聚乙烯醇饱和石灰水膨胀土改良剂和配制方法及其应用 技术领域 本发明涉及的是一种膨胀土改良剂， 特别是一种降低膨胀土胀缩性的聚乙烯醇饱 和石灰水膨胀土改良剂， 和配制方法及其在改良膨胀土中的应用， 属于岩土工程技术领域。
背景技术 在我国大部分地区都已发现膨胀土， 当使用膨胀土作为工程用土时， 由于其较大 的膨胀性， 必须对它进行进一步的处理。 降低膨胀土的胀缩性， 增加膨胀土地基和边坡稳定 性的方法有物理方法和化学方法两大类。
物理方法有 ：
(1) 表水防护 ： 设置各种排水沟， 建立地表排水网系， 使得地表水不易渗入土体 中；
(2) 坡面防护， 目前主要的加固措施为 ： 植被防护、 骨架防护、 片石护坡和全封闭 护坡等 ；
(3) 支挡和加固防护 ： 常用的有挡土墙、 抗滑桩和土钉加固等 ；
(4) 换土法 ： 将影响工程安全的膨胀土层全部或部分挖除， 用非膨胀黏性土或粗 粒土换填。缺点是施工麻烦， 需要以好土换坏土， 操作不方便。
(5) 湿度控制法 ： 包括预湿和保持含水率稳定。为了控制膨胀土含水率的变化， 保 持边坡或地基土的含水率少受蒸发及防止运行期地表水的渗入而采取的一些必要措施。 如 施工过程中预留保护层， 衬砌前浸泡膨胀土控制临界湿度等， 有时采用复合土工膜或沥青 盖在膨胀土的坡面上 ；
(6) 桩基础法 ： 通过在膨胀土地基中打桩穿透膨胀土层， 将荷载传递到膨胀土层 以下， 消除膨胀土膨胀变形和膨胀力对建筑物的直接影响。
化学方法有 ： 向膨胀土中掺入无机盐类或有机化合物， 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。对于膨胀土填料， 化学改良法可以通过以下方法加以改良 ：
(1) 石灰类改良剂， 石灰是一种无机的胶结材料， 既能在空气中硬化， 也能在水中 硬化。石灰的性质取决于活性 CaO 和 MgO 的含量， 其含量越高， 活性越大， 胶结能力越强。 石灰改良膨胀土的过程既有物理作用又有化学反应， 两方面共同作用促使土体性质发生根 本改变。改良膨胀土的石灰掺量有一个最佳范围， 针对不同膨胀土参数得出石灰的最佳掺 量不同。研究表明膨胀土中掺质量分数为 2％的石灰对膨胀性能最为有效。超过 2％时， 对 膨胀性改良有可能起反作用 ； 但根据塑性指数和 pH 值变化来看， 最佳掺量应大于 4％； 根据 无侧限抗压强度实验， 最佳掺量应大于 8％。而对于天然膨胀土层， 完全采用挖填改良后回 填的施工方法有时难以开展或者经济性差， 从而不能像填土一样通过掺加石灰的方法来改 良。所以对于天然膨胀土层， 改良剂的水溶性和改良方法对改良效果至关重要。
(2) 水泥类改良剂， 水泥对膨胀土的改良， 主要有以下几个方面的作用 ： 首先， 水泥水化反应产生的 C-S-H 和 C-A-H 凝胶附着在颗粒表面， 具有较强的胶结力并形成了
Ca(OH)2 ； 其次， Ca2+ 与土颗粒表面吸附离子发生阳离子交换反应， 使土颗粒吸水性能改进和 2+ 团粒化， 增加膨胀土的水稳定性 ； 最后， Ca ， OH 渗透进入土颗粒内部， 与黏土矿物发生物理 化学反应， 继续生成上述凝胶物质， 可减少亲水凝粘土矿物的含量， 并提高土颗粒间的连接 强度。
(3) 工业废渣类改良剂， 由于工业废渣在石灰， 水泥水化物的碱性环境中具有潜在 水化活性， 人们从经济和环保角度出发， 用其来改良， 稳定土体， 其改良机理与石灰类， 水泥 类改良剂类似。 此方法的最大优点是环保性好且比较经济， 缺点是早期强度不高， 而且通常 需要较大的掺量。
(4) 水玻璃类改良剂， 水玻璃改良剂是由水玻璃和酸性反应剂构成的， 在强碱条件 下发生胶凝固结。由于胶凝时间不能延长， 改良反应不完全， 会发生较强的碱性影响， 使生 成的 SiO2 胶体逐渐溶出， 大大降低了耐久性。
(5) 有机类改良剂， 有机类改良剂由于聚合物与土颗粒中黏土矿物一般不发生反 应， 其改良膨胀土的作用主要是通过包裹， 机械啮合等物理作用来提高土颗粒间的黏接作 用， 因此在减少土的膨胀性和增加土的强度方面作用要小。而且有机物的聚合过程不吸收 水分， 土颗粒表明吸附水膜的存在会更影响聚合物网络对土颗粒连接的加强作用。要使有 机改良剂在土中形成一定的均匀聚合物网络， 常需要加大其掺量， 而有机改良剂的成本通 常较高， 因此， 常常因经济成本， 加固效果等方面的原因而限制了有机改良剂的应用。 (6) 无机改良剂和有机改良剂结合， 原理是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， 如 CTMAB， AFS， FTY， CHJ， QJ， SGL， SSS 等稳定土。但无机改良剂和有机改良剂结合改良膨胀土 的方法到目前为止还没有在实际工程中得到推广应用， 成果停留在室内试验阶段， 这除了 和试验成果还不太完善有关以外， 施工复杂或价格偏高也是主要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膨胀土改良剂和配制方法及其在膨胀土改良中的应 用。
本发明的目的是通过以下的技术方案来实现的 ：
一种膨胀土改良剂， 其特征在于它是由聚乙烯醇与饱和石灰水按质量比为 0.8 ～ 1.2 ∶ 100 所制成的溶液。
本发明改良剂的配制方法， 其特征在于制备步骤为 ： (1) 取石灰和水的质量比为 0.16 ～ 0.173 ∶ 100， 在室温下溶解成饱和石灰水 ； (2) 取聚乙烯醇质量与饱和石灰水质量 比 0.8 ～ 1.2 ∶ 100， 并掺入体积为饱和石灰水的体积的 1/10 ～ 1/5 的无水乙醇 ； (3) 将该 混合物水浴加热至 95℃～ 100℃， 充分搅拌， 使聚乙烯醇溶解于饱和石灰水中 ； (4) 在水浴 中 90 ～ 95 分钟后， 取上层清液作为改良剂。因为如果溶解液长时间放置， 其性能将会视水 质的情况而逐渐降低， 所以在溶液调制好之后， 请在一定时间内加以使用。 改良剂储存于通 风、 阴凉干燥处， 远离火源。注意 ： 在溶解的时候， 要一边搅拌溶解槽中的饱和石灰水， 一边 严格注意加入聚乙烯醇， 使之均匀分散在饱和石灰水中， 不要让它形成疙瘩， 胶结在容器底 部。
所述的改良剂对膨胀土的改良步骤为 ： (1) 将改良剂喷洒在干燥的膨胀土表面，(2) 膨胀土由于其吸力作用将溶液迅速吸入， 表层的土体饱和后， 未被土体吸收的溶液沿着 裂隙下渗进入内部， 然后向裂隙两侧渗入， 直至整个风化层被浸湿， (3) 经过多次这样的喷 洒， 就能够形成一定厚度的表面改良层， 消除或降低改良层内土体的胀缩性。
所述改良剂对膨胀土的改良原理为 ： 聚乙烯醇 ( 简称 PVA) 外观为白色粉末， 是一 种用途相当广泛的水溶性高分子聚合物， 性能介于塑料和橡胶之间， 是由聚乙烯酸和金属 离子结合组成的有机电解质， 在未聚合之前可溶于水， 是由聚乙烯醇与碱土金属的反应制 得。当采用聚乙烯醇进行膨胀土改良时， 聚乙烯醇单体加入到土中， 在土中进行聚合反应， 经过链的引发、 链的增长等过程， 使液状聚乙烯醇聚合成不溶于水的网状高分子凝胶体， 这 样土颗粒就被强度高、 有塑性的链包围， 形成一个空间网， 形成土颗粒 - 聚乙烯醇凝胶 - 土 颗粒的结构， 这一结构可提高土颗粒间连结强度， 使土体具有较高强度和变形率， 表现为土 的抗拉、 抗剪和单轴抗压强度提高。另外， 有机网状高分子凝胶体具有憎水作用， 可减少水 的渗出和渗入， 有利于膨胀土的改良。
聚乙烯醇树脂系列产品均可以在 95℃以下的热水中溶解， 但由于聚合度、 醇解度 高低的不同， 醇解方式的不同等在溶解时间、 温度上有一定的差异， 因此在使用不同品牌聚 乙烯醇树脂时， 溶解方法和时间需要进行摸索。溶解时， 可一边搅拌 ( 搅拌速度 70 ～ 100 转 / 分， 升温时， 可采用夹套、 水浴等间接加热方式， 也可采用水蒸汽直接加热 ) 一边将本品 缓缓加入 20℃左右的冷水中充分溶胀、 分散和挥发性物资的逸出 ( 切勿在 40℃以上的水中 加入该产品直接进行溶解， 以避免出现包状和皮溶内生现象 )， 而后升温到 95℃左右加速 溶解。
本发明的优点 ： (1) 改良剂渗透效果好， 经试验， 至少可改良至土表以下 1 米 ； (2) 改良时仅需喷洒即可， 无需将待改良土壤挖出搅拌后重新填埋， 方便适用 ； (3) 改良剂适用 于中低性膨胀土， 经实验室喷洒实验， 距土表 90 厘米处的膨胀土原来的自由膨胀率为 50， 经改良后的自由膨胀率为 27， 满足工程应用要求。 具体实施方式
实施例 ： 利用聚乙烯醇饱和石灰水改良剂对膨胀土改良的试验 ：
改良施工步骤为 ： (1)、 从江苏省淮安市取质量为 200kg 的膨胀土样， 将其放在高 度为 1m 直径为 30cm 的圆柱形玻璃器皿中， 并取出深度为 90cm 处的土样 100g， 碾细全部过 0.55 筛 ； 将过筛后的试样拌匀， 在 105℃ -110℃下烘制恒重， 在干燥器内冷却至室温 ； 将无 颈漏斗放在支架上， 漏斗下口离量土杯距离保持 10mm ； 用勺子取试样倒入漏斗， 边倒边搅 动。当试样装满量土杯并开始流出时， 停止倒土， 移开漏斗刮去杯口多余的土并称量。重复 以上操作进行第二次量土和称量， 要求两次称量的差值不得大于 0.1g。在量筒内注入 30ml 纯水， 并加入 5ml 浓度为 5％的纯 NaCl 溶液， 将量土杯里的试样倒入量筒内， 用搅拌器上下 搅拌悬液十次， 用纯水清洗搅拌器及量筒壁， 使悬液达 50ml。 待悬液澄清后， 每隔 5h 测一次 土面高度 ( 估读 0.1ml) 直至读数差值不大于 0.2ml， 可认为膨胀稳定， 若土面倾斜， 读数可 取中值。测得土样的自由膨胀率为 50。
(2)、 取石灰 1.7g 和水 1000g， 将石灰加入水中， 并搅拌使之溶解均匀， 制得饱和石 灰水， 取聚乙烯醇质量 10g， 饱和石灰水质量 1000g， 并掺入 100ml 无水乙醇以加速溶解， 再 将该混合物水浴加热至 95℃～ 100℃， 使聚乙烯醇溶解于饱和石灰水中， 在溶解的时候， 一边搅拌一边倒入， 使之均匀且充分溶解， 在水浴中 90 ～ 95 分钟后， 取上层清液 1000ml 作为 改良剂， 重复以上步骤三次， 取得改良剂 3000ml。
(3)、 将上述配制好的改良剂喷洒在干燥的膨胀土表面， 第一次喷洒 1000ml ； 目测 表面干燥后进行第二次喷洒 1000ml， 再待边坡表面干燥后进行第三次喷洒 1000ml， 就能够 形成一定厚度的表面改良层， 消除或降低改良层土体的胀缩性。 待目测表面干燥后， 取出深 度为 90cm 的土样进行自由膨胀率实验， 得出其自由膨胀率降低到 27， 工程规范要求膨胀土 的自由膨胀率为 40 以下， 所以基本满足工程要求。6