一种磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法
【专利摘要】本发明提供了一种磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法：将废弃轮胎橡胶粉和磷石膏加入水中，利用灰浆搅拌机搅拌，形成复合改良剂混合浆液；按照设计图纸，在膨胀土地基上准确测放孔位并予以标记；钻机钻孔至设计深度，然后下注浆管，注浆管与钻孔孔壁之间的空间用砂填塞；利用高压泥浆泵，将复合改良剂混合浆液经注浆管喷射入膨胀土地基中；待浆液回流时，结束注浆，拔出注浆管，并用水泥砂浆封孔，完成膨胀土地基的改良施工；本发明处治效果接近于传统的硅酸盐水泥压力注浆法，但却实现了工业废弃物合理处治，解决了环境污染问题，可取得良好的经济、社会和环保效益，值得在实际工程中推广应用。
【专利说明】
一种磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法 (一)
技术领域
[0001] 本发明涉及一种膨胀土地基改良与处治方法，尤其是基于磷石膏与废弃轮胎橡胶 粉两类工业废弃物的膨胀土地基联合改良方法。 (二)
【背景技术】
[0002] 目前，膨胀土处理方法分为物理、化学和生物方法三大类。
[0003] (1)物理方法包括保湿、换土、垫层、加筋和粧基法。通过开挖换填、设置垫层、铺设 土工格栅和地基成粧来弱化膨胀土的胀缩性并提高地基承载力。通常，物理方法原理简单， 施工操作简便，但处治效果和适用范围均较为有限。
[0004] (2)化学方法属于土性改良法，通过掺入改性材料（如石灰、水泥、二灰、电石渣和 其他阳离子活性剂），催化/激活土粒表面反应，从而改良膨胀土的工程性质。常用改性材料 (石灰和水泥)为工业制成品，当用量较大时，工程成本显著增加且不利生态环境。
[0005] (3)生物方法同属土性改良法，只是掺入材料为生物表面活性剂，主要用于降低水 的表面张力、破坏土颗粒表面水膜或削减双电层厚度，以减小胀缩性并提高抗剪强度。生物 方法作用持久、效果良好，然而工程成本较高，且对微生物生存环境要求较高。
[0006] 以上各种方法均有其局限性，单独使用都会受到各种因素的制约，从而不能最大 限度地发挥各自技术优势。此外，现有技术大多局限于改良路基填料或处理浅层地基中膨 胀土。
[0007] 在专利号为200810236275.X的《一种利用废弃轮胎胶粉改良膨胀土的方法》发明 专利中，发明人将20目橡胶粉、膨胀土和水混合，充分搅拌均匀，制得橡胶粉改良膨胀土，而 后于下承层上进行摊铺、整平和碾压施工，形成20~80cm的表面改良层，并对其表面进行2 ~3次洒水、干燥作业。该发明为典型物理处治方法，所制改良膨胀土局限于路基填方和地 基换填。
[0008] 周明凯、李响和沈卫国以生石灰为主要成分，同时掺入磷石膏等Ca2+基工业废渣， 研制成一种高效膨胀土固化剂，较之常用石灰改良法，复合固化剂改良膨胀土具有强度高， 水稳性好，胀缩性低的特点(参考文献:周明凯、李响和沈卫国.膨胀土固化剂的研究[J].武 汉理工大学学报，2007，29(3): 38-41)。
[0009] 在大量固体废弃物中，废弃轮胎是其磨损、更换后的弃置物，而磷石膏是磷铵生产 过程中产生的工业废渣。目前，废弃轮胎随着汽车总量不断攀升而迅速增长，而我国磷石膏 年排量( 8〇〇~1200万吨）位居世界第三。这两者料源充足，联合使用进行膨胀土地基处治， 可充分发挥各自物理与化学改良技术所具优势，并有效避免各自的技术缺陷，从而取得最 佳改良或处治效果，并产生良好的经济、社会和环保效益。 (三)
【发明内容】
[0010] 本发明旨在克服现有技术之不足，提供一种磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨 胀土地基的方法，从而解决膨胀土地基各类病害的合理处治并缓解工业废弃物排放造成的 环境污染问题。
[0011] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] -种磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，所述方法包括如下步 骤：
[0013] (1)复合改良剂混合浆液的配制
[0014] 将废弃轮胎橡胶粉和磷石膏加入水中，利用灰浆搅拌机搅拌，形成复合改良剂混 合浆液;所述复合改良剂混合浆液中，基于废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的总质量，所述废弃轮 胎橡胶粉的质量百分数为20%~30%，所述磷石膏的质量百分数为80%~70% ;
[0015] (2)改良膨胀土地基的压力注浆施工方法
[0016] 测放孔位:按照设计图纸，在膨胀土地基上准确测放孔位并予以标记，孔间间距为 1 · 0~2·0m;
[0017] 钻机钻孔:钻机钻孔至设计深度，然后下注浆管，注浆管与钻孔孔壁之间的空间用 砂填塞；
[0018] 压力注浆:利用高压泥浆栗，将步骤(1)得到的复合改良剂混合浆液经注浆管喷射 入膨胀土地基中；注浆压力控制在2.5~3.0MPa，浆液流量为80~120L/min;
[0019] 拔注浆管:待浆液回流时，结束注浆，拔出注浆管，并用水泥砂浆封孔，完成膨胀土 地基的改良施工。
[0020] 所述步骤（1)中：
[0021] 所述的复合改良剂由两种工业废弃物(废弃轮胎橡胶粉和磷石膏)联合配制而成， 其中，磷石膏是磷铵生产过程中产生的粒径0.05~0.15_粉状工业废渣，废弃轮胎橡胶粉 是由废弃轮胎粉碎、研磨所得的20目黑色橡胶粉;优选的，所述复合改良剂混合浆液中，基 于废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的总质量，所述废弃轮胎橡胶粉的质量百分数为25%，所述磷 石膏的质量百分数为75%;
[0022] 通常，所述水的质量用量为废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的总质量的1.0~1.5倍；
[0023] 所述灰浆搅拌机搅拌的时间一般为4~6min，搅拌所得复合改良剂混合浆液满足 下列指标:①稠度为18~24s;②拌和后泌水率为1.5%~2.5%;③凝结时间为10~30min; ④早期强度(24h)可达到1.2MPa及以上。
[0024] 所述步骤(2)中：
[0025] 所述钻机钻孔的孔径一般为120~200mm，所述注浆管上的注浆孔孔径一般为5mm; [0026]通常，所述复合改良剂混合浆液的喷射掺入量以废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的质量 总和计为膨胀土质量的6%~8%，优选6%。
[0027]本发明中土性改良的基本原理是:充分利用膨胀土中存在的大量裂隙，通过灌浆 压力作用，将复合改良剂混合浆液注入到膨胀土地基中，使其与膨胀土发生系列物理化学 反应(其中磷石膏与膨胀土发生化学反应，而废弃轮胎橡胶粉则起到物理填充作用），两者 联合可充分发挥各自的土性改良优势，从而达到改性和加固膨胀土地基的目的。
[0028] (1)物理改良
[0029]通过钻孔压浆处理，废弃轮胎橡胶粉和膨胀土基团均匀混合。掺杂其中的橡胶粉 具有阻滞、抑制或缓解膨胀土胀缩变形作用，同时还可增强膨胀土的抗剪强度。废弃轮胎橡 胶粉中约含3%以上纤维，从而具有约束膨胀土基团变形作用。基团吸水膨胀或失水收缩 时，纤维与基团界面产生摩阻力，消耗部分膨胀或收缩内力，有效减小土体的膨胀势，从而 缩减膨胀土的胀缩变形。
[0030] (2)化学改良
[0031] 磷石膏的主要化学成分为二水硫酸钙(CaS〇4 · 2H20)，含量一般可达70%~90%。 在改良过程中，磷石膏与膨胀土发生以下化学反应：
[0032] (a)阳呙子交换作用
[0033]磷石膏中的Ca2+与土颗粒表面的阳离子(如:Na+，K+，H+)发生交换作用，使土颗粒表 面双电层中的扩散层变薄，土的膨胀势减弱，颗粒相互吸引成团粒。膨胀土的分散性、坍塌 性和亲水性降低，塑性指数下降。膨胀土易稳定成型，形成早期强度，工程性质发生改变。 [0034] (b)胶凝作用
[0035]离子交换作用后，膨胀土中硅胶、铝胶与磷石膏进一步反应，形成含水硅酸钙、铝 酸钙等水化产物。在水环境下发生硬化，凝胶在土颗粒外围形成粘结力较强的网状保护膜， 促使改良膨胀土强度增长并保持长期稳定。同时，保护膜还可隔离水分使膨胀土获得水稳 定性。
[0036] (c)碳酸化作用
[0037] 磷石膏渗入膨胀土中后，部分还会与空气中⑶2发生化学反应生成碳酸钙(CaC03) 晶体。而碳酸钙具有较高的强度和水稳定性，而且是一种非膨胀矿物，对减小膨胀土的胀缩 性起主要作用。此外，碳酸钙的胶结作用使膨胀土形成石灰类稳定土，具有长期稳定的后期 强度。
[0038]本发明的有益效果在于：
[0039] (1)技术进步:相较于传统换土法，无需进行大面积开挖，与常用石灰改良法相比， 该工艺联合物理、化学方法，改良效果更优，可使膨胀土水稳性大增，地基胀缩变形显著减 小，保持持久稳定；
[0040] (2)环保与社会效益:无需大量借土、换土，可使大面积植被免遭毁坏，从而保护生 态环境，实现废物循环利用，避免废弃物大面积堆积而造成的环境污染问题，产生了显著的 社会和环保效益；
[0041] (3)经济效益:无需借土、换土，加快了施工进度，节约了运输成本，同时，采用废弃 物代替石灰等材料，降低了原材料购置成本，并减少了废弃物土地占用，产生了显著的经济 和社会效益。 (四）【具体实施方式】
[0042] 下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于 此。
[0043] 实施例1
[0044] -种磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，该方法的处治效果， 拟通过室内试验和理论分析相结合的办法，从联合改良膨胀土的物理力学性质进行评定。 [0045] 所取土样源于浙江湖州地区某施工场地，根据所测膨胀率(液限c〇L^40%，自由 膨胀率Fs = 65 %~90 % )将该膨胀土归为中膨胀土类型。
[0046] -、复合改良剂最佳用量
[0047] 以废弃轮胎橡胶粉:磷石膏= 25:75的质量比例，称取磷石膏和废弃轮胎橡胶粉。 再将两者与水进行初步拌和，水的质量用量为废弃轮胎橡胶粉和磷石膏两者质量总和的 1. 〇倍，得到复合改良剂混合浆液。然后将所得复合改良剂混合浆液掺入到膨胀土中并充分 搅拌，其间严格控制含水量接近最优含水率[最优含水率通过击实试验进行确定，大致步骤 为:对不同复合改良剂掺量(复合改良剂混合浆液与膨胀土的比值)的改良膨胀土设置不同 含水率;然后进行击实试验，得到击实曲线；最后得到最佳含水率;上述确定最佳含水率的 方法是常规土工试验]。再对试样开展配合比试验，用以确定复合改良剂最佳剂量。
[0048] (1)颗粒分析试验
[0049] 对拌和后改良膨胀土进行颗粒分析测试，由表1可知:掺入复合改良剂（以磷石膏 与废弃轮胎橡胶粉的质量总和计)后，膨胀土黏粒含量显著减少，反之黏粒(粉)砂化颗粒含 量明显增加；当掺量为6%时，黏粒含量降幅最大。由此表明，掺入复合改良剂(尤其磷石膏） 后，膨胀土性质呈现砂化特征。
[0050] 表1膨胀土黏粒含量
[0051]
[0052] ~(2)液 / 塑限试验 '
' ' ' ' '
[0053]对拌和后改良膨胀土进行液、塑限试验，由表2可知，随复合改良剂掺量增加，膨胀 土液限降低，塑限显著增加，而塑性指数则大幅减小。当掺量大于6%时，膨胀土塑性指数降 幅最大，之后有略微增加的趋势。
[0054]表2膨胀土液/塑限及塑性指数
[0055]
[0056] (3)重型击实试验
[0057]表3为7d龄期改良膨胀土重型击实试验的测试结果，由表3可知：改良膨胀土的最 大干密度Pd,max随复合改良剂掺量增加而迅速减小，而最佳含水量ω 〇(同上，最佳含水率通 过击实试验进行确定，是通过常规土工试验进行确定的）则缓慢增加。当掺量大于6 %时，最 大干密度和最佳含水量的变化很小。
[0058]表3膨胀土重型击实试验
[0059]
[0060] (4)浸水试验
[0061] 同样，改良膨胀土养护7d后进行浸水试验(浸泡72h)，由表4可知:除复合改良剂掺 量为4%时改良膨胀土有轻微崩解外，其余均未出现浸水崩解现象。因此，复合改良剂掺量 须大于5%，改良膨胀土可获得良好的水稳定性。
[0062]表4膨胀土浸水崩解特性 [0063] LOOM」（5)尤侧|很抗压强度试验
[0065]对改良膨胀土养护7d，而后进行无侧限抗压强度试验，由表5可知：随复合改良剂 掺量增加，改良膨胀土无侧限抗压强度增加。当掺量为6%时，强度达到峰值;掺量大于6% 后，相应强度值缓慢增长。
[0066]表5膨胀土无侧限抗压强度(单位:kPa)
[0067]
[0068] 注:表5中的"饱和"是指:无侧限抗压强度试验试件浸泡在水中进行饱水处理后再 测试其无侧限抗压强度。
[0069] (6)胀缩性试验
[0070] 针对改良后的膨胀土，进行自由膨胀、膨胀力、无/有荷载膨胀量和收缩试验，根据 测试结果计算胀缩总率3xs，计算表达式3 XS = 5ep+As( ω - ωm)，其中：δ0ρ:在压力〇. 5MPa时的 膨胀率;AS:土的收缩系数；ω :土的天然含水量；ωΜ:土在收缩过程中含水率的下限值。由表 6可知，改良膨胀土在石灰掺量达到6%时，胀缩总率<0.7%。
[0071] 表6膨胀土胀缩总率
[0072]
'[0073]总之，随着复合"良剂掺量的枭加，原状k胀土的4理力学4质发生明1显改变。①1 组成成分:粘粒含量减少，砂(或粉)粒含量增加，工程性质趋同于胶结砂性土;②物理性质： 液限降低，塑限增加，塑性指数大幅减小，浸水崩解现象逐渐消失，水稳定性显著增强;③力 学性质:膨胀潜势(压力）显著减小，最大干密度递减而最佳含水量则递增，且无侧限抗压强 度显著增加。
[0074]以质量比为25:75为基础，变化废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的质量比，进行系列正交 试验测试，分析试验成果，提出如下配合比设计方案:复合改良剂中废弃轮胎橡胶粉和磷石 膏的最佳质量比为25:75,两者合并后的掺量(或剂量)为膨胀土总质量的6%。
[0075] 在施工过程中，可根据现场膨胀土地基处治的质量控制要求，调整复合改良剂中 废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的质量比，变化范围为20:80~30:70，相应剂量的变化范围为6% ~8%。相关技术性能要求满足:胀缩总率<0.7%，7d无侧限抗压强度彡0.8MPa(饱和），浸 水饱和无崩解现象。
[0076] 实施例2
[0077]膨胀土地基处治施工
[0078] (1)施工准备
[0079] 清理场地:清除表面浮土、薄层"贴皮"及各类杂物，保证表面干净平整，便于施工 机械进场。如遇暗槽孔穴或局部松土应及时清除，并用同类材料分层填实补平。
[0080] 防、排水:场地清理干净后，应该整平场地，并做好施工场地的排水疏干、防水保湿 工作，禁止施工用水流入基坑(槽），严禁施工用水的管网发生渗漏。
[0081 ] (2)膨胀土复合改良剂混合浆液的配制
[0082] ①按照实施例1试验确定的最佳配合比，准确计算出废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的 用量。按照最佳含水量决定掺入水的质量。
[0083] ②以每台每次0.3m3为单位，采用电子秤准确称量废弃轮胎橡胶粉和磷石膏，严格 控制原材料的(质量)配合比。
[0084] ③按比例分批次将橡胶粉和磷石膏加入水中，启动高速灰浆搅拌机搅拌5min，使 磷石膏完全溶解于水，而橡胶粉充分扩散于水中，以形成复合改良剂混合浆液。
[0085]该浆液需满足下列指标:稠度18~24s;拌和后泌水率2% ;凝结时间10~30min;早 期强度(24h)可达到1.2MPa及以上。
[0086] (3)膨胀土地基压力注浆施工
[0087]所述压力注浆技术是充分利用膨胀土中存在的大量裂隙，通过灌浆压力作用，将 复合改良剂注入到地基中，使其与膨胀土发生系列物理化学反应(其中磷石膏与膨胀土发 生化学反应，而橡胶粉则起到物理填充作用），从而达到改性和加固膨胀土地基的目的。 [0088] 具体步骤如下：
[0089]①测放孔位按照设计图纸，准确测放孔位并予以标记。孔间间距为1.0~2.0m。
[0090] ②钻机钻孔钻机钻孔至设计深度，孔径为φΙΜΠπιπη然后下注浆管(注浆孔孔径 为0!_)，钻孔孔壁与注衆管之间用砂填塞。
[0091] ③压力注浆开启高压泥浆栗，将复合改良剂混合浆液通过注浆管管壁喷射入膨胀 土地基中。注浆压力控制在2.5~3. OMPa，浆液流量则为80~120L/min。
[0092] ④拔注浆管待浆液回流时，结束注浆，拔出注浆管，并用1:2[水泥(例如普通硅酸 盐水泥）：砂=1:2 ]的水泥砂浆封孔，完成膨胀土地基的改良施工。
[0093] 进一步，为达到增强注浆效果的目的，可先在施工场地四周钻孔注浆，使需要加固 范围内的土体形成一道帷幕，以防止后续注浆孔的浆液向外围扩散，然后在施工场地中间 钻孔注浆。
[0094]三、处治效果的质量检测
[0095] 待养护龄期7d或28d后，抽取具有针对性的注浆点（不少于5)，进行质量检测试验， 包括本领域常规的开挖检测、钻孔检测和载荷试验等。为保证工程质量，应加大检测频次。 为缩短检测时间和加快作业循环，采用声波透射法快速检测，而以钻孔取芯法辅助校对。
[0096] 复合改良剂与硅酸盐水泥改良膨胀土地基的检测结果如表7和8所示，对比分析可 知:两种浆液的处治效果类似，各项指标均能达到设计要求。然而，本发明实现了工业废弃 物合理处治，解决了环境污染问题，可取得良好的经济、社会和环保效益。因此，结合膨胀土 地基改良效果及其经济适用性，复合改良剂改良膨胀土更具优势，值得在实际工程中推广 应用。
[0097]表7硅酸盐水泥改良膨胀土地基检测结果
[0098]
[0099]
[0100] 表8复合改良剂改良膨胀土地基检测结果
[0101]
【主权项】
1. 一种磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，其特征在于，所述方法 包括如下步骤： (1) 复合改良剂混合浆液的配制 将废弃轮胎橡胶粉和磷石膏加入水中，利用灰浆搅拌机搅拌，形成复合改良剂混合浆 液;所述复合改良剂混合浆液中，基于废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的总质量，所述废弃轮胎橡 胶粉的质量百分数为20%~30%，所述磷石膏的质量百分数为80%~70% ; (2) 改良膨胀土地基的压力注浆施工方法 测放孔位：按照设计图纸，在膨胀土地基上准确测放孔位并予以标记，孔间间距为1.0 ~2·Om; 钻机钻孔:钻机钻孔至设计深度，然后下注浆管，注浆管与钻孔孔壁之间的空间用砂填 塞； 压力注浆:利用高压泥浆栗，将步骤（1)得到的复合改良剂混合浆液经注浆管喷射入膨 胀土地基中；注浆压力控制在2.5~3. OMPa，浆液流量为80~120L/min; 拔注浆管:待浆液回流时，结束注浆，拔出注浆管，并用水泥砂浆封孔，完成膨胀土地基 的改良施工。2. 如权利要求1所述的磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，其特征 在于，步骤（1)所述复合改良剂混合浆液中，基于废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的总质量，所述 废弃轮胎橡胶粉的质量百分数为25%，所述磷石膏的质量百分数为75%。3. 如权利要求1所述的磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，其特征 在于，步骤(1)中，所述水的质量用量为废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的总质量的1.0~1.5倍。4. 如权利要求1所述的磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，其特征 在于，步骤(1)中，所述灰衆搅拌机搅拌的时间为4~6min。5. 如权利要求1所述的磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，其特征 在于，步骤(2)中，所述钻机钻孔的孔径为120~200mm。6. 如权利要求1所述的磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，其特征 在于，步骤(2)中，所述注浆管上的注浆孔孔径为5mm。7. 如权利要求1所述的磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，其特征 在于，步骤(2)中，所述复合改良剂混合浆液的喷射掺入量以废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的质 量总和计为膨胀土质量的6%~8%。8. 如权利要求1所述的磷石膏与废弃轮胎橡胶粉联合改良膨胀土地基的方法，其特征 在于，步骤(2)中，所述复合改良剂混合浆液的喷射掺入量以废弃轮胎橡胶粉和磷石膏的质 量总和计为膨胀土质量的6%。
【文档编号】E02D3/12GK105887801SQ201610321100
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】刘萌成, 陶君军
【申请人】浙江工业大学