本发明涉及路基填筑领域，具体地，涉及一种改良膨胀土路基填料，一种改良膨胀土路基填料的制备方法，由该方法制备得到的改良膨胀土路基填料。
背景技术：
路基作为整个交通运输系统的重要组成部分，其直接承受上部结构荷载及车辆静动荷载的长期作用，而路基质量的好坏直接影响行车速度与行车安全，因此有必要采用优质的路基填料填筑。然而，不良路基填料膨胀土分布广泛，膨胀土具有明显的胀缩性、超固结性和多裂隙性，给路基施工建设带来了相当大的危害。在膨胀土场地进行道路路基建设时，天然场地的填料不符合高等级公路、铁路路基填筑的基本要求。
目前膨胀土场地公路、铁路施工过程中，通常采用远距离运送、石料厂购买、掺加石灰、水泥等无机结合料改良等办法来确保填料的优良性能。但是通过远距离运送优质填料势必引起路基工程造价过高、工期过长，因此结合施工当地条件，通过改良膨胀土路基填料，使之满足路基填筑及工后运营的基本要求便成为路基工程建设亟待解决的难题。
专利申请CN105951551A公开了一种膨胀土路基的改良方法，该方法分层或分多层堆积生石灰和膨胀土，分层堆积的同时洒水使石灰充分消化。但是石灰和膨胀土的凝胶反应进行较慢，存在早期强度不高的问题。其次，该工艺过程比较复杂，耗时久，容易造成工期的延长。另外，掺拌生石灰时易扬尘，会对环境造成一定污染。
专利申请CN102162241A公开了一种用废弃电石渣改良膨胀土路基填料的方法，该方法用电石渣作为固化剂改良膨胀土路基；将电石渣掺加到膨胀土中，控制含水率为18-20％，充分搅拌使其均匀，电石渣的掺量为：干电石渣的质量为膨胀土干质量的6-10％。该方法存在的问题包括：受原料电石渣的限制较大，需要从电石渣的生产地运输，成本较高。
因此，开发一种效果好、成本低且环保的改良膨胀土路基是十分必要的。
技术实现要素：
为了克服现有技术中改良膨胀土路基方法的效果差、成本高和污染环境的缺陷，本发明提供了一种改良膨胀土路基填料及其制备方法和应用，采用本发明提供的改良膨胀土路基填料，改良效果好，膨胀性改善明显且稳定，成本低且环保。
具体地，本发明提供了一种改良膨胀土路基填料，该改良膨胀土路基填料含有膨胀土、聚合氯化铝和熟石灰。
本发明还提供了一种改良膨胀土路基填料的方法，该方法包括：将膨胀土与熟石灰进行第一混合形成第一混合物，将聚合氯化铝与水进行第二混合形成第二混合物，然后将第一混合物与第二混合物进行第三混合。
本发明还提供了由上述方法制备得到的改良膨胀土路基填料。
采用本发明提供的改良膨胀土路基填料，首先能够充分合理利用膨胀土场地的天然土体形成满足填筑要求的优质填料，实现资源利用最大化；其次，改良膨胀土路基填料的压缩性低、水稳定性与抗冻融特性好，能够快速改良膨胀土路基填料的膨胀性，改良效果显著且稳定，干湿稳定性和长期稳定性好；另外，所述改良膨胀土路基填料无毒无害，不会对土体造成永久性伤害；能够降低工程造价，避免远距离输送带来的工期延长。
本发明具有上述优势，原因可能包括以下几方面：(1)聚合氯化铝电离出大量离子使膨胀土土颗粒附近离子浓度增大，土颗粒的吸附扩散层受到压缩，同时大量的Al3+中和土颗粒表面的负电荷，使土颗粒所带电荷量减小，Zeta电位降低，土颗粒的亲水性大大减弱；聚合氯化铝的结构由形态多变的多元羧基络合物组成，拉结、絮凝土颗粒更快捷更高效，使土颗粒形成团粒，孔隙减小，快速有效的改善了膨胀土路基填料的胀缩特性。(2)熟石灰与膨胀土成分，在水介质的作用下相互间发生一系列离子交换反应、碳酸反应、硬凝反应、结晶反应，使得膨胀土路基填料间的微孔隙被进一步充填，土体颗粒间嵌合的更加紧密，同时，熟石灰中的钙也能增加聚合氯化铝中有效成分Al13(Al13是由十二个六配位的八面体的铝原子围绕一个四配位的铝原子通过羟基桥键的结合而形成的，是AlO4Al12(OH)24(H2O)127+的简称。)的含量，使得聚合氯化铝对膨胀土路基填料膨胀性的改良效果更加明显，进而使改良填料的物理力学特性和耐久性，水稳定性得到进一步加强。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种改良膨胀土路基填料，该改良膨胀土路基填料含有膨胀土、聚合氯化铝和熟石灰。
在本发明中，所述膨胀土的含义为本领域技术人员所熟知。根据《铁路工程特殊岩土勘察规程》中5.5.2对膨胀土场地的评价，自由膨胀率≥40％、蒙脱石含量≥7％、阳离子交换量≥170mmol/Kg三者中任意满足二者及以上判定为膨胀土。
在本发明中，所述聚合氯化铝的含义为本领域技术人员所熟知，可以通过商购获得，也可以通过本领域常规的方法制备得到。所述聚合氯化铝是介于AlCl3和Al(OH)3之间的一种水溶性无机高分子聚合物，颜色为黄色、淡黄色、深褐色或深灰色，形态为树脂状固体。所述聚合氯化铝的组成可以由下式表示：[Al2(OH)nCl6-n]m，其中，m为1-15的整数，n为1-5的整数。M表示聚合程度，n表示聚合氯化铝的中性程度。优选地，m为6-9的整数，n为2-4的整数。在所述聚合氯化铝中，以所述聚合氯化铝的总重量为基准，以Al2O3计的含量优选不低于28重量％，更优选为30-35重量％。
在本发明中，所述熟石灰的含义为本领域技术人员所熟知。所述熟石灰可以通过商购获得，也可以通过本领域的常规方法制备得到。根据《公路路面基层施工细则》(JTG/T F20-2015)中的规定，有效氧化钙加氧化镁含量是判断石灰等级的主要指标。本发明中的有效氧化钙加氧化镁的含量优选≥55重量％，更优选为60-65重量％。另外，所述熟石灰的自然状态含水率≤4重量％。
在本发明中，以所述熟石灰的总重量为基准，粒度大于0小于0.17mm的熟石灰的含量可以为99-100重量％，0.17-0.2mm的熟石灰的含量可以为0-1重量％。优选地，以所述熟石灰的总重量为基准，粒度大于0小于0.17mm的熟石灰的含量为100重量％。
在本发明中，所述改良膨胀土路基填料中的各组分含量可以在较大范围内变动。例如，在所述改良膨胀土路基填料中，以干重计，相对于100重量份的膨胀土，所述聚合氯化铝的含量可以为0.5-1.5重量份，所述熟石灰的含量可以为2-7重量份。尽管将膨胀土、聚合氯化铝和熟石灰的含量控制在上述范围内即可，但是为了得到更好的改良效果，优选地，在所述改良膨胀土路基填料中，相对于100重量份的膨胀土，所述聚合氯化铝的含量为0.8-1.2重量份，所述熟石灰的含量为3-5重量份。
需要说明的是，在改良膨胀土路基填料中，膨胀土、聚合氯化铝和熟石灰的含量和用量为以干重计。
本发明还提供了一种改良膨胀土路基填料的制备方法，该方法包括：将膨胀土与熟石灰进行第一混合形成第一混合物，将聚合氯化铝与水进行第二混合形成第二混合物，然后将第一混合物与第二混合物进行第三混合。
在本发明中，在本发明中，所述膨胀土的含义为本领域技术人员所熟知。根据《铁路工程特殊岩土勘察规程》中5.5.2对膨胀土场地的评价，自由膨胀率≥40％、蒙脱石含量≥7％、阳离子交换量≥170mmol/Kg三者中任意满足二者及以上判定为膨胀土。
在本发明中，所述聚合氯化铝的含义为本领域技术人员所熟知，可以通过商购获得，也可以通过本领域常规的方法制备得到。所述聚合氯化铝是介于AlCl3和Al(OH)3之间的一种水溶性无机高分子聚合物，颜色为黄色、淡黄色、深褐色或深灰色，形态为树脂状固体。所述聚合氯化铝的组成可以由下式表示：[Al2(OH)nCl6-n]m，其中，m为1-15的整数，n为1-5的整数。M表示聚合程度，n表示聚合氯化铝的中性程度。优选地，m为6-9的整数，n为2-4的整数。在所述聚合氯化铝中，以所述聚合氯化铝的总重量为基准，以Al2O3计的含量优选不低于28重量％，更优选为30-35重量％。
在本发明中，所述熟石灰的含义为本领域技术人员所熟知。所述熟石灰可以通过商购获得，也可以通过本领域的常规方法制备得到。根据《公路路面基层施工细则》(JTG/T F20-2015)中的规定，有效氧化钙加氧化镁含量是判断石灰等级的主要指标。本发明中的有效氧化钙加氧化镁的含量优选≥55重量％，更优选为60-65重量％。另外，所述熟石灰的自然状态含水率≤4重量％。
在本发明中，以所述熟石灰的总重量为基准，粒度大于0小于0.17mm的熟石灰的含量可以为99-100重量％，0.17-0.2mm的熟石灰的含量可以为0-1重量％。优选地，以所述熟石灰的总重量为基准，粒度大于0小于0.17mm的熟石灰的含量为100重量％。
在本发明中，所述改良膨胀土路基填料制备过程中的各组分用量可以在较大范围内变动。例如，在所述改良膨胀土路基填料中，以干重计，相对于100重量份的膨胀土，所述聚合氯化铝的用量可以为0.5-1.5重量份，所述熟石灰的用量可以为2-7重量份。尽管将膨胀土、聚合氯化铝和熟石灰的用量控制在上述范围内即可，但是为了得到更好的改良效果，优选地，在所述改良膨胀土路基填料中，相对于100重量份的膨胀土，所述聚合氯化铝的用量为0.8-1.2重量份，所述熟石灰的用量为3-5重量份。
在本发明中，所述第一混合的条件没有特别的限定，只要能够将膨胀土与熟石灰混合均匀即可。例如，所述第一混合的条件包括：温度可以为5-40℃，时间可以为0.3-0.7小时。所述第一混合可以在搅拌的条件下进行。
在本发明中，所述第二混合的条件没有特别的限定，只要能够将聚合氯化铝与水混合均匀即可。例如，所述第二混合的条件包括：温度可以为5-40℃，时间可以为0.05-0.25小时。所述第二混合可以在搅拌的条件下进行。根据一种优选的实施方式，所述第二混合包括：将聚合氯化铝逐步加入水中至完全溶解。
在本发明中，进行第二混合的聚合氯化铝和水的用量可以在较大范围内变动。例如，所述聚合氯化铝和水的用量的重量比可以为0.2-0.45：1，优选为0.3-0.35：1。
在本发明中，所述第三混合的条件没有特别的限定，只要能够将第一混合物和第二混合物混合均匀即可。例如，所述第三混合的条件包括：温度可以为5-40℃，时间可以为0.25-0.45小时。所述第三混合优选在搅拌的条件下进行。根据一种优选的实施方式，所述第三混合包括：在搅拌的状态下，将第二混合物喷洒到第一混合物表面，并继续搅拌至均匀。所述喷洒可以通过各种常规方式实现，例如可以使用喷射机进行喷洒，喷洒的速率可以为150-250g/min，优选为180-220g/min。
在本发明中，所有的搅拌均可以在拌合机中进行，搅拌的速率没有特别的限定，例如可以为20-35rpm。
本发明还提供了由上述方法制备的改良膨胀土路基填料。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例和对比例中，
所使用的膨胀土的性能包括：自由膨胀率为60％，蒙脱石含量为14重量％，阳离子交换量为250mmol/Kg，液限wL＝47.6％，塑限wP＝32.5％，膨胀土的天然水含量为17.4重量％，膨胀力为38.4kPa，无侧限抗压强度0.28MPa，粘聚力25.31kPa，内摩擦角24.3°。
所使用的熟石灰市售商品，有效氧化钙加氧化镁含量为60重量％，自然状态含水率为2重量％。
所使用的聚合氯化铝的制备过程包括：将结晶氯化铝在170℃下进行沸腾热解，放出的氯化氢用水吸收制成20％盐酸加回收。然后加水在60℃以上进行熟化聚合，再经固化，干燥，破碎，制得固体聚合氯化铝成品。制备得到的聚合氯化铝的组成可以用下式表示：[Al2(OH)2Cl4]7，以Al2O3计的含量为30重量％。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的改良膨胀土路基填料及其制备方法
称取117.4g的膨胀土(干重为100g)和3.06g的熟石灰(干重为3g，粒度大于0小于0.17mm的熟石灰的含量为99重量％，0.17-0.2mm的熟石灰的含量为1重量％)，使用强制式拌合机在25℃下以35rpm的速度搅拌30min混合均匀形成第一混合物。称取1.2g的聚合氯化铝(干重为1.2g)，在搅拌(25℃，40rpm)的状态下逐步加入3.6g的水，搅拌6min混合均匀形成第二混合物。
在25℃下，使用喷射机将第二混合物按照200g/min的速度喷洒到搅拌状态下的第一混合物表面，喷洒完毕后继续搅拌20min，得到改良膨胀土路基填料A1。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的改良膨胀土路基填料及其制备方法
称取117.4g的膨胀土(干重为100g)和5.1g的熟石灰(干重为5g，粒度大于0小于0.17mm的熟石灰的含量为99.5重量％，0.17-0.2mm的熟石灰的含量为0.5重量％)，使用强制式拌合机在35℃下以35rpm的速度搅拌30min混合均匀形成第一混合物。称取1g的聚合氯化铝(干重为1g)，在搅拌(35℃，40rpm)的状态下逐步加入3.3g的水，搅拌15min混合均匀形成第二混合物。
在35℃下，使用喷射机将第二混合物按照200g/min的速度喷洒到搅拌状态下的第一混合物表面，喷洒完毕后继续搅拌20min，得到改良膨胀土路基填料A2。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的改良膨胀土路基填料及其制备方法
按照实施例1的方式进行，不同的是，熟石灰的用量为4.08g，氯化铝的用量为0.8g，与聚合氯化铝混合的水的用量为2.9g。得到改良膨胀土路基填料A3。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的改良膨胀土路基填料及其制备方法
按照实施例1的方法进行，不同的是，使用商购的聚合氯化铝替换实施例1中的聚合氯化铝，在商购的聚合氯化铝中，以Al2O3计的含量为33重量％。得到改良膨胀土路基填料A4。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的改良膨胀土路基填料及其制备方法
按照实施例1的方法进行，不同的是，称取的膨胀土的重量为117.4g(干重为100g)，熟石灰的重量为7.14g(干重为7g)，聚合氯化铝的重量为1.5g(干重为1.5g)。得到改良膨胀土路基填料A5。
实施例6
本实施例用于说明本发明提供的改良膨胀土路基填料及其制备方法
按照实施例1的方法进行，不同的是，称取的膨胀土的重量为117.4g(干重为100g)，熟石灰的重量为2.04g(干重为2g)，聚合氯化铝的重量为0.5g(干重为0.5g)。得到改良膨胀土路基填料A6。
实施例7
本实施例用于说明本发明提供的改良膨胀土路基填料及其制备方法
按照实施例1的方法进行，不同的是，以所述熟石灰的总重量为基准，粒度大于0小于0.17mm的熟石灰的含量为95重量％，0.17-0.2mm的熟石灰的含量为5重量％。得到改良膨胀土路基填料A7。
对比例1
本对比例用于说明参比的改良膨胀土路基填料及其制备方法
按照实施例1的方法进行，不同的是，不使用熟石灰，实施例1中的第一混合物全部为膨胀土。得到改良膨胀土路基填料DA1。
对比例2
本对比例用于说明参比的改良膨胀土路基填料及其制备方法
按照实施例1的方法进行，不同的是，不使用第二混合物，将第一混合物作为改良膨胀土路基填料DA2。
对比例3
本对比例用于说明参比的改良膨胀土路基填料及其制备方法
称取与实施例1相同重量的膨胀土、熟石灰和聚合氯化混合均匀，搅拌速度为35rpm，温度为25℃。然后在搅拌状态下按照150g/min的速度喷洒3.6g的水，得到改良膨胀土路基填料DA3。
测试例
本测试例用于说明改良膨胀土路基填料效果的测试
(1)界限含水率
按照《公路土工试验规程JTG E40-2007》中的T 0118-2007进行。
(2)自由膨胀率
按照《公路土工试验规程JTG E40-2007》中的T 0124-1993进行。
(3)膨胀量和膨胀力
按照《公路土工试验规程JTG E40-2007》中的T 0126-1993和T 0127-1993进行。
(4)无侧限抗压强度
按照《铁路土工试验规程TB10102-2010》进行。
(5)三轴压缩试验
按照《铁路土工试验规程TB10102-2010》进行。
测试结果列于表1中。
表1
从表1中的结果可以看出，采用本发明的技术方案得到的改良膨胀土路基相对于天然的膨胀土，自由膨胀率和膨胀力有了大幅下降，无侧限抗压强度有了大幅提高，另外，粘聚力明显增强。也就是说，天然膨胀土的不良性能得到明显改善，得到的路基填料为优质填料，因此，改良路基的压缩性低、干湿稳定性和长期稳定性好。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。