一种膨胀土改良剂、改良膨胀土及制备方法

1.本发明涉及土木工程材料领域，具体涉及一种膨胀土改良剂、改良膨胀土及制备方法。


背景技术：

2.膨胀土是一种富含高岭石、蒙脱石以及伊利石等矿物成分的特殊土，属于强水敏性及多孔多相介质。膨胀土具有水敏性强，吸水膨胀、失水收缩且反复变形等性质，在工程建设中时常出现膨胀土对工程建筑物造成毁坏，是岩土工程界的世界性难题之一，被称为“工程中的癌症”。根据相关研究，每年因膨胀土地质灾害问题造成我国经济的损失约150亿美元。
3.目前，用于固化膨胀土常使用换土法、土性改良法、边坡加固法、隔水法以及控制含水率法进行边坡处理。其中，土性改良法因其施工方便、成本较低，在工程中得到广泛应用。但是还是存在对环境不友好或者制备的改良土力学性能达不到要求等种种问题。边坡加固法经常用于膨胀土地区的边坡工程，使用石灰、水泥等无机材料进行改良加固，但石灰、水泥改良膨胀土同时存在拌和不均匀、破坏环境的缺点，而且会导致温室效应、生态危机等问题日益严峻。
4.因此，提供一种对环境友好的膨胀土改良剂，其制备与应用及使用其改良膨胀土的方法已经成为本领域亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述的缺点和不足，本发明的一个目的在于提供一种膨胀土改良剂。
6.本发明的另一个目的还在于提供所述膨胀土改良剂的制备方法。
7.本发明的再一个目的还在于提供一种改良膨胀土，其中，所述改良膨胀土利用前述膨胀土改良剂对膨胀土进行改良。
8.本发明的再一个目的还在于提供所述的改良膨胀土的制备方法。
9.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
10.一种膨胀土改良剂，以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，包含5～15％的生物炭，所述生物炭为木片生物炭或猪粪生物炭中的任意一种。
11.按上述方案，所述生物炭为以该膨胀土改良剂所欲改良的干膨胀土的总重量为100％计，采用10％的木片生物炭。
12.按上述方案，采用10％的木片生物炭作为膨胀土改良剂时，按重量百分数计包括以下组分：0.79％na2o，1.05％k2o，4.12％mgo，11.42％cao，5.51％fe2o3，30.53％al2o3，45.64％sio2，0.94％tio2。
13.按上述方案，采用10％的猪粪生物炭作为膨胀土改良剂时，按重量百分数计包括以下组分：1.58％na2o，1.74％k2o，2.51％mgo，9.66％cao，7.91％fe2o3，30.76％al2o3，45.37％sio2，0.47％tio2。
14.一种膨胀土改良剂的制备方法，将生物炭在温度400℃及缺氧条件下热解两小时，并将热解后的生物炭锤碎过2mm筛，然后将生物炭置于105℃的烘箱中放置15小时以上。
15.一种改良膨胀土，改良膨胀土的各组分原料按照重量份数，由如下比重混合而成：
16.欲改良的干膨胀土100份；
17.膨胀土改良剂5～15份；
18.去离子水若干份，保证混合而成的改良膨胀土的干密度控制在1.50
±
0.01g/cm3；
19.所述膨胀土改良剂为前述木片生物炭或猪粪生物炭中的任意一种。
20.一种改良膨胀土的制备方法，包括如下步骤：
21.(1)将生物炭在温度400℃及缺氧条件下热解两小时，并将热解后的生物炭锤碎过2mm筛，然后将生物炭置于105℃的烘箱中放置15小时以上；
22.(2)将欲改良的干膨胀土和干燥的生物炭按质量比例(生物炭质量占干膨胀土质量的百分比在5％～15％)进行充分的搅拌混合，形成新的改良土(木片生物炭改良土和猪粪生物炭改良土)，在改良土中添加去离子水，去离子水的质量份保证膨胀土的含水率在24％；
23.(3)将添加了去离子水的改良土(所有土样)密封在水土混合配置箱中进行闷料48小时以上，使水土混合配置箱中水土充分接触、混合，形成含水量基本一致的土样，土样的干密度控制在1.50
±
0.01g/cm3，即得到通过膨胀土改良剂改良后的改良膨胀土。
24.按上述方案，所述步骤(1)中，生物炭采用木片生物炭或猪粪生物炭的比重和颗粒级配分别如表1所示：
25.表1生物炭采用木片生物炭或猪粪生物炭的比重和颗粒级配
[0026][0027]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
[0028]
1、本发明得到的膨胀土改良剂具有材料易得、成本低、对环境友好以及拌合容易等优点；
[0029]
2、根据膨胀土改良剂所得到的改良后膨胀土的力学性能良好，抗剪抗压强度得到提高；
[0030]
3、生物炭的掺入削弱土壤颗粒之间的相互排斥的力量，减少了土体大孔隙的数量，孔径相对变小，降低了膨胀土的塑性指数，从而减小土体的膨胀潜势；
[0031]
4、电镜扫描观察到生物炭的加入不仅削弱了土壤颗粒间的相互排斥力，而且促进了土壤中连接体和团聚体的形成(其中木片生物炭和膨胀土之间产生了连接体，而猪粪生物炭和膨胀土产生絮凝作用促进了团聚体的形成)，从而限制水进入土壤，降低了土壤的膨胀特性。
附图说明
[0032]
图1为本发明实施例采用膨胀土改良剂对膨胀土改良后固化效果微观检验图；
[0033]
图2为本发明实施例扫描电子显微镜观察未改良膨胀土的形态变化图；
[0034]
图3为本发明实施例扫描电子显微镜观察10％木片生物炭改良膨胀土的形态变化图；
[0035]
图4为本发明实施例扫描电子显微镜观察10％猪粪生物炭改良膨胀土的形态变化图。
具体实施方式
[0036]
为了更好的理解本发明，下面结合多个实施例对本发明的内容作进一步阐述。
[0037]
为了将未改良膨胀土(未改良的干膨胀土)和改良膨胀土做对比分析，本发明实施例分别针对未改良膨胀土、10％木片生物炭改良土、10％猪粪生物炭改良土进行试验分析。
[0038]
为了对比未改良膨胀土、10％木片生物炭改良后的改良膨胀土、10％猪粪生物炭改良后的改良膨胀土的形态变化，分别进行如下试验步骤：
[0039]
(1)分别将木片生物炭、猪粪生物炭在温度400℃及缺氧条件下热解两小时，并将热解后的木片生物炭、猪粪生物炭锤碎过2mm筛，然后将木片生物炭、猪粪生物炭置于105℃的烘箱中放置15小时以上；
[0040]
(2)将欲改良的干膨胀土和干燥的木片生物炭按木片生物炭质量占干膨胀土质量的10％的质量比例进行充分的搅拌混合，形成新的10％木片生物炭改良土；将欲改良的干膨胀土和干燥的猪粪生物炭按猪粪生物炭质量占干膨胀土质量的10％的质量比例进行充分的搅拌混合，形成新的10％猪粪生物炭改良土；
[0041]
(3)在未改良膨胀土和10％木片生物炭改良土、10％猪粪生物炭改良土中均添加去离子水，以达到相同的含水率，膨胀土的最优含水率24％；
[0042]
(4)将添加了去离子水的未改良膨胀土、10％木片生物炭改良土、10％猪粪生物炭改良土(所有土样)分别密封在一个水土混合配置箱中进行闷料48小时以上，使水土混合配置箱中水土充分接触、混合，形成含水量基本一致的土样，土样的干密度控制在1.50
±
0.01g/cm3，即得到通过膨胀土改良剂(10％木片生物炭或10％猪粪生物炭)改良后的改良膨胀土。
[0043]
检测经本发明改良剂处理后的改良膨胀土各项力学性能指标，和未改良膨胀土的力学性能指标对比如表2所示。
[0044]
表2不同生物炭含量种类改良膨胀土和未改良膨胀土无侧限抗压强度，压缩系数和抗剪强度数值对比
[0045][0046]
由表2可知，对比生物炭改良前后膨胀土的抗压、抗剪强度，发现掺入少量生物炭(5％)对膨胀土的粘聚力、内摩擦角、抗剪强度及无侧限抗压强度几乎没有影响，而当掺量超过10％时后这些指标均随着生物炭掺量的增多而逐渐增大，且木片生物炭对膨胀土抗压、抗剪强度的改善效果优于猪粪生物炭。其中木片生物炭掺量配比为15％的改良膨胀土抗压强度达到了946.41，较未改良膨胀土提升了143％，对于膨胀土的压缩性，其压缩系数随着生物炭的掺量的增大而逐渐降低，在生物炭掺量为15％时达到最小值。其中木片生物炭掺量配比为15％的改良膨胀土压缩系数为0.14，压缩系数最小，较未改良膨胀土降低了87.4％。
[0047]
另外，在规范中按压缩系数划分土的压缩性，其中未改良膨胀土属于高压缩性土，压缩性最大；经过木片生物炭进行改良之后土体的压缩系数均小于0.5mpa
‑1，属于中压缩性土；经过猪粪生物炭进行改良之后土体，生物炭掺量不超过10％时仍为高压缩性土，生物炭掺量达到15％时为中压缩性土。
[0048]
检测经本发明改良剂处理后的改良膨胀土各项膨胀性能指标，和未改良膨胀土的膨胀性能指标对比如表3所示。
[0049]
表3不同生物炭含量种类改良膨胀土和未改良膨胀土膨胀性数值对比
[0050][0051]
生物炭改良前后膨胀土自由膨胀率试验结果如表3所示，依据国家标准《膨胀土地区建筑技术规范》(gb 50112
‑
2013)判别分类方法，按自由膨胀率大小对膨胀土的膨胀潜势等级进行划分，未改良膨胀土属于中等膨胀土，而经过生物炭改良后的膨胀土的膨胀潜势均变小，其中三种掺量(5％、10％、15％)的猪粪生物炭改良土均为弱膨胀土，5％和15％掺量的木片生物炭改良土为弱膨胀土，10％掺量的木片生物炭改良土属于非膨胀土。整体来说，经过生物炭改良后膨胀土的膨胀性得到了有效的抑制，其中10％掺量的木片生物炭改良土几乎无膨胀性，达到了改良的目的。
[0052]
参照图1所示，通过rigaku smartlabll型x射线衍射仪进行x射线衍射试验，对膨
胀土固化效果微观检验，研究采用本发明膨胀土改良剂改良前后膨胀土的矿物组分的变化，其中wbs为木片生物炭改良膨胀土，pbs为猪粪生物炭改良膨胀土。结果表明，膨胀土主要由蒙脱石、伊利石、高岭石和石英组成。其中，蒙脱石由硅氧四面体和铝氧八面体结构组成。当膨胀土遇水时，蒙脱石中硅氧四面体与铝氧八面体之间的层间结合水增加，造成膨胀土晶格膨胀，从而引起土颗粒体积膨胀。因此，认为蒙脱石对膨胀土的膨胀作用影响最大。
[0053]
通过phenom台式扫描电子显微镜仪器进行电镜扫描试验，观察改良前后微观结构的变化，图2
‑
4分别是扫描电子显微镜观察未改良膨胀土和10％木片生物炭改良膨胀土、10％猪粪生物炭改良膨胀土的形态变化。由图2的未改良膨胀土10000倍放大倍数的sem显微图可观察到，膨胀土呈层状结构。边界清晰的土粒主要由致密的黏土基质组成，没有出现连接和凝絮，内部有较多的大孔隙。而生物炭改良土样的sem显微图表明，加入生物炭后，土壤发生了明显的形态变化。电镜扫描观察到木片生物炭的微观结构呈蜂窝状，图3为10％木片生物炭改良膨胀土的微观孔隙结构，可观察到孔隙半径减小，形成了新的棱角更锋利的连接体，这是因为生物炭掺合料与土壤矿物之间发生了吸附和阳离子交换而导致的。同时可以看出木片生物炭对团聚体的形成没有明显的影响。图4为10％猪粪生物炭改良膨胀土的微观孔隙结构，可以看出生物炭充填了黏土颗粒间的部分孔隙，使黏土颗粒的孔径分布更加均匀，减少了土体大孔隙的数量，孔径相对变小；同时产生了絮凝作用，进一步刺激了团聚体的形成，从而限制水进入土壤，导致膨胀率降低。
[0054]
综合上述所有实施例分析，膨胀土改良剂采用10％木片生物炭时效果最好。
[0055]
特别地，实施例中添加去离子水的重量份保证膨胀土的最优含水率24％，只有24％的时候土的干密度才能达到最大干密度，渗透性才最低，而如果只是要相对比较好的效果可以用区间范围，不限定具体比例，干密度同理。
[0056]
对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述设计的原理都应当属于本发明的保护范围。