膨胀土改良剂及制备方法、改良膨胀土路面基层压实方法与流程

本发明涉及固体废物资源化利用和环境治理，特别涉及一种膨胀土改良剂及制备方法、改良膨胀土路面基层压实方法。

背景技术：

1、膨胀土是一种富含膨胀性粘土矿物并具有明显的吸水膨胀和失水收缩特性的高塑性粘土。南方地区膨胀土天然含水率较高，压实困难、水稳性差、无侧限强度几乎为0，是一种不良的土质。

2、对于膨胀土，国内外广泛采取操作简单、工期较短的化学改良法进行处理，较为常见的化学改良技术主要包括：粉煤灰改良、水泥改良、水玻璃改良、有机物改良、其他新型改良剂改良以及石灰改良等。但研究表明：粉煤灰改良可提高膨胀土早期强度，实现以废治废，但处理成本较高且浸水后稳定性不足。水泥改良技术可以降低膨胀土亲水性从而提高其浸水后稳定性，但由于其干缩系数较大而导致适用范围较局限，且存在加固效果不理想等缺点。水玻璃改良发现其凝胶作用可以有效地加固膨胀土，使土粒粘结力增强而产生聚集现象，但材料本身黏度较大，实际操作复杂，且强度难以达到实际工程应用标准。石灰改良由于具有原料易得、操作简单、改良效果明显等优势，逐渐成为应用较为广泛的改良技术，但仍存在浸水稳定性不足，且早起强度低，易开裂等问题，无法满足多雨气候地区工程需要，容易导致工程问题。

3、同时，按照现行的我国公路路面基层设计规范，路面基层填料必须满足无侧限抗压强度和水稳定性要求，这一技术措施对保证道路的建设质量起到了非常重要的作用。但现行公路路面基层设计和施工规范中没有明确膨胀土作为道路基层施工的压实控制标准。设计施工中通常采用传统的干法击实试验确定改良膨胀土基层的最佳含水率和最大干密度。

4、干法击实试验确定的最佳含水率远低于膨胀土的天然含水率(以四川成华地区龙潭寺项目膨胀土为例，其天然含水率为23.00％，干法击实最佳含水率为14.5％)。在实际施工中，开挖出的高天然含水率的膨胀土很难翻晒至干法击实确定的最佳含水率。同时由于干法击实试验得到的最大干密度较大，规范中要求压实后的填料的干密度应达到最大干密度的98％以上，因此使得改良膨胀土基层更难达到压实度的要求。即使想方设法达到干法击实试验确定的最佳含水率和压实度标准，由于膨胀土的含水率越低，干密度越大，土体膨胀潜势越大，路面基层在南方潮湿的环境条件下吸湿的能力更强，通过长期的水汽迁移，路面基层的含水率显著增大，干密度显著降低，并产生显著的膨胀变形，使得路面基层的强度大幅降低，引起基层路面的变形破坏。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以提高膨胀土的强度，提高水稳定性的膨胀土改良剂，并提供该膨胀土改良剂的制备方法，以及利用该改良膨胀土进行路面基层压实的方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：膨胀土改良剂，包括以下组分及其质量份数比：20～30份水泥熟料、25～50份高炉矿渣、20～40份氧化钙、3～15份催化剂、1份纳米硅粉。待处理膨胀土为自由膨胀率介于40％～60％的弱膨胀土时，氧化钙份数取值为20～30份；待处理膨胀土为自由膨胀率介于60％～90％的中膨胀土时，氧化钙份数取值为30～35份；待处理膨胀土为自由膨胀率高于90％的中膨胀土时，氧化钙份数取值为35～40份。

3、所述催化剂由以下组分按重量份制备而成：改性滑石粉20～30份、稳定剂20～40份、保水剂0.2～0.3份、偶联剂0.6～1份、水40～50份。

4、所述改性滑石粉由改性微细滑石粉、改性超细滑石粉和耦合剂组成，改性微细滑石粉和改性超细滑石粉的重量比为4:1，耦合剂的重量为改性微细滑石粉和改性超细滑石粉总重量的1.0％；

5、所述改性微细滑石粉的制备方法如下：将滑石粉分散于去离子水中，再加入卤族二甲基苄基十六铵，在70℃下搅拌20h，沉淀物经洗涤干燥后得到固体粉末；在固体粉末中加入三乙醇胺后粉磨至800～1600目，得到微细滑石粉；最后将微细滑石粉置于去离子水中，在50℃下搅拌5h，干燥后得到所述改性微细滑石粉；

6、所述改性超细滑石粉的制备方法如下：在滑石粉中加入月桂酰二乙醇胺后粉磨至3000～6000目，再加入碳酸苄基化合物和去离子水，在70℃下搅拌30h，经洗涤干燥后得到所述改性超细滑石粉。

7、所述滑石粉、卤族二甲基苄基十六铵和三乙醇胺的重量比为7:3:0.07；

8、滑石粉、碳酸苄基化合物和月桂酰二乙醇胺的重量比为50:30:0.06；

9、卤族二甲基苄基十六铵由氯化二甲基苄基十六铵和溴化二甲基苄基十六铵按重量比4:1复配而成；

10、碳酸苄基化合物由碳酸苄基苯酯和甲基碳酸苄基对硝基苯酯按重量比2:1复配而成。

11、所述稳定剂制备方法如下：在带有搅拌及回流冷凝器的四口烧瓶中加入二甲胺，开动搅拌器，在冰水浴锅中冷却，使二甲胺降温到10℃以下，打开回流冷凝器的冷却水，在搅拌的情况下，用分液漏斗滴加环氧氯丙烷，同时冷却，使反应器内的温度控制在10℃～20℃范围内，滴加完毕后加入交联剂，然后升温并且恒温，反应结束后得到合成产品。

12、所述偶联剂为十甲基环五硅氧烷、六甲基环三硅氧烷、环四聚二甲基硅氧烷中的至少一种。所述保水剂为植物非淀粉多糖选自半纤维素、纤维素醚中的一种或两种。

13、本发明的另一个目的是提供一种膨胀土改良剂制备方法，包括如下步骤：

14、s1、制备改性滑石粉：改性滑石粉由改性微细滑石粉、改性超细滑石粉和耦合剂组成；改性微细滑石粉和改性超细滑石粉的重量比为4:1，所述耦合剂的重量为改性微细滑石粉和改性超细滑石粉总重量的1.0％；

15、所述改性微细滑石粉的制备方法如下：将滑石粉分散于去离子水中，再加入卤族二甲基苄基十六铵，在70℃下搅拌20h，沉淀物经洗涤干燥后得到固体粉末；在固体粉末中加入三乙醇胺后粉磨至800～1600目，得到微细滑石粉；最后将微细滑石粉置于去离子水中，在50℃下搅拌5h，干燥后得到所述改性微细滑石粉；滑石粉、卤族二甲基苄基十六铵和三乙醇胺的重量比为7:3:0.07；卤族二甲基苄基十六铵由氯化二甲基苄基十六铵和溴化二甲基苄基十六铵按重量比4:1复配而成；

16、所述改性超细滑石粉的制备方法如下：在滑石粉中加入月桂酰二乙醇胺后粉磨至3000～6000目，再加入碳酸苄基化合物和去离子水，在70℃下搅拌30h，经洗涤干燥后得到所述改性超细滑石粉；滑石粉、碳酸苄基化合物和月桂酰二乙醇胺的重量比为50:30:0.06；碳酸苄基化合物由碳酸苄基苯酯和甲基碳酸苄基对硝基苯酯按重量比2:1复配而成；

17、s2、制备稳定剂：在带有搅拌及回流冷凝器的四口烧瓶中加入二甲胺，开动搅拌器，在冰水浴锅中冷却，使二甲胺降温到10℃以下，打开回流冷凝器的冷却水，在搅拌的情况下，用分液漏斗滴加环氧氯丙烷，控制滴加速度，同时冷却，使反应器内的温度控制在10℃～20℃范围内，滴加完毕后加入交联剂，然后升温并且恒温控制，反应结束后得到合成产品；

18、s3、制备催化剂：将20～30份改性滑石粉、20～40份稳定剂与0.2～0.3份保水剂、0.6～1份偶联剂、40～50份水搅拌均匀得到水性催化剂作为改良剂的a组分；

19、s4、制备改良剂的b组分：将20～30份水泥熟料、25～50份高炉矿渣、20～40份氧化钙加入1份纳米硅粉拌合均匀，制备成改良剂的b组分；

20、s5、将a组分和b组分分开储存，使用时，先将b组分加入膨胀土拌合均匀，然后把a组分充分溶于水中后加入混合后的膨胀土中；混合物中，各组分的质量份数比为：20～30份水泥熟料、25～50份高炉矿渣、20～40份氧化钙、3～15份催化剂、1份纳米硅粉。

21、本发明的第三个目的是针对潮湿多雨地区膨胀土天然含水率较高问题，提供一种潮湿多雨地区改良膨胀土道路下基层压实方法，达到充分合理直接利用膨胀土变成建筑材料，保证改良膨胀土下基层施工质量以及快速施工的目的。改良膨胀土路面基层压实方法，包括下述步骤：

22、第一步：测试改良膨胀土压实指标、无侧限抗压强度和水稳定性：取至少6份天然含水率状态下的膨胀土土样，编号为1、2、3、4、5、6；根据《公路土工试验规程》测量3号土样的天然含水率ω3；经过晾干或增加水分，使1、2号土样其含水率比3号土样天然含水率ω4依次增加2％，4、5、6号土样比3号土样天然含水率依次降低2％，分别得到1、2、4、5、6号土样的含水率ω1、ω2、ω4、ω5、ω6；对1～6号土样按照设计配比加入改良剂后分别进行击实，完成击实后，分别测量1～5号土样在相应含水率状态下的干密度ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5、ρ6；然后按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》无侧限抗压强度试验要求制作1～6试件，试件标养6天后在水中浸泡1天，分别进行无侧限抗压强度试验，得到6个土样分别在(ω1，ρ1)、(ω2，ρ2)、(ω3，ρ3)、(ω4，ρ4)、(ω5，ρ5)、(ω6，ρ6)不同初始含水率和初始干密度状态下无侧限抗压强度，同时按无机结合料无侧限抗压强度试验要求计算各个膨胀土样的水稳定性；在直角坐标系中，绘制水稳定性≥80％点无侧限抗压强度-ω曲线，得到水稳定性≥80％膨胀土无侧限抗压强度随初始含水率ω1、ω2、ω3、ω4、ω5、ω6变化的曲线；

23、第二步：确定膨胀土压实控制指标：在第一步得到的曲线中选择无侧限抗压强度实测值最大且大于无侧限抗压强度设计值点，该点所对应的膨胀土的含水率ω作为现场压实膨胀土的控制含水率，由击实试验得到的ω所对应的土样干密度作为基层压实控制干密度ρ；

24、当曲线中最大的无侧限抗压强度值小于无侧限抗压强度设计值时或所有强度大于无侧限抗压强度设计值的点水稳定性都小于80％时，返回第一步，修改固化稳定基层配合比，同时增加天然含水率状态下的膨胀土土样份数，重复第一步的过程，直至水稳定性≥80％点中出现无侧限抗压强度≥无侧限抗压强度设计值的点；选择水稳定性≥80％、无侧限抗压强度最大该点所对应的所对应的膨胀土的含水率ω作为膨胀土现场压实膨胀土的控制含水率，由击实试验得到的ω所对应的土样干密度作为基层压实控制干密度ρ；

25、第三步：膨胀土基层压实：按步骤二得到的膨胀土及其压实控制指标按现有道路面基层层压实方法进行路层压实，现场压实时，控制膨胀土的含水率在ω±2％范围内；压实后，要求基层中膨胀土的干密度≥基层压实控制干密度ρ。

26、本发明的有益效果是：

27、(1)本发明的膨胀土改良剂可以提高膨胀土的强度，提高水稳定性，能够满足多雨气候地区低等级道路路面底基层需要，适用于南方膨胀土、高液限土、红粘土等不良细粒土土质固化后作低等级道路路面基层，能大大提高不良土质填料的利用率。

28、(2)本发明的膨胀土改良剂能够改善膨胀土的自由膨胀率和无侧限抗压强度，提高膨胀土道路底基层的适用性。

29、(3)相对现有技术，本道路基层压实方法与现有技术相比具有的优点和积极效果是：按常用的以初始最大干密度为目标的路面基层压实控制方法，试验所确定的膨胀土填料最佳含水率低，最大干密度大。而南方湿热气候条件下，膨胀土的天然含水率高，路面基层施工时难以通过长时间翻晒将含水率降至低的最佳含水率附近，同时也很难压实达到所规定的压实度标准。同时，过低的初始含水率和过大的初始干密度会使膨胀土填料具有很大的膨胀潜势，在南方潮湿气候条件下按照传统方法压实控制成形的膨胀土路面基层会产生很大的膨胀变形，从而造成路面变形开裂。本发明充分考虑到膨胀土天然含水率高这一实际情况，以最大强度为目标确定合适的压实控制含水率和干密度，其确定的含水率更接近天然含水率，干密度相对较低，但水稳性好，强度大，能满足路面基层对填料无侧限抗压强度的要求。按照此方法填筑的基层其工后变形小，强度高。