一种利用土壤固化剂制备固化土的方法.pdf

本发明提供一种利用土壤固化剂制备固化土的方法，其包括以下步骤：⑴提供土壤固化剂，并将所述土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，所述土壤固化剂为路邦离子土壤固化剂；⑵将所述含土壤固化剂的溶液与土壤混合均匀，得到混合料，其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述土壤为浙中地区的红粘土；以及⑶对所述混合料进行碾压，得到压实度为96％～98％的固化土。

1.  一种利用土壤固化剂制备固化土的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
⑴提供土壤固化剂，并将所述土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，所述土壤固化剂为路邦离子土壤固化剂；
⑵将所述含土壤固化剂的溶液与土壤混合均匀，得到混合料，其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述土壤为浙中地区的红粘土；以及
⑶对所述混合料进行碾压，得到压实度为96％～98％的固化土。

2.  如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备固化土的方法，其特征在于，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.2:10000～1.6:10000。

3.  如权利要求2所述的利用土壤固化剂制备固化土的方法，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.4:10000。

4.  如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备固化土的方法，其特征在于，所述土壤固化剂为路邦EN-1离子土壤固化剂。

5.  如权利要求1所述的利用土壤固化剂制备固化土的方法，其特征在于，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与水的体积比为1:100～1:400。

6.  如权利要求5所述的利用土壤固化剂制备固化土的方法，其特征在于，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与水的体积比为1:300。

一种利用土壤固化剂制备固化土的方法
技术领域
本发明涉及地基技术领域，尤其涉及一种固化土的制备方法。
背景技术
随着我国道路基础设施建设规模的迅速发展，交通量和重载车辆与日俱增，对各等级道路的路基路面结构的使用性能提出了更高要求。为了保证公路工程质量并降低工程造价，选择高效的筑路材料至关重要。传统的基层筑路材料一般采用天然砂石料、砂砾料等，然而，这类资源越来越少，并且建设成本也高，对环境破坏和污染也较大。
浙中地区的地质土层多为由流纹岩、凝灰角砾岩风化残积而形成的红粘土。红粘土具有与一般正常沉积粘性土不同的物理及力学特征，其表现为网纹特征明显，粘粒含量高，密度低、液塑限高、压实性差等，因而在工程应用中会引发诸多工程危害，如干温缩引起的收缩裂缝、遇水土体软化易流失，形成不均匀沉降等。现有公路工程中普遍采用水泥、石灰、粉煤灰等传统土壤固化材料，然而，这存在明显的不足，主要表现在：固化土强度形成缓慢，早期强度低，影响施工进度；固化土干缩大、易开裂、水稳性差；固化土受土壤类别限制较大，对塑性指数高的粘土、有机土和盐渍土固化效果差，甚至没有固化作用，因而难以满足浙中地区工程建设发展的需要。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种适合浙中地区的、可利用施工地的土壤来制备固化土的方法，该方法具有节约能源、成本较低、对环境破坏和污染较小的优点，可满足工程建设发展的需要。
本发明提供一种利用土壤固化剂制备固化土的方法，其包括以下步骤：
⑴提供土壤固化剂，并将所述土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，所述土壤固化剂为路邦离子土壤固化剂；
⑵将所述含土壤固化剂的溶液与土壤混合均匀，得到混合料，其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述土壤为浙中地区的红粘土；以及
⑶对所述混合料进行碾压，得到压实度为96％～98％的固化土。
其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.2:10000～1.6:10000。
其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.4:10000。
其中，所述土壤固化剂为路邦EN-1离子土壤固化剂。
其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与水的体积比为1:100～1:400。
其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与水的体积比为1:300。
与现有技术相比较，本发明所述利用土壤固化剂制备固化土的方法具有以下优点：由于土壤固化剂具有“亲水头”和“疏水尾”，并且选择所述土壤固化剂与土壤的质量比为1:10000～2:10000这一特定的质量比，因而所述土壤固化剂可与红粘土中大部分的粘土颗粒表面吸附的阳离子发生离子交换反应，减小了土壤颗粒表面的固定层和扩散层的总体厚度，使颗粒表面结合水膜变薄，从而引起粘土颗粒之间的引力增加，斥力减小，进而促使粘土颗粒聚集、凝结而形成更大的颗粒，因此，固化土变得更密实，固化土的力学强度提高。在这一过程中，粘土矿物晶格结构并没有解体破坏。该方法可快速将土壤经过土壤固化剂的处理后而得到符合工程的要求的固化土，效率较高，还具有节约能源、成本较低、对环境破坏和污染较小的优点，并可满足工程建设发展的需要。
由于土壤固化剂与水的体积比为1:100～1:400，使得所述含土壤固化剂的溶液具有合适的粘度，能够较好的向土壤的内部扩散和渗透。
优选的，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.2:10000～1.6:10000。更优选的，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.4:10000，此时，得到的固化土的塑性指数降至最低，无侧限抗压强度达到最大。
附图说明
图1为不同土壤固化剂与土壤的质量比下混合料的塑性指数的测试结果(其中，横坐标土壤固化剂掺量是指土壤固化剂与土壤的质量比)。
图2为不同土壤固化剂与土壤的质量比下固化土的无侧限抗压强度测试结果(其中，横坐标土壤固化剂掺量是指土壤固化剂与土壤的质量比)。
图3A至3G依次为土壤固化剂与土壤的质量比为1:10000、1.2:10000、1.4:10000、1.6:10000、1.8:10000、2:10000的固化土的扫描电镜照片(放大倍数为10000倍)。
图4为不同土壤固化剂与土壤的质量比下固化土的X-射线衍射图谱(其中曲线a为原样的土壤，曲线b至g依次对应于土壤固化剂与土壤的质量比为1:10000、1.2:10000、1.4:10000、1.6:10000、1.8:10000、2:10000)。
图5为对比组1和第3组的混合料以不同的压实度制得固化土的抗压强度测试结果。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的利用土壤固化剂制备固化土的方法作进一步说明。
本发明提供一种利用土壤固化剂制备固化土的方法；该方法包括以下步骤：
⑴提供土壤固化剂，并将所述土壤固化剂用水稀释得到含土壤固化剂的溶液，所述土壤固化剂为路邦离子土壤固化剂；
⑵将所述含土壤固化剂的溶液与土壤混合均匀，得到混合料，其中，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000，所述土壤为浙中地区的红粘土；以及
⑶对所述混合料进行碾压，得到压实度为96％～98％的固化土。
在步骤⑴中，所述土壤固化剂为市售的路邦离子土壤固化剂。该路邦离子土壤固化剂为阴离子型表面活性剂。具体的，所述土壤固化剂为一种磺化油树脂，其由一种磺酸的有机化合物(RSO₃H)的“亲水头”及一个由碳及氢的原子组成的“疏水尾”所构成。所述土壤固化剂易溶于水，在水中能离解出带正电荷的阳离子(如Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺等)和阴离子(如Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-等)。该土壤固化剂与水的体积比可为1:100～1:400，一方面使得所述含土壤固化剂的溶液具有合适的粘度，能够较好的向土壤的内部扩散和渗透；另一方面也为了方便在步骤⑵中取适量的含土壤固化剂的溶液。优选的，土壤固化剂与水的体积比为1:300，从而该得到的含土壤固化剂的溶液具有最佳的粘度，以避免当土壤固化剂的浓度过低时，离解出来的阳离子的量不足导致离子交换反应不充分，加固土壤的效果较差；以及当土壤固化剂的浓度过高时，粘度较大而在粘土颗粒中扩散和渗透的时间较长，减缓作业进度的情形。本发明中，采用的是路邦EN-1离子土壤固化剂，该土壤固化剂与水的体积比为1:300。
在步骤⑵中，所述含土壤固化剂的溶液与土壤混合时，所述含土壤固化剂的溶液的体积根据所述土壤的质量以及所述含土壤固化剂的溶液中土壤固化剂的浓度而定，只要使得土壤固化剂与所述土壤的质量比为1:10000～2:10000即可，以保证有足够量的土壤固化剂而可与大部分的粘土颗粒表面吸附的阳离子发生离子交换反应。具体的，当所述土壤固化剂分散于水中时，“亲水头”(RSO₃H)这部分发生离解而产生一个[SO₃]^2-离子，当[SO₃]^2-的一个氧原子与粘土颗粒上的金属阳离子相结合时，土壤固化剂便占据了粘土颗粒表面上的一个阳离子空位；赶走了吸附在粘土颗粒扩散层表面上的部分阳离子，此时土壤固化剂被吸附在粘土颗粒表面。另外，“亲水头”还可通过[SO₃]^2-中硫原子联结到分子尾部的“疏水尾”上，土壤固化剂的“疏水尾”围绕着粘土颗粒表面形成了一个油性层，“疏水尾”对粘土颗粒表面上的水有一定的排挤作用，即土壤固化剂具有减小颗粒表面的结合水膜的厚度的能力。在上述两种因素的共同作用下，所述土壤固化剂的加入减小了粘土颗粒表面的固定层和扩散层的总体厚度，使颗粒表面结合水膜变薄，从而引起粘土颗粒之间的引力增 加，斥力减小，进而促使粘土颗粒聚集、凝结而形成更大的颗粒，因此，固化土变得更密实，固化土的力学强度提高。
将原样的土壤为对照组1；而将加入土壤固化剂的土壤为第1至6组，其中土壤固化剂与土壤的质量比依次为1:10000、1.2:10000、1.4:10000、1.6:10000、1.8:10000、2:10000。具体的，将含土壤固化剂的溶液洒入土壤中，拌和均匀后得到混合料盛入塑料袋中，在松散状态下密封养护24小时。对对照组1的原样的土壤和第1～6组的混合料分别测试其液限、塑限和塑性指数。结果请参阅下表1和图1。
表1第1～6组的混合料及对照组1原样的土壤的液限、塑限和塑性指数测试结果(交底中表4-5)
            
由表1和图1，可见，(ⅰ)土壤在加入土壤固化剂后，其液限、塑限和塑性指数都有不同程度的改变，塑性指数均有所降低，相对于对比组1而言，当土壤固化剂与土壤的质量比为1.4:10000时，即第3组塑性指数下降最为明显，与对照组1相比，此时塑性指数降低了10.8％；(ⅱ)土壤固化剂的掺量不是越高越好，随着土壤固化剂与土壤的质量比大于1.4:10000之后，即第4至6组的塑性指数又有所提高；(ⅲ)相对于对比组1而言，第1至3组固化土的塑性指数的降低，表明土壤固化剂能有效减小结合水膜的厚度，使粘土颗粒的间距减小，粘土颗粒之间的结合力增强。
进一步的，还以对照组1的原样的土壤和第1～5组的混合料分别制备压实度分别为96％和98％的固化土，并测定固化土7天无侧限抗压强度，结果见表2和图2。
表2不同土壤固化剂与土壤的质量比下固化土的无侧限抗压强度测试结果(交底中表4-6)
            
由表2及图2可知，(ⅰ)土壤在加入土壤固化剂后，压实度为96％、98％的固化土的无侧限抗压强度均有明显的提高，其中压实度为98％的固化土的无侧限抗压强度明显高于压实度为96％的固化土的无侧限抗压强度，即，土壤固化剂对土壤起到了固化效果，随压 实度增加，固化效果越明显，同时随着土壤固化剂的掺量(即土壤固化剂与土壤的质量比)的增加，其无侧限抗压强度先增加后减小；(ⅱ)当土壤固化剂与土壤的质量比为1.4:10000时，第3组得到的压实度为98％的固化土无侧限抗压强度达到最大值1.85MPa，比同一压实度下对照组1的7天无侧限抗压强度提高了20.92％，进而表明土壤固化剂与土壤的质量比为1.4:10000为最优值。
请参阅图3A，对照组1原样的土壤以团聚体或团粒的堆叠结构为主，孔隙较大；请参阅图3B至3G，第1至5组加入土壤固化剂后团聚体明显增大，孔隙大大减小，表面胶结物的胶结特征更明显，粘土颗粒以面-面的形式接触非常紧密，结构变得更加紧密。其中，第3组土壤固化剂与土壤的质量比为1.4:10000的固化土中表面胶结物的胶结特征最为明显，能清晰地见到粘土形成团聚体结构，很少以团粒形式出现，孔隙减小。分析认为：胶结物特征的出现是由于红粘土中含有游离氧化铁、硅、铝等胶结物质，在经土壤固化剂处理后，该胶结物质将不同骨架颗粒粘结在一起，形成具有一定结构联结力的堆叠结构，使粘土颗粒之间的引力增大，从而使粘土颗粒以面-面的形式接触更紧密，导致红粘土的结构和孔隙发生较大的变化。
综上，较优选的，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.2:10000～1.6:10000。更优选的，所述含土壤固化剂的溶液中所述土壤固化剂与所述土壤的质量比为1.4:10000，此时，得到的固化土的塑性指数降至最低，无侧限抗压强度达到最大。另外，所述土壤固化剂的用量较小，因而降低了成本。需要说明的是，所述土壤是指干的土壤，具体是指含水量为10％～25％的土壤。
请参阅图4，与原样的土壤(曲线a)相比，在加入土壤固化剂后，曲线b至g均基本与曲线a重合，未出现新的衍射峰，这说明土壤经过土壤固化剂处理后并没有新矿物生成，这也进一步验证了土壤固化剂与土壤相互作用时，仅与粘土颗粒表面吸附的阳离子产生交换作用，但并不破坏原有粘土矿物晶格结构。
在步骤⑶中，对所述混合料进行碾压，并使得到的固化土具有一定的压实度。将上述对比组1和第3组的混合料分别以压实度为90％、92％、94％、96％和98％的条件制得固化土，然后对固化土进行抗压强度测试，结果请参阅图5。由图5可以看出，加入土壤固化剂后得到的固化土，在压实度为96％～98％时，无侧限抗压强度值较高，说明此压实度为96％～98％下所述土壤固化剂的固化作用较明显。
与现有技术相比较，本发明所述利用土壤固化剂制备固化土的方法具有以下优点：由于土壤固化剂具有“亲水头”和“疏水尾”，并且选择所述土壤固化剂与土壤的质量比为1:10000～2:10000这一特定的质量比，因而所述土壤固化剂可与红粘土中大部分的粘土颗粒表面吸附的阳离子发生离子交换反应，减小了土壤颗粒表面的固定层和扩散层的总体厚度， 使颗粒表面结合水膜变薄，从而引起粘土颗粒之间的引力增加，斥力减小，进而促使粘土颗粒聚集、凝结而形成更大的颗粒，因此，固化土变得更密实，固化土的力学强度提高。在这一过程中，粘土矿物晶格结构并没有解体破坏。该方法可快速将土壤经过土壤固化剂的处理后而得到符合工程的要求的固化土，效率较高，还具有节约能源、成本较低、对环境破坏和污染较小的优点，并可满足工程建设发展的需要。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其他变化，当然这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。