最大干密度增加幅度大致相等，膨胀变形减小的幅度多8%-15%。实施例3
先用干法常温粉碎法对废弃轮胎材料进行粗碎，制得5-10目的粗胶粉；然后 用空气涡轮膨胀制冷粉碎法对制得的粗胶粉进行细碎，制得20目的细胶粉；将 制得的细胶粉与膨胀土混合，同时加入水，充分搅拌均勻，加入的细胶粉、膨胀 土和水的质量百分配比为细胶粉30%;膨胀土 50%;水20%,制得胶粉-膨胀 土土料；将制得的胶粉-膨胀土土料平铺在需要固化的土壤表面，形成20~80cm 表面改良层，并喷洒水分使其充分浸润，待表面干燥后进行第二次喷洒水分，使 胶粉与膨胀土充分粘聚，重复进行干燥和喷洒2-3次，使充分浸润，达到改良效 果。
对以上胶粉-膨胀土土料进行固结快剪试验、无侧限抗压强度试验、击实试验 及无荷自由膨胀试验。试验结果为与没加胶粉的膨胀土相比，抗剪强度和无侧 限抗压强度均能提高40% - 50%，最大干密度增加约25%,膨胀变形减少70%。
与以往用粉煤灰，石灰，化学试剂等现有的改良膨胀土方法相比本发明的 改良方法对膨胀土的抗剪强度和无侧限抗压强度提高的幅度多2%-8%,最佳含水 量及最大干密度增加幅度大致相等，膨胀变形减小的幅度多8%-15%左右。
实施例4
本实施例所公开的 一 系列试验及数据，用于提供本发明所述利用废弃轮胎胶 粉改良膨胀土的方法中，胶粉、水与膨胀土量的配比的确定依据。
1. 水的质量百分含量确定为20%的依据
根据土工试验规程(2000)和ASTM-3080 ( ASTM 1985 )，在胶粉-膨胀土 击实试验中发现，随着胶粉含量的变化，最佳含水率变化不大，均为20%质量百 分含量。
因此本发明所公开的利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土的方法中，在混合细胶 粉、膨胀土与水时，加入的水的质量百分比为20%。
2. 胶粉的质量百分含量确定为10%~30%的依据 a.胶粉-膨胀土强度测试
在胶粉-膨胀土强度测试中发现，在各种含水率下，胶粉的加入均可以显著提 高膨胀土的强度
当胶粉含量达到10%时，抗剪强度和无侧限抗压强度提高10 % - 15 % ; 当胶粉含量为20%时，胶粉-膨胀土强度达到最大，抗剪强度和无侧限抗压强 度分别提高40% -50%;随着胶粉含量超过20%并逐渐增大达到30 %的过程中，抗剪强度和无侧限抗
压强度提高的幅度变化不大，并趋于稳定，基本和胶粉含量为20%时类似； 而在胶粉含量超过30 %时所制得的试样呈粉碎状。
从强度测试的试验数据可知，胶粉的含量不能超过30%，且出于得到最高强 度和节约材料之考虑，胶粉的最佳质量百分含量为20% 。 b.胶粉-膨胀土无荷自由膨胀试验
对胶粉-膨胀土进行无荷自由膨胀试验，发现随着胶粉含量的增加，可以减少 膨胀土的膨胀变形
当胶粉含量为10%时，膨胀变形量减小60%; 当胶粉含量为20%时膨胀变形最小，膨胀变形量减小80%; 当胶粉含量为30%时，膨胀变形量减小70%;
从膨胀变形试验的试验数据可知用胶粉改良膨胀土时，20%是最佳质量百 分含量。
结合上述强度测试和膨胀变形试验的试验数据确定胶粉的质量百分含量为 10%~30%，胶粉的最佳质量百分含量为20%。
权利要求
1. 一种利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土的方法，其特征在于步骤为a. 采用干法常温粉碎法对废弃轮胎材料进行粗碎，制得5-10目的粗胶粉；b. 采用空气涡轮膨胀制冷粉碎法对上述制得的粗胶粉进行细碎，制得20目的细胶粉；c. 将制得的细胶粉与膨胀土、水混合，充分搅拌均匀，制得胶粉-膨胀土土料，所述胶粉-膨胀土土料中细胶粉和水的质量百分含量分别为细胶粉10％～30％、水20％，余量为膨胀土；d. 将制得的胶粉-膨胀土土料平铺在需要固化的土壤表面，形成厚度为20～80cm的表面改良层，并喷洒水分使其充分浸润，待表面干燥后进行第二次喷洒水分，喷洒水分和干燥共重复进行2-3次。
2. 根据权利要求1所述利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土的方法，其特征在于步骤c 所述胶粉-膨胀土土料中，细胶粉和水的质量百分含量分别为细胶粉20%、 水20%,余量为膨胀土。
全文摘要
一种利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土的方法，步骤包括先用常温粉碎法对废弃轮胎胶粉材料进行粗碎，再用空气涡轮膨胀制冷粉碎法对制得的粗胶粉进行细碎，然后将制得的细胶粉与膨胀土混合，同时加入水，充分搅拌均匀，制得改良膨胀土土料；最后平铺在需要固化的土壤表面，喷洒水分使其浸润，形成表面改良层。经该方法改良后的膨胀土具有强度高、胀缩变形小、质轻、耐用、弹性好、透水性好等特点，可改善路面变形和排水条件，有利于路基的稳定，可广泛应用于水利、建筑、交通、地铁、隧道、堤坝、垃圾填埋场等领域。
文档编号E02D3/00GK101413260SQ20081023627
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月19日 优先权日2008年11月19日
发明者孙树林, 鑫 张, 魏永耀 申请人:河海大学