一种用于深层地基处理的轻质水泥土及其制备方法与流程

本发明属于交通运输工程和土木工程中地基处理技术领域，具体涉及一种用于深层地基处理的轻质水泥土及其制备方法。

背景技术：

近年来，我国沿海地区经济飞速发展，交通基础设施建设的工程数量也随之增加。由于我国海岸线长度长、水文地质条件复杂且多见深层软弱地基，因此在建设中经常要对地基进行深层次的处理，以保证工程的安全系数并减少运营期产生的问题。水泥土材料以其低廉的价格和广泛的适用性在地基处理中得到了广泛的运用。

近年来，许多学者在水泥土材料的组分和配比方面作了深入研究。例如李峰(公开号cn108503313a)发明了一种镍铁渣粉与矿粉复掺的水泥土材料，其主要原料包括：湿土1000份、水泥120份、镍铁渣粉21份和矿粉9份，比例为1000:120:21:9。按此配比得到的水泥土材料具有良好的力学性能，在满足行业规范的同时实现了对镍渣废弃物的合理利用，在资源再利用的同时大大降低了工程的建设成本；岳吉双(公开号cn108609966a)提出了一种提高土体强度的水泥土配合比，原材料包括水泥、土、早强型减水剂、硅酸钠和水，在一定比例(水泥221-247kg/m³，土1700-1900kg/m³，早强型减水剂3.32-3.70kg/m³，硅酸钠6.63-7.41kg/m³，水110-124kg/m³)下通过深层搅拌机搅拌，能够有效提高水泥土强度；谭慧明(公开号cn106007590a)从工程生态环境和“海绵城市”建设的角度出发，公开了一种植物水泥土及其制备方法，其组分包括水泥、土、水和栽种在水泥土上的植物，水泥掺入比例为土体质量的4％～10％且不超过土体孔隙率，水的加入比例根据土体和水泥混合物的最优含水量确定，该水泥土材料能够在改良土体物理力学性能的同时通过植物生长提高了水泥土的渗水性能。

但是，由于水泥土自重大，传统水泥土桩的承载能力一部分用于承担自重荷载，在软土地区较大的桩体自重还会引起复合地基下卧层较大的沉降。因此，如何能够减小水泥土自重，使其承载更大的负荷且能够尽量克服因减少自重而带来的负面问题，就变得尤为重要了。

技术实现要素：

本发明正是针对现有问题，提供了一种用于深层地基处理的轻质水泥土及其制备方法，通过使用表面活性剂类发泡剂发泡，将泡沫与水泥浆液搅拌的方式引入泡沫，降低水泥土的容重；同时由于孔隙的增加导致水泥土密实性降低、强度降低，通过添加硅粉和偏高岭土提高水泥固化剂的胶凝性能，从而提高轻质水泥土强度；通过添加聚羧酸增加轻质水泥土的流动性；通过添加稳泡剂提高泡沫的稳定性，使其在应用于深层地基处理时泡沫不致受压消泡，在实际工程中本方法及组分构成的轻质水泥土由于自重荷载的减轻，在相同设计强度的情况下能够比传统水泥土桩承受更大的上覆荷载，同时能够减小自重应力带来的沉降，有巨大的推广价值，能够在深层地基处理中得到广泛运用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于深层地基处理的轻质水泥土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将表面活性剂类发泡剂兑水稀释80倍，加入十二烷基硫酸钠并缓慢搅拌20s以上；

(2)将步骤(1)后的混合溶液加入发泡机内，调整发泡机内发泡压力开始发泡，得到泡沫；

(4)将水倒入强制式搅拌机开始搅拌，一边搅拌，一边逐一将粉料加入搅拌机内，所述粉料包括干土、水泥、偏高岭土、硅粉、聚羧酸，每种粉料加入搅拌机的顺序无要求，但须逐一加入，当搅拌至浆液均匀且粘稠时，停止搅拌；

(4)将步骤(2)发好的泡沫按照泡沫浆液97.8％、泡沫2.2％的配比加入搅拌机中，泡沫添加过程中避免泡沫随搅拌叶片飞出搅拌锅，且分批次添加，待泡沫全部加入搅拌锅后，继续搅拌5-7分钟，直至泡沫与复合水泥浆液搅拌均匀，搅拌锅内不可见白色未搅拌均匀的泡沫，停止搅拌。

作为本发明的一种改进，所述步骤(1)中表面活性剂类发泡剂兑水稀释时，加入纤维素类稳泡剂，所述稳泡剂的掺入量为1％-2％。

作为本发明的另一种改进，所述步骤(1)中十二烷基硫酸钠的掺入量为0.1％-0.2％。

作为本发明的另一种改进，所述步骤(3)中，偏高岭土的掺入量为水泥掺量的5％，硅粉的掺入量为水泥掺量的2％。

作为本发明的又一种改进，所述步骤(3)中，聚羧酸的掺入量为1％。

作为本发明的更进一步改进，所述步骤(4)中，添加的泡沫质量与干土质量之比在5％-10％。

为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：一种用于深层地基处理的轻质水泥土，按质量份比计，包括以下组分：

作为本发明的另一种改进，按质量份比计的最优值，包括以下组分：

与现有技术相比，本发明公开了一种用于深层地基处理的轻质水泥土，相比传统水泥土，轻质水泥土用于深层地基处理其优势有二：①轻质水泥土自重小，但强度能够与传统水泥土相同甚至更高，传统水泥土桩的承载力有部分用于承担自重荷载，而轻质水泥土容重的显著降低减轻了自重荷载，则部分用于承担自重荷载的承载力能够用于承担上覆荷载，即轻质水泥土桩相比传统水泥土桩，其极限承载能力有显著提高；②传统水泥土桩的自重一般大于原地基土的自重，因此桩身自重会带来地基下卧层的沉降增加，而轻质水泥土桩的自重小于原地基土，更显著小于传统水泥土桩，自重的减轻能够带来下卧层沉降的减少，同时轻质水泥土桩在地基土中受到的浮力作用还能够减小加固区的沉降。

除此之外，本案用于深层地基处理的轻质水泥土中泡沫的添加能够在轻质水泥土内部引入大量孔隙，从而使轻质水泥土的密度降低至1.05-1.15g/cm³，相比传统水泥土降低了38％左右；十二烷基硫酸钠的掺入能够减少泡沫的破裂，提高泡沫稳定性，通过掺入十二烷基硫酸钠，能够将轻质水泥土的容重减小约14％，并使轻质水泥土材料能够应用于深层地基处理；偏高岭土和硅粉能够使轻质水泥土的28d无侧限抗压强度达到2mpa左右；聚羧酸的添加能够使轻质水泥土的流动度显著提高，满足施工要求。

将泡沫、偏高岭土、硅粉、聚羧酸和十二烷基硫酸钠联合使用，能够使轻质水泥土满足密度、强度和流动性的要求，具有巨大的推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例2中轻质水泥土流动度与减水剂掺量关系的曲线图；

图2为本发明实施例2中轻质水泥土容重与泡沫掺量关系的曲线图；

图3为本发明实施例2中不同份量的稳泡剂掺入后轻质水泥土实测容重图；

图4为本发明实施例2中无侧限抗压强度与硅粉掺量、养护龄期的关系图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

一种用于深层地基处理的轻质水泥土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将表面活性剂类发泡剂，辅助加入纤维素类稳泡剂，兑水稀释80倍，加入十二烷基硫酸钠并缓慢搅拌20s以上，所述稳泡剂的掺入量为1％-2％，所述十二烷基硫酸钠的掺入量为0.1％-0.2％；

(2)将步骤(1)后的混合溶液加入发泡机内，将发泡机的进水管管口放入发泡剂液面以下，并将回流管管口一同放入，然后调整发泡机的发泡压力调整旋钮至合适位置，一手拿稳发泡机出泡口，并将发泡口对准泡沫盛放容器，另一只手打开发泡机开关，开始发泡，通过表面活性剂类发泡剂引入的大量泡沫能够增加固化土体内的孔隙，显著降低容重，且孔隙能够稳定存在；适量十二烷基硫酸钠的掺入能够显著提高轻质水泥土中泡沫的稳定性，减少施工和轻质水泥土强度形成过程中的泡沫破碎，提高轻质水泥土性能的稳定性，同时使其能够应用于深层地基处理中；结束发泡时首先关闭发泡剂开关，然后等待出泡管道内的泡沫全部流出后，方可将出泡管、进水管和回流管收起；

(3)将水倒入强制式搅拌机开始搅拌，一边搅拌，一边逐一将粉料加入搅拌机内，所述粉料包括水泥、偏高岭土、硅粉、聚羧酸，其中，偏高岭土的掺入量为水泥掺量的5％，硅粉的掺入量为水泥掺量的2％，硅粉掺入水泥土中，其密实效应与极高的火山灰活性，能够显著促进水泥水化，增加生成物数量，同时填充轻质中的微小孔隙，提高轻质水泥土的密实性，从而提高轻质水泥土的强度；适量聚羧酸的掺入能够显著改善轻质水泥土的流动性，使其能够在泡沫不致上浮导致消泡的同时具有较好的施工和易性，所述聚羧酸的掺入量为1％；每种粉料加入搅拌机的顺序无要求，但须逐一加入，当搅拌至浆液均匀且粘稠时，停止搅拌；

(4)将步骤(2)发好的泡沫按照泡沫浆液97.8％、泡沫2.2％的配比加入搅拌机中，泡沫添加过程中避免泡沫随搅拌叶片飞出搅拌锅，且分批次添加，待泡沫全部加入搅拌锅后，继续搅拌5-7分钟，直至泡沫与复合水泥浆液搅拌均匀，搅拌锅内不可见白色未搅拌均匀的泡沫，停止搅拌。

通过上述步骤形成的轻质水泥土材料同时满足容重、强度和流动性的要求，用于地基处理，其在保有一定强度同时减轻自重的特性，在相同设计强度的情况下能够比传统水泥土桩承受更大的上覆荷载，提高轻质水泥土桩的极限承载能力，其在地基土中的悬浮效应能够减小加固区沉降，其自重荷载的减小能够减少下卧层的沉降，有巨大的推广价值，能够在深层地基处理中得到广泛运用。

实施例2

一种用于深层地基处理的轻质水泥土，按质量份比计，包括以下组分：

水泥土材料用于地基处理中常用的水泥掺入量(水泥质量与干土质量之比)为25％-35％，偏高岭土和硅粉作为水泥基固化剂的组分时合适的掺入量分别为5％和2％，因为过多或过少的偏高岭土掺量都不能有效提高水泥土的强度，而硅粉掺量在2％以上时其提高水泥土强度的效果会大大减弱。泡沫掺入量(定义为泡沫质量与干土质量之比)在5％-10％之间，因为超过10％的泡沫掺入会使轻质水泥土的密度小于水的密度，从而无法应用在深层地基处理中。聚羧酸掺量为1％时即能够使轻质水泥土的流动性满足施工要求，过量添加会使轻质水泥土的流动度过大，从而引起泡沫的上浮消泡，无法控制材料的均匀性。稳泡剂(十二烷基硫酸钠)的掺入能够提高泡沫的稳定性，使其在压力作用下不易破碎，稳泡剂掺量定义为稳泡剂质量与水泥质量的比值，根据工程经验，稳泡剂掺量一般为0.1％-0.2％。

以下对轻质水泥土材料的容重、强度和流动性进行试验，室内试验使用珠海地区广泛分布的软土，取自珠海市斗门区东五围，基本物理力学参数如下表1所示。

表1珠海软土基本物理力学指标

由于轻质水泥土孔隙极多，强度主要来源于固化剂提供的胶凝性，因此确定较高的水泥掺量21％，根据试验和工程经验确定合适的偏高岭土掺入量为5％(水泥掺量的25％)；记录泡沫掺量为0.5％、1％、1.5％、2％，十二烷基硫酸钠掺量为0％、0.2％、0.4％试样的密度；对硅粉掺量为0％、1.2％、2％、2.8％、3.6％(硅粉质量与水泥质量之比)、养护龄期为7d、14d和28d的试样进行无侧限抗压强度试验；对聚羧酸掺量为0％、0.1％、0.2％0.3％、0.4％的轻质水泥土进行流动度测试。

以直径5cm、高度10cm的pvc管为模具，将土、水泥、偏高岭土、硅粉和水搅拌成水泥浆液，然后与发好的泡沫混合搅拌，搅拌均匀后一部分立即测试流动度，另一部分倒入模具，然后置于标准养护室(温度20±2℃，湿度95±2％)内，养护7d、14d、28d后称量试样质量以计算密度，然后进行无侧限抗压强度试验。

流动度试验步骤如下：

①将玻璃板放置在水平位置，用湿布将玻璃板、截锥圆模、搅拌器及搅拌锅均匀擦拭，使其表面湿润但无水渍；

②将截锥圆模放在玻璃板中央，并用湿布覆盖；

③水泥、土、水和外加剂倒入搅拌锅并搅拌均匀；

④将轻质水泥土迅速注入截锥圆模，用调土刀刮平，将截锥圆模沿竖直方向提起，让轻质水泥土在玻璃板上自由流动30s以上；

⑤用直尺取流淌部分相互垂直的两个方向的最大直径，取平均值即为流动度。

考虑到实际施工的过程轻质水泥土需要具有足够的流动度才能够顺利施工，经室内反复拌料尝试，满足施工需求的泡沫水泥浆液流动度需要大于15cm。

流动度实验结果如图1所示。图1上可看出，泡沫水泥浆液流动度随十二烷基硫酸钠掺量的增加而显著增加，十二烷基硫酸钠掺量约1％时流动度能够达到15cm的要求，由于轻质水泥土的流动度过高会使得泡沫在轻质水泥土中难以稳定，且流动度的增加速度随十二烷基硫酸钠掺量的增加而不断减缓，因此选择十二烷基硫酸钠掺量1％作为最终轻质水泥土的掺量。

不同泡沫掺量的轻质水泥土试样容重如图2所示。理论容重按照原材料的质量和密度及掺量计算，实测容重是养护28d的轻质水泥土试样的实际容重。实测容重与理论容重相比有显著提高，主要是制样与养护过程中的泡沫破碎造成的，泡沫破碎原因主要有以下几点：①泡沫自然破碎，发泡剂发泡完成后即使一直处以静止状态下不扰动，泡沫也会随着静置时间的增加而减少，这是由泡沫本身的不稳定造成的；②搅拌，泡沫发泡完成后需要与水泥浆液以及土体搅拌均匀，室内试验使用的行星式搅拌机搅拌过程中对泡沫的挤压、震动会导致泡沫破碎；③养护，轻质水泥土试样制备完成后需在规范规定的养护条件下进行养护，在轻质水泥土形成一定的强度后才能保持泡沫中的气体在水泥土中不因浮力的作用而向试样上表面移动并最终逃逸出试样空间，并最终形成孔隙结构且不坍塌，因此养护阶段轻质水泥土强度形成前泡沫的逃逸也是轻质水泥土试样实测容重增加的原因。

由图2可见轻质水泥土试样的实测容重随泡沫掺量的增加而显著降低，掺量为2％时容重达到1.05左右，相比传统水泥土降低了38％，能够满足轻质水泥土轻质化的要求。

为了减少制样和养护过程中泡沫破碎带来的容重增加，提高泡沫稳定性以适应深层地基处理的要求，向轻质水泥土中添加稳泡剂，记录不同稳泡剂掺量的轻质水泥土实测容重，结果如图3所示。

稳泡剂的添加能够在一定程度上减少制样和养护过程中的消泡，因此也能够减轻轻质水泥土的实测容重。由于稳泡剂的掺入是直接掺在发泡剂中一起发泡，因此在泡沫掺量较低时，稳泡剂相对泡沫的掺量较大，因此稳泡效果较明显；泡沫掺量加大后，稳泡剂相对泡沫的掺量降低，因此稳泡效果减弱。0.2％掺量的稳泡剂对容重增加的抑制效果最为显著，能够将实测容重降低14％，因此选取0.2％的稳泡剂掺量作为最终轻质水泥土的稳泡剂掺量。

无侧限抗压强度的实验结果如图4所示。轻质水泥土无侧限抗压强度随硅粉掺量的增加而增加，硅粉掺量1.2％以下时，硅粉颗粒的数量较少，且会发生火山灰反应而消耗掉一部分，因而对轻质水泥土颗粒级配的优化效果不明显，对强度的提高效果稍差；硅粉掺量1.2％-3.6％范围内对轻质水泥土强度的提高效果最为显著，在颗粒级配优化与火山灰反应的双重效果作用下使轻质水泥土强度大幅提升；硅粉掺量高于3.6％后，对轻质水泥土强度的提高效果又有所减弱。2％硅粉掺量、养护龄期28d的轻质水泥土试样无侧限抗压强度能够达到约2mpa，相比硅粉掺量0％的试样提高了4倍，已能够满足轻质水泥土的强度要求。

硅粉之所以能够提高轻质水泥土的强度，主要有两方面原因：

①硅粉颗粒较水泥粒径小的多，掺入水泥土中能够起到一定的孔隙填充作用，使水泥土颗粒级配更加合理，从而提高水泥土的强度；

②硅粉主要成分为二氧化硅，具有很高的火山灰活性，能够与水泥水化生成的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙等物质，由于氢氧化钙溶解度较大，而水化硅酸钙属于难溶物，能够析出成为晶体，因此硅粉的掺入使更多的钙元素从溶液的形式变为晶体的形式存在，提高了固化剂的胶凝性能。

综合无侧限抗压强度、流动度和容重的试验结果，表明泡沫、水泥、偏高岭土、硅粉和聚羧酸在合适的掺量下能够有效减轻容重、保证轻质水泥土有较高强度的同时具有足够的流动性，实现轻质水泥土的研发目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。