土壤固化剂与道路施工方法 |
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| 申请号 | CN202311023080.8 | 申请日 | 2023-08-15 | 公开(公告)号 | CN117263625A | 公开(公告)日 | 2023-12-22 |
| 申请人 | 株洲中铁电气物资有限公司; 中国铁建重工集团股份有限公司; | 发明人 | 刘飞香; 李再轲; 任治国; 金伟光; 彭旋; 郭睿; 刘彦安; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 土壤 固化 剂与道路施工方法，土壤固化剂包括如下 质量 百分比的原料组分：硫 铝 酸盐 水 泥41％～54.7％；改性铬 铁 渣13.7％～19.2％； 水泥 基渗透结晶型防水材料6.8％～8.2％；可再分散性乳胶粉1％～2％；苯磺酸盐 表面活性剂 0.8％～2％；聚 羧酸 减水剂 0.5％～0.8％；早强剂0.3％～0.5％；聚丙烯 纤维 0.3％～0.5％；水20.5％～27.4％。本发明提供的土壤固化剂用于道路施工后，固化路基的抗压强度不小于2.4MPa；CBR值不小于19％；回弹模量不小于1740MPa，解决了 现有技术 中土壤固化剂制成的固化土路基的承载能 力 和抗压强度不足的技术问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种土壤固化剂，其特征在于，包括如下质量百分比的原料组分： |
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| 说明书全文 | 土壤固化剂与道路施工方法技术领域[0001] 本发明涉及道路施工技术领域，特别地，涉及一种土壤固化剂与道路施工方法。 背景技术[0002] 土壤固化技术作为一种能够优化改良土壤效能，提高施工效率，提升施工路段经济性和耐久性的新型技术，在道路工程建设施工中得到应用。其使土壤产生固化、增加强度的机理就是使用了土壤固化剂。 [0003] 土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化各类土壤的新型节能环保工程材料。它与土壤混合后通过一系列的物理化学反应来改变土壤的工程性质，使得土壤颗粒之间趋于凝聚，减少土壤体积膨胀并进一步填充土壤空隙。使固化后的土壤在压实功的作用下易于压实和稳定，从而从形成整体结构。但使用现有土壤固化剂固化得到固化土路基的承载能力和抗压强度有待进一步提升。 发明内容[0004] 本发明提供了一种土壤固化剂与道路施工方法，以解决使用现有土壤固化剂固化得到的固化土路基的承载能力和抗压强度有待进一步提升的技术问题。 [0005] 根据本发明的一个方面，提供一种土壤固化剂，包括如下质量百分比的原料组分： [0006] 硫铝酸盐水泥41％～54.7％；改性铬铁渣13.7％～19.2％；水泥基渗透结晶型防水材料6.8％～8.2％；可再分散性乳胶粉1％～2％；苯磺酸盐表面活性剂0.8％～2％；聚羧酸减水剂0.5％～0.8％；早强剂0.3％～0.5％；聚丙烯纤维0.3％～0.5％；水20.5％～27.4％。 [0007] 进一步地，所述土壤固化剂包括如下质量百分比的原料组分：硫铝酸盐水泥42.5～52.5％；改性铬铁渣14～19％；水泥基渗透结晶型防水材料7～7.6％；可再分散性乳胶粉1.0～1.5％；苯磺酸盐表面活性剂1.0～1.5；聚羧酸减水剂0.5％～0.6％；早强剂0.4～ 0.5％；聚丙烯纤维0.3～0.4％；水22～25％。 [0009] 进一步地，所述水泥基渗透结晶型防水材料的组分包括硅酸盐水泥和碱金属盐。 [0010] 根据本发明的另一方面，还提供了一种道路施工方法，包括如下步骤： [0011] 将上述土壤固化剂与施工场地原土，及水搅拌混合均匀，得到固化土混合料，其中，固化剂掺量占施工地原土的15～18％； [0012] 在施工场地铺设所述固化土混合料，再经压实和养护，得到固化土路基； [0013] 在所述固化土路基上安装预制道面板，完成施工。 [0014] 进一步地，所述压实包括通过压路机碾压至压实度不低于98％。 [0015] 进一步地，所述养护包括覆膜养护12h以上。 [0016] 进一步地，所述固化土路基的抗压强度不小于2.4MPa。 [0017] 进一步地，所述固化土路基的CBR值不小于19％。 [0018] 进一步地，所述固化土路基的回弹模量不小于1740MPa。 [0019] 本发明具有以下有益效果： [0020] 本发明提供的土壤本固化剂中，以硫铝酸盐快硬水泥为主要胶凝材料，利用其水化后快速硬化的特点对土壤进行加固，同时加入其它材料，提高固化土的整体性能。其中改性铬铁渣相比普通铬铁渣的压碎值和面干吸水率更低，适合在固化土中作为骨料，其会与拌和浆体界面处形成多榫卯结构连接，同时其水化产生的钙矾石和C‑S‑H胶凝体会增强浆体界面强度；水泥基渗透结晶型防水材料中主要成分是硅酸盐水泥和碱金属盐活性化学物质，其产生的硅酮离子随自由水渗透到水泥固化土中，与硫铝酸盐水泥及土壤中的钙离子发生反应生成不溶于水的枝蔓状结晶体充满固化土中毛细孔隙，增加固化土的抗渗性和密‑实度，同时其含有的碱金属盐水解后呈碱性，产生足够的OH离子，促使铬铁渣内部网络结构解体，溶解出硅、铝阴离子团与混合料中水化产生的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙和水 2‑ 化铝酸钙，增加固化土后期强度；苯磺酸表面活化剂中的亲水基‑SO3 和碳氢疏水基团能改变土颗粒表面特性，通过离子交换和电离作用破坏土壤颗粒的吸附水和层间水结构，使其游离成自由水，自由水即可被胶凝材料吸收水化，同时还降低了固液界面表面张力，有助于后期土壤压实的施工，同时也能改善铬铁渣多孔结构中的渗透膜，促使各离子能进入到铬铁渣内部充分反应；由于固化土在胶凝材料固化过程中和苯磺酸表面活性剂的作用下中会产生很多孔隙，而可再分散性乳胶粉可以迅速分散并填充到这些孔隙中，后期脱水形成聚合物膜，改善受力性能，并且固化后不会再分散，从而提高固化土的粘结性和抗折性能。同时考虑到硫铝酸盐水泥在快硬过程中释放大量热量会产生热裂现象，所以加入聚丙烯纤维增加固化土的抗压和抗裂性能。 具体实施方式[0023] 为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。 [0024] 在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或多种”中的“多种”的含义是两种及以上，“一个或多个”中的“多个”的含义是两个及以上。 [0025] 道路的修建方法通常是采用挖填土加分层碾压最后摊铺路面的方式修建的，但因其施工周期长、机械设备多而无法用在抢修抢建工程中。而现有抢修抢建工程中常用的技术有路基加固和预制面板施工技术，该方式具有工期短、施工便捷等优势。但是在现有的道路快速修建方法中，往往是在路基处理上存在工期长、材料用量大等问题，如土壤固化剂的固化时间长、掺量大以及路基需要铺设额外防水层等问题，导致在一些抗灾抢险、战备等特殊情况下无法满足要求。 [0026] 基于现有道路抢修抢建技术的不足之处，本发明致力于提供一种道路施工方法，该方法采用特制高性能土壤固化剂加固路基，并在该路基上直接铺设预制面板，以满足缩短工期、保证强度高及稳定性的需求。 [0027] 本发明第一方面的实施例提供一种土壤固化剂，包括如下质量百分比的原料组分： [0028] 硫铝酸盐水泥41％～54.7％；改性铬铁渣13.7％～19.2％；水泥基渗透结晶型防水材料6.8％～8.2％；可再分散性乳胶粉1％～2％；苯磺酸盐表面活性剂0.8％～2％；聚羧酸减水剂0.5％～0.8％；早强剂0.3％～0.5％；聚丙烯纤维0.3％～0.5％；水20.5％～27.4％。 [0029] 使用上述土壤固化剂可快速加固土壤修建路基，该固化剂以硫铝酸盐水泥为主要胶凝材料起粘接固化作用，考虑到硫铝酸盐水泥碱度低、易热裂、价格高等缺点，其掺量不宜过高，同时过低会导致固化土强度明显下降，综合考虑按上述比例添加合适；通过加入改性铬铁渣作为骨料提高固化土强度，由于铬铁渣具有较强吸水性，掺量过高会导致和易性下降，不利于固化剂与土壤的拌和，过低则对固化土强度提高较小，所以其占比按上述比例添加合适；加入水泥基渗透结晶型防水材料提高固化土的防水性和密实性；加入可再分散性乳胶粉以改善粘合性和耐久性，使水泥和骨料间形成高粘聚力的聚合物膜；加入苯磺酸盐表面活性剂改善土壤颗粒表面结合水之间的膜结构，促使硫铝酸盐水泥和改性铬铁渣能充分与土壤本身含有的结合水反应，减少额外水掺量，同时还能增加固化土的密实度；加入减水剂和早强剂以减少水掺量和提高早期强度；加入高分子纤维以增强抗裂性能。 [0030] 在一些实施例中，为了进一步提高固化土路基的承载能力和抗压强度，所述土壤固化剂包括如下质量百分比的原料组分：硫铝酸盐水泥42.5～52.5％；改性铬铁渣14～19％；水泥基渗透结晶型防水材料7～7.6％；可再分散性乳胶粉1.0～1.5％；苯磺酸盐表面活性剂1.0～1.5；聚羧酸减水剂0.5％～0.6％；早强剂0.4～0.5％；聚丙烯纤维0.3～ 0.4％；水22～25％。 [0031] 在本申请的实施例中，所述改性铬铁渣的改性方法包括：将铬铁渣、硅酸钠、硅酸盐水泥、矿粉混合搅拌均匀，得到改性铬铁渣。其中改性铬铁渣相比普通铬铁渣的压碎值和面干吸水率更低，适合在固化土中作为骨料，其会与拌和浆体界面处形成多榫卯结构连接，同时其水化产生的钙矾石和C‑S‑H胶凝体会增强浆体界面强度 [0032] 在本申请的实施例中，所述水泥基渗透结晶型防水材料的组分包括硅酸盐水泥和碱金属盐。水泥基渗透结晶型防水材料产生的硅酮离子随自由水渗透到水泥固化土中，与硫铝酸盐水泥及土壤中的钙离子发生反应生成不溶于水的枝蔓状结晶体充满固化土中毛细孔隙，增加固化土的抗渗性和密实度，同时其含有的碱金属盐水解后呈碱性，产生足够的‑OH离子，促使铬铁渣内部网络结构解体，溶解出硅、铝阴离子团与混合料中水化产生的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，增加固化土后期强度。 [0033] 苯磺酸表面活化剂中的亲水基‑SO32‑和碳氢疏水基团能改变土颗粒表面特性，通过离子交换和电离作用破坏土壤颗粒的吸附水和层间水结构，使其游离成自由水，自由水即可被胶凝材料吸收水化，同时还降低了固液界面表面张力，有助于后期土壤压实的施工，同时也能改善铬铁渣多孔结构中的渗透膜，促使各离子能进入到铬铁渣内部充分反应；由于固化土在胶凝材料固化过程中和苯磺酸表面活性剂的作用下中会产生很多孔隙，而可再分散性乳胶粉可以迅速分散并填充到这些孔隙中，后期脱水形成聚合物膜，改善受力性能，并且固化后不会再分散，从而提高固化土的粘结性和抗折性能。同时考虑到硫铝酸盐水泥在快硬过程中释放大量热量会产生热裂现象，所以加入聚丙烯纤维增加固化土的抗压和抗裂性能。 [0034] 本发明第二方面的实施例提供一种道路施工方法，包括如下步骤： [0035] 将上述土壤固化剂与施工场地原土，及水搅拌混合均匀，得到固化土混合料，原土应筛除其中大块杂物，其中固化剂掺量占施工地原土的12～18％，该配比主要考虑到固化土需具有足够强度，其掺量不宜过低，而当掺量过高时，固化土早期强度过高不利于压实作业，同时成本增加；水掺量占原土的6％。 [0036] 在施工场地铺设所述固化土混合料，再经压实和养护，得到固化土路基； [0037] 在所述固化土路基上安装预制道面板，完成施工。 [0038] 本方法采用高性能土壤固化剂加预制道面板相结合的施工方法，并且固化土完全固化后能直接在上层铺设面板，中间无需额外铺层，相较于常规道路抢建方法更快更便捷，在使用耐久性上也比一些常规的抢修抢建道路更好，另外当道路不需要时，也可及时拆除。 [0040] 实施例 [0041] 下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得，并且可直接使用而无需进一步处理，以及实施例中使用的仪器均可商购获得。 [0042] 实施例1 [0043] 本例中固化剂组分(质量百分比)：硫铝酸盐水泥48.5％、改性铬铁渣16.4％、水泥基渗透结晶型防水材料(市面常见材料，主要成分为硅酸盐水泥和碱金属盐等活性化学物质)7.6％、可再分散性乳胶粉1.2％、苯磺酸盐表面活性剂1.2％、聚羧酸减水剂0.5％、早强剂0.5％、聚丙烯纤维0.3％、水24％。道面板采用折叠式纤维增强复合材料道面板。各材料均为市场常见材料，可从原材料市场上购买，其中改性铬铁渣是用其质量百分比为5％硅酸钠、5％普通硅酸盐水泥、7％的S95级矿粉及铬铁渣混合制成。 [0044] 道路施工方法主要步骤包括：第一步，将上述质量含量的铬铁渣、硅酸钠、普通硅酸盐水泥、矿粉依次加入到搅拌装置中搅均，得到改性铬铁渣；第二步，依次往搅拌装置中加入硫铝酸盐水泥、改性铬铁渣、水泥基渗透结晶型防水材料、可再分散性乳胶粉、苯磺酸盐表面活性剂、聚羧酸减水剂、早强剂、聚丙烯纤维等材料，搅拌均匀，得到固化剂粉料；第三步，将施工场地原土、混合料依次加入到路拌机中，搅拌均匀，随后加入水，再搅拌15分钟至材料混合均匀；第四步，通过路拌机将固化土混合料均匀铺设到场地上，再通过压路机碾压10遍至压实度98％，覆膜养护固化土待总龄期达到12h以上即得到固化土路基；第五步，在路基之上直接铺设折叠式纤维增强复合材料道面板，通过地脚螺栓固定，安装完成。 [0045] 将该方法用于湖南某平原地区，该地区土壤含水率22％，塑性指数11。其中固化剂掺量按土壤质量的15％添加。根据JTG D50‑2017《公路沥青路面设计规范》、JTG D30‑2015《公路路基设计规范》二级公路重交通情况下，路基7d无侧限抗压强度需达到2MPa以上，标准中规定，路基顶面回弹模量大于70MPa，CBR值大于8％。检测方法参考JTG E40‑2007《公路土工试验规程》。经试验测得该固化土路基12h无侧限抗压强度为2.7MPa；CBR值21％，回弹模量1812MPa。 [0046] 实施例2 [0047] 本实施例中将固化剂组分(质量百分比)中的硫铝酸盐水泥降低至42.5％、改性铬铁渣降低至14％、水降低至21％，其余均与实施例1相同，固化剂掺量也为15％(按土质量计算)。道路施工方法同实施例1，经试验测得该固化土路基12h无侧限抗压强度为2.4MPa，CBR值19％，回弹模量1740MPa。 [0048] 实施例3 [0049] 本例中将固化剂组分(质量百分比)中的硫铝酸盐水泥增加至52.5％、改性铬铁渣增加至19％、水增加至26％，其余均与实施例1相同，固化剂掺量也为15％(按土质量计算)。道路施工方法同实施例1，经试验测得该固化土路基12h内无侧限抗压强度为2.9MPa，CBR值 24％，回弹模量1915MPa。 [0050] 实施例4 [0051] 本例中固化剂组分(质量百分比)均与实施例1相同，将土壤中固化剂掺量调整为18％(按土质量计算)，道路施工方法同实施例1，经试验测得该固化土路基12h内无侧限抗压强度为3.1MPa，CBR值26％，回弹模量2061MPa。 [0052] 对比例1 [0053] 本例中固化剂组分(质量百分比)均与实施例1相同，将土壤中固化剂掺量调整为12％(按土质量计算)，道路施工方法同实施例1，经试验测得该固化土路基12h内无侧限抗压强度为2.2MPa，CBR值17％，回弹模量1671MPa。 [0054] 对比例2 [0055] 本例中不掺入水泥基渗透结晶型防水材料，其他组分及掺量均与实施例1相同，道路施工方法同实施例1，经试验测得该固化土路基12h内无侧限抗压强度为2.0MPa，CBR值16％，回弹模量1665MPa。 [0056] 对比例3 [0057] 本例中不掺入苯磺酸盐表面活性剂，其他组分及掺量均与实施例1相同，道路施工方法同实施例1，经试验测得该固化土路基12h内无侧限抗压强度为2.3MPa，CBR值18％，回弹模量1725MPa。 [0058] 虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。 |
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