一种改良膨胀土及其制备方法与施工方法

1.本发明属于膨胀土改良的技术领域，具体涉及一种改良膨胀土，还涉及一种改良膨胀土的制备方法与施工方法。


背景技术：

2.膨胀土是一种工程性质极差的特殊性粘土，因含有蒙脱石、伊利石和高岭土等亲水性矿物，这使膨胀土具有遇水膨胀变形和失水收缩开裂的不良工程特性。其不稳定性将会破坏工程结构的完整性，导致如道路开裂、地基不均匀沉降等问题，可能造成极大的经济损失。
3.为了解决膨胀土的不良工程性质问题，需要对膨胀土的强度特性和变形特性进行改良。膨胀土改良方法主要有换填法、预膨胀法、含水率稳定法、隔离法、压实控制法、桩基法和改良法等。在实际工程中，向膨胀土中加入改良剂的方法来处理膨胀土是一种常见的改良方法，然而这类方法常常伴有改良剂造价高、不好控制难以保持稳定、效果不好等等问题。
4.基于此，提供一种低成本的、且能够有效改善膨胀土不稳定性缺陷的改良膨胀土及其制备方法，对于膨胀土的大范围推广应用具有重要意义，也是研究人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于提供一种低成本、低塑性、低自由膨胀率以及高抗压强度的改良膨胀土。
6.本发明的目的之二在于提供一种低成本、低塑性、低自由膨胀率以及高抗压强度的改良膨胀土的制备方法。
7.本发明的目的之三在于提供一种低成本、低塑性、低自由膨胀率以及高抗压强度的改良膨胀土的施工方法。
8.本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种改良膨胀土，所述改良膨胀土按重量份数计，包括膨胀土94～94.5份、石灰5份和聚丙烯塑料废条0.5～1份。
9.本发明提供的一种改良膨胀土的总体思路如下：首先，为了实现膨胀土的大规模改良及应用，必须要显著降低膨胀土改良成本。塑料作为一种常见的生活垃圾，经裁剪至条状后与膨胀土混合，用于改善膨胀土的塑性，提高膨胀土的应用性能，不仅能够显著降低膨胀土的改良成本，而且对改善环境，降低自然资源消耗具有重要的意义。经大量研究发现，在掺入石灰的情况下，塑料废条能够更充分地发挥其柔软的优势，以嵌入、弯曲和交织的形式发挥加筋作用、筋土界面相互作用和塑料废条结块效应，并使石灰充分融合加固，减少了土体在变形过程中的蠕变，进而显著提高膨胀土的强度，并改善其自由膨胀率，减少因胀缩变形而发生的破坏。
10.在本发明中，塑料废条选自聚丙烯塑料，与其他常见塑料(如高密度聚乙烯hdpe、
聚对苯二甲酸乙二醇酯pet等)相比，聚丙烯塑料密度小、质量轻，有很好的抗拉强度，有很高的弯曲疲劳寿命以及化学不反应性，也因为其不吸收水，与土壤有较好的相容性，具有优良的力学性质，其与石灰协同作用，对膨胀土的改良效果最为明显。进一步的，聚丙烯塑料废条的加入量也会影响其对膨胀土的改良效果。经研究发现，聚丙烯塑料废条的最佳掺量为0.75％。当聚丙烯塑料废条含量较低时，改良效果不明显，而当聚丙烯塑料废条的含量较高，超过最佳掺量时，会降低路基抗压强度。综合考虑，在本发明中，在膨胀土用量为94～94.5份、石灰用量为5份的前提下，控制聚丙烯塑料废条的加入量为0.5～1份，以获得良好的改性效果。
11.进一步的，所述塑料废条的原料聚丙烯塑料取自生活垃圾，优选地，采用废弃的聚丙烯材质的饮料瓶，其厚度为0.5～0.7mm，经清洗和干燥后，加工或裁剪为条状。经研究发现，塑料废条的尺寸不宜太小，否则加工难度大且不易在土体内分散，导致改良效果差；而当塑料废条的尺寸较大时，其刚度、柔软度都会影响土体进一步挤压密实，反而造成强度的降低。在本发明中，塑料废条的尺寸优选宽为1～3mm、长为4～7cm、厚度为0.5～0.7mm。该尺寸的聚丙烯塑料废条更容易在土体内形成有效的网状结构，体现加筋效果，提升改良后的膨胀土的整体性能。
12.在本发明中，聚丙烯材质的塑料废条呈现为非常纤细柔软的条状，不仅具有优异的力学性能、较好的延展性、较强的耐腐蚀性外，还与土体有较好地相容性，能够均匀且随机地分布在土体中，在各个方向上起到了加筋效果，有效提高土体的强度和抗拉性能，能达到所述效果。同时，这种生活塑料废条在改良膨胀土方面具有降低成本和减少自然资源的消耗等优势。
13.进一步的，所述石灰的成分包括：氧化钙75％～80％、二氧化硅5％～7％、氧化镁3％～5％、三氧化二铁2％～4％、三氧化二铝1％～3％。
14.本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种改良膨胀土的制备方法，包括以下步骤：
15.s1、按质量份数计，将5份石灰与94～94.5份膨胀土混合均匀，得到第一混合物；
16.s2、对所述第一混合物进行击实试验，确定最佳含水率；
17.s3、按照最佳含水率将水加入所述第一混合物中，混匀，得到第二混合物；
18.s4、向所述第二混合物中加入0.5～1质量份的聚丙烯塑料废条，混匀，在自然条件下闷料一定时间，即得到一种改良膨胀土；
19.在上述制备方法中，首先将石灰与膨胀土混合均匀，石灰添加到膨胀土中后，石灰中的ca
2+
与膨胀土颗粒表面的低价阳离子如na
+
、k
+
等进行了离子交换作用，依据双电子层原理，少量的ca
2+
可以平衡土颗粒表面的负电荷所需要的阳离子或者水化离子，从而使扩散层中的高价阳离子浓度增加，导致扩散层厚度变薄，相对而言，膨胀土土颗粒之间的结合力变大，弱结合水距离土颗粒表面的距离增大，受到的吸引力逐渐减小，最终逐渐地过渡到自由水，从而出现最优含水率增加，最大干密度减小的趋势，大幅度提高膨胀土的水稳定性。同时，在改良过程中，聚丙烯塑料废条充分发挥其柔软的优势，以嵌入、弯曲和交织的形式发挥加筋作用、筋土界面相互作用和塑料废条结块效应，并使石灰充分融合加固，减少了土体在变形过程中的蠕变，能够显著提高膨胀土的强度，同时自由膨胀的显著改善，减少因胀缩变形而发生的破坏。
20.进一步的，所述聚丙烯塑料废条选自聚丙烯材质的生活垃圾，其长度为4～7cm、宽度为1～3mm，厚度为0.5mm～0.7mm。
21.进一步的，所述石灰的成分包括：氧化钙75％～80％、二氧化硅5％～7％、氧化镁3％～5％、三氧化二铁2％～4％、三氧化二铝1％～3％。
22.进一步的，所述步骤s3中，最佳含水率为26～28％。
23.优选地，所述步骤s4中，所述聚丙烯塑料废条经防静电预处理后，再加入第二混合物中。所述防静电预处理可以是采用防静电搅拌装置进行分散，当塑料废条用量较少时，也可以由人工戴上防静电手套使之捻散融合进土样，再次充分搅拌，使塑料废条均匀分散在第二混合物中。
24.进一步的，所述步骤s4中，闷料的时间为1～3天，优选为2天。
25.本发明实现目的之三采用的技术方案是：提供一种改良膨胀土的施工方法，所述改良膨胀土为提供一种根据本发明目的之一所述的改良膨胀土或根据本发明目的之二所述的制备方法制得的改良膨胀土，所述施工方法包括以下步骤：
26.先将所述改良膨胀土运至场地，均匀铺平；使用压路机快速静压并精确整平；最后碾压路面至所需强度。
27.优选地，所述改良膨胀土的铺设厚度为30～45cm。
28.优选地，所述改良膨胀土应用于路基填料领域。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30.(1)本发明提供的一种改良膨胀土及其制备方法，采用一定比例的石灰与聚丙烯塑料废条协同作用，对膨胀土进行改良。聚丙烯材质的塑料废条呈现为非常纤细柔软的条状，不仅具有优异的力学性能、较好的延展性、较强的耐腐蚀性外，还与土体有较好地相容性，能够均匀且随机地分布在土体中，在各个方向上起到了加筋效果，有效提高土体的强度和抗拉性能，有效改善膨胀土的应用性能。
31.(2)本发明提供的一种改良膨胀土及其制备方法，制得的改良膨胀土不仅在性能上可以满足建筑工程对土壤的技术要求，而且可以通过降低传统添加剂的制造和生产过程相关的温室气体排放，从而满足环境和经济方面的要求。同时，本发明以废弃的聚丙烯材质塑料为原料，为固体废物提供额外的回收利用空间，有助于解决废物处置不善和大量生产固体废物所带来的环境污染挑战，该方法能够显著降低膨胀土改良成本、减少对自然资源的消耗，满足适合大范围生产和应用的需求，具有广阔的推广及应用前景。
附图说明
32.图1为本发明提供的一种改良膨胀土的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
33.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。
35.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
36.本发明实施例及对比例中的膨胀土土样取自湖北省某工地，其相关参数指标如下表1所示。石灰取自湖北省某一石灰加工厂，其化学成分见表2。
37.塑料废条为聚丙烯塑料瓶废条，取自湖北省武汉市一废品回收站，经人工分拣清洗后加工成宽度为1～3mm、长度为4～7cm、厚度为0.5～0.7mm的条状，其基本性能参数见表3。
38.表1膨胀土土体基本物理参数
[0039][0040]
表2石灰的主要化学成分
[0041]
化学成分caosio2mgofe2o3al2o3k2o含量(％)79.476.213.973.572.810.79
[0042]
表3塑料废条的基本性能参数
[0043][0044]
实施例1
[0045]
配置1000g改良膨胀土，改良膨胀土的制备方法如下：
[0046]
步骤1：按照配比为94.5％称取945g的膨胀土，按照配比为5％的掺量称取石灰50g，将两者混合混匀，得到混合膨胀土；
[0047]
步骤2：将膨胀土与石灰混合均匀后，根据《公路土工试验规程》jtg e402007中重型击实试验，得到最佳含水率为27％；
[0048]
步骤3：称取270g的水加入步骤1的混合膨胀土中，搅拌均匀，得到混合物；
[0049]
步骤4：按照配比为0.5％的掺量称取直径1～3mm、长度4～7cm、厚度为0.5mm～0.7mm的塑料废条5g，经防静电预处理分散后，加入步骤3的混合物中，搅拌使塑料废条均匀分散；在常温条件下闷料2天，即得到一种改良膨胀土。
[0050]
实施例2
[0051]
配置1000g改良膨胀土，改良膨胀土的制备方法如下：
[0052]
步骤1：按照配比为94.25％称取942.5g的膨胀土，按照配比为5％的掺量称取石灰50g，将两者混合混匀，得到混合膨胀土；
[0053]
步骤2：将膨胀土与石灰混合均匀后，根据《公路土工试验规程》jtg e402007中重型击实试验，得到最佳含水率为27％；
[0054]
步骤3：称取270g的水加入步骤1的混合膨胀土中，搅拌均匀，得到混合物；
[0055]
步骤4：按照配比为0.75％的掺量称取直径1～3mm、长度4～7cm、厚度为0.5mm～
0.7mm的塑料废条7.5g，经防静电预处理分散后，加入步骤3的混合物中，搅拌使塑料废条均匀分散；在常温条件下闷料2天，即得到一种改良膨胀土。
[0056]
实施例3
[0057]
配置1000g改良膨胀土，改良膨胀土的制备方法如下：
[0058]
步骤1：按照配比为94％称取940g的膨胀土，按照配比为5％的掺量称取石灰50g，将两者混合混匀，得到混合膨胀土；
[0059]
步骤2：将膨胀土与石灰混合均匀后，根据《公路土工试验规程》jtg e402007中重型击实试验，得到最佳含水率为27％；
[0060]
步骤3：称取270g的水加入步骤1的混合膨胀土中，搅拌均匀，得到混合物；
[0061]
步骤4：按照配比为1％的掺量称取直径1～3mm、长度4～7cm、厚度为0.5mm～0.7mm的塑料废条10g，经防静电预处理分散后，加入步骤3的混合物中，搅拌使塑料废条均匀分散；在常温条件下闷料2天，即得到一种改良膨胀土。
[0062]
对比例1
[0063]
配置1000g未经改良的膨胀土，具体制备方法如下：
[0064]
步骤1：根据《公路土工试验规程》jtg e40 2007中重型击实试验，得到最佳含水率为27％；
[0065]
步骤2：称取270g的水加入步骤1的混合膨胀土中，搅拌均匀，得到混合物；
[0066]
步骤3：将步骤2的混合物于常温条件下闷料2天，得到一种未经改良的膨胀土。
[0067]
对比例2
[0068]
与实施例1的区别在于，采用相同尺寸及用量的高密度聚乙烯(hdpe)塑料废条替代聚丙烯塑料废条，进行改良膨胀土的制备。
[0069]
对比例3
[0070]
与实施例1的区别在于，采用相同尺寸及用量的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)塑料废条替代聚丙烯塑料废条，进行改良膨胀土的制备。
[0071]
对比例4
[0072]
与实施例1的区别在于，采用相同用量的聚丙烯纤维替代实施例1中的聚丙烯塑料废条，进行改良膨胀土的制备。
[0073]
实施例1-3及对比例1-4制得的改良膨胀土的施工方法如下：
[0074]
步骤1：将制得的改良膨胀土运至场地，均匀铺平，铺设厚度为30～45cm；
[0075]
步骤2：使用压路机快速静压并精确整平；
[0076]
步骤3：碾压路面至所需强度。
[0077]
性能测试
[0078]
对实施例1-4及对比例1-3制得的改良膨胀土分别进行击实试验、自由膨胀试验、无侧限抗压强度、抗剪强度实验，以此测试改良后地基的膨胀率、抗压强度等变化特征。测试结果如下表4所示：
[0079]
表4
[0080][0081][0082]
由上表可知：
[0083]
试验结果表明，与对比例1中未添加石灰和塑料废条的膨胀土相比：本发明实施例1-3塑性指标从40减到14～22、自由膨胀率从64％降低到22～30％、无侧限抗压强度从175kpa增长到230～289kpa、内摩擦角增加了19.5～28.1％，对膨胀土综合性能的改良效果显著。
[0084]
对比例2和3分别改变了塑料废条的塑料种类，与聚丙烯塑料废条改良的膨胀土相比，自由膨胀率降低较小、抗压强度相对较低，且内摩擦角增大速率较为缓慢。
[0085]
对比例4采用的是聚丙烯纤维进行膨胀土的改良，虽然对于膨胀土的力学强度有提升，但改良后的膨胀土的塑性性能基本没有变化，且抗压强度增加量与最佳掺量的塑料废条相比也相对较小。此外，从成本角度，仅在材料方面，利用最佳掺量的聚丙烯塑料废条改良每吨膨胀土与聚丙烯纤维改良每吨的膨胀土相比，每吨成本大约可降低150元。
[0086]
综上，本发明提供的一种改良膨胀土及其制备方法，制得的改良膨胀土在工程性质上得到了很大的提升。其自由膨胀率大幅度的下降，无侧限抗压强度、抗剪强度大幅度的提升，亲水性能降低。进一步的，根据实施例1-3的测试结果比较可知，当石灰的质量百分数为5％，塑料废条的添加量为0.75％时，改良膨胀土的抗压强度值最高，为289kpa。
[0087]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种改良膨胀土，其特征在于，所述改良膨胀土按重量份数计，包括：膨胀土94～94.5份、石灰5份和聚丙烯塑料废条0.5～1份。2.根据权利要求1所述的改良膨胀土，其特征在于，所述聚丙烯塑料废条选自聚丙烯材质的生活垃圾，其长度为4～7cm、宽度为1～3mm，厚度为0.5～0.7mm。3.根据权利要求1所述的改良膨胀土，其特征在于，所述石灰的成分包括：氧化钙75％～80％、二氧化硅5％～7％、氧化镁3％～5％、三氧化二铁2％～4％、三氧化二铝1％～3％。4.一种改良膨胀土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、按质量份数计，将5份石灰与94～94.5份膨胀土混合均匀，得到第一混合物；s2、对所述第一混合物进行击实试验，确定最佳含水率；s3、按照最佳含水率将水加入所述第一混合物中，混匀，得到第二混合物；s4、向所述第二混合物中加入0.5～1质量份的聚丙烯塑料废条，混匀，在自然条件下闷料一定时间，即得到一种改良膨胀土。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯塑料废条选自聚丙烯材质的生活垃圾，其长度为4～7cm、宽度为1～3mm，厚度为0.5～0.7mm。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述石灰的成分包括：氧化钙75％～80％、二氧化硅5％～7％、氧化镁3％～5％、三氧化二铁2％～4％、三氧化二铝1％～3％。7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述聚丙烯塑料废条经防静电预处理后，再加入第二混合物中。8.一种改良膨胀土的施工方法，其特征在于，所述改良膨胀土为根据权利要求1-3中任一项所述的改良膨胀土或根据权利要求4-7中任一项所述的制备方法制得的改良膨胀土，所述施工方法包括以下步骤：先将所述改良膨胀土运至场地，均匀铺平；使用压路机快速静压并精确整平；最后碾压路面至所需强度。9.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述改良膨胀土的铺设厚度为30～45cm。10.根据权利要求8所述的施工方法，其特征在于，所述改良膨胀土应用于路基填料领域。

技术总结
本发明提供一种改良膨胀土，按重量份数计，包括膨胀土94～94.5份、石灰5份和聚丙烯塑料废条0.5～1份。本发明还提供改良膨胀土的制备方法及施工方法。本发明利用生活垃圾塑料废条和石灰来改良膨胀土，既能减少塑料污染，又能降低用于稳定路基土壤的稳定剂的成本，为减少膨胀土引起的工程灾害开拓了新的改良方法。其中，聚丙烯塑料废条充分发挥其柔软的优势，以嵌入、弯曲和交织的形式发挥加筋作用、筋土界面相互作用和塑料废条结块效应，并使石灰充分融合加固，减少了土体在变形过程中的蠕变，能够显著提高膨胀土的强度，改善自由膨胀率，减少因胀缩变形而发生的破坏。本发明能显著降低膨胀土改良成本、减少对自然资源的消耗，具有广阔的推广及应用前景。有广阔的推广及应用前景。有广阔的推广及应用前景。


技术研发人员：庄心善 李肖飞 杨端
受保护的技术使用者：湖北工业大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/21