高液限软土直接用于预制装配式路基填筑材料的改良方法与流程

本发明属于公路与城市道路的建设技术领域，特别是指一种天然高液限软土直接用于预制装配式路基填筑材料的改良方法。

背景技术：

长三角两岸、宁绍平原及中国东部江淮平原、南部沿海珠江三角地区，地貌为冲海积平原，覆盖层多为粉土、粉砂、高液限软土、黏性土等海相高液限软土，外加内陆分布范围很广的不良土(盐渍土、软土、膨胀土、高液限软土)分布地区，这些高液限软土(即主体为公路工程中经常遇到的液限大于50％，塑性指数大于26％的泥质粘土、淤泥质粉土、淤泥质砂土三类软土)和不良土通常不能直接用于公路工程建设中，要么需要换填处理，要么需要经过复杂的改良程序处理，造成了工程造价持续走高。其中，根据公路工程技术标准和公路工程施工技术规范当前的道路可以划分为多个结构层次，通常的道路从上至下可以分为面层、基层、底基层和路基，其中面层直接与大气及车辆、行人接触，要求高的强度、刚度、平整度、抗滑、耐磨等。基层与底基层则是道路的主要承重结构，起到了承受拉应力的重要功能，而路基则是直接与土基接触的层次，良好的路基结构应当具备稳定的特性，能够适应一定程度的变形，从而保障路面结构的长期使用性能。目前通常采用的技术措施是掺入无机固化材料、粗粒土进行改良，其中采用无机固化材料(生石灰或水泥)或粗粒土进行改良，除施工工艺不易控制外，还将延长工期和大大增加工程费用，同时，路基填土工程的建设主要采用最佳含水量的摊铺、碾压、养生以达到目标压实度作为控制指标，一方面也存在施工周期长、工期受环境影响大、易造成环境污染等缺陷，另一方面由于常规的高液限软土改良技术不能有效的控制改良土路基填料的差异性，导致填筑的路基由于不均匀沉降等原因工程问题突出，这成为了公路工程技术人员迫切需要解决的难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能提高填筑路基的整体强度和承载能力的同时，还能使差异沉降得以有效控制的高液限软土直接用于预制装配式路基填筑材料的改良方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该高液限软土直接用于预制装配式路基填筑材料的改良方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将高液限软土，按照顺序依次加入生石灰粉、低标号水泥、粉煤灰粉，然后按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第一级初始混合料；

b、将步骤a获得的第一级初始混合料静置堆，进行初次闷料，得到第一级终级混合料；

c、将步骤b获得的第一级终级混合料，按照顺序依次加入聚丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、吸水树脂，按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第二级初始混合料；

d、将步骤c获得的第二级初始混合料静置堆放，进行二次闷料，得到第二级终级混合料；

e、向经步骤d得到的第二级终级混合料，加入水稻秸秆并高速搅拌，其中水稻秸秆的纤维含量为20～26％，并且该水稻秸秆的长度为30mm-80mm；

f、向经步骤e得到的第二级终级混合料，按照顺序依次加入由苯乙烯树脂及发泡剂调节而成的聚苯乙烯泡沫乳液、高性能吸水树脂，按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第三级初始混合料；

g、将步骤f获得的第三级初始混合料静置堆放，进行三次闷料，得到第三级终级混合料；

h、将步骤g获得的第三级终极混合料装入封装袋后，通过加压成型和真空热塑封装设备，经加压、固化、真空负压、封装出符合道路填筑需要的封装块体。

进一步地，所述步骤a中生石灰粉的添加量按照与高液限软土的质量比为(14-20):100的比例添加后并搅拌；

低标号水泥的添加量按照与高液限软土的质量比为(4-20):100的比例添加后并搅拌；

粉煤灰粉的添加量按照与高液限软土的质量比为(6-15):100的比例添加后并搅拌。

为了降低高液限软土的含水量，优选地，所述步骤a中生石灰粉添加后并搅拌2～5min；低标号水泥添加后并搅拌2～3min；粉煤灰粉添加后并搅拌1～2min，得到第一级初始混合料。通过高液限软土的水与生石灰粉、低标号水泥及粉煤灰粉发生一系列物理化学反应，生成ca(oh)2，caco3，水化硅酸钙、水化硫铝酸钙(钙矾石)等混合物，从而增加高液限软土的土体联结。

为了更进一步地降低高液限软土的含水量，优选地，所述步骤c中聚丙烯酸脂乳液的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为(0.3-0.9):100的比例添加后并搅拌；

苯丙乳液的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为(0.3-0.9):100的比例添加后并搅拌；

吸水树脂的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为(0.1-0.9):100的比例添加后并搅拌。

其中，聚丙烯酸脂乳液、苯丙乳液及吸水树脂主要通过离子交换，化学聚合反应等作用，减少高液限软土的孔隙及表面张力所引起的双电离层水膜厚度及吸水作用，然后高速搅拌，释放出更多的自由水，形成土颗粒间距离可进一步降低的高液限软土颗粒。

为了促进添加的有机高分子材料充分降低高液限软土颗粒的电极性，促进土颗粒充分释放吸附水，优选地，所述步骤c中聚丙烯酸脂乳液添加后并搅拌3～5min；苯丙乳液添加后并搅拌2～5min；吸水树脂的添加后并搅拌2～6min。

为了起到桥连和加筋高液限软土颗粒中吸水族团的目的，优选地，所述步骤e中所述水稻秸秆的添加量按照与第二级终级混合料的质量比为(0.005-0.03)：100的比例添加后并搅拌。

其中，该水稻秸秆为起到起到桥连和加筋的作用，纤维长度需要桥连几十或上百个土颗粒吸水族团，并限定水稻秸秆的长度为30mm-80mm的原因在于：该水稻秸秆的最小长度30mm，若小于30mm，则会因水稻秸秆太短了起不到桥连加筋的目的，由于公路工程技术规范中规定，路基层填筑厚度为路基填筑材料的最大粒径为的3.0倍，路基填筑厚度一般为30cm，因而纤维的最大长度为100mm，本发明所述水稻秸秆最大长度为80mm，而水稻秸秆的纤维含量的选择20％～26％内的原因在于：水稻秸秆内含的纤维能有效地提高高液限软土的强度，这主要是因为随机离散的纤维在高液限软土颗粒中呈网状分布，在土颗粒和水泥水化物的摩擦作用、胶结作用下，能够承担高液限土的应力集中，纤维掺量越多，能承担的拉应力越大，传递和分散的荷载能力就越强，另外，水稻秸秆里除了上述的20％～26％的纤维，还有植物蛋白，活性硅等其它物质组成，在经过接下来的第三次闷料过程中即厌氧发酵过程，就是将水稻秸秆的植物蛋白质吸水固化软土颗粒的过程，更进一步地增加了高液限软土颗粒间及吸水树脂颗粒族团的连接。

进一步地，在步骤f中聚苯乙烯泡沫乳液的添加量按照与第二级终级混合料的体积比为(0.3-0.9)：100的比例添加后并搅拌；

高性能吸水树脂的添加量按照与第二级终级混合料的体积比为(0.2-0.5)：100的比例添加后并搅拌。聚苯乙烯泡沫乳液促进土颗粒自身凝聚，而高性能吸水树脂具有极强的吸水性和保水性，可将高液限软土颗粒中大量的自由水转化为水合水和吸附水，并稳定存在于吸水树脂中，从而增加高液限软土颗粒间的连接，提高高液限软土的强度。

进一步地，所述步骤f中聚苯乙烯泡沫乳液添加后并搅拌3～5min；高性能吸水树脂添加后并搅拌2～3min。其中，吸水树脂的选择需满足：在搅拌时间为2～3min时间内，要完成吸水固水的全部过程。

进一步地，在所述步骤b中将第一级初始混合料静置堆放并进行初次闷料的时间为2～5h，在所述步骤d中将第二级初始混合料进行二次闷料静置堆放并进行二次闷料的时间为10～30min，在所述步骤g中将第三级初始混合料进行二次闷料静置堆放并进行三次闷料的时间为10～30min。初次闷料、二次闷料及三次闷料的作用在于促进高液限软土与改良剂发生一系列的物理、化学、物理化学等反应，闷料期间应在工厂做好防雨措施的场地里，防止因雨水而使高液限软土的含水率增大。

进一步地，所述的封装块体呈十字形。为了便于所述的封装块体根据道路不同填筑高度的需要，经过改良后的高液限软土可以封装成压实度不同的呈十字形榫卯块体，如可封装成下路床93％密实度的封装块体、也可封装成上路床95％密实度的封装块体、也可以封装成路面结构层下的97％密实度的封装块体，以及封装成桥头缓冲区的轻质封装块体。同时，由于封装块体呈十字形，能相互拼接而形成方便铺装成所需的填筑路基。

与现有技术相比，本发明的优点在于：根据高液限软土的特性，分别从促进水泥水化胶凝结硬化、减薄双电层、水分高分子转化吸附等角度选择合适的相应功能组分，本发明的改良方法中的生石灰粉、低标号水泥、粉煤灰粉与高液限软土相互作用，生成的水泥胶凝体和水化物结晶，使细微软粘土颗粒聚团粗粒化，提高了高液限软土的物理属性；生石灰与水反应生成的ca(oh)2形成里高浓度的碱性环境促进水泥硬凝反应的进行，聚苯乙烯泡沫乳液促进土颗粒自身凝聚，经搅拌发泡形成不规则轻颗粒填充土颗粒空隙，吸水树脂具有极强的吸水性和保水性，可将高液限软土中大量多余的自由水转化为结合水和吸附水，并稳定存在于吸水树脂中，另外，添加的水稻秸秆能增加高液限软土颗粒间及吸水树脂颗粒族团的连接，榫卯封装袋及真空封装后提供了土体360度的围压约束，这些措施都提高高液限软土的稳定性和强度；本发明解决了利用高液限软土直接用于路基填筑问题，不仅实现本地资源的可循环利用，而且提高了填筑路基的整体强度和承载能力，使差异沉降得以有效控制，实现了路基填筑中材料变形的协调控制问题，解决了现有技术中路基稳定性不足，容易发生路面开裂的工程问题。

附图说明

图1为本发明实施例中高液限软土直接用于预制装配式路基填筑材料的改良方法的流程图；

图2为本发明实施例中封装块体的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例的土样1取自温州沿海地区；

本实施例中土样1的高液限软土直接用于预制路基填筑材料的改良方法，包括以下步骤：

a、将土样1的高液限软土，按照顺序依次加入生石灰粉、低标号水泥、粉煤灰粉，然后按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第一级初始混合料；生石灰粉的添加量按照与高液限软土的质量比为14:100的比例添加后并搅拌2min；低标号水泥的添加量按照与高液限软土的质量比为4:100的比例添加后并搅拌2min；而粉煤灰粉的添加量按照与高液限软土的质量比为6:100的比例添加后并搅拌1min；

b、将步骤a获得的第一级初始混合料静置堆，进行初次闷料2h，得到第一级终级混合料；

c、将步骤b获得的第一级终级混合料，按照顺序依次加入聚丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、吸水树脂，按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第二级初始混合料，其中，聚丙烯酸脂乳液的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.3:100的比例添加后并搅拌3min；苯丙乳液的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.3:100的比例添加后并搅拌2min；吸水树脂的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.1:100的比例添加后并搅拌2min；

d、将步骤c获得的第二级初始混合料静置堆放，进行二次闷料10min，得到第二级终级混合料；

e、向经步骤d得到的第二级终级混合料，加入水稻秸秆并高速搅拌，本实施例的水稻秸秆选择为纤维含量为20％，并且该水稻秸秆的长度为30mm；水稻秸秆的添加量按照与第二级终级混合料的总量比为0.005：100的比例添加后并搅拌；

f、向经步骤e得到的第二级终级混合料，按照顺序依次加入由苯乙烯树脂及发泡剂调节而成的聚苯乙烯泡沫乳液、高性能吸水树脂，按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第三级初始混合料；其中，苯乙烯树脂及发泡剂按照份数95:5的比例添加调节，本实施例的发泡剂选择为偶氮类的发泡剂，本实施例为偶氮二甲酰胺；

聚苯乙烯泡沫乳液的添加量按照与第二级终级混合料的体积比为0.3：100的比例添加后并搅拌；高性能吸水树脂的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.2:100的比例添加后并搅拌2min；

g、将步骤f获得的第三级初始混合料静置堆放，进行三次闷料10min，得到第三级终级混合料；

h、将步骤g获得的第三级终极混合料装入封装袋后，通过加压成型和真空热塑封装设备，经加压、固化、真空负压、封装出符合道路填筑需要的封装块体。

具体的高液限软土直接用于预制装配式路基填筑材料的改良方法的流程图，可参考图1；而通过实施例1的改良方法获得的符合道路填筑需要的封装块体，其改良后的力学性能数据可参考表1：

表1高液限软土直接用于预制路基填筑材料改良后的力学性能数据

实施例2

本实施例的土样2取自盐城新扬港附近；

本实施例中土样2的高液限软土直接用于预制路基填筑材料的改良方法，包括以下步骤：

a、将土样2的高液限软土，按照顺序依次加入生石灰粉、低标号水泥、粉煤灰粉，然后按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第一级初始混合料；生石灰粉的添加量按照与高液限软土的质量比为20:100的比例添加后并搅拌5min；低标号水泥的添加量按照与高液限软土的质量比为8:100的比例添加后并搅拌3min；而粉煤灰粉的添加量按照与高液限软土的质量比为15:100的比例添加后并搅拌2min；

b、将步骤a获得的第一级初始混合料静置堆，进行初次闷料5h，得到第一级终级混合料；

c、将步骤b获得的第一级终级混合料，按照顺序依次加入聚丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、吸水树脂，按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第二级初始混合料，其中，聚丙烯酸脂乳液的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.9:100的比例添加后并搅拌3min；苯丙乳液的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.9:100的比例添加后并搅拌2min；吸水树脂的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.9:100的比例添加后并搅拌2min；

d、将步骤c获得的第二级初始混合料静置堆放，进行二次闷料30min，得到第二级终级混合料；

e、向经步骤d得到的第二级终级混合料，加入水稻秸秆并高速搅拌，本实施例的水稻秸秆的纤维含量为26％，并且该水稻秸秆的长度为80mm，水稻秸秆的添加量按照与第二级终级混合料的总量比为0.03：100的比例添加后并搅拌；

f、向经步骤e得到的第二级终级混合料，按照顺序依次加入聚苯乙烯泡沫乳液、高性能吸水树脂，按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第三级初始混合料；

其中，苯乙烯树脂及发泡剂按照份数95:5的比例添加调节，本实施例的发泡剂选择为亚硝酸基类的发泡剂，本实施例为n,n′-二甲基n,n′-二亚硝基邻苯二甲酰胺，聚苯乙烯泡沫乳液的添加量按照与第二级终级混合料的体积比为0.6：100的比例添加后并搅拌4min；高性能吸水树脂的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.3:100的比例添加后并搅拌2.5min；

g、将步骤f获得的第三级初始混合料静置堆放，进行三次闷料30min，得到第三级终级混合料；

h、将步骤g获得的第三级终极混合料装入封装袋后，通过加压成型和真空热塑封装设备，经加压、固化、真空负压、封装出符合道路填筑需要的封装块体。

具体的高液限软土直接用于预制装配式路基填筑材料的改良方法的流程图，同样可参考图1；通过实施例2的改良方法获得的符合道路填筑需要的封装块体，其改良后的力学性能数据可参考表2：

表2高液限软土直接用于预制路基填筑材料改良后的力学性能数据

实施例3

本实施例的土样3取自宁波市329国道邬隘镇公路建设工地现场；

本实施例的土样3中的高液限软土直接用于预制路基填筑材料的改良方法，包括以下步骤：

a、将土样3的高液限软土，按照顺序依次加入生石灰粉、低标号水泥、粉煤灰粉，然后按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第一级初始混合料；生石灰粉的添加量按照与高液限软土的质量比为16:100的比例添加后并搅拌3min；低标号水泥的添加量按照与高液限软土的质量比为6:100的比例添加后并搅拌4min；而粉煤灰粉的添加量按照与高液限软土的质量比为10:100的比例添加后并搅拌1.5min；

b、将步骤a获得的第一级初始混合料静置堆，进行初次闷料3h，得到第一级终级混合料；

c、将步骤b获得的第一级终级混合料，按照顺序依次加入聚丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、吸水树脂，按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第二级初始混合料，

其中，苯乙烯树脂及发泡剂按照份数95:5的比例添加调节，本实施例的发泡剂选择为璜酰肼类发泡剂，本实施例为4，4-氧代双本磺酰肼，聚苯乙烯泡沫乳液的添加量按照与第二级终级混合料的体积比为0.9：100的比例添加后并搅拌5min；高性能吸水树脂的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.5:100的比例添加后并搅拌3min；

d、将步骤c获得的第二级初始混合料静置堆放，进行二次闷料20min，得到第二级终级混合料；

e、向经步骤d得到的第二级终级混合料，加入水稻秸秆并高速搅拌，本实施例的水稻秸秆的纤维含量为24％，并且该水稻秸秆的长度为60mm，水稻秸秆的添加量按照与第二级终级混合料的总量比为0.02：100的比例添加后并搅拌；

f、向经步骤e得到的第二级终级混合料，按照顺序依次加入聚苯乙烯泡沫乳液、高性能吸水树脂，按照加入顺序依次分别高速搅拌得到第三级初始混合料；其中，聚丙烯酸脂乳液的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.5:100的比例添加后并搅拌3min；苯丙乳液的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.4:100的比例添加后并搅拌2.5min；高性能吸水树脂的添加量按照与第一级终级混合料的质量比为0.3:100的比例添加后并搅拌2.5min；

g、将步骤f获得的第三级初始混合料静置堆放，进行三次闷料20min，得到第三级终级混合料；

h、将步骤g获得的第三级终极混合料装入封装袋后，通过加压成型和真空热塑封装设备，经加压、固化、真空负压、封装出符合道路填筑需要的封装块体。

具体的高液限软土直接用于预制装配式路基填筑材料的改良方法的流程图，同样可参考图1；而通过实施例3的改良方法获得的符合道路填筑需要的封装块体，其改良后的力学性能数据可参考表3：

表3高液限软土直接用于预制路基填筑材料改良后的力学性能数据

其中，内摩擦角和凝聚力都是土的抗剪强度指标，土的内摩擦角反映了土的摩擦特性，水分子在土颗粒表面形成润滑剂，使内摩擦角减小，同时使土颗粒周围的薄膜水变厚，甚至增加自由水，则土颗粒之间的静电力引力减弱，导致凝聚力降低。从表1、表2、表3的数据表明，经过改良后的高液限土的含水量下降的同时，增加了土颗粒间的粘结性，还有效增加土颗粒间的摩擦性能，即有效提高了凝聚力以及内摩擦角的大小，从而提高了封装块体的抗剪力，同时通过封装块体的组合拼装成预制装配式路基提高了填筑路基的整体强度和承载能力，使差异沉降得以有效控制，实现了路基填筑中材料变形的协调控制问题，以充分证明其改为改良效果，具体的封装块体的封装步骤可参考申请号为201810219216.5的中国发明专利申请公开的实施步骤，而封装块体的十字形结构可如图2所示，另外，经过改良后的高液限土的含水量下降，从而颗粒间的粘结性，而高液限土经过聚丙烯酸脂乳液、苯丙乳液作用后主要通过离子交换，化学聚合反应等作用，减少高液限软土的孔隙及表面张力所引起的双电离层水膜厚度及吸水作用，然后高速搅拌，释放出更多的自由水，释放出的更多的自由水则吸附至吸水树脂中，并通过榫卯封装袋及真空封装后提供了土体360度的围压约束，释放出的更多的自由水仍然被封装于榫卯封装袋中，从而可将高液限软土中大量多余的自由水转化为结合水和吸附水，并稳定存在于吸水树脂中，进而提高封装块体的承载力，最终有利于高液限软土的稳定性和强度的提高。